CN109860674B - 一种弹性势能驱动直接甲醇燃料电池及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种弹性势能驱动直接甲醇燃料电池及其工作方法，包括甲醇燃料电池本体以及设置在其阳极侧的甲醇缓冲区、多孔板、甲醇蒸发区，并通过二氧化碳控制阀降低阳极侧气压使甲醇储存罐内压缩弹簧推动活塞移动进而向甲醇蒸发区稳定输送液相甲醇，通过电池换热管路将电池废热用于甲醇蒸发区加热。本发明通过电池换热管路将电池运行过程中产生的废热用于甲醇蒸发区加热，电池阳极产物排出与甲醇储存罐内弹簧配合为甲醇储存罐内活塞移动提供动力，无需额外功耗实现甲醇供给与蒸发过程；将渐缩渐扩结构应用于甲醇蒸发区，是甲醇蒸发过程更加节能高效；通过对甲醇工作区与蒸发区换热量以及对阴极产物水供给量的精确控制，获得恒定流量的甲醇蒸气参与电池反应。

Description

一种弹性势能驱动直接甲醇燃料电池及其工作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种弹性势能驱动直接甲醇燃料电池及其工作方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池(direct mathanol fuel cell,DMFC)凭借其结构简单、常温工作、系统体积比能量高、燃料方便储运等优势，被认为最有希望应用于电子产品的移动电源之一，在通信、交通和国防等领域有着广泛的应用前景，因此成为国内外众多学者研究的热点。
直接甲醇燃料电池的电极和电池反应如下：
阳极反应为CH3OH+H20→6H++6e-+CO2
阴极反应为3/2O2+6H++6e-→3H2O
电池总反应为CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2
目前直接甲醇燃料电池的研究大多集中在以液态甲醇作为燃料的领域，但由于甲醇燃料电池燃料供给大多需要和水混合，这使得其燃料的能量密度降低，同时在运行过程中存在着严重的甲醇穿透问题，在造成大量原料浪费的同时，降低了能量利用率，严重减弱了电池的性能，这为甲醇燃料电池性能的提升带了了很大的困难。
研究表明，甲醇通过蒸气形式参与燃料电池反应能够很好的降低甲醇穿透并进一步提升甲醇的利用效率，但是以甲醇蒸气作为燃料的电池其燃料供给方式多为蒸发膜蒸发形式和外接加热设备加热蒸发形式，其中蒸发膜蒸发形式使得在使用过程中甲醇流量不能够得到精确的控制，进一步影响了燃料电池的稳定运行，而外接加热设备加热蒸发形式增加电池运行的额外功耗，进一步降低了电池效率；同时，液相甲醇供给时采用燃料供给泵也会带来额外功耗进一步降低电池效率。
因此，针对上述甲醇燃料电池低效率、难分配、易渗漏等问题，一种工作效率高、控制精度强、无需额外功耗的甲醇燃料电池亟待出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在无需额外功耗的前提下能够精确高效、稳定运行、持续输出的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池及其工作方法。
为达到上述目的，本发明弹性势能驱动直接甲醇燃料电池包括甲醇燃料电池本体以及设置在甲醇燃料电池本体内的阴极流场、阴极扩散层、阴极催化层、隔膜、阳极催化层、阳极扩散层和阳极流场；其中隔膜与阴极催化层和阳极催化层相连，阴极扩散层与阴极流场和阴极催化层相连，阳极扩散层与阳极催化层和阳极流场相连；
在甲醇燃料电池本体的阳极侧还安装有甲醇蒸发区，所述甲醇蒸发区内出口侧安装有带若干渐缩渐扩结构甲醇流道的导热板，在甲醇蒸发区出口侧设置有多孔板，多孔板另一侧与开设有二氧化碳排出孔的甲醇缓冲区相连，甲醇缓冲区另一侧与阳极流场相连；在甲醇蒸发区进口侧通过甲醇控制阀与甲醇储存罐相连，甲醇储存罐中设有压缩弹簧及可移动活塞，活塞及罐体均采用耐甲醇的聚乙烯或聚甲醛制成，在甲醇蒸发区壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过环绕的外接电池换热管路相连对导热板加热；甲醇缓冲区二氧化碳排出孔外接有二氧化碳控制阀。
所述阴极流场为导电的金属材料或碳材料，阴极流场内侧加工有流道，其中流道在主动式甲醇燃料电池时为蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道，在被动式甲醇燃料电池时为点状流道蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道。
所述阴极扩散层、阳极扩散层为具有多孔结构的导电金属材料或碳材料。
所述阴极催化层为具有催化还原性能的催化剂，所述阳极催化层包括具有催化氧化性能的催化剂。
