CN109830720B - 一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法 - Google Patents

一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法，通过燃料分配流路、树状燃料供给支路，采用树状逐级分布纵向流入流场，保证燃料能够直接均匀进入电极表面，提高燃料反应程度，提升电池效率；产物回流区为具备阵列分布阵列状燃料排出支路、燃料回收流路及燃料分配流路分布的流场板，而且在流入流场周围留有空腔，使燃料在进入电极反应完成后直接进入空腔内进一步顺流进入与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使燃料的流入流出实现顺流流动，维持电极表面燃料高浓度，避免了流动过程中燃料与产物的掺混。

Description

一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法。
背景技术
能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，人类社会的一切活动都离不开能源。随着经济的高速发展和社会的不断进步，人类对能源的消耗量也持续增长。世界范围内能源需求持续增长，传统化石能源消耗量仍占主导。然而，传统化石能源储量有限，部分能源在未来几十年将消耗殆尽。此外，在传统化石能源利用过程中，环境污染问题也在日益加剧，由此带来的“温室效应”、“酸雨”、“臭氧层破坏”等问题严重威胁着人类的生存和发展。面对着能源危机和环境保护的严峻挑战，寻找能够替代传统化石能源的清洁可持续能源成为当然人类研究的重点。
目前，太阳能、风能、潮汐能、地热能等具有能源充足，利用过程清洁无污染等优点。但是这类能源在利用过程中存在间歇性、不稳定性、效率低等问题。燃料电池由于其能量转换效率高、污染小、无噪音等优点而受到人们的广泛关注。作为新一代能源技术，燃料电池为解决能源危机和环境污染问题提供了一种新思路，具有战略性意义。燃料电池技术是一种新型发电技术，该技术可以将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、无污染、无噪声、可靠性高、模块化、对负载变化可以快速响应等显著优点，被认为是解决能源危机的终极方案。
燃料电池主要由离子交换膜、阴阳电极和双极板构成。其中由阴极电极、离子交换膜和阳极电极构成的膜电极(membrane electrode assembly，MEA)是燃料电池发生电化学反应的场所。燃料和氧化剂分别通入电池的阳极和阴极。通入阳极的燃料(如H2、CH3OH、CH3CH2OH、CO(NH2)2、NaBH4、HCOONa等)发生氧化反应释放出电子，电子通过外电路流入到阴极，并与阴极的氧化剂(如O2、H2O2等)结合发生还原反应。同时离子通过电解质膜迁移到阴极(或阳极)，构成回路。
在众多类型的燃料电池中，直接液体燃料电池(Direct liquid fuel cells，DLFC)由于燃料能量密度高、便于储存和运输等优点，近些年来受到人们的广泛关注。直接液体燃料电池是以甲醇、乙醇、尿素、硼氢化钠、甲酸盐等液体作为燃料的一类燃料电池。按照固体电解质膜种类的不同，直接液体燃料电池可分为酸性直接液体燃料电池和碱性直接液体燃料电池。
作为直接液体燃料电池的关键部位，阳极流场起到了输送燃料、分配燃料、回收产物的功能，在整个燃料电池运行过程中起着很关键的作用。当前燃料电池阳极流场主要包括蛇形流场、平行流场、非连续型流场、交指型流场等，其主要通过燃料在电极一侧流动时的扩散作用进入电极反应。在这一过程中，随着燃料在流道中的流动及在电极中的扩散反应，燃料不断消耗产物不断进入流道中，燃料的浓度逐渐降低，这导致电极内燃料浓度分布不均匀，降低了电极反应效率，进一步降低了直接液体燃料电池的工作效率。
因此，针对燃料电池燃料在流动反应过程中出现的燃料产物掺混、燃料浓度分布不均匀等问题，一种燃料产物相分离顺流传递、燃料浓度均匀分布的高效燃料电池亟待出现。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种物料传输逐级分散燃料电池及其工作方法，使燃料能够直接且均匀的到达电极表面，保证燃料与产物的顺流传输，避免燃料产物的掺混。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种物料传输逐级分散燃料电池，包括设置在燃料电池本体上的产物回流区、燃料供给区、阳极电极、交换膜、阴极电极和阴极流场板；
