CN105140546A - 一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，包括电池壳体，固定在所述电池壳体上将所述内腔分割为甲醇燃料腔和蒸汽腔的渗透汽化膜，所述蒸汽腔的上方由下至上依次层叠设置有阳极流场板、膜电极、阴极流场板，所述电池壳体的开口端绝缘地设置有压覆在阴极集电板上的空心盖板，所述阳极流场板与膜电极的阳极侧之间设置有具有亲水性质的亲水多孔板，所述膜电极的阴极侧与阴极流场板之间设置有具有疏水性质的疏水多孔板。本发明既保证甲醇的持续汽化供料，又能在促进阴极水反补到阳极参与反应的同时，抑制甲醇穿透，保证电池输出性能的前提下，有效提高电池能量密度，实现电池高浓度甲醇甚至纯甲醇供料，大幅延长电池的工作时间。

Description

一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池。
背景技术
蒸汽被动式直接甲醇燃料电池(V-DMFC)因为其更高的能量密度、更弱的甲醇穿透现象、延长的工作时间，具有更广泛的开发和研究价值，但是V-DMFC的蒸汽供给方式以及合理的管理方法成为抑制V-DMFC整体性能提高的关键因素，特别是对于实现V-DMFC的纯甲醇供料，这一点显得尤为重要。
目前为V-DMFC提供甲醇蒸汽的方法主要是依靠加热液态甲醇燃料，产生高温高压的甲醇蒸汽，但是高温甲醇蒸汽参与反应时导致质子交换膜的通透性增强，从而导致更严重的甲醇穿透现象和燃料浪费；而常温状态下依靠渗透气化技术获得的甲醇蒸汽往往浓度太低，会造成较为严重的浓差极化，阻碍了电池性能的提高，而且渗透汽化技术得到的气态燃料存在甲醇含量明显大于水含量的问题，使得反应物浓度比例失衡，难以维持电池高效工作。而对于纯甲醇燃料供给，渗透汽化得到高浓度的甲醇蒸汽，不仅会造成严重的甲醇穿透现象，而且得到的甲醇蒸汽会存在饱和现象，导致甲醇蒸汽分压偏低，形成严重的浓差极化现象。
发明内容
为提高蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池的能量密度，实现电池的纯甲醇供料，延长电池的工作时间，本发明采用渗透汽化膜作为电池的甲醇蒸汽供给工作原件，实现常温状态下的蒸汽供给；通过阳极集电板和亲水模块的组合，实现阳极蒸汽燃料的管理，在亲水模块的毛细吸水作用下，将甲醇蒸汽吸附于该模块的毛细微孔内部，保证渗透汽化模块的持续工作，同时提高参与反应的甲醇量，而且，亲水模块的多孔组织可以有效提高其阻醇性能，抑制甲醇穿透；通过阴极集电板和疏水模块的组合，实现阴极产物的水的反补到阳极参与阳极电极反应，该模块成为纯甲醇供料实现的关键。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，包括具有开口内腔的电池壳体，固定在所述电池壳体上将所述内腔分割为甲醇燃料腔和蒸汽腔的渗透汽化膜，所述蒸汽腔的上方由下至上依次层叠设置有阳极流场板、膜电极、阴极流场板，所述膜电极的阴极侧与固定在电池壳体上的阴极集电板电路连接，所述膜电极的阳极侧与固定在电池壳体上的阳极集电板电路连接，所述电池壳体的开口端绝缘地设置有压覆在阴极集电板上的空心盖板，所述阳极流场板与膜电极的阳极侧之间设置有具有亲水性质的亲水多孔板，所述亲水多孔板的亲水面与膜电极的阳极侧的扩散层相接处；所述膜电极的阴极侧与阴极流场板之间设置有具有疏水性质的疏水多孔板，所述疏水多孔板的疏水面与膜电极的阴极侧的扩散层相接触。
进一步地，所述亲水多孔板为由金属粉末烧结而成的多孔金属板，其孔隙率为60%-90%厚度为1~3mm。
进一步地，所述的金属粉末为铜粉或不锈钢粉。
进一步地，所述金属粉末粒径为75~125μm。
进一步地，所述疏水多孔板为由金属纤维烧结而成的多孔金属板经表面疏水处理而成，其孔隙率为70%~80%，厚度为1~3mm。
进一步地，所述的金属纤维为铜纤维或不锈钢纤维。
进一步地，所述金属纤维的直径为100~300um。
进一步地，所述蒸汽腔内至少设置有一块将蒸汽腔分层的亲水多孔板，形成多层气体缓冲结构，电池的二氧化碳排放孔位于多层气体缓冲结构的中部，其目的是：在亲水模块的毛细多孔组织作用下，以保证渗透汽化模块的持续工作为前提，有效提高其阻醇性能，实现更加合理的甲醇供料方式。
