CN109830719A - 燃料均匀分布逐级利用燃料电池及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料均匀分布逐级利用燃料电池及其工作方法，纵向均匀流场高效燃料电池包括阳极流场板和阴极流场板，阳极流场板和阴极流场板中均独立设置原料供应管路和支路，产物排出管路和支路，而且设置作为产物二次回收利用的氢气产物排出管路、氢气供给管路及支路，氧气产物排出管路、阵列状氧气供给支路，不仅原料和产物分离输送，而且将产物氧气和氢气引入电极中二次利用；为燃料电池提供了分散纵向输送流场，使燃料或氧化剂尽可能均匀的分散在电极表面，更高效的将化学能转化为电能，提高反应效率，最大限度的发挥电池的放电效率。

Description

燃料均匀分布逐级利用燃料电池及其工作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及燃料均匀分布逐级利用燃料电池及其工作方法。
背景技术
燃料电池技术是一种新型发电技术，该技术可以将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、无污染、无噪声、可靠性高、模块化、对负载变化可以快速响应等显著优点，被认为是解决能源危机的终极方案。燃料电池主要由离子交换膜、阴阳电极和双极板构成。其中由阴极电极、离子交换膜和阳极电极构成的膜电极(membraneelectrode assembly，MEA)是燃料电池发生电化学反应的场所。燃料和氧化剂分别通入电池的阳极和阴极。通入阳极的燃料(如H2、CH3OH、CH3CH2OH、CO(NH2)2、NaBH4、HCOONa等)发生氧化反应释放出电子，电子通过外电路流入到阴极，并与阴极的氧化剂(如O2、H2O2等)结合发生还原反应，同时离子通过电解质膜迁移到阴极(或阳极)，构成回路。
在众多类型的燃料电池中，硼氢化物(硼氢化钠、硼氢化钾等)由于燃料能量密度高、便于储存和运输等优点，被认为是燃料电池理想的燃料，同时过氧化氢由于有高效的还原性，经常被用做碱性燃料电池的氧化剂。因此，以硼氢化物溶液为燃料、过氧化氢溶液为氧化剂的燃料电池得到越来越多的应用。
作为直接液体燃料电池的关键部位，流场起到了输送燃料、分配燃料、回收产物的功能，在整个燃料电池运行过程中起着很关键的作用。当前燃料电池阳极流场主要包括蛇形流场、平行流场、非连续型流场、交指型流场等，其主要通过燃料在电极一侧流动时的扩散作用进入电极反应。在这一过程中，随着燃料在流道中的流动及在电极中的扩散反应，燃料不断消耗产物不断进入流道中，燃料的浓度逐渐降低，这导致电极内燃料浓度分布不均匀，进降了电极反应效率，进一步降低了直接液体燃料电池的工作效率。
同时，硼氢化物溶液在自然条件下容易发生水解生成氢气、过氧化氢在自然调价下人容易产生氧气，这一问题一定程度上降低了燃料和氧化剂化学能对电能的转化率；同时在传统流路中，所产生的气体与燃料很容易产生掺混，难以排出，容易滞留在电池内部，影响电池的高效运行。
因此，针对燃料电池燃料在流动反应过程中出现的燃料产物掺混、燃料浓度分布不均匀、电池反应效率低等问题，一种燃料产物相分离顺流传递、燃料浓度均匀分布、燃料氧化剂高效利用的高效燃料电池亟待出现。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种均匀流通、顺流传输、多级利用、高效反应的燃料均匀分布逐级利用燃料电池及其工作方法，提高燃料氧化剂利用率，提高燃料电池的工作效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
