[发明专利]燃料梯级利用物料分离传输燃料电池及其工作方法

说明书

本发明公开一种燃料梯级利用物料分离传输燃料电池及其工作方法，燃料电池包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板和阴极流场板中均独立设置原料供应管路和支路，产物排出管路和支路，而且设置作为产物二次回收利用的氢气产物排出管路、氢气供给管路及支路，氧气产物排出管路、氧气供给支路，不仅原料和产物分离输送，而且将产物氧气和氢气引入电极中二次利用，与燃料输送流场相对应的燃料回收流场，保证燃料与产物的顺流传输，避免燃料产物的掺混，使燃料和氧化剂能够更高效的将化学能转化为电能，提高燃料氧化剂高效利用，最大限度的发挥电池的放电效率。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料梯级利用物料分离传输燃料电池及其工作方法。

背景技术

燃料电池技术是一种新型发电技术，该技术可以将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、无污染、无噪声、可靠性高、模块化、对负载变化可以快速响应等显著优点，被认为是解决能源危机的终极方案。燃料电池主要由离子交换膜、阴阳电极和双极板构成。其中由阴极电极、离子交换膜和阳极电极构成的膜电极(membraneelectrode assembly，MEA)是燃料电池发生电化学反应的场所。燃料和氧化剂分别通入电池的阳极和阴极。通入阳极的燃料(如H2、CH3OH、CH3CH2OH、CO(NH2)2、NaBH4、HCOONa等)发生氧化反应释放出电子，电子通过外电路流入到阴极，并与阴极的氧化剂(如O2、H2O2等)结合发生还原反应，同时离子通过电解质膜迁移到阴极(或阳极)，构成回路。

在众多类型的燃料电池中，硼氢化物(硼氢化钠、硼氢化钾等)由于燃料能量密度高、便于储存和运输等优点，被认为是燃料电池理想的燃料，同时过氧化氢由于有高效的还原性，经常被用做碱性燃料电池的氧化剂。因此，以硼氢化物溶液为燃料、过氧化氢溶液为氧化剂的燃料电池得到越来越多的应用。

作为直接液体燃料电池的关键部位，流场起到了输送燃料、分配燃料、回收产物的功能，在整个燃料电池运行过程中起着很关键的作用。当前燃料电池阳极流场主要包括蛇形流场、平行流场、非连续型流场、交指型流场等，其主要通过燃料在电极一侧流动时的扩散作用进入电极反应。在这一过程中，随着燃料在流道中的流动及在电极中的扩散反应，燃料不断消耗产物不断进入流道中，燃料的浓度逐渐降低，这导致电极内燃料浓度分布不均匀，进降了电极反应效率，进一步降低了直接液体燃料电池的工作效率。

同时，硼氢化物溶液在自然条件下容易发生水解生成氢气、过氧化氢在自然条件下容易产生氧气，这一问题一定程度上降低了燃料和氧化剂化学能对电能的转化率；同时在传统流路中，所产生的气体与燃料很容易产生掺混，难以排出，容易滞留在电池内部，影响电池的高效运行。

因此，针对燃料电池燃料在流动反应过程中出现的燃料产物掺混、燃料浓度分布不均匀、电池反应效率低等问题，一种燃料产物相分离顺流传递、燃料浓度均匀分布、燃料氧化剂高效利用的高效燃料电池亟待出现。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种均匀流通、顺流传输、多级利用、高效反应的燃料梯级利用物料分离传输燃料电池及其工作方法，提高燃料氧化剂利用率，提高燃料电池的工作效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

燃料梯级利用物料分离传输燃料电池，包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板、阳极缓冲腔、阳极电极、交换膜、阴极电极、阴极缓冲腔和阴极流场板；

所述的阳极流场板中分别独立设置有硼氢化物供给管路、硼氢化物产物排出管路、氢气产物排出管路和氢气供给管路，阳极流场板中还设置有分别与硼氢化物供给管路、硼氢化物产物排出管路、氢气产物排出管路和氢气供给管路连通的硼氢化物供给支路、硼氢化物产物排出支路、氢气产物排出支路和氢气供给支路，各支路出口均匀交错分布；所述的硼氢化物产物排出管路中接近硼氢化物产物排出口位置设置有阳极气液分离段；