进一步地，所述蒸汽腔内由上向下的第一块亲水多孔板与阳极流场板之间设置有防止阳极水分流失的疏水多孔板，其目的是为阳极侧的反应提供必要的水，保证电极反应的顺畅进行。
相对于现有技术，本发明的具有如下优点：
（1）本发明采用了渗透汽化膜与位于阳极侧的亲水多孔板共同作用为阳极提供甲醇燃料，既避免了甲醇汽化的饱和问题，同时也起到了阻碍甲醇穿透的作用。
（2）本发明采用位于阴极侧的疏水多孔板对水进行管理，并通过与阳极侧的亲水多孔板的共同作用，对水形成阴极→阳极的抽力，迫使水从阴极到阳极反补运动，这不但为电池的纯甲醇供料提供了前提，水的反补也阻碍了阳极甲醇的穿透，提高了电池的性能和燃料利用率。
（3）本发明通过渗透汽化膜与阳极侧的亲水多孔板、阴极侧的疏水多孔板的共同作用，形成完整的纯甲醇供料体系，使得电池在保证性能的前提下，实现了对电池的纯甲醇供料，从而大大提高了电池的能量密度，延长了电池的工作时间。
（4）本发明采用现有烧结工艺制备亲水多孔板和疏水多孔板，工艺简单易于掌握，而且成本低，易于实现商业化生产。
附图说明
图1是本发明的燃料电池装配示意图；
图2是实例1中电池测试性能曲线图。
图中所示为：1-盖板；2-阴极集电板；3-疏水多孔板；4-亲水多孔板；5-阳极集电板；6-蒸汽腔；7-渗透汽化膜；8-甲醇燃料腔；9-电池壳体；10-阳极流场板；11-膜电极；12-阴极流场板。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图1所示，一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，包括具有开口内腔的电池壳体9，固定在所述电池壳体9上将所述内腔分割为甲醇燃料腔8和蒸汽腔6的渗透汽化膜7，本实施例的渗透汽化膜7采用杜邦公司的N117质子交换膜，其有效工作面积与蒸汽腔6开口面积同为28mmx28mm，
所述蒸汽腔6的上方由下至上依次层叠设置有阳极流场板10、膜电极11、阴极流场板12，所述膜电极11的阴极侧与固定在电池壳体9上的阴极集电板2电路连接，所述膜电极11的阳极侧与固定在电池壳体9上的阳极集电板5电路连接，所述电池壳体9的开口端绝缘地设置有压覆在阴极集电板2上的空心盖板1，所述阳极流场板10与膜电极11的阳极侧之间设置有具有亲水性质的亲水多孔板4，所述亲水多孔板4的亲水面与膜电极11的阳极侧的扩散层相接处；所述膜电极11的阴极侧与阴极流场板12之间设置有具有疏水性质的疏水多孔板3，所述疏水多孔板3的疏水面与膜电极11的阴极侧的扩散层相接触，膜电极11的反应区域面积为3cmx3cm。
具体来说，本实施例中所述亲水多孔板4由粒径为75~125μm的铜粉烧结而成，尺寸参数为32mmx32mm，其孔隙率为60%-90%，厚度为1mm
具体来说，本实施例中所述疏水多孔板3由直径为100~300um的铜纤维烧结而成并经表面疏水处理而成，其孔隙率为70%~80%，，接触角为130o。
本实施例中，所述阳极流场板10采用开孔率为64%的大圆孔阵列，阴极流场板12采用开孔率为28%的小圆孔阵列。
本实施例中，所述蒸汽腔6内设置有一块将蒸汽腔6分层的亲水多孔板4，形成多层气体缓冲结构，电池的二氧化碳排放孔位于多层气体缓冲结构的中部。
本实施例中，所述蒸汽腔6内由上向下的第一块亲水多孔板4与阳极流场板10之间设置有防止阳极水分流失的疏水多孔板3。
甲醇燃料腔8为液态甲醇的暂存空间，液态甲醇在渗透汽化膜7中发生吸附-溶解-释放的过程，由于甲醇具有易挥发性质，会在蒸汽腔6中挥发形成甲醇蒸汽，形成的甲醇蒸汽经过扩散过程后充满蒸汽腔6，并通过阳极流场板10的圆孔阵列均匀到达亲水烧结板4，甲醇蒸汽在蒸汽腔6中蓄积后达到饱和状态，并且向低浓度区域即膜电极扩散，到达亲水烧结板4的甲醇蒸汽会在毛细作用下被吸附蓄积，并在亲水烧结板4中均匀扩散，通过控制亲水烧结板4的孔隙率参数可以达到控制甲醇浓度的目的。这一系列运动的结果导致蒸汽腔6中的饱和甲醇蒸汽浓度降低，使得渗透汽化继续进行，重复汽化-扩散-吸附的运动过程，使得供料与反应持续不断进行。