燃料均匀分布逐级利用燃料包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板、阳极缓冲腔、阳极电极、交换膜、阴极电极、阴极缓冲腔和阴极流场板；
所述的阳极流场板中分别独立设置有硼氢化物供给管路、硼氢化物产物排出管路、氢气产物排出管路和氢气供给管路，阳极流场板中还设置有分别与硼氢化物供给管路、硼氢化物产物排出管路、氢气产物排出管路和氢气供给管路连通的树状硼氢化物供给支路、阵列状硼氢化物产物排出支路、树状氢气产物排出支路和阵列状氢气供给支路，各支路出口均匀交错分布；所述的硼氢化物产物排出管路中接近硼氢化物产物排出口位置设置有阳极气液分离段；
所述的阴极流场板中分别独立设置有过氧化氢供给管路、过氧化氢产物排出管路、氧气产物排出管路和氧气供给管路，阴极流场板中还设置有分别与过氧化氢供给管路、过氧化氢产物排出管路、氧气产物排出管路和氧气供给管路连通的树状过氧化氢供给支路、阵列状过氧化氢排出支路、树状氧气产物排出支路、阵列状氧气供给支路，各支路出口均匀交错分布；所述的过氧化氢产物排出管路中接近过氧化氢产物排出口位置设置有阴极气液分离度段；
所述的阳极电极中设置有阳极电极隔离段，阴极电极中设置有阴极电极隔离段，阳极电极隔离段和阴极电极隔离段将电极上下相隔绝分成上半段和下半段，使流体在电极上下半段不互相流通；阳极电极隔离段和阴极电极隔离段并将阳极缓冲腔和阴极缓冲腔分为上半部和下半部，缓冲腔上半部和下半部隔绝；阳极缓冲腔上半部覆盖阳极电极上半段，阳极缓冲腔下半部覆盖阳极电极下半段，阴极缓冲腔上半部覆盖阴极电极上半段，阴极缓冲腔下半部覆盖阴极电极下半段；
树状硼氢化物供给支路出口与阳极电极下半段连通，阵列状硼氢化物产物排出支路与阳极缓冲腔下半部连通，树状氢气产物排出支路与阳极电极上半段连通，阵列状氢气供给支路与阳极缓冲腔上半部连通；
树状过氧化氢供给支路出口与阴极电极下半段连通，阵列状过氧化氢排出支路与阴极缓冲腔下半部连通，树状氧气产物排出支路与阴极电极上半段连通，阵列状氧气供给支路与阴极缓冲腔上半部连通；
硼氢化物产物排出管路位于阳极流场板下半段，氢气供给管路位于阳极流场板上半段，硼氢化物产物排出管路与氢气供给管路连通；
过氧化氢产物排出管路位于阴极流场板下半段，氧气供给管路位于阴极流场板上半段，过氧化氢产物排出管路与氧气供给管路连通。
进一步，所述阳极缓冲腔为阳极流场板内除流道外的空腔，阴极缓冲腔为阴极流场板内除流道外的空腔。
进一步，所述树状硼氢化物供给支路，树状氢气产物排出支路、树状过氧化氢供给支路和树状氧气产物排出支路为二叉树状逐级分散流场，即树状电解液供给支路由1条电解液供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式使电解液进入或排出电极。
进一步，所述阵列状硼氢化物产物排出支路、阵列状氢气供给支路、阵列状过氧化氢排出支路和阵列状氧气供给支路以“3×3”阵列分布于电极外侧。
进一步，所述的交换膜为阴离子交换膜或中性交换膜。
进一步，所述的阳极电极和阴极电极为涂覆有相应催化剂具有多孔结构的导电金属材料或碳材料，结构包括支撑层、催化层和扩散层。
进一步，所述的阳极电极隔离段和阴极电极隔离段为金属或非金属平板。
进一步，所述的阳极流场板外侧设置开设与氢气产物排出管路连通的氢气产物出口、与硼氢化物供给管路连通的硼氢化物进口、及与硼氢化物产物排出管路连通的硼氢化物产物出口；
所述的阴极流场板外侧设置开设与氧气产物排出管路连通的氧气产物出口、与过氧化氢供给管路连通的过氧化氢进口、及与过氧化氢产物排出管路连通的过氧化氢产物出口。
一种燃料电池的工作方法，包括以下步骤：
步骤S100：燃料均匀分配进入电极：
