CN109888342A - 一种热质平衡直接甲醇燃料电池及其工作方法 - Google Patents

一种热质平衡直接甲醇燃料电池及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种热质平衡直接甲醇燃料电池及其工作方法，热质平衡直接甲醇燃料电池，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，使燃料能够直接均匀地进入阳极，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；利用产物二氧化碳生成过程所产生的压强推动液态甲醇进入燃料电池内，降低额外泵功；将电池运行过程中反应区所产生的废热传递到甲醇蒸发区用来辅助甲醇蒸发；甲醇蒸发及利用过程更高效节能。

Description

一种热质平衡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，具体涉及一种热质平衡直接甲醇燃料电池及其工作方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池具有结构简单、常温工作、系统体积比能量高、燃料方便储运等优势，在通信、交通和国防等领域有着广泛的应用前景，其电池反应如下：
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来很大的困难。
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；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。同时，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
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、输出稳定的热质平衡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，利用产物生成过程所产生的压强推动液态甲醇进入燃料电池内，提高电池效率，降低额外功耗。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种热质平衡直接甲醇燃料电池，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蒸发管路，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；所述甲醇蒸发区内部材料是导热材料；
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；
在甲醇蒸发区进口侧还设置有甲醇控制阀，甲醇控制阀进口与甲醇储存罐相连，甲醇储存罐通过二氧化碳控制阀与二氧化碳升压罐相连；二氧化碳缓冲区的二氧化碳出口外接有二氧化碳分流阀，二氧化碳分流阀两出口分别与甲醇控制阀和空气相连；所述甲醇储存罐中有可移动活塞，活塞两侧腔体不连通，来自二氧化碳升压罐的高压二氧化碳气体推动活塞移动使甲醇储存罐中甲醇经过甲醇控制阀流入甲醇蒸发区；
甲醇蒸发区壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过外接甲醇蒸发换热管路相连。
进一步，所述二氧化碳升压罐罐体为导热材料，二氧化碳升压罐壁面与甲醇燃料电池本体壁面二氧化碳升压换热管路相连。
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，所述甲醇蒸发换热管路和二氧化碳升压换热管路为热管结构或内有换热介质的换热管路，所述热管结构为重力式热管、吸液芯热管或旋转热管。
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。
一种热质平衡直接甲醇燃料电池的工作方法，包括如下步骤：
步骤S100：甲醇流量与蒸发温度控制：
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甲醇蒸发换热管路与甲醇蒸发区内导热材料进行换热，甲醇燃料电池阳极产物二氧化碳通过二氧化碳分流阀进入二氧化碳升压罐升压，来自二氧化碳升压罐的高压二氧化碳气体推动活塞移动使甲醇储存罐中甲醇经过甲醇控制阀流入甲醇蒸发区；控制二氧化碳分流阀使阳极产物二氧化碳流入二氧化碳升压罐进行下一次循环，通过控制二氧化碳进入二氧化碳升压罐气体量控制二氧化碳进入甲醇储存罐速度，进一步控制甲醇流量；
步骤S200：甲醇蒸发与顺流传输：
液相纯甲醇通过甲醇控制阀流入甲醇蒸发管路，与甲醇蒸发区壁面进行换热，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S300：甲醇蒸气的反应与放电：
