CN109921074B - 低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池及其工作方法，甲醇蒸发区内分别设置有多条甲醇蒸发管路和多条二氧化碳流路，分别独立设置甲醇输送管路和二氧化碳流路，阳极产物二氧化碳产生后直接通过二氧化碳流路排出，减少了二氧化碳与甲醇蒸气掺混，提高了甲醇蒸气的利用率，同时利于二氧化碳收集利用。甲醇蒸气产生后直接进入膜电极参与反应，降低了额外功耗；从甲醇流入至二氧化碳排出整体过程形成稳定的流路，这种燃料自流通结构很大程度上解决了甲醇蒸气浓度不均匀、甲醇反应不充分、甲醇二氧化碳掺混等问题，使电池反应更加稳定高效。

Description

低功耗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，具体涉及低功耗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，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

为克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种精确高效、稳定运行、持续输出的低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池及其工作方法，解决了甲醇蒸气浓度不均匀、甲醇反应不充分、甲醇二氧化碳掺混的问题，提高运行效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

低功耗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集流板、阴极扩散层、阴极催化层、隔膜、阳极催化层、阳极扩散层、阳极集流板和甲醇蒸发区；

其中隔膜与阴极催化层和阳极催化层相连，阴极扩散层与阴极集流板和阴极催化层相连，阳极扩散层与阳极集流板和阳极催化层相连，阳极集流板与甲醇蒸发区和阳极扩散层相连；

所述甲醇蒸发区内分别设置有多条甲醇蒸发管路和多条二氧化碳流路，所述甲醇蒸发管路出口与阳极集流板板中所对应的过孔相连；多条二氧化碳流路进出口分别为二氧化碳流入孔和二氧化碳排出孔，二氧化碳流入孔与阳极集流板板中所对应的过孔相连；多条二氧化碳流路连通后在甲醇蒸发区顶部开设有单个或多个二氧化碳排出孔；

所述阳极集流板中开设有不同直径的过孔，不同直径的过孔分别与甲醇蒸发区内甲醇蒸发管路出口及二氧化碳流入孔对应连通；阳极扩散层是具有多孔结构导电材料；阳极催化层包括具有催化氧化性能的催化剂；隔膜是具有质子导通能力的质子交换膜；阴极催化层包括具有催化还原性能的催化剂；阴极扩散层是具有多孔结构的导电材料；

所述阴极集流板内侧加工有用于向阴极扩散层输送氧气的流道。

进一步，所述甲醇蒸发管路由依次连接的甲醇压缩段、甲醇蒸发段和甲醇混合段组成。

进一步，所述甲醇压缩段为渐缩结构，甲醇蒸发段与甲醇压缩段和甲醇混合段位置对应，甲醇混合段为渐扩结构。

进一步，各甲醇蒸发管路在横向和纵向呈阵列分布于甲醇蒸发区。

进一步，所述多条二氧化碳流路呈阵列分布于甲醇蒸发区内。

进一步，所述甲醇蒸发区内各甲醇蒸发管路形成的阵列与多条二氧化碳流路形成的阵列互相交叉分布。

进一步，所述阴极集流板内侧流道为蛇形流道、平行流道、非连续型流道或交指型流道。

进一步，所述阳极集流板、阳极扩散层、阴极扩散层和阴极集流板均采用金属材料或碳材料制成。

进一步，所述甲醇蒸发区内部材料为电热材料或导热材料。

低功耗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：

液相纯甲醇通过外部或内部动力流入各甲醇蒸发管路受热蒸发产生甲醇蒸气，甲醇蒸气流向阳极集流板，通过阳极集流板分配均匀；

步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：

甲醇蒸气通过阳极集流板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，氧气泵入阴极集流板内侧流道进入阴极催化层，来自阳极侧的质子在阴极催化层与氧气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：

阳极产物二氧化碳经阳极扩散层，进入甲醇蒸发区内从二氧化碳流入孔进入二氧化碳流路，通过各条二氧化碳流路汇集至二氧化碳排出孔排出。

本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：

本发明的低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池，在甲醇蒸发区内分别设置有多条甲醇蒸发管路和多条二氧化碳流路，所述甲醇蒸发管路出口与阳极集流板板中所对应的过孔相连；多多条二氧化碳流路连通后在甲醇蒸发区顶部开设有单个或多个二氧化碳排出孔；分别独立设置甲醇输送管路和二氧化碳流路，阳极产物二氧化碳产生后直接通过二氧化碳流路排出，减少了二氧化碳与甲醇蒸气掺混，提高了甲醇蒸气的利用率，同时利于二氧化碳收集利用。甲醇蒸气产生后直接进入膜电极参与反应，降低了额外功耗。

