[发明专利]以甲醇蒸汽为燃料的单元式自呼吸直接甲醇无膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种以甲醇蒸汽为燃料的单元式自呼吸直接甲醇无膜燃料电池，包括阳极流场板、阳极气体扩散层、阳极催化层、阴极催化层、阴极气体扩散层和阴极盖板；其特征在于：在阳极流场板的前端设置有燃料储存罐、蒸发渗透膜和蒸汽传输层；所述阳极气体扩散层由多孔电极组成，所述阴极气体扩散层由疏水性多孔电极组成，在阳极催化层与阴极催化层之间设置有电解液流道；在阳极催化层与所述电解液流道之间还设置有多孔隔膜；所述电解液流道的首、尾端连通，形成闭环；在所述电解液流道内设置有催化氧化器和微泵；所述燃料储存罐用于存储甲醇；所述蒸发渗透膜用于将甲醇蒸发为甲醇蒸汽；可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及以甲醇蒸汽为燃料的单元式自呼吸直接甲醇无膜燃料电池。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)通常采用液态小分子有机物甲醇作为燃料，具有能量密度高、燃料储运方便、燃料成本低等显著优点，被认为是极具竞争力的下一代微型电源。直接甲醇燃料电池通常使用质子交换膜来分隔阴阳极反应物，然而质子交换膜对甲醇的阻隔作用较差，甲醇分子能够以相对较高的速率穿过质子交换膜到达阴极引起燃料渗透，在阴极产生寄生电流和混合电位，严重降低电池性能。为了缓解甲醇燃料渗透对电池性能的不利影响，传统的直接甲醇燃料电池多采用低浓度甲醇溶液作为燃料，常用的燃料浓度仅为2～4M，其能量密度远低于甲醇理论能量密度(4800Wh/L)，也低于锂离子电池，削弱了其竞争力。此外，使用稀甲醇溶液作为燃料会强化从阳极向阴极的水传输，使得阴极水淹问题更加突出，严重降低电池性能。因此，为提高能量密度和电池性能，应尽可能使直接甲醇燃料电池采用纯甲醇作为燃料。

P.A.Christensen等人提出了以甲醇蒸汽为燃料的直接甲醇燃料电池(P.A.Christensen et al.，Journal of Power Sources，1995)，即纯甲醇蒸发为甲醇蒸汽后通过阳极气体扩散层到达阳极催化层发生反应。这种方式提高了阳极反应区域的甲醇浓度，增强了阳极反应动力学，提升了电池性能。为了减小高浓度或者纯甲醇运行条件下燃料渗透的不利影响，Nakagawa等人(Nobuyoshi Nakagawa et al.，Journal of PowerSources，2006)在燃料腔室与膜电极之间加入一层多孔碳板，通过调控多孔碳板的孔隙率和亲疏水性增大甲醇的扩散阻力、减小燃料渗透。Wu和Zhao等人(T S Zhao et al.，J.Micromech.Microeng，2010)在阳极流场板中加入与燃料罐连通的圆形微孔结构以及与阳极催化层相连通的同轴圆形大孔结构，阳极甲醇电化学氧化反应产生的气态二氧化碳会在气液界面处形成一个小弯液面，从而产生极高的传质阻力来限制甲醇蒸汽向阳极催化层的扩散，从而减少燃料渗透。研究结果表明，该直接甲醇燃料电池具有良好的性能，但对微加工技术有较高的要求。Wei Xing等人(Wei Xin et al.，Journal of Power Sources，2010)提出了基于渗透蒸发膜的纯甲醇被动式燃料电池，通过改变渗透蒸发膜的尺寸来控制纯甲醇蒸发渗透到阳极反应区域内甲醇浓度，从而减小燃料渗透的影响。同时在阳极反应腔室上方开孔，排出阳极反应产生的气相二氧化碳，进一步提升性能。值得指出的是，传统的直接甲醇燃料电池采用质子交换膜分隔阴阳极，质子交换膜的电导率低于液态电解液(如1M稀硫酸溶液)的电导率，并且电池长时间运行后质子交换膜会老化、降解，从而使电池的性能和寿命下降。在实际燃料电池运行中，少量燃料渗透到阴极上发生寄生反应会使得阴极温度上升，强化阴极的氧还原反应动力学，因此少量的燃料渗透反而会使电池整体性能得到提升。此外，在某些低温环境中电极反应动力学差，电池性能低。为加快冷启动过程，通常采用外部热源加热电池整体，但此时热量主要以热传导的方式依次通过电池外壳、流场板、多孔扩散层达到多孔催化层，传热速率低，温度响应慢。综上所述，目前直接甲醇燃料电池可在高浓度甚至纯甲醇的条件下运行，但不能实现对燃料渗透量的精准控制和良好的环境温度适应性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了以甲醇蒸汽为燃料的单元式自呼吸直接甲醇无膜燃料电池。