甲醇蒸气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，电子导入外电路，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扩散层进入阴极催化层，氧气经过阴极流场板、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，水在浓差作用下穿过隔膜进入阳极催化层，完成甲醇燃料电池放电；
步骤S400：二氧化碳顺流传输与做功：
阳极产物二氧化碳在阳极产生后直接进入二氧化碳缓冲区，进一步经过二氧化碳分流阀进入二氧化碳升压罐参与步骤S100所述过程参与做功使甲醇流入甲醇蒸发区，多余的二氧化碳通过二氧化碳分流阀排出，通过控制二氧化碳进气量进一步控制甲醇流量。
本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：
本发明的热质平衡直接甲醇燃料电池，甲醇蒸发区设置有甲醇蒸发管路，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，二氧化碳缓冲区与甲醇蒸气流道相隔绝与二氧化碳出口相连通；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通过二氧化碳分流阀排出，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，使燃料能够直接均匀地进入阳极，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。
本申请设有二氧化碳控制阀和二氧化碳升压罐，甲醇储存罐中有可移动活塞，活塞两侧腔体不连通，来自二氧化碳升压罐的高压二氧化碳气体推动活塞移动使甲醇储存罐中甲醇经过甲醇控制阀流入甲醇蒸发区；利用产物二氧化碳生成过程所产生的压强推动液态甲醇进入燃料电池内，降低额外泵功。
甲醇蒸发区壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过外接甲醇蒸发换热管路相连换热，将电池运行过程中反应区所产生的废热传递到甲醇蒸发区用来辅助甲醇蒸发；甲醇蒸发及利用过程更高效节能。
二氧化碳升压罐罐体为导热材料，二氧化碳升压罐壁面与甲醇燃料电池本体壁面二氧化碳升压换热管路相连换热，所产生的废热同时用来调节产物二氧化碳的气压，使二氧化碳能够持续推动活塞做功进而推动甲醇储存罐内液态甲醇的流动。
通过甲醇蒸发换热管路将电池运行过程中产生的废热作为甲醇蒸发区的热源以及甲醇储存罐内活塞的动力源，在无需额外功耗的前提下实现了甲醇供给与蒸发过程；通过对甲醇反应区与蒸发区换热量、甲醇反应区与二氧化碳升压罐换热量以及二氧化碳升压罐内二氧化碳供给量的精确控制，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。
本发明实现对电池传质、传热、放电的精确控制，通过对电池二氧化碳排出、热量传递程度的控制，能够实现对甲醇燃料电池放电量的精确控制。
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使甲醇气化更高效，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。
电池中的热、质传递过程中能够利用结构优势对化学能、动能、热量进行有序的调整分配，使电池更加稳定、高效、可控，在无需额外功耗的前提下能够精确高效地产出均匀的甲醇蒸气进而精确控制燃料电池输出稳定电压，电池整体具有精确稳定、节能高效等特点。
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，甲醇蒸气直接均匀的进入电极中，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，提高电池工作效率。
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。
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气动隔膜泵二氧化碳供给量的精确控制，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。
附图说明
图1是本发明热质平衡直接甲醇燃料电池系统结构示意图；
图2是本发明热质平衡直接甲醇燃料电池甲醇蒸气流道侧视图；
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-甲醇压缩段，10-甲醇蒸发段，11-甲醇扩散段，12-甲醇蒸气流道，13-二氧化碳缓冲区，14-二氧化碳出口，15-甲醇控制阀，16-甲醇储存罐，17-甲醇蒸发换热管路，18-二氧化碳分流阀，19-二氧化碳控制阀，20-二氧化碳升压罐，21-二氧化碳升压换热管路。
