CN109888341A - 一种物料分离传输直接甲醇燃料电池及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物料分离传输直接甲醇燃料电池及其工作方法，本发明的物料分离传输直接甲醇燃料电池，阳极侧采用新型顺流传输结构，液相纯甲醇经甲醇蒸发管路受热蒸发产生甲醇蒸气，甲醇蒸气通过甲醇蒸气流道直接流入阳极扩散层，反应产物直接回流至与燃料产物分离区中甲醇蒸气流道所隔绝的二氧化碳缓冲区直接排出到大气中，甲醇与产物分开输送，燃料电池整体从液相甲醇流入至二氧化碳排出整体过程形成稳定的顺流传输流路，有利于阳极侧反应稳定高效地运行，提高电池效率。

Description

一种物料分离传输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技术领域，具体涉及一种物料分离传输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。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来了很大的困难。

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在工作过程中，往往存在阳极侧甲醇浓度分布不均、甲醇反应不充分、二氧化碳排出困难等问题，这大大影响了燃料电池的工作效率。

因此，针对上述甲醇燃料电池低效率、难分配、易掺混等问题，一种运行高效、输出稳定的甲醇燃料电池亟待出现。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种运行高效、输出稳定的物料分离传输直接甲醇燃料电池及其工作方法，避免甲醇蒸气和二氧化碳掺混，提高电池效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种物料分离传输直接甲醇燃料电池，包括设置在甲醇燃料电池本体上的阴极流场板、阴极扩散层、阴极催化层、隔膜、阳极催化层、阳极扩散层、燃料产物分离区和甲醇蒸发区；

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板和阴极催化层相连，阳极扩散层与阳极催化层和燃料产物分离区相连，燃料产物分离区与甲醇蒸发区和阳极扩散层相连；

所述甲醇蒸发区设置有甲醇进口和甲醇蒸发管路，甲醇进口与甲醇蒸发管路进口连通，所述燃料产物分离区是内部分布有甲醇蒸气流道的空腔，空腔部分为二氧化碳缓冲区，空腔与阳极扩散层连通，燃料产物分离区开设有二氧化碳出口；所述甲醇蒸气流道一端与甲醇蒸发区内的甲醇蒸发管路出口连通，甲醇蒸气流道另一端与阳极扩散层连通；

阳极扩散层和阴极扩散层是具有多孔结构的导电材料；阴极流场板内侧加工有与阴极扩散层连通的流道。

进一步，所述甲醇蒸发管路包括甲醇压缩段、甲醇蒸发段和甲醇扩散段，其中甲醇蒸发段与甲醇压缩段和甲醇扩散段相连通。

进一步，所述甲醇压缩段是渐缩结构，甲醇蒸发段对应甲醇压缩段和甲醇扩散段位置，甲醇扩散段是渐扩结构。

进一步，所述甲醇压缩段在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区；甲醇蒸发段在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区内；甲醇扩散段在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区。

进一步，所述甲醇蒸气流道与甲醇扩散段相连通阵列分布于燃料产物分离区。

进一步，所述阴极流场板内流道为蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道。

进一步，所述甲醇蒸发区内部材料是电热材料或导热材料。

进一步，所述阳极扩散层和阴极扩散层采用金属材料或碳材料制成。

进一步，所述二氧化碳出口位于燃料产物分离区上侧。

一种物料分离传输直接甲醇燃料电池的工作方法，包括如下步骤：

步骤S100：甲醇蒸气的制备与供给：

甲醇蒸发区通过得能够使甲醇蒸发的热量，液相纯甲醇通过甲醇进口流入甲醇蒸发管路，液相甲醇受热蒸发产生甲醇蒸气，甲醇蒸气经甲醇蒸气流道直接进入阳极扩散层参与电池反应；

步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：

甲醇蒸气通过阳极扩散层分配均匀，进一步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，氧气通过阴极流场板、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，完成甲醇燃料电池放电；

步骤S300：二氧化碳的流动与导出：

阳极产物二氧化碳分别经阳极催化层进入二氧化碳缓冲区进一步通过二氧化碳出口排放至大气。

本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：

本发明的物料分离传输直接甲醇燃料电池，所述甲醇蒸发区设置有甲醇进口和甲醇蒸发管路，燃料产物分离区是内部分布有甲醇蒸气流道的空腔，空腔部分为二氧化碳缓冲区，空腔与阳极扩散层连通，燃料产物分离区开设有二氧化碳出口；阳极侧采用新型顺流传输结构，液相纯甲醇经甲醇蒸发管路受热蒸发产生甲醇蒸气，甲醇蒸气通过甲醇蒸气流道直接流入阳极扩散层，反应产物直接回流至与燃料产物分离区中甲醇蒸气流道所隔绝的二氧化碳缓冲区直接排出到大气中，甲醇与产物分开输送，燃料电池整体从液相甲醇流入至二氧化碳排出整体过程形成稳定的顺流传输流路，解决了因甲醇二氧化碳掺混、甲醇反应不充分、甲醇蒸气浓度不均匀等问题，更有利于阳极侧反应稳定高效地运行，提高电池效率。