硼氢化物溶液通过在泵功的作用下通过硼氢化物供给流路均匀分配到树状硼氢化物供给支路，进一步直接进入阳极电极中；同时，过氧化氢溶液在泵功作用下通过过氧化氢供给流路均匀分配到树状过氧化氢供给支路，进一步直接进入阴极电极中；
步骤S200：电池放电反应：
阴极侧过氧化氢在阴极电极表面发生还原反应得到来自外电路的电子，生成氢氧根通过交换膜进入阳极侧，阳极侧硼氢化物在阳极电极表面与来自阴极侧的氢氧根发生氧化反应，生成电子和水等产物，电子通过外电路通向阴极侧，同时在电池中阳极侧硼氢化物在自然条件下发生水解反应生成氢气等产物，阴极侧过氧化氢发生分解反应生成氧气等产物；
步骤S300：一级产物顺流流出分离：
在阳极侧，硼氢化物反应完成后，其反应产物及水解产物由流入阳极缓冲腔进一步流入阵列状硼氢化物产物排出支路进一步进入硼氢化物产物排出管路，在重力及阳极气液分离段作用下，氢气携带少量水分上行进入氢气供给管路，液相产物下行由硼氢化物产物排出管路排出；
在阴极侧，其反应产物及分解产物由流入阴极缓冲腔进一步进入阵列状过氧化氢排出支路进一步进入过氧化氢产物排出管路，在阴极气液分离段作用下，氧气携带少量水分上行进入氧气供给管路，液相产物下行由过氧化氢产物出口排出；
步骤S400：电池二次放电反应：
阴极侧氧气通过氧气供给管路均匀分配进入阵列状氧气供给支路，然后进入阴极缓冲腔整体覆盖在阴极电极表面，发生还原反应得到来自外电路的电子，生成氢氧根过交换膜进入阳极侧，产物及未反应的氧气流经距离最近的树状氧气产物排出支路汇集至氧气产物排出管路通过氧气产物出口排出；
同时阳极侧氢气通过氢气供给管路均匀分配进入阵列状氢气供给支路通过阳极缓冲腔进入阳极电极表面，与来自阴极侧的氢氧根发生氧化反应生成电子和水等产物，电子通过外电路通向阴极侧，产物流经距离最近的树状氢气产物排出支路汇集至氢气产物排出管路排出。
本发明的燃料均匀分布逐级利用燃料电池及其工作方法，纵向均匀流场高效燃料电池包括阳极流场板和阴极流场板，阳极流场板和阴极流场板中均独立设置原料供应管路和支路，产物排出管路和支路，而且设置作为产物二次回收利用的氢气产物排出管路、氢气供给管路及支路，氧气产物排出管路、阵列状氧气供给支路，不仅原料和产物分离输送，而且将产物氧气和氢气引入电极中二次利用。
本发明中电解液供给和排出支路采用交叉设置的树状和阵列结构，各支路均匀交叉分散，为燃料电池提供了分散纵向输送流场，使燃料和氧化剂能够直接且均匀的到达电极表面，避免了传统流场因流程较长带来的电极表面燃料、氧化剂浓度分布不均匀导致的反应效率低，能够使燃料或氧化剂尽可能均匀的分散在电极表面，更高效的将化学能转化为电能；
与燃料输送流场相对应的设置阵列状燃料回收流场，保证燃料与产物的顺流传输，避免燃料或氧化物与产物的掺混，进一步避免了气体产物在电池内部的滞留，同时保证了电极负极燃料氧化物的高浓度，提高反应效率；
本发明基于阵列纵向往复流场进一步将电池直接反应产生的气体产物进行回收利用，使产物氢气和阳极顺流进入电池进行二次反应，最大限度的发挥电池的放电效率。
本发明将树状流场与阵列状流场相结合，保证燃料或氧化剂能够均匀流入的同时快速流出并快速进入二级反应区发生反应，整个流道结构复杂紧凑，提高燃料氧化剂高效利用，同时保证电池高效反应。
阳极缓冲腔为阳极流场板内除流道外的空腔，阴极缓冲腔为阴极流场板内除流道外的空腔，在电极表面流入流场周围留有空腔，使得电解液能够与电极充分接触反应，解液在进入电极反应完成后直接进入空腔内，保证电解液在反应完成后能够顺流流出电极，进一步进入与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使电解液的流入流出实现顺流流动，避免了燃料产物的掺混。
附图说明
图1是本发明燃料电池结构示意图
图2是本发明燃料电池中流场板侧视图
