[发明专利]一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法

说明书

本发明公开一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法，通过燃料分配流路、树状燃料供给支路，采用树状逐级分布纵向流入流场，保证燃料能够直接均匀进入电极表面，提高燃料反应程度，提升电池效率；产物回流区为具备阵列分布阵列状燃料排出支路、燃料回收流路及燃料分配流路分布的流场板，而且在流入流场周围留有空腔，使燃料在进入电极反应完成后直接进入空腔内进一步顺流进入与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使燃料的流入流出实现顺流流动，维持电极表面燃料高浓度，避免了流动过程中燃料与产物的掺混。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，人类社会的一切活动都离不开能源。随着经济的高速发展和社会的不断进步，人类对能源的消耗量也持续增长。世界范围内能源需求持续增长，传统化石能源消耗量仍占主导。然而，传统化石能源储量有限，部分能源在未来几十年将消耗殆尽。此外，在传统化石能源利用过程中，环境污染问题也在日益加剧，由此带来的“温室效应”、“酸雨”、“臭氧层破坏”等问题严重威胁着人类的生存和发展。面对着能源危机和环境保护的严峻挑战，寻找能够替代传统化石能源的清洁可持续能源成为当然人类研究的重点。

目前，太阳能、风能、潮汐能、地热能等具有能源充足，利用过程清洁无污染等优点。但是这类能源在利用过程中存在间歇性、不稳定性、效率低等问题。燃料电池由于其能量转换效率高、污染小、无噪音等优点而受到人们的广泛关注。作为新一代能源技术，燃料电池为解决能源危机和环境污染问题提供了一种新思路，具有战略性意义。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(membrane electrode 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，直接液体燃料电池(Direct liquid fuel cells，DLFC)由于燃料能量密度高、便于储存和运输等优点，近些年来受到人们的广泛关注。直接液体燃料电池是以甲醇、乙醇、尿素、硼氢化钠、甲酸盐等液体作为燃料的一类燃料电池。按照固体电解质膜种类的不同，直接液体燃料电池可分为酸性直接液体燃料电池和碱性直接液体燃料电池。

作为直接液体燃料电池的关键部位，阳极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，降低了电极反应效率，进一步降低了直接液体燃料电池的工作效率。

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等问题，一种燃料产物相分离顺流传递、燃料浓度均匀分布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，本发明目的在于提供一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法，使燃料能够直接且均匀的到达电极表面，保证燃料与产物的顺流传输，避免燃料产物的掺混。