CN105390720A - 一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池及其物料反应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，包括组件，组件上包括甲醇腔；依次对称排布于甲醇腔两侧的阳极流场板、膜电极组件和阴极流场板，所述甲醇腔包括物料储存区和物料反应区，所述物料储存区和物料反应区通过物料孔连通；所述物料储存区位于甲醇腔上部，所述物料反应区位于甲醇腔下部；本发明结构简单，工作环境稳定，寄生功耗小，无需甲醇溶液浓度传感器，能够实现浓甲醇溶液较均匀的补给。成本低，工作效率高。
Description
技术领域
本发明涉及液体燃料电池，具体涉及一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池及其物料反应方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell，DMFC)是一种以甲醇水溶液和空气(或氧气)为燃料，直接将化学能转化为电能的清洁能源。由于DMFC工作过程中没有燃烧，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，因此其能量转换效率极高(大约为60％～80％)。同时，它还具有结构简单、环境友好、噪音低和燃料多样化等优点，在便携式电子产品和微机电系统等领域有着广泛的应用前景。
DMFC由膜电极组件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)、阳极流场板和阴极流场板组成。其中，MEA由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层按照顺序压合在一起；流场板在朝向膜电极组件的一侧附有金属层或者直接采用金属材料，用于收集电流，同时流场板上加工有微沟道用于均匀分配反应物。工作时，甲醇水溶液通过阳极流场板经由阳极多孔扩散层到达阳极催化层发生氧化反应，生成二氧化碳、质子和电子；质子在电场作用下穿过质子交换膜迁移至阴极催化层，与扩散至阴极催化层的氧气发生还原反应，生成水；而电子则通过外电路进入阴极，并驱动负载工作。由此可见，燃料电池需要源源不断地供给新鲜的甲醇溶液和氧气(或空气)并及时排出反应产物才能持续发电。由此可见，DMFC反应物的及时供给和生成物的顺利排出是其能够长期稳定地运行的前提条件。因此，对反应物和生成物的物料管理是制约DMFC发展的关键因素。
根据甲醇溶液的供给方式，阳极物料管理可以分为主动管理和被动管理。主动管理采用流体输运设备来输运甲醇溶液和排出CO2气泡，有利于阳极反应物和生成物的有序化管理，且能够满足甲醇溶液浓度均匀性和一致性要求。美国专利(US20040247954A1)提出了一种直接甲醇燃料电池的甲醇溶液浓度控制方法，根据燃料电池的电压变化曲线、极化曲线等特性确定需要补给的甲醇溶液浓度，省去了结构复杂且价格昂贵的甲醇溶液浓度传感器。但是其相对复杂的系统和较大的寄生功耗增加了DMFC的内部消耗。被动管理的基本思想是利用DMFC中毛细作用力、气泡驱动力或者重力等作用力实现物料有序化输运和管理，具有无寄生功耗优点。文献(JiguchiTT,AbdelkareemMA,KudoT,etal.DevelopmentofapassivedirectmethanolfuelcellstackforhighmethanolConcentration[J].JournalofPowerSources,2010,195:5975–5979)采用多孔碳板实现浓甲醇/纯甲醇的自动进料，但是随着反应进行，浓甲醇溶液液面的降低和阴极生成的水对甲醇溶液的稀释作用都会使电池的功率密度缓慢降低。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池及其物料反应方法，无需甲醇溶液浓度传感器，通过简单的结构实现甲醇溶液进料，解决了现有技术中电池功率低、电池昂贵的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：包括组件，组件上包括甲醇腔；依次对称排布于甲醇腔两侧的阳极流场板、膜电极组件和阴极流场板，所述甲醇腔包括物料储存区和物料反应区，所述物料储存区和物料反应区通过物料孔连通；所述物料储存区位于甲醇腔上部，所述物料反应区位于甲醇腔下部；
物料储存区包括循环泵出液管和液位传感器连接管，所述循环泵出液管横向贯穿于物料储存区；所述循环泵出液管管壁下侧包括若干循环泵出液口；
物料反应区包括循环泵进液管和供给泵出液管，所述供给泵出液管横向贯穿于物料反应区；所述供给泵出液管管壁上侧包括若干供给泵出液口。
进一步的，所述供给泵出液口直径小于供给泵出液管内径。