图3是本发明燃料电池中流场板硼氢化物产物排出流路/过氧化氢产物排出流路和氢气供给流路/氧气供给流路侧视图
图4是本发明燃料电池中硼氢化物供给流路/过氧化氢供给流路和氢气产物排出流路/氧气产物排出流路侧视图
图中：1-阳极流场板、2-阳极缓冲腔、3-阳极电极、4-交换膜、5-阴极电极、6-阴极缓冲腔、7-阴极流场板、8-硼氢化物进口、9-硼氢化物供给管路、10-树状硼氢化物供给支路、11-硼氢化物产物出口、12-阳极气液分离段、13-硼氢化物产物排出管路、14-阵列状硼氢化物产物排出支路、15-阳极电极隔离段、16-树状氢气产物排出支路、17-氢气产物排出管路、18-氢气供给管路、19-阵列状氢气供给支路、20-氢气产物出口、21-过氧化氢进口、22-过氧化氢供给管路、23-树状过氧化氢供给支路、24-过氧化氢产物出口、25-阴极气液分离度段、26-过氧化氢产物排出管路、27-阵列状过氧化氢排出支路、28-阴极电极隔离段、29-氧气产物排出管路、30-树状氧气产物排出支路、31-氧气供给管路、32-阵列状氧气供给支路、33-氧气产物出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
参见图1-2，本发明的燃料均匀分布逐级利用燃料电池，包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板1、阳极缓冲腔2、阳极电极3、交换膜4、阴极电极5、阴极缓冲腔6和阴极流场板7。
所述的阳极流场板1中分别独立设置有硼氢化物供给管路9、硼氢化物产物排出管路13、氢气产物排出管路17和氢气供给管路18，阳极流场板1上还开设有硼氢化物进口8、硼氢化物产物出口11和氢气产物出口20；硼氢化物供给管路9、硼氢化物产物排出管路13、氢气产物排出管路17一端分别与硼氢化物进口8、硼氢化物产物出口11和氢气产物出口20连通，硼氢化物供给管路9和氢气产物排出管路17另一端与阳极电极3连通；硼氢化物产物排出管路13另一端及氢气供给管路18均与阳极缓冲腔2连通。
所述的硼氢化物产物排出管路13中接近硼氢化物产物出口11位置设置有阳极气液分离段12。
所述的阴极流场板7中分别独立设置过氧化氢供给管路22、过氧化氢产物排出管路26、氧气产物排出管路29和氧气供给管路31，阴极流场板7上开设有过氧化氢进口21、过氧化氢产物出口24和氧气产物出口33；过氧化氢供给管路22、过氧化氢产物排出管路26、氧气产物排出管路29一端分别与氧化氢进口21、过化氢产物出口24、氧气产物出口33连通，过氧化氢供给管路22和氧气产物排出管路29另一端与阴极电极5连通；过氧化氢产物排出管路26另一端及氧气供给管路31均与阴极缓冲腔6连通。
所述的过氧化氢产物排出管路26中接近过氧化氢产物出口24位置设置有阴极气液分离度段25。
阳极电极3除阳极电极本体外还包括设置在阳极电极3上的阳极电极隔离段15；阴极电极5除阴极电极本体外还包括设置在阴极电极5上的阴极电极隔离段28；所述的阳极电极隔离段和阴极电极隔离段为能够将电极上下相隔绝的金属或非金属平板，将电极分成上半段和下半段，能够使流体在电极上下段不互相流通。
如图3所示，阳极流场板1包括分别与硼氢化物供给管路9、硼氢化物产物排出管路13、氢气产物排出管路17和氢气供给管路18连通的树状硼氢化物供给支路10、阵列状硼氢化物产物排出支路14、树状氢气产物排出支路16、阵列状氢气供给支路19。其中，硼氢化物进口8、硼氢化物供给管路9、树状硼氢化物供给支路10连通，硼氢化物产物出口11、硼氢化物产物排出管路13、阵列状硼氢化物产物排出支路14连通，氢气供给管路18与阵列状氢气供给支路19连通，氢气产物排出管路17、树状氢气产物排出支路16、氢气产物出口20连通；同时，硼氢化物产物排出管路13位于阳极流场板1下半段，氢气供给管路18位于阳极流场板1上半段，硼氢化物产物排出管路13与氢气供给管路18连通。
