CN108767287A - 用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极co2的复合流场板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板。所述复合流场板由开放式栅状集电板及传质管理层组合而成；所述开放式栅状集电板与膜电极贴合，具有多条宽度为0.5~1.5mm的直通槽道，肋宽为0.5~1.5mm，开孔率为40%~60%；传质管理层通过固定板与开放式栅状集电板紧密贴合。本发明中开放式栅状集电板可实现对CO2气体的定向排出使其形成具有自驱动排放效应的排放行为，实现在槽道内的强化传质。传质管理层不仅能实现对CO2气体流向的控制，实现气液传输通道分离，而且能保证不损害电池性能的情况下供应较高浓度的甲醇溶液，提高电池的续航能力。该复合流场板在保证更高电池输出性能的前提下，有效提高电池能量密度，大幅提高电池的性能及延长工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板。
背景技术
随着便携式电子设备变得越来越复杂，能量需求越来越高，传统二次电池已经很难再满足能量密度及续航性能的要求。在这种情况下直接甲醇燃料电池凭借其能量密度高，即时补充燃料，操作安全和续航能力强等优势，成为潜在的传统二次电池的替代品而受到广泛的研究。特别是被动式直接甲醇燃料电池，其结构紧凑，操作温度低和不存在寄生功率，更适用于便携设备。
尽管众多的研究学者对被动式直接甲醇燃料电池的各个方面进行了深入的研究，但仍然有技术瓶颈阻碍直接甲醇投入到实际应用中。其中，阳极产生的CO2对电池性能会带来许多负面作用。CO2的积聚，会导致阳极甲醇溶液供应不均匀且阻碍催化反应的进行，对电池性能产生极大的削弱。然而，至今仍未有根本性的解决方法。在现有的技术中，更多的是采用大开孔率的集电板来促进CO2的排放。然而，大开孔率的集电板却容易造成在使用较高浓度甲醇溶液时产生较为严重的甲醇穿透。穿透的甲醇会造成过电位，降低燃料利用率，影响发电效率，此外，甲醇在阴极催化剂的作用下直接与氧气发生反应，容易造成阴极氧气短缺，且其产物对阴极催化剂有一定毒害作用，对电池具有极大的危害。虽然使用低浓度的甲醇溶液能有效缓解甲醇穿透现象，但是其能量密度却显著降低。此外，在高电流密度工况下，容易形成浓差极化现象，影响电池性能。因此，能否设计出一种既能促进阳极CO2排放，又能有效抑制甲醇穿透的流场结构，对被动式直接甲醇燃料电池性能的提升具有积极的意义。
发明内容
为促进被动式直接甲醇燃料电池阳极CO2的排放，同时抑制甲醇穿透现象，提升电池的综合性能，本发明提供了一种新型复合流场结构，开放式集电板对阳极CO2具有定向排出作用，可将气泡直接经过集电板排出到外部环境中，形成气液通道分离的内部传质方式。此外，CO2在集电板槽道内，形成自驱动排放行为，有效促进气泡的排放，减少其在阳极的积累。传质管理层则一方面辅助保证CO2在槽道内进行传输，阻碍其进入燃料腔，实现气液通道分离；另一方面，提供足够的甲醇传质阻力，缓解在较高浓度甲醇溶液下的甲醇穿透现象。通过开放式集电板及传质管理层的组合，实现被动式直接甲醇燃料电池阳极 CO2的及时排出以及利用其活跃传输行为强化槽道内传质，同时实现甲醇穿透现象的抑制，最终提高被动式直接甲醇燃料电池的性能。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其由开放式栅状集电板及传质管理层组合而成，能够实现阳极CO2的有效管理及利用。其中开放式栅状集电板通过垫片与膜电极贴合，具有实现CO2定向排出的作用；传质管理层为多孔烧结金属纤维毡，由固定板将传质管理层与开放式栅状集电板紧密贴合。
进一步的，所述开放式栅状集电板由1～3mm厚的不锈钢平板经线切割加工而成，切割加工后形成多条槽道，使得电池阳极CO2直接经过开放式栅状集电板排出到外部环境中。
进一步的，所述开放式栅状集电板所具有的所述槽道呈单边开放状态即一端不被开放式栅状集电板板材围住，所述槽道宽度为0.5～1.5mm；开放式栅状集电板中形成栅状的肋宽为0.5～1.5mm，开孔率为40％～60％。
进一步的，所述栅状包括左中右三部分，每部分均包括多条槽道，中间部分形成的槽道的长度小于左、右两部分形成的槽道的长度。
进一步的，传质管理层为具有一定亲水作用的1～3mm厚的多孔烧结金属纤维毡。
进一步的，多孔烧结金属纤维毡中的金属纤维为铜纤维或不锈钢纤维。
进一步的，所述的传质管理层孔隙率为60％～90％，其金属纤维直径为 80～320um。
进一步的，所述固定板为中间镂空的不锈钢固定板。
进一步的，所述垫片为聚四氟乙烯垫片。
相对于现有技术，本发明的具有如下优点：
(1)本发明可改变气泡的传输方式，形成自驱动排放行为，该行为具有强化传质功能，有效保证阳极甲醇溶液的供应，同时可保证更高效地将阳极产生的气泡排出。
(2)将气泡直接经过集电板排出到外部环境中，形成气液通道分离的内部传质方式。
(3)在促进CO2排放的同时，提供足够的甲醇传质阻力，在供应较高浓度甲醇溶液的工况下，有效抑制甲醇穿透现象。
(4)通过开放式栅状集电板及传质管理层的组合，实现被动式直接甲醇燃料电池阳极CO2的及时排出以及利用其活跃传输行为强化槽道内传质，同时抑制甲醇穿透现象，最终提高被动式直接甲醇燃料电池的性能。
