[发明专利]一种新型阳极流场的直接液体燃料电池

说明书

本发明公开了一种新型阳极流场的直接液体燃料电池，包括阳极集流板、阴极集流板、膜电极组及阳极流场板。膜电极组夹设于阳极集流板和阴极集流板之间，阳极流场板设于阳极集流板和膜电极组之间。阳极流场板由疏水多孔层制成，以将阳极产生的气泡捕获并原位排出；阳极流场板内设有交指状流场，以使液体燃料以强制对流方式进入至膜电极组内，且将膜电极组内的溶解氧携带向外排出。上述新型阳极流场的直接液体燃料电池，在促进气泡高效排出的同时避免了阳极氧气渗透问题，并且无附加设备和额外能量损耗，可有效解决气泡引起的传质恶化和转化效率低与输出稳定性难以兼顾的问题，对推动高性能直接液体燃料电池商业化进程具有重要意义。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种新型阳极流场的直接液体燃料电池。

背景技术

直接液体燃料电池(Direct liquid fuel cells，DLFCs)可将甲醇、甲酸等碳基液体燃料以及液氨、肼等氮基液体燃料的化学能直接转化产生清洁的电能，具有能量密度高、环境友好、运行条件温和等优点，同时有效解决了氢燃料电池面临的氢气储运难题，是助力实现我国“双碳”目标的清洁能源高效利用技术之一。

在实际运行过程中，DLFCs势必面临大电流运行条件。以液氨/甲醇燃料为例，电池阳极会产生大量的N₂/CO₂气泡。一方面，气泡黏附在电极表面会占据电化学活性面积，阻碍反应物传输，导致欧姆损失和阳极过电位增加；同时引起燃料分布不均，造成阳极浓差极化损失。另一方面，气泡的生长和脱离过程会导致电池性能产生波动，电压稳定性降低，并且电压波动和气泡脱离产生的拖拽力会加速阳极催化剂老化和脱落。此外，阳极流道内积聚的气泡还会显著增加通道内的压降和燃料渗透风险，这严重制约了DLFCs的商业化进程。

目前，针对大电流密度下DLFCs内气泡引起的传质恶化和转化效率低与输出稳定性差等问题，常见的促进气泡排出方法有改变运行工况(如增大燃料流速、提高溶液温度)、外加作用力场(如声场、磁场、电场)等。然而上述主动方法存在以下问题：1)增大燃料流速会降低燃料利用率，而提高溶液温度可能会导致膜稳定性降低以及燃料渗透问题；2)外加声场/磁场/电场会增加系统整体功耗和复杂性，降低电池净输出功率。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种新型阳极流场的直接液体燃料电池，以解决气泡引起的传质恶化和转化效率低以及输出稳定性难以兼顾的问题。

一种新型阳极流场的直接液体燃料电池，包括：

阳极集流板；

阴极集流板；

膜电极组，夹设于所述阳极集流板和所述阴极集流板之间；及

阳极流场板，设于所述阳极集流板和所述膜电极组之间；所述阳极流场板由疏水多孔层制成，以将阳极产生的气泡捕获并原位排出；所述阳极流场板内设有交指状流场，以使液体燃料以强制对流方式进入至所述膜电极组内，且将所述膜电极组内的溶解氧携带向外排出。

在其中一个实施例中，所述膜电极组包括膜电极、阳极扩散层及阴极扩散层，所述阳极扩散层和所述阴极扩散层分别布置于所述膜电极相对的两侧，所述阳极流场板与所述阳极扩散层贴合。

在其中一个实施例中，所述膜电极包括阳极催化剂层、阴极催化剂层及离子交换膜，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层分别设于所述离子交换膜的相对两侧，所述阳极扩散层贴合所述阳极催化剂层，所述阴极扩散层贴合所述阴极催化剂层。

在其中一个实施例中，阳极催化剂和阴极催化剂的浆料分别喷涂沉积在所述离子交换膜的两面，然后采用热压制备所述膜电极，并所述阳极催化剂层做亲水处理。

在其中一个实施例中，所述阴极扩散层采用疏水多孔层，所述阳极扩散层采用亲水多孔层。

在其中一个实施例中，所述阳极流场板由疏水导电纤维组成，并利用机械加工方式构建交指状流场。