所述隔膜为具有质子导通能力的质子交换膜。
所述阳极流场为导电的金属材料或碳材料，其中阴极流场内侧加工有蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道。
所述多孔板为金属材料、碳材料或有机材料的多孔结构板。
所述甲醇控制阀、二氧化碳控制阀为一进一出的单向阀。
所述电池换热管路为重力式热管、吸液芯热管或旋转热管。
本发明的直接甲醇燃料电池工作方法包括以下步骤：
步骤S100：甲醇燃料电池预运行一段时间后，甲醇燃料电池本体壁面产生的高温通过电池管热管路与甲醇蒸发区内导热板进行换热，通过控制电池换热管路冷端与甲醇蒸发区接触面积控制甲醇蒸发区内部结构壁面温度；甲醇燃料电池阳极产物二氧化碳通过二氧化碳控制阀排除降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐内压缩弹簧推动活塞移动使甲醇经过甲醇控制阀流入甲醇蒸发区，通过控制排出二氧化碳流量控制甲醇流量；甲醇流入甲醇蒸发区后通过渐缩结构与甲醇蒸发区内壁面进行压缩换热蒸发为甲醇蒸气，通过渐扩结构使甲醇蒸气混合均匀；甲醇蒸气由甲醇蒸发区通过多孔板流入甲醇缓冲区，使混合更加均匀；
步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：甲醇蒸气通过阳极流场分配均匀，经由阳极扩散层流入阳极催化层与来自阴极侧的水发生氧化反应，生成二氧化碳、电子和质子，二氧化碳分别经过阳极催化层、阳极扩散层、阳极流场和甲醇缓冲区排放至大气，电子分别经过阳极催化层、阳极扩散层和阳极流场导入外电路，质子在电场作用下穿过隔膜迁移至阴极催化层；同时，电子经由外电路分别经由阴极流场、阴极扩散层进入阴极催化层，氧气由空气泵或氧气瓶泵入并经过阴极流场、阴极扩散层进入阴极催化层，来自阳极侧的质子在阴极催化层与氧气和质子发生还原反应生成水，水在浓差作用下穿过隔膜进入阳极催化层；上述过程完成甲醇燃料电池放电。
本发明通过电池换热管路将电池运行过程中产生的废热用于甲醇蒸发区加热，电池阳极工作产物二氧化碳排出降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐内压缩弹簧做功推动活塞移动，在无需额外功耗的前提下实现了甲醇供给与蒸发过程；采用渐缩渐扩结构的甲醇流道应用于甲醇蒸发区，能够更大程度的提升甲醇气化效率与混合程度；通过对甲醇工作区与蒸发区换热量以及对二氧化碳排出量的精确控制，进一步获得恒定流量的甲醇蒸气参与电池反应，进而提升甲醇燃料电池的工作效率和稳定性。
本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：
(1)本发明采用自加热自循环方法为电池提供气相燃料，有效降低甲醇穿透，提高了电池的输出性能，进而提高了电池的燃料利用率；
(2)本发明通过燃料电池阳极产物的排出降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐内压缩弹簧做功，为甲醇储存罐内活塞提供动力，在无需额外功耗的情况下实现了甲醇燃料的供给；
(3)本发明通过热管结构的电池换热管理将燃料电池本体与甲醇蒸发区相连，将电池工作过程中的废热用于甲醇蒸发区加热并降低燃料电池壁面温度，在无需额外功耗的情况下实现了甲醇的气化过程；
(4)相对于传统的渗透气化技术为电池提供甲醇蒸气，对甲醇工作区与蒸发区换热量以及对二氧化碳排出量的精确控制，进一步获得恒定流量的甲醇蒸气参与电池反应，进而提升甲醇燃料电池的工作效率和稳定性；
(5)本发明中甲醇蒸发区采用渐缩渐扩结构，能够更大程度的提升甲醇气化效率并使甲醇蒸气充分混合，从而能够稳定均匀的为电池提供甲醇蒸气，实现空间、时间上的精确、均匀供料。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中，1-阴极流场，2-阴极扩散层，3-阴极催化层，4-隔膜，5-阳极催化层，6-阳极扩散层，7-阳极流场，8-甲醇缓冲区，9-多孔板，10-甲醇蒸发区，11-甲醇控制阀，12-甲醇储存罐，13-电池换热管路，14-二氧化碳控制阀，15-导热板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明，包括甲醇燃料电池本体以及设置在甲醇燃料电池本体内的阴极流场1、阴极扩散层2、阴极催化层3、隔膜4、阳极催化层5、阳极扩散层6和阳极流场7；其中隔膜4与阴极催化层3和阳极催化层5相连，阴极扩散层2与阴极流场1和阴极催化层3相连，阳极扩散层6与阳极催化层5和阳极流场7相连；