甲醇流入及二氧化碳排出形成稳定的回路，使电池反应更加稳定高效；同时，提高了甲醇蒸气的利用率，同时利于二氧化碳收集利用。

本发明中甲醇蒸发管路包括甲醇压缩段、甲醇蒸发段和甲醇扩散段，甲醇压缩段是渐缩结构，甲醇扩散段是渐扩结构，甲醇蒸发区中甲醇压缩、蒸发、混合过程采用渐缩渐扩结构，能够更大程度的降低加热过程的功耗并使甲醇蒸气充分混合，提升甲醇气化效率与混合程度，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，提供精确高效、稳定运行、持续输出的直接甲醇燃料电池。

本发明中甲醇压缩段、甲醇蒸发段和甲醇扩散段在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区，甲醇的供给采用阵列分布的供给方式，使燃料在电极侧的分布更加均匀，有利于甲醇蒸气的充分反应。

同时本发明将一种新型渐缩渐扩结构应用于甲醇蒸发区，甲醇蒸发后扩散均匀直接进入膜电极参与反应，降低了额外功耗；利用甲醇蒸气作为燃料，能够很大程度的降低甲醇穿透并提高燃料能量密度进一步提高电池效率。

附图说明

图1是本发明直接甲醇燃料电池结构示意图；

图2是本发明直接甲醇燃料电池甲醇蒸气流道分布侧视图；

图中：1-阴极流场板，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-燃料产物分离区，8-甲醇蒸发区，9-甲醇进口，10-甲醇压缩段，11-甲醇蒸发段，12-甲醇扩散段，13-甲醇蒸气流道，14-二氧化碳缓冲区，15-二氧化碳出口。

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，本发明的物料分离传输直接甲醇燃料电池，包括设置在甲醇燃料电池本体上的阴极流场板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、燃料产物分离区7和甲醇蒸发区8；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与阴极流场板1和阴极催化层3相连，阳极扩散层6与阳极催化层5和燃料产物分离区7相连，燃料产物分离区7与甲醇蒸发区8和阳极扩散层6相连。

甲醇蒸发区8包括甲醇进口9、甲醇压缩段10、甲醇蒸发段11和甲醇扩散段12，其中甲醇蒸发段11与甲醇压缩段10和甲醇扩散段12相连通；燃料产物分离区7内部结构包括甲醇蒸气流道13、二氧化碳缓冲区14和二氧化碳出口15，其中甲醇蒸气流道13与甲醇扩散段12相连通阵列分布于燃料产物分离区7，二氧化碳出口15位于燃料产物分离区7上侧。

所述燃料产物分离区7是具有阵列分布的甲醇蒸气流道13的空腔，空腔部分为二氧化碳缓冲区14，空腔与阳极扩散层6连通，上侧开孔为二氧化碳出口15。

其中阴极流场板1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；阴极扩散层2和阳极扩散层6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；燃料产物分离区7内有阵列分布的甲醇蒸气流道13，所述甲醇蒸气流道13与甲醇蒸发区8内甲醇扩散段12出口相对应连通；甲醇蒸发区8内部材料是电热材料或导热材料。

其中甲醇压缩段10是渐缩结构，甲醇压缩段10在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区8；甲醇蒸发段11对应甲醇压缩段10和甲醇扩散段12位置，在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区8内；甲醇扩散段12是渐扩结构，其中甲醇扩散段12在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区8。

本发明的直接甲醇燃料电池的工作方法包括以下步骤：

步骤S100：甲醇蒸气的制备与供给：

甲醇蒸发区8通过内部生热或外部受热获得能够使甲醇蒸发的热量；进一步，液相纯甲醇通过外部或内部动力经过甲醇进口9流入甲醇压缩段10，通过渐缩结构持续受到压缩，进行升压做功；进一步，高压的液相纯甲醇流入甲醇蒸发段11，与甲醇蒸发区8壁面进行换热，液相甲醇受热蒸发产生甲醇蒸气；进一步，甲醇蒸气流入甲醇扩散段12，通过渐扩结构进行充分混合，进一步流经甲醇蒸气流道13直接进入阳极扩散层6参与电池反应；