如图4所示，阴极流场板7包括分别与过氧化氢供给管路22、过氧化氢产物排出管路26、氧气产物排出管路29和氧气供给管路31连通的树状过氧化氢供给支路23、阵列状过氧化氢排出支路27、树状氧气产物排出支路30、阵列状氧气供给支路32；过氧化氢进口21、过氧化氢供给管路22、树状过氧化氢供给支路23连通，过氧化氢产物出口24、过氧化氢产物排出管路26、阵列状过氧化氢排出支路27连通，氧气供给管路31与阵列状氧气供给支路32连通，氧气产物排出管路29、树状氧气产物排出支路30、氧气产物出口33连通；同时，过氧化氢产物排出管路26位于阴极流场板7下半段，氧气供给管路31位于阴极流场板7上半段，过氧化氢产物排出管路26与氧气供给管路31连通。
如图2所示，阳极缓冲腔2应为阳极流场板1的空腔部分，阳极缓冲腔2与阳极电极3连通、且与阳极流场板1中的树状硼氢化物供给支路10、阵列状硼氢化物产物排出支路14、树状氢气产物排出支路16、阵列状氢气供给支路19均匀交错布置。
阴极缓冲腔6应为阴极流场板7空腔部分；阴极缓冲腔6与阴极电极5连通、且与阴极流场板7中的树状过氧化氢供给支路23、阵列状过氧化氢排出支路27、树状氧气产物排出支路30、阵列状氧气供给支路32均匀交错布置。
阳极电极隔离段15将阳极电极3分成阳极电极上半段和阳极电极下半段，阳极电极隔离段15向外延伸，并将阳极缓冲腔分为上半部和下半部，阳极缓冲腔上半部和下半部隔绝，树状氢气产物排出支路16与阳极电极3连通位置位于阳极电极上半段，阵列状氢气供给支路19与阳极缓冲腔上半部连通；树状硼氢化物供给支路10与阳极电极3连通位置位于阳极电极下半段，阵列状硼氢化物产物排出支路14与阳极缓冲腔下半部连通。
阴极电极隔离段28将阴极电极5分成阴极电极上半段和阴极电极下半段，阴极电极隔离段28向外延伸，并将阴极缓冲腔分为上半部和下半部，阴极缓冲腔上半部和下半部隔绝，树状氧气产物排出支路30与阴极电极5连通位置位于阴极电极上半段，阵列状氧气供给支路32与阴极缓冲腔上半部连通，树状过氧化氢供给支路23与阴极电极5连通位置位于阴极电极下半段，阵列状过氧化氢排出支路27与阴极缓冲腔下半部连通。
其中，树状硼氢化物供给支路10，树状氢气产物排出支路16、树状过氧化氢供给支路23和树状氧气产物排出支路30为二叉树状逐级分散流场，即树状电解液供给支路可以为由1条电解液供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式使电解液进入电极更加均匀；阵列状硼氢化物产物排出支路14、阵列状氢气供给支路19、阵列状过氧化氢排出支路27和阵列状氧气供给支路32以“3×3”阵列分布于电极外侧。
其中燃料电池中燃料应为一定浓度的硼氢化物(硼氢化钠、硼氢化钾等)溶液，氧化剂应为一定浓度的过氧化氢溶液；交换膜4应为阴离子交换膜或中性交换膜。
阳极流场板1和阴极流场板7所用材料具备燃料电池所需要的机械强度及对于所用燃料的耐腐蚀性，包括石墨等无机非金属材料、不锈钢等金属复合材料、聚甲基丙烯酸甲酯等有机高分子材料。
阳极电极3和阴极电极5应为具有涂覆有相应催化剂具有多孔结构的导电金属材料或碳材料，结构上包括支撑层、催化层和扩散层。
阳极气液分离段12和阴极气液分离段25的气液分离方法包括重力沉降、折流分析、离心力分离、丝网分离、超滤分离和填料分离等，根据分离方法的不同阳极气液分离段12和阴极气液分离段25在硼氢化物产物排出管路13—氢气供给管路18和过氧化氢产物排出管路26—氧气供给管路31分布的位置进行机动调整。
燃料均匀分布逐级利用燃料电池及其工作方法，其工作方法包括以下步骤：
