CN111029598B - 一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，包括燃料电池、冷凝器、储液腔，所述储液腔的两个出口通过两个毛细管Ⅰ与燃料电池的其中两个进口相连，燃料电池的其中一个出口通过蒸气管路与冷凝器进口相连，冷凝器出口通过毛细管Ⅱ与燃料电池的另一个进口相连，燃料电池的另一个出口通过回流管路与储液腔进口相连。该电池构建具有散热和甲醇燃料输运的热毛细力泵结构，驱动甲醇燃料进入微型燃料电池发生氧化还原反应从而产生电能，实现基于散热、燃料储运和反应发电一体化的微型燃料电池，颠覆了现有普遍采用有源泵、阀控制甲醇燃料输运的燃料电池工作机理。

Description

一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统

技术领域

本发明涉及热毛细力环路热管和甲醇燃料电池技术领域，主要是基于其工作原理通过电池极板与蒸发器集成构建具有散热和燃料输运功能的热毛细泵环路结构，从而实现集散热、燃料储运和反应发电为一体的一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，具体涉及一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将供给的燃料和氧化剂的化学能连续不断地转化为电能的发电装置。它能量转换率高、无氮氧化物排放、能量密度和功率密度高，基于这些优点燃料电池技术的研究与开发备受各国政府与公司的关注，被认为是新世纪首选的、洁净的、高效的电池技术。燃料电池的研究与开发，不仅有利于能源工业和电池工业的发展，而且推动电子、材料、医学等领域的科学技术进步，对于资源利用率的提高和各种环境问题的解决起到的很大的影响。

目前我国在一些领域对高能量高密度集成化的研究有较大的需求，对此本发明研究集散热、燃料储运和反应发电一体化的微型燃料电池技术。环路热管是一种回路闭合环形热管，一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成，它传热能力强、可以克服重力场、管线布置方便、有精准的控温能力，环路热管中的毛细泵环路作为航天军事等高科技领域热管理重要部件，最开始应用于天文望远镜；在燃料电池领域，电池基本上都是采用泵和阀的方式提供燃料，且催化电极采用碳粉作为催化剂载体，电池反应活性低。为此对燃料电池和环路热管进行创新，采用电池极板与蒸发器集成的方式构成蒸发室，与冷凝器和燃料电池组成一个热毛细力驱动的闭合微型燃料电池系统。

发明内容

本发明提供毛细环路热管和燃料电池结合的方式，将蒸发器与阳极集成极板集成构成蒸发室，与冷凝器构成一个回路，通过蒸发器结构吸收电池反应产生的热量，进而推动环路内燃料的单向流动，使燃料进入微型甲醇燃料电池从而进行发电反应，构建具有散热和燃料输运的热毛细泵结构驱动燃料进入微型燃料电池；在催化电极方面，采用碳纳米管或石墨烯气凝胶构建一种三维纳米结构，使得微型燃料电池催化电极反应具有更高的活性和更大的比表面积。

为了实现上述目的，本发明提供一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，包括燃料电池、冷凝器、储液腔，所述储液腔的两个出口通过两个毛细管Ⅰ与燃料电池的其中两个进口相连，燃料电池的其中一个出口通过蒸气管路与冷凝器进口相连，冷凝器出口通过毛细管Ⅱ与燃料电池的另一个进口相连，燃料电池的另一个出口通过回流管路与储液腔进口相连。

所述燃料电池分为单燃料电池和燃料电池组；所述单燃料电池由阴极极板Ⅰ、膜电极及阳极集成极板Ⅰ组成，所述阴极极板Ⅰ与阳极集成极板Ⅰ之间设置有膜电极；所述燃料电池组由若干电池集成，所述燃料电池组包括阴极极板Ⅰ、若干膜电极、若干双面极板、阳极集成极板Ⅰ组成，所述阴极极板Ⅰ与阳极集成极板Ⅱ之间通过若干膜电极和若干双面极板集成。

所述膜电极由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层组成，所述阳极扩散层与阳极催化层一端相连，阳极催化层另一端与质子交换膜一端相连，质子交换膜另一端与阴极催化层一端相连，阴极催化层另一端与阴极扩散层相连。

所述阳极集成极板Ⅰ和阳极集成极板Ⅱ结构相同，均由蒸发器、阳极极板、蒸气管路、回流管路、毛细管Ⅰ及毛细管Ⅱ组成，所述阳极极板边缘嵌入设置有流场和两个蒸发器，且两个蒸发器并联设置，所述流场进口端与毛细管Ⅱ相连，流场出口端与回流管路相连，两个所述蒸发器进口端分别与两个毛细管Ⅰ相连，两个蒸发器出口端通过三通与蒸气管路相连。

