一種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池及其物料反應(yīng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及液體燃料電池，具體涉及一種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池及其物料反應(yīng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)是一種以甲醇水溶液和空氣(或氧氣)為燃料，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的清潔能源。由于DMFC工作過(guò)程中沒(méi)有燃燒，其能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，因此其能量轉(zhuǎn)換效率極高(大約為60%?80%) ο同時(shí)，它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、噪音低和燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]DMFC由膜電極組件(Membrane Electrode Assembly，MEA)、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板組成。其中，MEA由陽(yáng)極擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層按照順序壓合在一起；流場(chǎng)板在朝向膜電極組件的一側(cè)附有金屬層或者直接采用金屬材料，用于收集電流，同時(shí)流場(chǎng)板上加工有微溝道用于均勻分配反應(yīng)物。工作時(shí)，甲醇水溶液通過(guò)陽(yáng)極流場(chǎng)板經(jīng)由陽(yáng)極多孔擴(kuò)散層到達(dá)陽(yáng)極催化層發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳、質(zhì)子和電子；質(zhì)子在電場(chǎng)作用下穿過(guò)質(zhì)子交換膜迀移至陰極催化層，與擴(kuò)散至陰極催化層的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成水；而電子則通過(guò)外電路進(jìn)入陰極，并驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。由此可見(jiàn)，燃料電池需要源源不斷地供給新鮮的甲醇溶液和氧氣(或空氣)并及時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)物才能持續(xù)發(fā)電。由此可見(jiàn)，DMFC反應(yīng)物的及時(shí)供給和生成物的順利排出是其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行的前提條件。因此，對(duì)反應(yīng)物和生成物的物料管理是制約DMFC發(fā)展的關(guān)鍵因素。
[0004]根據(jù)甲醇溶液的供給方式，陽(yáng)極物料管理可以分為主動(dòng)管理和被動(dòng)管理。主動(dòng)管理采用流體輸運(yùn)設(shè)備來(lái)輸運(yùn)甲醇溶液和排出C02氣泡，有利于陽(yáng)極反應(yīng)物和生成物的有序化管理，且能夠滿足甲醇溶液濃度均勻性和一致性要求。美國(guó)專利(US 20040247954A1)提出了一種直接甲醇燃料電池的甲醇溶液濃度控制方法，根據(jù)燃料電池的電壓變化曲線、極化曲線等特性確定需要補(bǔ)給的甲醇溶液濃度，省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴的甲醇溶液濃度傳感器。但是其相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)和較大的寄生功耗增加了 DMFC的內(nèi)部消耗。被動(dòng)管理的基本思想是利用DMFC中毛細(xì)作用力、氣泡驅(qū)動(dòng)力或者重力等作用力實(shí)現(xiàn)物料有序化輸運(yùn)和管理，具有無(wú)寄生功耗優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)(Jiguchi T T, Abdelkareem M A, Kudo T, etal.Development of a passive direct methanol fuel cell stack for high methanolConcentrat1n [J].Journal of Power Sources, 2010，195:5975 - 5979)米用多孔碳板實(shí)現(xiàn)濃甲醇/純甲醇的自動(dòng)進(jìn)料，但是隨著反應(yīng)進(jìn)行，濃甲醇溶液液面的降低和陰極生成的水對(duì)甲醇溶液的稀釋作用都會(huì)使電池的功率密度緩慢降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池及其物料反應(yīng)方法，無(wú)需甲醇溶液濃度傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)甲醇溶液進(jìn)料，解決了現(xiàn)有技術(shù)中電池功率低、電池昂貴的問(wèn)題。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池，其特征在于:包括組件，組件上包括甲醇腔；依次對(duì)稱排布于甲醇腔兩側(cè)的陽(yáng)極流場(chǎng)板、膜電極組件和陰極流場(chǎng)板，所述甲醇腔包括物料儲(chǔ)存區(qū)和物料反應(yīng)區(qū)，所述物料儲(chǔ)存區(qū)和物料反應(yīng)區(qū)通過(guò)物料孔連通；所述物料儲(chǔ)存區(qū)位于甲醇腔上部，所述物料反應(yīng)區(qū)位于甲醇腔下部；