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，本发明的热质平衡直接甲醇燃料电池，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内部结构包括甲醇压缩段9、甲醇蒸发段10和甲醇扩散段11，其中甲醇蒸发段10与甲醇压缩段9和甲醇扩散段11相连通；燃料产物分离区7内部结构包括甲醇蒸气流道12、二氧化碳缓冲区13和二氧化碳出口14，其中甲醇蒸气流道12与甲醇扩散段11相连。
燃料产物分离区7是具有阵列排布管路的腔体，甲醇蒸气流道12阵列分布于燃料产物分离区7；燃料产物分离区7空腔部分为二氧化碳缓冲区13，空腔与阳极扩散层6连通。
在甲醇蒸发区8进口侧还设置有甲醇控制阀15，甲醇控制阀15进口与甲醇储存罐16相连，甲醇储存罐16通过二氧化碳控制阀19与二氧化碳升压罐20相连；二氧化碳出口14外侧设有二氧化碳分流阀18，二氧化碳分流阀18另外两出口端分别与二氧化碳升压罐20和空气相连。所述甲醇储存罐16中有可移动活塞，活塞两侧腔体不连通，来自二氧化碳升压罐20的高压二氧化碳气体推动活塞移动使甲醇储存罐16中甲醇经过甲醇控制阀15流入甲醇蒸发区8；活塞及甲醇储存罐16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。
甲醇蒸发区8壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过外接甲醇蒸发换热管路17相连；二氧化碳升压罐20壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过环绕的外接二氧化碳升压换热管路21相连。
甲醇控制阀15为一进一出的单向止回阀结构，所述甲醇蒸发换热管路17和二氧化碳升压换热管路21为热管结构或其他内有换热介质的换热管路，其中所述热管结构包括重力式热管、吸液芯热管和旋转热管。所述二氧化碳分流阀18为一进两出的三向止回阀结构；所述二氧化碳控制阀19为一进一出的单向止回阀结构；所述二氧化碳升压罐20罐体为导热材料。
甲醇压缩段9为渐缩结构，其中甲醇压缩段9在横向和纵向阵列于甲醇蒸发区8入口侧；甲醇蒸发段10应对应甲醇压缩段9和甲醇扩散段11位置，在横向和纵向阵列于甲醇蒸发区8内；甲醇扩散段11为渐扩结构，其中甲醇扩散段11在横向和纵向阵列于甲醇蒸发区8出口侧；甲醇蒸气流道12与甲醇扩散段11相连通，在横向纵向阵列于燃料产物分离区7。
其中阴极流场板1采用金属材料、碳材料等导电材料制成，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；甲醇蒸发区8内部材料为电热材料或导热材料。
本发明热质平衡直接甲醇燃料电池的工作方法，包括以下步骤：
步骤S100：甲醇流量与蒸发温度控制：
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甲醇蒸发换热管路17与甲醇蒸发区8内导热材料进行换热，通过控制甲醇蒸发换热管路17冷端与甲醇蒸发区接触面积8进一步控制甲醇蒸发区8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分流阀18进入二氧化碳升压罐20，同时二氧化碳升压换热管路21冷端与二氧化碳升压罐20壁面接触换热使罐内二氧化碳吸热升压，进一步推动甲醇储存罐16内活塞移动使甲醇经过甲醇控制阀15流入甲醇蒸发区8；进一步断开二氧化碳升压换热管路21冷端与二氧化碳升压罐20接触使罐内二氧化碳降温收缩，控制二氧化碳分流阀18使阳极产物二氧化碳流入二氧化碳升压罐20进行下一次循环，通过控制二氧化碳进入二氧化碳升压罐20气体量以及二氧化碳升压换热管路21冷端与二氧化碳升压罐20接触面积控制二氧化碳进入甲醇储存罐16速度，进一步控制二氧化碳升压罐20内活塞移动速度以准确控制甲醇流量；
步骤S200：甲醇蒸发与顺流传输：
液相纯甲醇通过甲醇控制阀15流入甲醇压缩段9，通过渐缩结构持续受到压缩，进行升压做功；高压的液相纯甲醇流入甲醇蒸发段10，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；甲醇蒸气流入甲醇扩散段11，通过渐扩结构进行充分混合，进一步通过甲醇蒸气流道12直接进入电池阳极参与电池反应；
步骤S300：甲醇蒸气的反应与放电：
甲醇蒸气经由阳极扩散层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、二氧化碳缓冲区13排放至大气，电子分别导入外电路，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，水在浓差作用下穿过隔膜4进入阳极催化层5，完成甲醇燃料电池放电；
步骤S400：二氧化碳顺流传输与做功：
阳极产物二氧化碳在阳极产生后直接进入二氧化碳缓冲区13，进一步经过二氧化碳分流阀18进入二氧化碳升压罐20参与步骤S100所述过程参与做功使甲醇流入甲醇蒸发区8，多余的二氧化碳通过二氧化碳分流阀18排出，通过控制二氧化碳进气量进一步控制甲醇流量。