所述蒸发器包括蒸发器壳体、蒸气通道、液体通道及毛细芯，所述蒸发器壳体内同轴套有毛细芯，毛细芯轴向通道为液体通道，毛细芯外表面均匀布置有蒸气通道。

本发明的有益效果为：

本发明采用毛细管、冷凝器、储液腔及燃料电池集成的方式，制备一种集散热、燃料储运和反应发电为一体化的热毛细力驱动的闭合微型燃料电池系统。

1、该电池构建具有散热和甲醇燃料输运的热毛细力泵结构，驱动甲醇燃料进入微型燃料电池发生氧化还原反应从而产生电能，实现基于散热、燃料储运和反应发电一体化的微型燃料电池，颠覆了现有普遍采用有源泵、阀控制甲醇燃料输运的燃料电池工作机理。

2、提出基于微型燃料电池石墨烯气凝胶催化电极的新结构。采用石墨烯气凝胶可控制备技术构建三维立体微纳米结构，实现了超高活性的微型燃料电池催化电极，颠覆了现有微型燃料电池催化电极的结构，摆脱了系统表面积的有限性对电池性能提升的约束。

3、本发明热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统通过蒸发室、冷凝器及储液腔构成热毛细泵结构，具有散热、燃料储运和反应发电高效集成化的特点。

附图说明

图1为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统示意图；

图2为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统的燃料电池结构示意图；

图3为三个燃料电池组成的热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统；

图4为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统的双面极板仰视图；

图5为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统的双面极板俯视图；

图6为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统的膜电极结构示意图；

图7为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统的阳极集成极板示意图；

图8为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统的蒸发器管道轴侧图；

图9为热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统的蒸发器管道主视图；

1-燃料电池，101-阴极极板Ⅰ，102-膜电极，103-阳极集成极板Ⅰ，104-阳极扩散层，105-阳极催化层，106-质子交换膜，107-阴极催化层，108-阴极扩散层，109-蒸发器，110-阳极极板，111-流场，112-蒸发器壳体，113-蒸气通道，114-液体通道，115-毛细芯，116-双面极板，117-阴极极板Ⅱ，118-阳极集成极板Ⅱ，2-冷凝器，3-储液腔，4-蒸气管路，5-回流管路，6-毛细管Ⅰ，7-毛细管Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，包括燃料电池1、冷凝器2、储液腔3，所述储液腔3的两个出口通过两个毛细管Ⅰ6与燃料电池1的其中两个进口相连，燃料电池1的其中一个出口通过蒸气管路4与冷凝器2进口相连，冷凝器2出口通过毛细管Ⅱ7与燃料电池1的另一个进口相连，燃料电池1的另一个出口通过回流管路5与储液腔3进口相连；本发明中的储液腔3的体积与重量以系统进行压力注入保证系统正常启动及在缓冲回路发生的体积变化，并维持系统压力平衡，保持系统工作性能正常为基准设定储液腔3所需的体积与重量。

所述燃料电池1分为单燃料电池和燃料电池组；如图2所示，所述单燃料电池由阴极极板Ⅰ101、膜电极102及阳极集成极板Ⅰ103组成，所述阴极极板Ⅰ101与阳极集成极板Ⅰ103之间设置有膜电极102；如图3至图5所示，本实施例中所述燃料电池组由三个电池集成，所述燃料电池组包括阴极极板Ⅰ101、三个膜电极102、两个双面极板116、阳极集成极板Ⅰ103组成，双向极板由阴极极板Ⅱ117与阳极集成极板Ⅱ118集成，所述阳极集成极板Ⅰ103通过膜电极102与其中一个双面极板116的阴极极板Ⅱ117相连，其中一个双面极板116的阳极集成极板Ⅱ118通过膜电极102与另一个双面极板116的阴极极板Ⅱ117相连，另一个双面极板116的阳极集成极板Ⅱ118与阴极极板Ⅰ101相连；

当采用单燃料电池时，将蒸发器109嵌入阳极集成极板Ⅰ103边缘设置，蒸发器109吸收燃料电池1工作产生的热量为整个回路提供驱动力，在闭合回路系统运行时，在阳极集成极板Ⅰ103内部发生蒸发过程，形成毛细驱动力，使得燃料工质单向循环流动。燃料电池1产生的热量一方面被阳极集成极板Ⅰ103中的蒸发器109吸收，一方面通过冷凝器2散热，进而使得电池的工作温度降低，提高了电池的性能；当采用燃料电池组时，一方面节约成本，另一方面使得联合电池组工作热量易于被蒸发器109吸收，提高的系统的运行效率和温度均匀性。

