CN103367774B - 内流场直接醇类燃料电池电极 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池领域，涉及一种燃料传质阻力小，隔膜中电解质浓度高，反应物的浓度分布均匀，放电性能好的内流场直接醇类燃料电池电极。其包括流场，以及由外向内依次设置的扩散层，催化层和隔膜；通过在催化层与隔膜间设置带有燃料入口的内流场，使混合燃料首先进入到内流场，由于内流场与隔膜相接触，促使隔膜的电解质浓度更高，从而提高了隔膜的电导率，内流场的混合物进入到催化层，并在催化层间发生化学反应，反应完后产物穿过扩散层到达外流场排出；这种反应物和产物的顺流传输模式，克服了传统工艺采用的逆流传输模式存在的上下游燃料分布不均，燃料传质阻力大，隔膜中电解质浓度较低等不足，大幅提高了电池性能，具有较好的应用前景。

Description

内流场直接醇类燃料电池电极
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种内流场直接醇类燃料电池电极。
背景技术
阴离子交换膜直接醇类燃料电池，一方面由于工作环境为碱性环境，使得阴阳两极的氧化还原反应不再依赖于铂基贵金属，甚至可以基于非金属催化材料进行阴极的还原反应，并且相对于酸性环境，电化学反应速率更快；另一方面阴离子交换膜的支链为季氨基团，主链可基于碳氢骨架之上。上述的特点使得阴离子交换膜直接醇类燃料电池相对于阳离子交换膜直接醇类燃料电池来说，不仅反应动力学提高，而且更重要的是成本显著降低，由于诸多突出优点，阴离子交换膜直接醇类燃料电池越来越受到广泛关注。
现有的阴离子交换膜直接醇类燃料电池的阳极结构，依次包括扩散层和催化层，阳极夹在膜和流场之间。由于目前阳极催化剂的电化学活性较低，导致阳极活化损失过高；且阴离子交换膜的电导率也较低，使得电池的膜电阻过大，这是限制碱性直接醇类燃料电池发展的重要因素。针对上述存在的问题，目前普遍采用的方法是使用液体醇类和电解质混合进料，液体电解质的加入一方面提高了阳极的pH值，进而提高了醇类的电化学氧化反应速率；另一方面提高了阴离子交换膜的电导率，进而降低电池膜电阻。从而显著改善电池性能。
对于上述阳极结构，液体醇类和电解质的混合物首先进入阳极流场，然后穿过扩散层到达催化层，在催化层发生反应，最后产物逆流穿过扩散层到达流场后排出。具有这种特点的电极结构，一方面产物的逆流阻碍了燃料的传输，造成上下游燃料分布不均匀；另一方面液体电解质的传输受到反应消耗和传质阻力的影响，导致膜中电解质的浓度较低。从而影响到电池的放电性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种燃料传质阻力小，隔膜中电解质浓度高的，放电性能好的直接醇类燃料电池电极。
为达到上述的目的，本发明采用如下的技术方案：
包括自外向内依次设置的外流场、扩散层、催化层和隔膜，所述的催化层与隔膜之间设置有内流场；所述的内流场上开设有燃料入口；所述的外流场上开设有废液出口。
所述的内流场的结构为蛇形流道结构。
所述的外流场的结构与内流场蛇形流道结构相同，且呈镜面对称设置。
所述的燃料入口开设于内流场的顶端。
所述的废液出口开设于外流场的尾部。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果。通过在阳极的催化层与隔膜间设置带有燃料入口的内流场，使液体醇类和电解质的混合物首先进入到内流场，由于内流场与隔膜相接触，促使隔膜的电解质浓度更高，从而提高了隔膜的电导率，内流场的混合物进入到催化层，并在催化层间发生化学反应，反应完后产物穿过阳极扩散层到达外流场排出；这种反应物和产物的顺流传输模式，克服了现有碱性直接醇类燃料电池广泛采用的阳极结构中反应物和产物的逆流传输模式存在的上下游燃料分布不均匀，燃料传质阻力大，隔膜中电解质浓度相对较低等不足；使得催化层中燃料的传质阻力变小，反应物的浓度分布更加均匀，因而使采用此种结构的电池性能得到大幅提高，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实例中所述的电极结构示意图；图中：1为外流场，2为扩散层，3为催化层，4为燃料入口，5为内流场，6为隔膜，7为废液出口。
图2为本发明实例中所述结构与现有结构的I-V实验结果曲对比图。
图3为本发明实例中所述结构与现有结构的功率密度实验结果曲线对比图。
其中：101和103为采用本发明实例中所述结构的实验曲线图；102和104为采用现有技术中结构的实验曲线图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述的均是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明包括自外向内依次设置的外流场1、扩散层2、催化层3和隔膜6，所述的催化层3与隔膜6之间设置有内流场5；所述的内流场5上开设有燃料入口4；所述的外流场1上开设有废液出口7。
优选的内流场5的结构为蛇形流道结构，外流场1的结构与内流场蛇形流道结构相同，并且呈镜面对称设置；燃料入口4开设于内流场5的顶端；废液出口7开设于外流场1的尾部。
以上所述的优选的阳极与隔膜6及隔膜6另一侧的阴极共同组成燃料电池的核心，在工作时，混合燃料首先通过燃料入口4进入隔膜6和催化层3之间的内流场5，由于内流场5与隔膜6接触，使得隔膜6的电解质浓度更高，从而提高隔膜6的电导率；同时，混合物在阳极催化层3反应，产物穿过扩散层2到达外流场1排出，这种反应物和产物的顺流传输模式，使得阳极催化层3中燃料的传质阻力变小；而相对应的呈镜面对称设置的内流场5和外流场1的蛇形流道结构，不仅增加混合燃料在进出口之间的程压降，驱使更多反应物到达催化层3的活性表面对其充分利用，而且也使得反应物的浓度分布更加均匀，大幅的提高了电池的输出性能。克服了现有碱性直接醇类燃料电池广泛采用的阳极结构中存在的上下游燃料分布不均匀、燃料传质阻力大、隔膜中电解质浓度相对较低等不足。
采用以上所述的阳极结构的燃料电池与采用现有技术中阳极结构的燃料电池，在相同的实验条件下，即阳极反应物浓度为3.0M的乙醇与0.5M的KOH，阳极流量为1.0ml/min，阴极反应物为纯氧，阴极流量为100ml/min，电池温度为60℃；得出的燃料电池电压随电流密度变化的实验曲线对比图，如图2所示；对比分析，相同电流密度下，优选实施例的电压高；得出的燃料电池功率密度随电流密度变化的实验曲线对比图，如图3所示；对比分析，相同电流密度下，优选实施例的功率密度高。

Claims (3)

1.一种直接醇类燃料电池电极，其特征在于：包括自外向内依次设置的外流场(1)、扩散层(2)、催化层(3)和隔膜(6)，所述的催化层(3)与隔膜(6)之间设置有内流场(5)；所述的内流场(5)上开设有燃料入口(4)；所述的外流场(1)上开设有废液出口(7)；所述的内流场(5)的结构为蛇形流道结构，外流场(1)的结构与内流场蛇形流道结构相同，且呈镜面对称设置。
2.根据权利要求1所述的直接醇类燃料电池电极，其特征在于，所述的燃料入口(4)开设于内流场(5)的顶端。
3.根据权利要求1所述的直接醇类燃料电池电极，其特征在于，所述的废液出口(7)开设于外流场(1)的尾部。
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