一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池的物料反应方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
电池工作时，物料反应区的甲醇溶液通过阳极流场板上点阵式自呼吸孔在浓度扩散的作用下到达扩散层，进而进入催化层，参加氧化反应；随着反应的进行，甲醇溶液不断消耗，物料反应区的甲醇溶液液位和浓度都降低，物料存储区的甲醇溶液从物料孔进入物料反应区，以补充消耗的甲醇溶液；
当液位传感器监测到甲醇腔中甲醇溶液的液位到达下限时，被动式直接甲醇燃料电池中断工作，供给泵开始工作；供给泵将甲醇罐中的浓甲醇通过供给泵出液管送进物料储存区，浓甲醇经扩散作用与物料反应区中的甲醇溶液混合；
当液位传感器监测到甲醇腔中甲醇溶液的液位到达上限时，供给泵停止工作，循环泵开始工作；浓甲醇溶液被循环泵通过循环泵进液管从物料反应区抽出，然后经循环泵出液管从循环泵出液口被送进物料储存区，与反应后的稀甲醇溶液混合，最后经由物料孔进入物料反应区；经过多次的循环搅拌，甲醇腔中得到浓度均匀的甲醇溶液；
循环泵工作一段时间后，停止工作，被动式直接甲醇燃料电池恢复正常工作；所有部分的起停控制通过电源管理模块实现。
有益效果：本发明提供的一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，结构简单，工作环境稳定，寄生功耗小，无需甲醇溶液浓度传感器，能够实现浓甲醇溶液较均匀的补给。成本低，工作效率高。
附图说明
图1为采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池三维爆炸视图；
图2为甲醇腔剖视图；
图3为被动式直接甲醇燃料电池浓甲醇进料管理示意图；
其中：1-甲醇腔，2-阳极流场板，3-膜电极组件，4-阴极流场板，5-循环泵出液管，6-液位传感器连接管，7-循环泵进液管，8-物料孔，9-供给泵出液管，a-螺栓孔，b-循环泵出液口，c-甲醇溶液，d-供给泵出液口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：包括组件，组件上包括甲醇腔1；依次对称排布于甲醇腔1两侧的阳极流场板2、膜电极组件3和阴极流场板4，所述甲醇腔1包括物料储存区和物料反应区，所述物料储存区和物料反应区通过物料孔8连通；所述物料储存区位于甲醇腔1上部，所述物料反应区位于甲醇腔1下部；
如图2所示，物料储存区包括循环泵出液管5和液位传感器连接管6，所述循环泵出液管5横向贯穿于物料储存区；所述循环泵出液管5管壁下侧包括若干循环泵出液口b；
物料反应区包括循环泵进液管7和供给泵出液管9，所述供给泵出液管9横向贯穿于物料反应区；所述供给泵出液管9管壁上侧包括若干供给泵出液口d。
进一步的，所述供给泵出液口d直径小于供给泵出液管9内径。
一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池的物料反应方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
电池工作时，物料反应区的甲醇溶液通过阳极流场板2上点阵式自呼吸孔在浓度扩散的作用下到达扩散层，进而进入催化层，参加氧化反应；随着反应的进行，甲醇溶液不断消耗，物料反应区的甲醇溶液液位和浓度都降低，物料存储区的甲醇溶液从物料孔8进入物料反应区，以补充消耗的甲醇溶液；
当液位传感器监测到甲醇腔1中甲醇溶液的液位到达下限时，被动式直接甲醇燃料电池中断工作，供给泵开始工作；供给泵将甲醇罐中的浓甲醇通过供给泵出液管9送进物料储存区，浓甲醇经扩散作用与物料反应区中的甲醇溶液混合；
当液位传感器监测到甲醇腔1中甲醇溶液的液位到达上限时，供给泵停止工作，循环泵开始工作；浓甲醇溶液被循环泵通过循环泵进液管7从物料反应区抽出，然后经循环泵出液管5从循环泵出液口b被送进物料储存区，与反应后的稀甲醇溶液混合，最后经由物料孔8进入物料反应区；经过多次的循环搅拌，甲醇腔1中得到浓度均匀的甲醇溶液；
循环泵工作一段时间后，停止工作，被动式直接甲醇燃料电池恢复正常工作；所有部分的起停控制通过电源管理模块实现。
实施例
一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，如图1所示，由甲醇腔1以及对称分布于甲醇腔两侧阳极流场板2、膜电极组件3、阴极流场板4组成。燃料电池采用被动式工作方式，阳极流场和阴极流场均采用点阵式流场结构。采用螺栓将被动式直接甲醇燃料电池按照阴极流场板4、膜电极组件3、阳极流场板2、甲醇腔1、阳极流场板2、膜电极组件3、阴极流场板4的顺序组装在一起，两侧燃料电池堆共用一个甲醇腔1。