纯甲醇供料的形式使得在阳极供料只有甲醇，但是由于电池的阳极反应需要水的参与，所以，阴极区一侧的疏水多孔板3可以将阴极反应产生的水受迫反补到阳极侧参与阳极电极反应，同时在阳极侧蒸汽腔中设置疏水多孔板3防止阳极侧水分的流失。具体的工作原理为：在阴极侧，空气通过盖板1、阴极流场板12中的圆孔进入到疏水多孔板3，到达电池膜的电极区域反应，阴极反应产物水在疏水多孔板3的疏水作用下，使得水不能排出，并不断蓄积，蓄积水在疏水烧结板3的排斥作用下，被迫向阳极区水浓度低的区域扩散，而参与阳极区的电极反应，从而实现阴极水反补，同时水的反补运动可以抑制阳极甲醇向阴极区穿透，对提高电池的输出性能，提高燃料利用率具有促进作用。
将本实施例提供的直接甲醇燃料电池组件组装，并为其提供高浓度甲醇溶液燃料，16mol·L-1以及纯甲醇，进行电池输出性能测试，同时与液态供给被动式直接甲醇燃料电池的输出性能曲线进行比较，并为液态供给被动式直接甲醇燃料电池提供最佳甲醇浓度的燃料。
得到的测试曲线如图2所示，从曲线中可以看出，当气态燃料供给情况下，相比于液体供料方式的DMFC，V-DMFC具有更高的能量密度，甚至当供给16M甲醇溶液时，V-DMFC具有更强劲的输出性能；纯甲醇供料的V-DMFC的输出性能也优于DMFC，极限电流密度超过DMFC约17%。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，包括具有开口内腔的电池壳体(9)，固定在所述电池壳体(9)上将所述内腔分割为甲醇燃料腔(8)和蒸汽腔(6)的渗透汽化膜(7)，所述蒸汽腔(6)的上方由下至上依次层叠设置有阳极流场板(10)、膜电极(11)、阴极流场板(12)，所述膜电极(11)的阴极侧与固定在电池壳体(9)上的阴极集电板(2)电路连接，所述膜电极(11)的阳极侧与固定在电池壳体(9)上的阳极集电板(5)电路连接，所述电池壳体(9)的开口端绝缘地设置有压覆在阴极集电板(2)上的空心盖板(1)，其特征在于：
所述阳极流场板(10)与膜电极(11)的阳极侧之间设置有具有亲水性质的亲水多孔板(4)，所述亲水多孔板(4)的亲水面与膜电极(11)的阳极侧的扩散层相接处；所述膜电极(11)的阴极侧与阴极流场板(12)之间设置有具有疏水性质的疏水多孔板(3)，所述疏水多孔板(3)的疏水面与膜电极(11)的阴极侧的扩散层相接触。
2.根据权利要求1所述的实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述亲水多孔板(4)为由金属粉末烧结而成的多孔金属板，其孔隙率为60%-90%，厚度为1~3mm。
3.根据权利要求2所述的实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述的金属粉末为铜粉或不锈钢粉。
4.根据权利要求2所述的实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述金属粉末粒径为75~125um。
5.根据权利要求1所述的实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述疏水多孔板(3)为由金属纤维烧结而成的多孔金属板经表面疏水处理而成，其孔隙率为70%~80%，厚度为1~3mm。
6.根据权利要求5所述的实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述的金属纤维为铜纤维或不锈钢纤维。
7.根据权利要求5所述的实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述金属纤维的直径为100~300um。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述蒸汽腔(6)内至少设置有一块将蒸汽腔(6)分层的亲水多孔板(4)，形成多层气体缓冲结构，电池的二氧化碳排放孔位于多层气体缓冲结构的中部。
9.根据权利要求8所述的一种实现直接甲醇燃料电池纯甲醇供料的燃料电池，其特征在于：所述蒸汽腔(6)内由上向下的第一块亲水多孔板(4)与阳极流场板(10)之间设置有防止阳极水分流失的疏水多孔板(3)。
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