本发明采用对燃料产物的顺流管理。使燃料能够直接均匀地进入阳极，提高电池工作效率；使燃料与产物在相互隔绝的情况下顺流流动，避免了燃料与产物的掺混，提高甲醇利用率；利用产物生成过程所产生的压强推动液态甲醇进入燃料电池内，降低额外泵功。本发明采用对电池内部热量的平衡管理。将电池运行过程中反应区所产生的废热传递到甲醇蒸发区用来辅助甲醇蒸发；所产生的废热同时用来调节产物二氧化碳的气压，使二氧化碳能够持续推动活塞做功进而推动甲醇储存罐内液态甲醇的流动。本发明实现对电池传质、传热、放电的精确控制。通过对电池二氧化碳排出、热量传递程度的控制，能够实现对甲醇燃料电池放电量的精确控制。本发明中甲醇蒸发及利用过程更高效节能。使用一种渐缩渐扩结构用于甲醇蒸发，通过压缩做功和扩散分散提高甲醇蒸发效率的同时保证甲醇均匀进入阳极。
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)

1.一种热质平衡直接甲醇燃料电池，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)设置有甲醇蒸发管路，所述燃料产物分离区(7)是内部分布有甲醇蒸气流道(12)的空腔，空腔部分为二氧化碳缓冲区(13)，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(14)；所述甲醇蒸气流道(12)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(12)另一端与阳极扩散层(6)连通；所述甲醇蒸发区(8)内部材料是导热材料；
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；
在甲醇蒸发区(8)进口侧还设置有甲醇控制阀(15)，甲醇控制阀(15)进口与甲醇储存罐(16)相连，甲醇储存罐(16)通过二氧化碳控制阀(19)与二氧化碳升压罐(20)相连；二氧化碳缓冲区(13)的二氧化碳出口(14)外接有二氧化碳分流阀(18)，二氧化碳分流阀(18)两出口分别与甲醇控制阀(15)和空气相连；所述甲醇储存罐(16)中有可移动活塞，活塞两侧腔体不连通，来自二氧化碳升压罐(20)的高压二氧化碳气体推动活塞移动使甲醇储存罐(16)中甲醇经过甲醇控制阀(15)流入甲醇蒸发区(8)；
甲醇蒸发区(8)壁面与甲醇燃料电池本体壁面通过外接甲醇蒸发换热管路(17)相连。
2.如权利要求1所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述二氧化碳升压罐(20)罐体为导热材料，二氧化碳升压罐(20)壁面与甲醇燃料电池本体壁面二氧化碳升压换热管路(21)相连。
3.如权利要求1所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸发管路包括甲醇压缩段(9)、甲醇蒸发段(10)和甲醇扩散段(11)，其中甲醇蒸发段(10)与甲醇压缩段(9)和甲醇扩散段(11)相连通。
4.如权利要求3所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇压缩段(9)是渐缩结构，甲醇蒸发段(10)对应甲醇压缩段(9)和甲醇扩散段(11)位置，甲醇扩散段(11)是渐扩结构。
5.如权利要求4所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇压缩段(9)在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区(8)；甲醇蒸发段(10)在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区(8)内；甲醇扩散段(11)在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区(8)。
6.如权利要求5所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸气流道(12)与甲醇扩散段(11)相连通阵列分布于燃料产物分离区(7)。
7.如权利要求6所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，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。
8.如权利要求1-6任一项所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸发换热管路(17)和二氧化碳升压换热管路(21)为热管结构或内有换热介质的换热管路，所述热管结构为重力式热管、吸液芯热管或旋转热管。
9.如权利要求1-6任一项所述的热质平衡直接甲醇燃料电池，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。