燃料供给区与产物回流区和阳极电极相连，阳极电极和阴极电极通过交换膜隔开，阴极流场板与阴极电极和阴极燃料回流区相连；
所述产物回流区为具备阵列分布阵列状燃料排出支路、燃料回收流路及燃料分配流路分布的流场板；燃料供给区为具有燃料分配流路、树状燃料供给支路及除流路外空腔的腔体。
所述产物回流区及燃料供给区包括燃料进口、燃料分配流路、树状燃料供给支路、阵列状燃料排出支路、燃料回收流路和燃料出口；燃料进口为燃料分配流路进口与燃料电池外侧相连，树状燃料供给支路进口与燃料分配流路相连，树状燃料供给支路出口与阳极电极相连，阵列状燃料排出支路进口通过燃料供给区空腔部分与阳极电极相连，燃料供给区空腔与阳极电极相连，阵列状燃料排出支路出口与燃料回收流路相连，燃料出口为燃料回收流路出口与燃料电池外侧相连，树状燃料供给支路和阵列状燃料排出支路为相互不连通的管路；
阴极流场板为设置有阴极燃料回流区的平板。
进一步，所述燃料进口位于产物回流区侧壁上，燃料回收流路纵向设置在产物回流区中，燃料回收流路分为上半段和下半段，上、下半段均设置有燃料出口，两个燃料出口分别位于产物回流区底部和顶部。
进一步，所述树状燃料供给支路为二叉树状逐级分散流场，即树状燃料供给支路可以为由1条燃料供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式分布。
进一步，所述阵列状燃料排出支路以“4×4”阵列分布于产物回流区。
进一步，所述阴极燃料回流区为蛇形流场、平行流场、非连续型流场或交指型流场。
进一步，所述阳极电极和阴极电极为涂覆有相应催化剂具有多孔结构的导电金属材料或碳材料。
进一步，所述交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜或中***换膜。
进一步，所述产物回流区、燃料供给区和阴极流场板所用材料为无机非金属材料、金属复合材料或有机高分子材料。
一种物料传输逐级分散燃料电池的工作方法，包括如下步骤：
步骤S100：燃料均匀分配进入电极：
燃料电池未反应的燃料通过燃料进口进入燃料电池阳极侧，在泵功的作用下通过燃料分配流路均匀分配到树状燃料供给支路，进入阳极电极中；同时，氧化剂通过阴极流场板进入阴极电极中；
步骤S200：电池放电反应：
燃料在阳极电极表面进行反应；
步骤S300：产物顺流流出：
燃料反应完成后，由每个树状燃料供给支路出口流入的燃料经过电极流入燃料供给区的空腔中，进一步通过阵列状燃料排出支路入口顺流流出，汇流至燃料回收流路通过燃料出口排出。
本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：
本发明的包括设置在燃料电池燃料供给区与产物回流区和阳极电极相连，阳极电极和阴极电极通过交换膜隔开，阴极流场板与阴极电极和阴极燃料回流区相连，燃料供给区为具有燃料分配流路、树状燃料供给支路及除流路外空腔的腔体，通过燃料分配流路、树状燃料供给支路，采用树状逐级分布纵向流入流场，保证燃料能够直接均匀进入电极表面，提高燃料反应程度，提升电池效率；
产物回流区为具备阵列分布阵列状燃料排出支路、燃料回收流路及燃料分配流路分布的流场板，而且在流入流场周围留有空腔，使燃料在进入电极反应完成后直接进入空腔内进一步顺流进入与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使燃料的流入流出实现顺流流动，维持电极表面燃料高浓度，避免了流动过程中燃料与产物的掺混。
进一步，燃料回收流路纵向设置在产物回流区中，燃料回收流路分为上半段和下半段，上、下半段均设置有燃料出口，两个燃料出口分别位于产物回流区底部和顶部，燃料可以从上半段和下半段分别流出，保证燃料流动顺畅，降低泵功。
附图说明
图1是本发明燃料电池结构示意图；
图2是本发明燃料电池燃料供给区侧视图；
图3是本发明燃料电池燃料产物回流区侧视图；
图中：1-产物回流区，2-燃料供给区，3-阳极电极，4-交换膜，5-阴极电极，6-阴极流场板，7-阴极燃料回流区，8-燃料进口，9-燃料分配流路，10-树状燃料供给支路，11-阵列状燃料排出支路，12-燃料回收流路，13-燃料出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
参见图1-3，本发明的物料传输逐级分散燃料电池，包括设置在燃料电池本体上的产物回流区1、燃料供给区2、阳极电极3、交换膜4、阴极电极5和阴极流场板6；其中燃料供给区2与产物回流区1和阳极电极3相连，阳极电极3和阴极电极5通过交换膜4隔开，阴极流场板6与阴极电极5和阴极燃料回流区7相连。