如图6所示，所述膜电极102由阳极扩散层104、阳极催化层105、质子交换膜106、阴极催化层107、阴极扩散层108组成，所述阳极扩散层104与阳极催化层105一端相连，阳极催化层105另一端与质子交换膜106一端相连，质子交换膜106另一端与阴极催化层107一端相连，阴极催化层107另一端与阴极扩散层108相连，阳极催化层105和阴极催化层107采用碳纳米管或石墨烯气凝胶作为催化载体，取代传统的碳粉载体，石墨烯气凝胶是用冷冻干燥法将纳米碳纤维和石墨烯的混合溶液干燥，得到由碳构成的海绵状材料，由于其低密度、高表面积、大孔体积、高电导率、良好的热稳定性及结构可控等特性，同时具备立体三维结构改善了载体的孔结构，提高催化活性。

如图7所示，所述阳极集成极板Ⅰ103和阳极集成极板Ⅱ118结构相同，均由蒸发器109、阳极极板110、蒸气管路4、回流管路5、毛细管Ⅰ6及毛细管Ⅱ7组成，所述阳极极板110边缘嵌入设置有流场111和两个蒸发器109，且两个蒸发器109并联设置，所述流场111进口端与毛细管Ⅱ7相连，流场111出口端与回流管路5相连，两个所述蒸发器109进口端分别与两个毛细管Ⅰ6相连，两个蒸发器109出口端通过三通与蒸发管路相连，所述流场111分为栅形流场或蛇形流场。所述蒸发器109、阳极极板110及流场111集成形成蒸发室，蒸发室用于吸收热源传来的热量并为整个循环回路提供驱动力，且与冷凝器2、储液腔3组成的闭合回路实现热毛细力驱动。

如图8和图9所示，所述蒸发器109包括蒸发器壳体112、蒸气通道113、液体通道114及毛细芯115，所述蒸发器壳体112内同轴套有毛细芯115，毛细芯115轴向通道为液体通道114，毛细芯115外表面均匀布置有蒸气通道113，毛细芯115是蒸发器109的核心元件，它提供工质循环动力、提供液体蒸发界面以及实现液体供给，同时阻隔毛细芯115外侧产生的蒸气进入储液腔3，毛细芯115内液体通道114的设置是为了使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯115进行供液，提高蒸发器109运行的稳定性。

本发明的工作过程为：

首先燃料电池1在工作过程中产生大量的热，蒸发器109通过吸收其热量，传递至毛细芯115内部的冷却工作介质，并使得蒸发器109液体通道114中的燃料发生气化反应并产生驱动力，驱使其通过蒸气管路4单向流动至冷凝器2，蒸气经过冷凝器2时放出热量冷凝成液体，液体燃料进入燃料电池1内发生相应的氧化还原反应并产生电流发电，未参与反应的燃料通过回流管路5至储液腔3。回路实现了吸热、蒸发、流动、冷凝循环，不断地将电池内部热量传输到冷凝器2中，实现散热回路的自启动和循环运转功能。

Claims (1)

1.一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，其特征在于，包括燃料电池、冷凝器、储液腔，所述储液腔的两个出口通过两个毛细管Ⅰ与燃料电池的其中两个进口相连，燃料电池的其中一个出口通过蒸气管路与冷凝器进口相连，冷凝器出口通过毛细管Ⅱ与燃料电池的另一个进口相连，燃料电池的另一个出口通过回流管路与储液腔进口相连；

所述燃料电池分为单燃料电池和燃料电池组；所述单燃料电池由阴极极板Ⅰ、膜电极及阳极集成极板Ⅰ组成，所述阴极极板Ⅰ与阳极集成极板Ⅰ之间设置有膜电极；所述燃料电池组由若干电池集成，所述燃料电池组包括阴极极板Ⅰ、若干膜电极、若干双面极板、阳极集成极板Ⅰ组成，所述阴极极板Ⅰ与阳极集成极板Ⅱ之间通过若干膜电极和若干双面极板集成；

所述膜电极由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层组成，所述阳极扩散层与阳极催化层一端相连，阳极催化层另一端与质子交换膜一端相连，质子交换膜另一端与阴极催化层一端相连，阴极催化层另一端与阴极扩散层相连，所述阳极催化层和阴极催化层采用碳纳米管或石墨烯气凝胶作为催化载体；

所述阳极集成极板Ⅰ和阳极集成极板Ⅱ结构相同，均由蒸发器、阳极极板、蒸气管路、回流管路、毛细管Ⅰ及毛细管Ⅱ组成，所述阳极极板表面设置有流场和两个蒸发器，且两个蒸发器并联设置，所述流场进口端与毛细管Ⅱ相连，流场出口端与回流管路相连，两个所述蒸发器进口端分别与两个毛细管Ⅰ相连，两个蒸发器出口端通过三通与蒸气管路相连；

所述蒸发器包括蒸发器壳体、蒸气通道、液体通道及毛细芯，所述蒸发器壳体内同轴套有毛细芯，毛细芯轴向通道为液体通道，毛细芯外表面均匀布置有蒸气通道。

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