从甲醇流入至二氧化碳排出整体过程形成稳定的流路，这种燃料自流通结构很大程度上解决了甲醇蒸气浓度不均匀、甲醇反应不充分、甲醇二氧化碳掺混等问题，使电池反应更加稳定高效。

本发明中甲醇蒸发管路由依次连接的甲醇压缩段、甲醇蒸发段和甲醇混合段组成、甲醇压缩段为渐缩结构，甲醇混合段为渐扩结构；液相纯甲醇通过渐缩结构压缩升压做功，在甲醇蒸发区壁面进行换热产生甲醇蒸气，甲醇蒸气在甲醇混合段充分混合；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甲醇蒸发所需加热温度和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，使甲醇反应更加均匀充分；实现空间、时间上的精确、均匀供料。

本发明中阳极集流板中开设有不同直径的过孔，不同直径的过孔分别与甲醇蒸发区内甲醇蒸发管路出口及二氧化碳流入孔对应连通；甲醇蒸汽通过集流板中过孔，通过扩散层进入催化层参与反应，减少了甲醇蒸气通过阳极集流板过程，降低了泵功。

本发明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，在甲醇蒸发过程中能够更大程度的降低能耗，在甲醇利用过程中更加均匀高效，在产物排出过程中避免与燃料掺混，因此电池整体具有运行稳定、反应高效等特点。

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发区正视图

图3是本发明直接甲醇燃料电池甲醇蒸发区左视图

图4是本发明直接甲醇燃料电池甲醇蒸发区右视图

图中：1-阴极集流板，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-阳极集流板，8-甲醇蒸发区，9-甲醇压缩段，10-甲醇蒸发段，11-甲醇混合段，12-二氧化碳流入孔，13-二氧化碳流路，14-二氧化碳排出孔。

具体实施方式

下面结合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1-4，本发明低功耗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集流板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、阳极集流板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与阴极集流板1和阴极催化层3相连，阳极扩散层6与阳极集流板7和阳极催化层5相连，在甲醇燃料电池本体上还安装有甲醇蒸发区8，阳极集流板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内水平设置有甲醇蒸发管路和在呈阵列分布的多条二氧化碳流路13；所述甲醇蒸发管路由依次连接的甲醇压缩段9、甲醇蒸发段10、甲醇混合段11组成，甲醇混合段11出口与阳极集流板7板中所对应的过孔相连；多条二氧化碳流路13进出口分别为二氧化碳流入孔12和二氧化碳排出孔14，二氧化碳流入孔12与阳极集流板7板中所对应的过孔相连；多条二氧化碳流路13连通后在甲醇蒸发区8顶部开设有单个或多个二氧化碳排出孔14。

所述阴极集流板1内侧加工有用于向阴极扩散层2输送氧气的流道，包括蛇形流道、平行流道、非连续型流道、交指型流道等，阴极集流板1采用金属材料、碳材料等导电材料制成。阴极扩散层2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；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；阳极集流板7是金属材料、碳材料等导电材料，阳极集流板7中开设有不同直径的过孔，所述不同直径的过孔与甲醇蒸发区8内甲醇混合段11出口及二氧化碳流入孔12相对应连通；甲醇蒸发区8内部材料为电热材料或导热材料。

参见图2，甲醇压缩段9为渐缩结构，甲醇压缩段9在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区8入口侧；甲醇蒸发段10对应甲醇压缩段9和甲醇混合段11位置，在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区8内；甲醇混合段11为渐扩结构，其中甲醇混合段11在横向和纵向阵列分布于甲醇蒸发区8出口侧；二氧化碳流入孔12应与甲醇混合段11出口不连通，在横向纵向阵列分布于甲醇蒸发区8出口侧；

参见图3和图4，阳极集流板7中不同直径的过孔与甲醇蒸发区8内甲醇混合段11出口及二氧化碳流入孔12对应呈阵列分布。

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；进一步，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；进一步，甲醇蒸气流入甲醇混合段11，通过渐扩结构进行充分混合，进一步流向阳极集流板7参与电池反应；