10.一种权利要求1所述热质平衡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：甲醇流量与蒸发温度控制：
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甲醇蒸发换热管路(17)与甲醇蒸发区(8)内导热材料进行换热，甲醇燃料电池阳极产物二氧化碳通过二氧化碳分流阀(18)进入二氧化碳升压罐(20)升压，来自二氧化碳升压罐(20)的高压二氧化碳气体推动活塞移动使甲醇储存罐(16)中甲醇经过甲醇控制阀(15)流入甲醇蒸发区(8)；控制二氧化碳分流阀(18)使阳极产物二氧化碳流入二氧化碳升压罐(20)进行下一次循环，通过控制二氧化碳进入二氧化碳升压罐(20)气体量控制二氧化碳进入甲醇储存罐(16)速度，进一步控制甲醇流量；
步骤S200：甲醇蒸发与顺流传输：
液相纯甲醇通过甲醇控制阀(15)流入甲醇蒸发管路，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；甲醇蒸气经甲醇蒸气流道(12)直接进入阳极扩散层(6)参与电池反应；
步骤S300：甲醇蒸气的反应与放电：
甲醇蒸气经由阳极扩散层(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，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)；同时，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，水在浓差作用下穿过隔膜(4)进入阳极催化层(5)，完成甲醇燃料电池放电；
步骤S400：二氧化碳顺流传输与做功：
阳极产物二氧化碳在阳极产生后直接进入二氧化碳缓冲区(13)，进一步经过二氧化碳分流阀(18)进入二氧化碳升压罐(20)参与步骤S100所述过程参与做功使甲醇流入甲醇蒸发区(8)，多余的二氧化碳通过二氧化碳分流阀(18)排出，通过控制二氧化碳进气量进一步控制甲醇流量。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040265655A1 (en) * 2003-06-30 2004-12-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for operating fuel cell and fuel cell system
CN1784804A (zh) * 2003-05-07 2006-06-07 株式会社杰士汤浅 直接型燃料电池系统
CN101645514A (zh) * 2009-07-02 2010-02-10 中国科学院长春应用化学研究所 一种采用纯甲醇进料方式的被动式直接甲醇燃料电池
CN104577168A (zh) * 2014-12-17 2015-04-29 广东合即得能源科技有限公司 一种甲醇水制氢发电系统及制氢发电方法
CN206225464U (zh) * 2016-12-15 2017-06-06 中氢新能技术有限公司 一种多孔金属纤维板的甲醇燃料电池组合体
CN206441814U (zh) * 2016-12-15 2017-08-25 中氢新能技术有限公司 一种基于聚合物双极端板复合甲醇燃料电池组
CN108206289A (zh) * 2016-12-19 2018-06-26 中氢新能技术有限公司 一种基于甲醇和水重整制备燃料电池

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1784804A (zh) * 2003-05-07 2006-06-07 株式会社杰士汤浅 直接型燃料电池系统
US20040265655A1 (en) * 2003-06-30 2004-12-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for operating fuel cell and fuel cell system
CN101645514A (zh) * 2009-07-02 2010-02-10 中国科学院长春应用化学研究所 一种采用纯甲醇进料方式的被动式直接甲醇燃料电池
CN104577168A (zh) * 2014-12-17 2015-04-29 广东合即得能源科技有限公司 一种甲醇水制氢发电系统及制氢发电方法
CN206225464U (zh) * 2016-12-15 2017-06-06 中氢新能技术有限公司 一种多孔金属纤维板的甲醇燃料电池组合体
CN206441814U (zh) * 2016-12-15 2017-08-25 中氢新能技术有限公司 一种基于聚合物双极端板复合甲醇燃料电池组
CN108206289A (zh) * 2016-12-19 2018-06-26 中氢新能技术有限公司 一种基于甲醇和水重整制备燃料电池

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