步骤S100：燃料均匀分配进入电极：硼氢化物溶液通过硼氢化物进口8进入燃料电池阳极侧，在泵功的作用下通过硼氢化物供给流路9均匀分配到树状硼氢化物供给支路10，进一步直接进入阳极电极3中；同时，过氧化氢溶液通过过氧化氢进口21进入燃料电池阴极侧，在泵功作用下通过过氧化氢供给流路22均匀分配到树状过氧化氢供给支路23，进一步直接进入阴极电极5中；
步骤S200：电池放电反应：阴极侧过氧化氢在阴极电极5表面发生还原反应得到来自外电路的电子，生成氢氧根通过交换膜4进入阳极侧，阳极侧硼氢化物在阳极电极2表面与来自阴极侧的氢氧根发生氧化反应，生成电子和水等产物，电子通过外电路通向阴极侧，同时在电池中阳极侧硼氢化物在自然条件下发生水解反应生成氢气等产物，阴极侧过氧化氢发生分解反应生成氧气等产物；
步骤S300：一级产物顺流流出分离：在阳极侧，硼氢化物反应完成后，其反应产物及水解产物由流入阳极缓冲腔2进一步流入阵列状硼氢化物产物排出支路14进一步进入硼氢化物产物排出管路13，在重力及阳极气液分离段12作用下，氢气携带少量水分上行进入氢气供给管路18，液相产物下行由硼氢化物产物出口11排出；在阴极侧，其反应产物及分解产物由流入阴极缓冲腔6进一步进入阵列状过氧化氢排出支路27进一步进入过氧化氢产物排出管路26，在阴极气液分离段25作用下，氧气携带少量水分上行进入氧气供给管路31，液相产物下行由过氧化氢产物出口24排出；
步骤S400：电池二次放电反应：阴极侧氧气通过氧气供给管路31均匀分配进入阵列状氧气供给支路32进入阴极缓冲腔6进一步阴极电极表面，发生还原反应得到来自外电路的电子，生成氢氧根过交换膜4进入阳极侧，产物及未反应的氧气流经距离最近的树状氧气产物排出支路30汇集至氧气产物排出管路29通过氧气产物出口33排出；同时阳极侧氢气通过氢气供给管路18均匀分配进入阵列状氢气供给支路19通过阳极缓冲腔2进入阳极电极表面，与来自阴极侧的氢氧根发生氧化反应生成电子和水等产物，电子通过外电路通向阴极侧，产物流经距离最近的树状氢气产物排出支路16汇集至氢气产物排出管路17通过氢气产物出口20排出。
与传统技术相比，本发明采用一种新型二叉树主机分散纵向输送流场，使燃料和氧化剂能够直接且均匀的到达电极表面，避免了传统流场因流程较长带来的电极表面燃料、氧化剂浓度分布不均匀导致的反应效率低，能够使燃料或氧化剂尽可能均匀的分散在电极表面，更高效的将化学能转化为电能；本发明在流入流场周围留有空腔，使电解液在进入电极反应完成后直接进入空腔内，保证电解液在反应完成后能够顺流流出电极，进一步进入与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使电解液的流入流出实现顺流流动，避免了燃料产物的掺混；本发明基于阵列纵向往复流场进一步将电池直接反应产生的气体产物进行回收利用，使产物氢气和阳极顺流进入电池进行二次反应，最大限度的发挥电池的放电效率；本发明将树状流场、阵列状流场以及腔体部分相结合，保证燃料或氧化剂能够均匀流入的同时快速流出并快速进入二级反应区发生反应，整个流道结构复杂紧凑，同时保证电池高效反应。
最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (9)

1.燃料均匀分布逐级利用燃料电池，其特征在于：包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板(1)、阳极缓冲腔(2)、阳极电极(3)、交换膜(4)、阴极电极(5)、阴极缓冲腔(6)和阴极流场板(7)；