如图2所示，甲醇腔1包含储存物料区和物料反应区两部分，储存物料区为甲醇腔上部的大长方形区域，物料反应区由甲醇腔下部的竖直方向平行排列的多个小长方形区域组成。储存物料区和物料反应区的甲醇溶液通过物料孔8连通，使得储存物料区的甲醇溶液能够及时地补充至物料反应区。甲醇腔1上部的储存物料区安装有循环泵出液管5和液位传感器连接管6，循环泵出液管5横向贯穿于储存物料区，管壁上有多个循环泵出液口b；甲醇腔1下部的物料反应区安装有循环泵进液管7和供给泵出液管9，供给泵出液管9横向贯穿于物料反应区，管壁上有多个供给泵出液口d。
如图3所示，甲醇腔1有四个与外部连接的管：循环泵出液管5、液位传感器连接管6、循环泵进液管7和供给泵出液管9。液位传感器连接管6位于储存物料区侧壁的下侧，它与装有液位传感器的储存罐相连，使得甲醇腔1中甲醇溶液的液位与储存罐中的溶液液位相等，液位传感器通过监测储存罐中溶液的液体位置而间接监测甲醇腔1中甲醇溶液的液位。供给泵出液管9与供给泵的出口相连，位于物料反应区侧壁的右下侧，并且贯穿整个物料反应区，其上有多个朝上的供给泵出液口d。循环泵进液管7与循环泵的入口相连接，位于物料反应区侧壁的左上侧；循环泵出液管5与循环泵的出口相连接，位于储存物料区侧壁的上侧，并且贯穿整个储存物料区，其上有多个朝下的循环泵出液口b。
燃料电池工作时，物料反应区的甲醇溶液通过阳极流场板上点阵式自呼吸孔在浓度扩散的作用到达扩散层，进而进入催化层，参加氧化反应。随着反应的进行，甲醇溶液不断消耗，物料反应区的甲醇溶液液位和浓度都降低，储存物料区的甲醇溶液从物料孔进入物料反应区，以补充消耗的甲醇溶液。当液位传感器监测到甲醇腔1中甲醇溶液的液位到达下限时，被动式直接甲醇燃料电池中断工作，供给泵开始工作。供给泵将甲醇罐中的浓甲醇通过供给泵出液管9送进储存物料区，浓甲醇经扩散作用与甲醇腔反应区中的甲醇溶液混合。为了使燃料能够均匀地注入甲醇腔各个区域，供给泵出液管9有多个朝上的供给泵出液口d；供给泵出液口d的孔径较小，目的是为了增大液体流出的速度，以起到搅拌燃料的作用。当液位传感器监测到甲醇腔1中甲醇溶液的液位到达上限时，供给泵停止工作，循环泵开始工作。浓甲醇溶液被循环泵通过循环泵进液管7从物料反应区抽出，然后经循环泵出液管5从循环泵出液口b被送进储存物料区，与反应后的稀甲醇溶液混合，最后经由物料孔8进入物料反应区。经过多次的循环搅拌，使整个甲醇腔1中甲醇溶液浓度均匀。循环泵工作一段时间后，停止工作，被动式直接甲醇燃料电池恢复正常工作。各部分工作的起停控制通过电源管理模块实现。
本发明实现了被动式直接甲醇燃料电池的浓甲醇进料物料管理，无需甲醇溶液浓度传感器，结构简单，工作稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：包括组件，组件上包括甲醇腔(1)；依次对称排布于甲醇腔(1)两侧的阳极流场板(2)、膜电极组件(3)和阴极流场板(4)，所述甲醇腔(1)包括物料储存区和物料反应区，所述物料储存区和物料反应区通过物料孔(8)连通；所述物料储存区位于甲醇腔(1)上部，所述物料反应区位于甲醇腔(1)下部；
物料储存区包括循环泵出液管(5)和液位传感器连接管(6)，所述循环泵出液管(5)横向贯穿于物料储存区；所述循环泵出液管(5)管壁下侧包括若干循环泵出液口(b)；
物料反应区包括循环泵进液管(7)和供给泵出液管(9)，所述供给泵出液管(9)横向贯穿于物料反应区；所述供给泵出液管(9)管壁上侧包括若干供给泵出液口(d)。
2.如权利要求1所述的一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述供给泵出液口(d)直径小于供给泵出液管(9)内径。
3.如权利要求1所述的一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池的物料反应方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
电池工作时，物料反应区的甲醇溶液通过阳极流场板(2)上点阵式自呼吸孔在浓度扩散的作用下到达扩散层，进而进入催化层，参加氧化反应；随着反应的进行，甲醇溶液不断消耗，物料反应区的甲醇溶液液位和浓度都降低，物料存储区的甲醇溶液从物料孔(8)进入物料反应区，以补充消耗的甲醇溶液；
当液位传感器监测到甲醇腔(1)中甲醇溶液的液位到达下限时，被动式直接甲醇燃料电池中断工作，供给泵开始工作；供给泵将甲醇罐中的浓甲醇通过供给泵出液管(9)送进物料储存区，浓甲醇经扩散作用与物料反应区中的甲醇溶液混合；
当液位传感器监测到甲醇腔(1)中甲醇溶液的液位到达上限时，供给泵停止工作，循环泵开始工作；浓甲醇溶液被循环泵通过循环泵进液管(7)从物料反应区抽出，然后经循环泵出液管(5)从循环泵出液口(b)被送进物料储存区，与反应后的稀甲醇溶液混合，最后经由物料孔8进入物料反应区；经过多次的循环搅拌，甲醇腔(1)中得到浓度均匀的甲醇溶液；
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