附图说明
图1是本发明的燃料电池装配示意图；
图2是本发明的开放式栅状集电板示意图；
图3是实例1中电池测试性能曲线图。
图中所示为：1-阳极盖板；2-硅胶垫片；3-不锈钢固定板；4-传质管理层； 5-开放式栅集电板；6-聚四氟乙烯垫片；7-膜电极；8-阴极集电板；9-阴极盖板。
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。
图1为采用新型复合流场板的电池的装配示意图。从阳极到阴极依次为阳极盖板1，硅胶垫片2，不锈钢固定板3，传质管理层4，硅胶垫片2，开放式栅集电板5，聚四氟乙烯垫片6，膜电极7，聚四氟乙烯垫片6，阴极集电板8，硅胶垫片2，阴极盖板9。
进一步实施的，本实施例中所述开放式栅状集电板由2mm厚的304不锈钢平板经线切割加工而成，有13个1mm宽的槽道，每条槽道单边呈开放状态，开孔率为50％，可实现电池阳极CO2直接经过集电板排出到外部环境中。
进一步实施的，本实施例中所述的传质管理层是由金属纤维烧结而成的多孔金属纤维毡，厚度为2mm。
进一步实施的，本实施例中所述的金属纤维为铜纤维。
进一步实施的，本实施例中所述的金属纤维直径为100～150um，烧结成型所得传质管理层孔隙率为90％。
进一步实施的，本实施例中传质管理层通过中间镂空的304不锈钢固定板固定，保证其与开放式集电板紧密贴合。
进一步实施的，本实施例中阴极集电板为开孔率为28％的小排孔阵列集电板。
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8mol/L浓度的甲醇溶液燃料，进行电池输出性能测试，在其他条件相同的情况下，同时与采用相同槽道排布及开孔率的传统栅状流场板及水平栅状流场板的被动式直接甲醇燃料电池的输出性能曲线进行比较。本实验在温度为25℃，相对湿度为80％，气压为标准大气压下进行。
得到的测试曲线如图3所示，从曲线中可以看出，被动式直接甲醇燃料电池采用本发明的复合流场板比采用传统栅状集电板及水平栅状集电板的电池具有更高的能量密度和极限电流密度，性能分别提升近17％和40％。
本发明开放式栅状集电板可实现对CO2气体的定向排出使其形成具有自驱动排放效应的排放行为，实现在槽道内的强化传质。传质管理层不仅能实现对CO2气体流向的控制，实现气液传输通道分离，而且能保证不损害电池性能的情况下供应较高浓度的甲醇溶液，提高电池的续航能力。该复合流场板在保证更高电池输出性能的前提下，有效提高电池能量密度，大幅提高电池的性能及延长工作时间。
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.用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于由开放式栅状集电板及传质管理层组合而成；其中开放式栅状集电板通过垫片与膜电极贴合，具有实现CO2定向排出的作用；传质管理层为多孔烧结金属纤维毡，由固定板将传质管理层与开放式栅状集电板紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：所述开放式栅状集电板由1~3mm厚的不锈钢平板经线切割加工而成，切割加工后形成多条槽道，使得电池阳极CO2直接经过开放式栅状集电板排出到外部环境中。
3.根据权利要求2所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：所述开放式栅状集电板所具有的所述槽道呈单边开放状态即一端不被开放式栅状集电板板材围住，所述槽道宽度为0.5~1.5mm；开放式栅状集电板中形成栅状的肋宽为0.5~1.5mm，开孔率为40%~60%。
4.根据权利要求3所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：所述栅状包括左中右三部分，每部分均包括多条槽道，中间部分形成的槽道的长度小于左、右两部分形成的槽道的长度。
5.根据权利要求1所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：多孔烧结金属纤维毡厚度为1~3mm。
6.根据权利要求5所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：多孔烧结金属纤维毡中的金属纤维为铜纤维或不锈钢纤维。
7.根据权利要求6所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：所述的传质管理层孔隙率为60%~90%，其金属纤维直径为80~320um。
8.根据权利要求1所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：所述固定板为中间镂空的不锈钢固定板。
9.根据权利要求1所述的用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板，其特征在于：所述垫片为聚四氟乙烯垫片。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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