所述的阳极流场板(1)中分别独立设置有硼氢化物供给管路(9)、硼氢化物产物排出管路(13)、氢气产物排出管路(17)和氢气供给管路(18)，阳极流场板(1)中还设置有分别与硼氢化物供给管路(9)、硼氢化物产物排出管路(13)、氢气产物排出管路(17)和氢气供给管路(18)连通的树状硼氢化物供给支路(10)、阵列状硼氢化物产物排出支路(14)、树状氢气产物排出支路(16)和阵列状氢气供给支路(19)，各支路出口均匀交错分布；所述的硼氢化物产物排出管路(13)中接近硼氢化物产物排出口位置设置有阳极气液分离段(12)；
所述的阴极流场板(7)中分别独立设置有过氧化氢供给管路(22)、过氧化氢产物排出管路(26)、氧气产物排出管路(29)和氧气供给管路(31)，阴极流场板(7)中还设置有分别与过氧化氢供给管路(22)、过氧化氢产物排出管路(26)、氧气产物排出管路(29)和氧气供给管路(31)连通的树状过氧化氢供给支路(23)、阵列状过氧化氢排出支路(27)、树状氧气产物排出支路(30)、阵列状氧气供给支路(32)，各支路出口均匀交错分布；所述的过氧化氢产物排出管路(26)中接近过氧化氢产物排出口位置设置有阴极气液分离度段(25)；
所述的阳极电极(3)中设置有阳极电极隔离段(15)，阴极电极(5)中设置有阴极电极隔离段(28)，阳极电极隔离段(15)和阴极电极隔离段(28)将电极上下相隔绝分成上半段和下半段，使流体在电极上下半段不互相流通；阳极电极隔离段(15)和阴极电极隔离段(28)并将阳极缓冲腔(2)和阴极缓冲腔(6)分为上半部和下半部，缓冲腔上半部和下半部隔绝；阳极缓冲腔(2)上半部覆盖阳极电极(3)上半段，阳极缓冲腔(2)下半部覆盖阳极电极(3)下半段，阴极缓冲腔(6)上半部覆盖阴极电极(5)上半段，阴极缓冲腔(6)下半部覆盖阴极电极(5)下半段；
树状硼氢化物供给支路(10)出口与阳极电极(3)下半段连通，阵列状硼氢化物产物排出支路(14)与阳极缓冲腔(2)下半部连通，树状氢气产物排出支路(16)与阳极电极(3)上半段连通，阵列状氢气供给支路(19)与阳极缓冲腔(2)上半部连通；
树状过氧化氢供给支路(23)出口与阴极电极(5)下半段连通，阵列状过氧化氢排出支路(27)与阴极缓冲腔(6)下半部连通，树状氧气产物排出支路(30)与阴极电极(5)上半段连通，阵列状氧气供给支路(32)与阴极缓冲腔(6)上半部连通；
硼氢化物产物排出管路(13)位于阳极流场板(1)下半段，氢气供给管路(18)位于阳极流场板(1)上半段，硼氢化物产物排出管路(13)与氢气供给管路(18)连通；
过氧化氢产物排出管路(26)位于阴极流场板(7)下半段，氧气供给管路(31)位于阴极流场板(7)上半段，过氧化氢产物排出管路(26)与氧气供给管路(31)连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述阳极缓冲腔(2)为阳极流场板(1)内除流道外的空腔，阴极缓冲腔(6)为阴极流场板(7)内除流道外的空腔。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于：所述树状硼氢化物供给支路(10)，树状氢气产物排出支路(16)、树状过氧化氢供给支路(23)和树状氧气产物排出支路(30)为二叉树状逐级分散流场，即树状电解液供给支路由1条电解液供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式使电解液进入或排出电极。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于：所述阵列状硼氢化物产物排出支路(14)、阵列状氢气供给支路(19)、阵列状过氧化氢排出支路(27)和阵列状氧气供给支路(32)以“3×3”阵列分布于电极外侧。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于：所述的交换膜(4)为阴离子交换膜或中性交换膜。