步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：

甲醇蒸气通过阳极集流板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、阳极集流板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和阳极集流板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集流板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集流板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：

阳极产物二氧化碳在甲醇蒸发区8内由二氧化碳流入孔12进入二氧化碳流路13，进一步通过二氧化碳流路13汇集至二氧化碳排出孔14排出。

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；由甲醇蒸发区通过集流板扩散层直接进入催化层参与反应，减少了甲醇蒸气通过阳极集流板过程，降低了泵功；阳极侧反应产物通过扩散层、集流板直接回流至甲醇蒸发区内二氧化碳通路，减少了二氧化碳与甲醇蒸气掺混，提高了甲醇蒸气的利用率，同时利于二氧化碳收集利用；从液相甲醇流入至二氧化碳排出整体过程形成稳定的流路，很大程度上解决了甲醇蒸气浓度不均匀、甲醇反应不充分、甲醇二氧化碳掺混等问题，更有利于阳极侧反应稳定高效地运行。

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.低功耗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集流板(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)、阳极集流板(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)与阴极集流板(1)和阴极催化层(3)相连，阳极扩散层(6)与阳极集流板(7)和阳极催化层(5)相连，阳极集流板(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)内分别设置有多条甲醇蒸发管路和多条二氧化碳流路(13)，所述甲醇蒸发管路出口与阳极集流板(7)板中所对应的过孔相连；多条二氧化碳流路(13)进出口分别为二氧化碳流入孔(12)和二氧化碳排出孔(14)，二氧化碳流入孔(12)与阳极集流板(7)板中所对应的过孔相连；多条二氧化碳流路(13)连通后在甲醇蒸发区(8)顶部开设有单个或多个二氧化碳排出孔(14)；

所述阳极集流板(7)中开设有不同直径的过孔，不同直径的过孔分别与甲醇蒸发区(8)内甲醇蒸发管路出口及二氧化碳流入孔(12)对应连通；阳极扩散层(6)是具有多孔结构导电材料；阳极催化层(5)包括具有催化氧化性能的催化剂；隔膜(4)是具有质子导通能力的质子交换膜；阴极催化层(3)包括具有催化还原性能的催化剂；阴极扩散层(2)是具有多孔结构的导电材料；

所述阴极集流板(1)内侧加工有用于向阴极扩散层(2)输送氧气的流道。

2.根据权利要求1所述的低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸发管路由依次连接的甲醇压缩段(9)、甲醇蒸发段(10)和甲醇混合段(11)组成。

3.根据权利要求2所述的低功耗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(9)为渐缩结构，甲醇蒸发段(10)与甲醇压缩段(9)和甲醇混合段(11)位置对应，甲醇混合段(11)为渐扩结构。

4.根据权利要求3所述的低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：各甲醇蒸发管路在横向和纵向呈阵列分布于甲醇蒸发区(8)。

5.根据权利要求4所述的低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述多条二氧化碳流路(13)呈阵列分布于甲醇蒸发区(8)内。

6.根据权利要求5所述的低功耗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)内各甲醇蒸发管路形成的阵列与多条二氧化碳流路(13)形成的阵列互相交叉分布。

7.根据权利要求5所述的低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阴极集流板(1)内侧流道为蛇形流道或平行流道。

8.根据权利要求5所述的低功耗物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阳极集流板(7)、阳极扩散层(6)、阴极扩散层(2)和阴极集流板(1)均采用金属材料或碳材料制成。

9.根据权利要求1所述的低功耗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)内部材料为电热材料或导热材料。

10.一种权利要求1所述低功耗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：

液相纯甲醇通过外部或内部动力流入各甲醇蒸发管路受热蒸发产生甲醇蒸气，甲醇蒸气流向阳极集流板(7)，通过阳极集流板(7)分配均匀；

步骤S200：甲醇蒸气的反应与放电：

甲醇蒸气通过阳极集流板(7)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，氧气泵入阴极集流板(1)内侧流道进入阴极催化层(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：

阳极产物二氧化碳经阳极扩散层(6)，进入甲醇蒸发区(8)内从二氧化碳流入孔(12)进入二氧化碳流路(13)，通过各条二氧化碳流路(13)汇集至二氧化碳排出孔(14)排出。

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