其中阴极流场1应是金属材料、碳材料等导电材料，阴极流场1内侧加工有流道，其中流道在主动式甲醇燃料电池时包括蛇形流道、平行流道、非连续型流道、交指型流道等，在被动式甲醇燃料电池时包括点状流道蛇形流道、平行流道、非连续型流道、交指型流道等；阴极扩散层2应是具有多孔结构的金属材料或碳材料等导电材料；阴极催化层3包括具有催化还原性能的催化剂；隔膜4应是具有质子导通能力的质子交换膜；阳极催化层5包括具有催化氧化性能的催化剂；阳极扩散层6应是具有多孔结构的金属材料或碳材料等导电材料；阳极流场7应是金属材料、碳材料等导电材料，阴极流场7内侧加工有流道，其中流道包括蛇形流道、平行流道、非连续型流道、交指型流道等。
在甲醇燃料电池本体的阳极侧还安装甲醇蒸发区10，所述甲醇蒸发区10内出口侧安装有带若干渐缩渐扩结构甲醇流道的导热板15，，在甲醇蒸发区10出口侧设置有多孔板9，多孔板9另一侧与开设有二氧化碳排出孔的甲醇缓冲区8相连，甲醇缓冲区8另一侧与阳极流场7相连；在甲醇蒸发区10进口侧还设置有甲醇控制阀11，甲醇控制阀11进口与甲醇储存罐12相连；甲醇蒸发区10壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过环绕的外接电池换热管路13相连；甲醇缓冲区8二氧化碳排出孔外接有二氧化碳控制阀14，另一侧与空气相连。
其中多孔板9为金属材料、碳材料或有机材料等多孔结构板；甲醇控制阀11应为一进一出单向阀结构；甲醇储存罐12中应有压缩弹簧及可移动活塞，活塞及罐体均采用耐甲醇材料，其中所述耐甲醇材料包括聚乙烯或聚甲醛等；电池换热管路13应为热管结构，包括重力式热管、吸液芯热管和旋转热管；二氧化碳控制阀14应为一进一出的单向阀结构。
本发明的直接甲醇燃料电池工作方法包括以下步骤：
步骤S100：甲醇燃料电池预运行一段时间后，甲醇燃料电池本体壁面产生的高温通过电池管热管路13与甲醇蒸发区10内导热材料进行换热，通过控制电池换热管路13冷端与甲醇蒸发区10接触面积进一步控制甲醇蒸发区10内部结构壁面温度；甲醇燃料电池阳极产物二氧化碳通过二氧化碳控制阀14排除降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐12内压缩弹簧推动活塞移动使甲醇经过甲醇控制阀11流入甲醇蒸发区10，通过控制排出二氧化碳流量进一步控制甲醇流量；甲醇流入甲醇蒸发区10后通过渐缩结构与甲醇蒸发区10内壁面进行压缩换热蒸发为甲醇蒸气，进一步通过渐扩结构使甲醇蒸气混合均匀；进一步，甲醇蒸气由甲醇蒸发区10通过多孔板9流入甲醇缓冲区8，使混合更加均匀；
步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：甲醇蒸气通过阳极流场7分配均匀，进一步经由阳极扩散层6流入阳极催化层5与来自阴极侧的水发生氧化反应，生成二氧化碳、电子和质子，二氧化碳分别经过阳极催化层5、阳极扩散层6、阳极流场7和甲醇缓冲区8排放至大气，电子分别经过阳极催化层5、阳极扩散层6和阳极流场7导入外电路，质子在电场作用下穿过隔膜4迁移至阴极催化层3；同时，电子经由外电路分别经由阴极流场1、阴极扩散层2进入阴极催化层3，氧气由空气泵或氧气瓶泵入并经过阴极流场1、阴极扩散层2进入阴极催化层3，来自阳极侧的质子在阴极催化层3与氧气和质子发生还原反应生成水，水在浓差作用下穿过隔膜4进入阳极催化层5；上述过程完成甲醇燃料电池放电。
本发明采用自加热自循环方法为电池提供气相燃料，有效降低甲醇穿透，提高了电池的输出性能，进而提高了电池的燃料利用率；通过燃料电池阳极产物的排出降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐内压缩弹簧做功，为甲醇储存罐内活塞提供动力，在无需额外功耗的情况下实现了甲醇燃料的供给；通过热管结构的电池换热管理将燃料电池本体与甲醇蒸发区相连，将电池工作过程中的废热用于甲醇蒸发区加热并降低燃料电池壁面温度，在无需额外功耗的情况下实现了甲醇的气化过程；相对于传统的渗透气化技术为电池提供甲醇蒸气，对甲醇工作区与蒸发区换热量以及对二氧化碳排出量的精确控制，进一步获得恒定流量的甲醇蒸气参与电池反应，进而提升甲醇燃料电池的工作效率和稳定性；醇蒸发区采用渐缩渐扩结构，能够更大程度的提升甲醇气化效率并使甲醇蒸气充分混合，从而能够稳定均匀的为电池提供甲醇蒸气，实现空间、时间上的精确、均匀供料。

Claims (10)

1.一种弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，包括甲醇燃料电池本体以及设置在甲醇燃料电池本体内的阴极流场(1)、阴极扩散层(2)、阴极催化层(3)、隔膜(4)、阳极催化层(5)、阳极扩散层(6)和阳极流场(7)；其中隔膜(4)与阴极催化层(3)和阳极催化层(5)相连，阴极扩散层(2)与阴极流场(1)和阴极催化层(3)相连，阳极扩散层(6)与阳极催化层(5)和阳极流场(7)相连；