6.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于：所述的阳极电极(3)和阴极电极(5)为涂覆有相应催化剂具有多孔结构的导电金属材料或碳材料，结构包括支撑层、催化层和扩散层。
7.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于：所述的阳极电极隔离段(15)和阴极电极隔离段(28)为金属或非金属平板。
8.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于：所述的阳极流场板(1)外侧设置开设与氢气产物排出管路(17)连通的氢气产物出口(20)、与硼氢化物供给管路(9)连通的硼氢化物进口(8)、及与硼氢化物产物排出管路(13)连通的硼氢化物产物出口(11)；
所述的阴极流场板(7)外侧设置开设与氧气产物排出管路(29)连通的氧气产物出口(33)、与过氧化氢供给管路(22)连通的过氧化氢进口(21)、及与过氧化氢产物排出管路(26)连通的过氧化氢产物出口(24)。
9.一种权利要求1所述燃料电池的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S100：燃料均匀分配进入电极：
硼氢化物溶液通过在泵功的作用下通过硼氢化物供给流路(9)均匀分配到树状硼氢化物供给支路(10)，进一步直接进入阳极电极(3)中；同时，过氧化氢溶液在泵功作用下通过过氧化氢供给流路(22)均匀分配到树状过氧化氢供给支路(23)，进一步直接进入阴极电极(5)中；
步骤S200：电池放电反应：
阴极侧过氧化氢在阴极电极(5)表面发生还原反应得到来自外电路的电子，生成氢氧根通过交换膜(4)进入阳极侧，阳极侧硼氢化物在阳极电极(2)表面与来自阴极侧的氢氧根发生氧化反应，生成电子和水等产物，电子通过外电路通向阴极侧，同时在电池中阳极侧硼氢化物在自然条件下发生水解反应生成氢气等产物，阴极侧过氧化氢发生分解反应生成氧气等产物；
步骤S300：一级产物顺流流出分离：
在阳极侧，硼氢化物反应完成后，其反应产物及水解产物由流入阳极缓冲腔(2)进一步流入阵列状硼氢化物产物排出支路(14)进一步进入硼氢化物产物排出管路(13)，在重力及阳极气液分离段(12)作用下，氢气携带少量水分上行进入氢气供给管路(18)，液相产物下行由硼氢化物产物排出管路(13)排出；
在阴极侧，其反应产物及分解产物由流入阴极缓冲腔(6)进一步进入阵列状过氧化氢排出支路(27)进一步进入过氧化氢产物排出管路(26)，在阴极气液分离段(25)作用下，氧气携带少量水分上行进入氧气供给管路(31)，液相产物下行由过氧化氢产物出口(24)排出；
步骤S400：电池二次放电反应：
阴极侧氧气通过氧气供给管路(31)均匀分配进入阵列状氧气供给支路(32)，然后进入阴极缓冲腔(6)整体覆盖在阴极电极表面，发生还原反应得到来自外电路的电子，生成氢氧根过交换膜(4)进入阳极侧，产物及未反应的氧气流经距离最近的树状氧气产物排出支路(30)汇集至氧气产物排出管路(29)通过氧气产物出口(33)排出；
同时阳极侧氢气通过氢气供给管路(18)均匀分配进入阵列状氢气供给支路(19)通过阳极缓冲腔(2)进入阳极电极表面，与来自阴极侧的氢氧根发生氧化反应生成电子和水等产物，电子通过外电路通向阴极侧，产物流经距离最近的树状氢气产物排出支路(16)汇集至氢气产物排出管路(17)排出。
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