步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：

甲醇蒸气通过阳极扩散层6分配均匀，进一步流入阳极催化层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，其中所产生的电子导入外电路，质子在电场作用下穿过隔膜4迁移至阴极催化层3；进一步，电子经由外电路分别经由阴极扩散层2进入阴极催化层3，氧气通过主动或被动方式经过阴极流场板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；上述过程完成甲醇燃料电池放电。

步骤S300：二氧化碳的流动与导出：

阳极产物二氧化碳分别经阳极催化层5进入二氧化碳缓冲区14进一步通过二氧化碳出口15排放至大气。

本发明阳极侧采用一种新型顺流传输结构，甲醇蒸气通过甲醇蒸气流道直接流入阳极扩散层，反应产物直接回流至与甲醇蒸气流道所隔绝的二氧化碳缓冲区直接排出到大气中，燃料电池整体从液相甲醇流入至二氧化碳排出整体过程形成稳定的顺流传输流路，很大程度上解决了甲醇二氧化碳掺混、甲醇反应不充分、甲醇蒸气浓度不均匀等问题，更有利于阳极侧反应稳定高效地运行；本发明中甲醇蒸发区中甲醇压缩、蒸发、混合过程采用渐缩渐扩结构，能够更大程度的降低加热过程的功耗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；本发明中甲醇的供给采用阵列分布的供给方式，使燃料在电极侧的分布更加均匀，有利于甲醇蒸气的充分反应。

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 (10)

1.一种物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：包括设置在甲醇燃料电池本体上的阴极流场板(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)、燃料产物分离区(7)和甲醇蒸发区(8)；

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)与阴极流场板(1)和阴极催化层(3)相连，阳极扩散层(6)与阳极催化层(5)和燃料产物分离区(7)相连，燃料产物分离区(7)与甲醇蒸发区(8)和阳极扩散层(6)相连；

所述甲醇蒸发区(8)设置有甲醇进口(9)和甲醇蒸发管路，甲醇进口(9)与甲醇蒸发管路进口连通，所述燃料产物分离区(7)是内部分布有甲醇蒸气流道(13)的空腔，空腔部分为二氧化碳缓冲区(14)，空腔与阳极扩散层(6)连通，燃料产物分离区(7)开设有二氧化碳出口(15)；所述甲醇蒸气流道(13)一端与甲醇蒸发区(8)内的甲醇蒸发管路出口连通，甲醇蒸气流道(13)另一端与阳极扩散层(6)连通；

阳极扩散层(6)和阴极扩散层(2)是具有多孔结构的导电材料；阴极流场板(1)内侧加工有与阴极扩散层(2)连通的流道。

2.如权利要求1所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸发管路包括甲醇压缩段(10)、甲醇蒸发段(11)和甲醇扩散段(12)，其中甲醇蒸发段(11)与甲醇压缩段(10)和甲醇扩散段(12)相连通。

3.如权利要求2所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇压缩段(10)是渐缩结构，甲醇蒸发段(11)对应甲醇压缩段(10)和甲醇扩散段(12)位置，甲醇扩散段(12)是渐扩结构。

4.如权利要求3所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇压缩段(10)在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区(8)；甲醇蒸发段(11)在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区(8)内；甲醇扩散段(12)在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区(8)。

5.如权利要求4所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸气流道(13)与甲醇扩散段(12)相连通阵列分布于燃料产物分离区(7)。

6.如权利要求5所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阴极流场板(1)内流道为蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道。

7.如权利要求1-5任一项所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸发区(8)内部材料是电热材料或导热材料。

8.如权利要求1-5任一项所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阳极扩散层(6)和阴极扩散层(2)采用金属材料或碳材料制成。

9.如权利要求1-5任一项所述的物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述二氧化碳出口(15)位于燃料产物分离区(7)上侧。

10.一种权利要求1所述物料分离传输直接甲醇燃料电池的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S100：甲醇蒸气的制备与供给：

甲醇蒸发区(8)通过得能够使甲醇蒸发的热量，液相纯甲醇通过甲醇进口(9)流入甲醇蒸发管路，液相甲醇受热蒸发产生甲醇蒸气，甲醇蒸气经甲醇蒸气流道(13)直接进入阳极扩散层(6)参与电池反应；

步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：

甲醇蒸气通过阳极扩散层(6)分配均匀，进一步流入阳极催化层(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，氧气通过阴极流场板(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，完成甲醇燃料电池放电；

步骤S300：二氧化碳的流动与导出：

阳极产物二氧化碳分别经阳极催化层(5)进入二氧化碳缓冲区(14)进一步通过二氧化碳出口(15)排放至大气。