在甲醇燃料电池本体的阳极侧还安装有甲醇蒸发区(10)，所述甲醇蒸发区(10)内出口侧安装有带若干渐缩渐扩结构甲醇流道的导热板(15)，在甲醇蒸发区(10)出口侧设置有多孔板(9)，多孔板(9)另一侧与开设有二氧化碳排出孔的甲醇缓冲区(8)相连，甲醇缓冲区(8)另一侧与阳极流场(7)相连；在甲醇蒸发区(10)进口侧通过甲醇控制阀(11)与甲醇储存罐(12)相连，甲醇储存罐(12)中设有压缩弹簧及可移动活塞，活塞及罐体均采用耐甲醇的聚乙烯或聚甲醛制成，在甲醇蒸发区(10)壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过环绕的外接电池换热管路(13)相连对导热板(15)加热；甲醇缓冲区(8)二氧化碳排出孔外接有二氧化碳控制阀(14)。
2.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极流场(1)为导电的金属材料或碳材料，阴极流场(1)内侧加工有流道，其中流道在主动式甲醇燃料电池时为蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道，在被动式甲醇燃料电池时为点状流道蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道。
3.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极扩散层(2)、阳极扩散层(6)为具有多孔结构的导电金属材料或碳材料。
4.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极催化层(3)为具有催化还原性能的催化剂，所述阳极催化层(5)包括具有催化氧化性能的催化剂。
5.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述隔膜(4)为具有质子导通能力的质子交换膜。
6.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阳极流场(7)为导电的金属材料或碳材料，其中阴极流场(1)内侧加工有蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道。
7.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述多孔板(9)为金属材料、碳材料或有机材料的多孔结构板。
8.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述甲醇控制阀(11)、二氧化碳控制阀(14)为一进一出的单向阀。
9.根据权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述电池换热管路(13)为重力式热管、吸液芯热管或旋转热管。
10.一种如权利要求1所述的弹性势能驱动直接甲醇燃料电池的工作方法，其特征在于：
步骤S100：甲醇燃料电池预运行一段时间后，甲醇燃料电池本体壁面产生的高温通过电池管热管路与甲醇蒸发区内导热板进行换热，通过控制电池换热管路冷端与甲醇蒸发区接触面积控制甲醇蒸发区内部结构壁面温度；甲醇燃料电池阳极产物二氧化碳通过二氧化碳控制阀排除降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐内压缩弹簧推动活塞移动使甲醇经过甲醇控制阀流入甲醇蒸发区，通过控制排出二氧化碳流量控制甲醇流量；甲醇流入甲醇蒸发区后通过渐缩结构与甲醇蒸发区内壁面进行压缩换热蒸发为甲醇蒸气，通过渐扩结构使甲醇蒸气混合均匀；甲醇蒸气由甲醇蒸发区通过多孔板流入甲醇缓冲区，使混合更加均匀；
步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：甲醇蒸气通过阳极流场分配均匀，经由阳极扩散层流入阳极催化层与来自阴极侧的水发生氧化反应，生成二氧化碳、电子和质子，二氧化碳分别经过阳极催化层、阳极扩散层、阳极流场和甲醇缓冲区排放至大气，电子分别经过阳极催化层、阳极扩散层和阳极流场导入外电路，质子在电场作用下穿过隔膜迁移至阴极催化层；同时，电子经由外电路分别经由阴极流场、阴极扩散层进入阴极催化层，氧气由空气泵或氧气瓶泵入并经过阴极流场、阴极扩散层进入阴极催化层，来自阳极侧的质子在阴极催化层与氧气和质子发生还原反应生成水，水在浓差作用下穿过隔膜进入阳极催化层；上述过程完成甲醇燃料电池放电。
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