[发明专利]一种势能驱动物料分离传输直接甲醇燃料电池及其工作方法

权利要求书

1.一种势能驱动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，甲醇蒸气流道(12)与二氧化碳缓冲区(13)之间相隔绝；

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)中有压缩弹簧及可移动活塞，利用压缩弹簧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)；

二氧化碳缓冲区(13)的二氧化碳出口(14)外接二氧化碳控制阀(18)一端，二氧化碳控制阀(18)另一端排空。

2.如权利要求1所述的势能驱动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)内部材料是导热材料，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。

3.如权利要求1所述的势能驱动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(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所述的势能驱动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)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所述的势能驱动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)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所述的势能驱动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(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所述的势能驱动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、平行流道或交指型流道。

8.如权利要求2所述的势能驱动物料分离传输直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述甲醇蒸发换热管路(17)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任一项所述的势能驱动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。

10.一种权利要求3所述势能驱动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：

液相纯甲醇通过甲醇控制阀(15)流入甲醇蒸发管路，液相甲醇受热蒸发产生甲醇蒸气，甲醇蒸气流入甲醇扩散段(11)，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S200：甲醇流量双重的控制：

甲醇燃料电池预运行一段时间后，甲醇燃料电池阳极产物二氧化碳通过二氧化碳控制阀(18)排出，降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐(16)内压缩弹簧推动活塞移动使甲醇经过甲醇控制阀(15)流入甲醇蒸发区(8)，通过控制排出二氧化碳流量进一步控制液态甲醇流量；

步骤S300：甲醇蒸气的反应与放电：

甲醇蒸气通过甲醇蒸气流道(12)直接经由阳极扩散层(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，二氧化碳直接进入与甲醇蒸气流道(12)相隔绝的二氧化碳缓冲区(13)通过二氧化碳出口(14)和二氧化碳控制阀(18)排放至大气，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S400：二氧化碳的流出与控制：

阳极产物二氧化碳在燃料产物分离区(7)中二氧化碳缓冲区(13)汇集至二氧化碳出口(14)通过二氧化碳控制阀(18)排放至空气，降低阳极侧气压，进而使甲醇储存罐(16)内压缩弹簧推动活塞移动使甲醇经过甲醇控制阀(15)流入甲醇蒸发区(8)，通过控制排出二氧化碳流量进一步控制甲醇流量。