[0007]物料儲(chǔ)存區(qū)包括循環(huán)栗出液管和液位傳感器連接管，所述循環(huán)栗出液管橫向貫穿于物料儲(chǔ)存區(qū)；所述循環(huán)栗出液管管壁下側(cè)包括若干循環(huán)栗出液口 ；
[0008]物料反應(yīng)區(qū)包括循環(huán)栗進(jìn)液管和供給栗出液管，所述供給栗出液管橫向貫穿于物料反應(yīng)區(qū)；所述供給栗出液管管壁上側(cè)包括若干供給栗出液口。
[0009]進(jìn)一步的，所述供給栗出液口直徑小于供給栗出液管內(nèi)徑。
[0010]—種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的物料反應(yīng)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0011 ] 電池工作時(shí)，物料反應(yīng)區(qū)的甲醇溶液通過(guò)陽(yáng)極流場(chǎng)板上點(diǎn)陣式自呼吸孔在濃度擴(kuò)散的作用下到達(dá)擴(kuò)散層，進(jìn)而進(jìn)入催化層，參加氧化反應(yīng)；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲醇溶液不斷消耗，物料反應(yīng)區(qū)的甲醇溶液液位和濃度都降低，物料存儲(chǔ)區(qū)的甲醇溶液從物料孔進(jìn)入物料反應(yīng)區(qū)，以補(bǔ)充消耗的甲醇溶液；
[0012]當(dāng)液位傳感器監(jiān)測(cè)到甲醇腔中甲醇溶液的液位到達(dá)下限時(shí)，被動(dòng)式直接甲醇燃料電池中斷工作，供給栗開(kāi)始工作；供給栗將甲醇罐中的濃甲醇通過(guò)供給栗出液管送進(jìn)物料儲(chǔ)存區(qū)，濃甲醇經(jīng)擴(kuò)散作用與物料反應(yīng)區(qū)中的甲醇溶液混合；
[0013]當(dāng)液位傳感器監(jiān)測(cè)到甲醇腔中甲醇溶液的液位到達(dá)上限時(shí)，供給栗停止工作，循環(huán)栗開(kāi)始工作；濃甲醇溶液被循環(huán)栗通過(guò)循環(huán)栗進(jìn)液管從物料反應(yīng)區(qū)抽出，然后經(jīng)循環(huán)栗出液管從循環(huán)栗出液口被送進(jìn)物料儲(chǔ)存區(qū)，與反應(yīng)后的稀甲醇溶液混合，最后經(jīng)由物料孔進(jìn)入物料反應(yīng)區(qū)；經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)攪拌，甲醇腔中得到濃度均勻的甲醇溶液；
[0014]循環(huán)栗工作一段時(shí)間后，停止工作，被動(dòng)式直接甲醇燃料電池恢復(fù)正常工作；所有部分的起?？刂仆ㄟ^(guò)電源管理模塊實(shí)現(xiàn)。
[0015]有益效果:本發(fā)明提供的一種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作環(huán)境穩(wěn)定，寄生功耗小，無(wú)需甲醇溶液濃度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)濃甲醇溶液較均勻的補(bǔ)給。成本低，工作效率高。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池三維爆炸視圖；
[0017]圖2為甲醇腔剖視圖；
[0018]圖3為被動(dòng)式直接甲醇燃料電池濃甲醇進(jìn)料管理示意圖；
[0019]其中:1-甲醇腔，2-陽(yáng)極流場(chǎng)板，3-膜電極組件，4-陰極流場(chǎng)板，5-循環(huán)栗出液管，6-液位傳感器連接管，7-循環(huán)栗進(jìn)液管，8-物料孔，9-供給栗出液管，a-螺栓孔，b-循環(huán)栗出液口，c-甲醇溶液，d-供給栗出液口。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0021]如圖1所示為一種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池，其特征在于:包括組件，組件上包括甲醇腔1 ;依次對(duì)稱排布于甲醇腔1兩側(cè)的陽(yáng)極流場(chǎng)板2、膜電極組件3和陰極流場(chǎng)板4，所述甲醇腔1包括物料儲(chǔ)存區(qū)和物料反應(yīng)區(qū)，所述物料儲(chǔ)存區(qū)和物料反應(yīng)區(qū)通過(guò)物料孔8連通；所述物料儲(chǔ)存區(qū)位于甲醇腔1上部，所述物料反應(yīng)區(qū)位于甲醇腔1下部；
[0022]如圖2所示，物料儲(chǔ)存區(qū)包括循環(huán)栗出液管5和液位傳感器連接管6，所述循環(huán)栗出液管5橫向貫穿于物料儲(chǔ)存區(qū)；所述循環(huán)栗出液管5管壁下側(cè)包括若干循環(huán)栗出液口 b ;
[0023]物料反應(yīng)區(qū)包括循環(huán)栗進(jìn)液管7和供給栗出液管9，所述供給栗出液管9橫向貫穿于物料反應(yīng)區(qū)；所述供給栗出液管9管壁上側(cè)包括若干供給栗出液口 d。
[0024]進(jìn)一步的，所述供給栗出液口 d直徑小于供給栗出液管9內(nèi)徑。
[0025]—種采用濃甲醇進(jìn)料的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的物料反應(yīng)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0026]電池工作時(shí)，物料反應(yīng)區(qū)的甲醇溶液通過(guò)陽(yáng)極流場(chǎng)板2上點(diǎn)陣式自呼吸孔在濃度擴(kuò)散的作用下到達(dá)擴(kuò)散層，進(jìn)而進(jìn)入催化層，參加氧化反應(yīng)；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲醇溶液不斷消耗