[发明专利]一种拱型自供氧余热利用式直接甲醇燃料电池

说明书

本发明公开了一种拱型自供氧余热利用式直接甲醇燃料电池，包括拱形壳体、渗透汽化膜、中心反应部分、氧气发生腔与热力循环系统；所述渗透汽化膜将拱形壳体分割为甲醇燃料腔和蒸汽腔；所述蒸汽腔中设置有气体缓冲结构；气体缓冲结构包括第一疏水纤维板和与第一疏水纤维板间隔设置的第一亲水多孔板；中心反应部分设置有阳极流场板、膜电极和阴极流场板，膜电极位于阳极流场板和阴极流场板中间，阳极流场板与膜电极的阳极侧之间设置有第二亲水多孔板；膜电极的阴极侧与阴极流场板之间设置有第二疏水纤维板；所述氧气发生腔设有双层的第三疏水纤维板。本发明有效地提高了电池能量密度，实现电池高浓度甲醇甚至纯甲醇供料，从而延长电池的工作时间。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种拱型自供氧余热利用式直接甲醇燃料电池。

背景技术

蒸汽被动式直接甲醇燃料电池(V-DMFC)属于直接甲醇燃料电池中的一种形式。因其更高的能量密度、更弱的甲醇穿透现象、较为延长的工作时间，具有更广泛的开发和研究价值，但是V-DMFC的蒸汽供给方式以及合理的管理方法成为抑制V-DMFC整体性能提高的关键因素，特别是对于实现V-DMFC的纯甲醇供料，这一点显得尤为重要。

直接甲醇燃料电池的电极和电池反应如下：

阳极反应为CH₃OH+H₂O→6H⁺+6e^-+CO₂

阴极反应为3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

电池总反应为CH₃OH+3/2O₂→2H₂O+CO₂+能量

目前为V-DMFC提供甲醇蒸汽的方法主要是依靠加热液态甲醇燃料，产生高温高压的甲醇蒸汽，但是高温甲醇蒸汽参与反应时导致质子交换膜的通透性增强，从而导致更严重的甲醇穿透现象和寄生损耗。而常温状态下依靠渗透气化技术获得的甲醇蒸汽往往浓度太低，会造成较为严重的浓差极化，阻碍了电池性能的提高，而且渗透汽化技术得到的气态燃料存在甲醇含量明显大于水含量的问题，使得反应物浓度比例失衡，难以维持电池高效工作。而对于纯甲醇燃料供给，渗透汽化得到高浓度的甲醇蒸汽，不仅会造成严重的甲醇穿透现象，而且得到的甲醇蒸汽会存在饱和现象，导致甲醇蒸汽分压偏低，形成严重的浓差极化现象。同时过高的甲醇蒸汽温度会导致膜电极高温脱水，造成反应失效，极大地缩短膜电极的使用寿命，严重影响电池能量密度。

Guo和Faghri在文献Zhen Guo,Amir Faghri.Vapor feed direct methanol fuelcells with passive thermal-fluids management system[J].Journal of PowerSources,2007,167(2).曾提出多种阳极燃料汽化方案，并以此为基础建立了V-DMFC中的热-流管理系统，在他们的设计模型中，甲醇溶液通过毛细吸液芯从燃料罐中被动地传输至蒸发板，汽化后在蒸汽腔中形成蒸汽燃料，而汽化的形式可以为自然利用电热薄片直接加热蒸发板能够有效避免燃料的液化，整个系统表现出优异的稳定性与可靠性，而伴随产生的寄生功率损耗大约为5％。但是由于甲醇蒸汽压明显大于水的蒸汽压，以及甲醇蒸发吸热造成的相变界面低温等因素将限制水的蒸发，进而造成阳极反应缺水，对电池输出产生了不利的影响。在燃料电池阴极反应侧，会产生水膜。水滴覆盖堵塞阴极流场板，导致氧气无法继续通过阴极流场板到达膜电极，严重地阻碍了反应的进行。