[发明专利]物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池及其工作方法

权利要求书

1.物料分离热量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)顶部开设有二氧化碳排出孔(14)；

在甲醇蒸发区(8)进口侧还设置有气动隔膜泵(15)，气动隔膜泵(15)进口与甲醇储存罐(16)相连；所述甲醇蒸发区(8)内部材料为导热材料，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；甲醇蒸发区(8)顶部的二氧化碳排出孔(14)外接有二氧化碳分流阀(18)，二氧化碳分流阀(18)另外两端口分别与气动隔膜泵(15)和空气相连；

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所述的物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池，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所述的物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池，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所述的物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池，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所述的物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池，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所述的物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池，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所述的物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阴极集流板(1)内侧流道为蛇形流道、平行流道或交指型流道。

8.根据权利要求5所述的物料分离热量平衡直接甲醇燃料电池，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5所述的物料分离热量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)是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。

10.一种权利要求1所述物料分离热量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：甲醇蒸气的制备与供给：

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(8)避免接触面积控制甲醇蒸发区(8)温度；阳极产物二氧化碳通过二氧化碳分流阀(18)进入气动隔膜泵(15)做功使甲醇流入甲醇蒸发区(8)，通过控制二氧化碳进气量进一步控制甲醇流量；

液相纯甲醇通过外部或内部动力流入各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做功：

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)，集至二氧化碳排出孔(14)流向二氧化碳分流阀(18)，进入气动隔膜泵(15)做功使甲醇流入甲醇蒸发区(8)，通过控制二氧化碳进气量进一步控制甲醇流量。