所述产物回流区1为具备阵列分布阵列状燃料排出支路11、燃料回收流路12及燃料分配流路9分布的流场板；燃料供给区2为具有燃料分配流路9、树状燃料供给支路10及除流路外空腔的腔体。
所述产物回流区1及燃料供给区2包括燃料进口8、燃料分配流路9、树状燃料供给支路10、阵列状燃料排出支路11、燃料回收流路12和燃料出口13；燃料进口8为燃料分配流路9进口与燃料电池外侧相连，树状燃料供给支路10进口与燃料分配流路9相连，树状燃料供给支路10出口与阳极电极3相连，阵列状燃料排出支路11进口通过燃料供给区2空腔部分与阳极电极3相连，燃料供给区2空腔与阳极电极3相连，阵列状燃料排出支路11出口与燃料回收流路12相连，燃料出口13为燃料回收流路12出口与燃料电池外侧相连，树状燃料供给支路10和阵列状燃料排出支路11为相互不连通的管路。
所述燃料进口8位于产物回流区1侧壁上，燃料回收流路12纵向设置在产物回流区1中，燃料回收流路12分为上半段和下半段，上、下半段均设置有燃料出口13，两个燃料出口13分别位于产物回流区1底部和顶部。
阴极流场板6为设置有阴极燃料回流区7的平板，阴极燃料回流区7包括蛇形流场、平行流场、非连续型流场、交指型流场等流场形式。
树状燃料供给支路10为二叉树状逐级分散流场，即树状燃料供给支路可以为由1条燃料供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式使燃料进入电极更加均匀；阵列状燃料排出支路11以“4×4”阵列分布于产物回流区1。
阳极电极3和阴极电极5为涂覆有相应催化剂具有多孔结构的导电金属材料或碳材料；交换膜4为阳离子交换膜、阴离子交换膜或中***换膜。
产物回流区1、燃料供给区2和阴极流场板6所用材料具备燃料电池所需要的机械强度及对于所用燃料的耐腐蚀性，包括石墨等无机非金属材料、不锈钢等金属复合材料、聚甲基丙烯酸甲酯等有机高分子材料。
其中燃料为具有化学能且能够转化为电能的液态溶液，包括CH3OH、CH3CH2OH、CO(NH2)2、NaBH4、HCOONa等溶液。
一种物料传输逐级分散燃料电池的工作方法包括以下步骤：
步骤S100：燃料均匀分配进入电极：
燃料电池未反应的燃料通过燃料进口8进入燃料电池阳极侧，在泵功的作用下通过燃料分配流路9均匀分配到树状燃料供给支路10，进入阳极电极3中；同时，氧化剂以主动或被动的方式在通过阴极流场板6进入阴极电极5中；
步骤S200：电池放电反应：
以酸性燃料电池为例，燃料在阳极电极3表面进行氧化反应并产生质子，失去电子并升高价位，所失去的电子经由阳极电极3通过外电路进入阳极侧，在电场作用下质子通过交换膜4进入阴极侧；电子通过外电路到达阴极电极3表面，氧化剂和质子在阳极表面发生还原反应得到电子降低价位，由此实现电池一次的放电反应；
步骤S300：产物顺流流出：
燃料反应完成后，由每个树状燃料供给支路10出口流入的燃料经过电极流入燃料供给区2的空腔中，进一步通过阵列状燃料排出支路11入口顺流流出，进一步燃料有阵列状燃料排出支路11汇流至燃料回收流路12通过燃料出口13排出。
本发明相对于现有技术，采用一种新型树状逐级分布纵向流入流场，保证燃料能够直接均匀进入电极表面，提高燃料反应程度，进一步提升电池效率；本发明在流入流场周围留有空腔，使燃料在进入电极反应完成后直接进入空腔内进一步顺流进入与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使燃料的流入流出实现顺流流动，维持电极表面燃料高浓度，避免了流动过程中燃料与产物的掺混。
最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种物料传输逐级分散燃料电池，其特征在于：包括设置在燃料电池本体上的产物回流区（1）、燃料供给区（2）、阳极电极（3）、交换膜（4）、阴极电极（5）和阴极流场板（6）；
燃料供给区（2）与产物回流区（1）和阳极电极（3）相连，阳极电极（3）和阴极电极（5）通过交换膜（4）隔开，阴极流场板（6）与阴极电极（5）相连，阴极流场板（6）为设置有阴极燃料回流区（7）的平板；
所述产物回流区（1）为具备阵列分布阵列状燃料排出支路（11）、燃料回收流路（12）及燃料分配流路（9）分布的流场板；燃料供给区（2）为具有燃料分配流路（9）、树状燃料供给支路（10）及除流路外空腔的腔体；
所述产物回流区（1）及燃料供给区（2）包括燃料进口（8）、燃料分配流路（9）、树状燃料供给支路（10）、阵列状燃料排出支路（11）、燃料回收流路（12）和燃料出口（13）；燃料进口（8）为燃料分配流路（9）进口与燃料电池外侧相连，树状燃料供给支路（10）进口与燃料分配流路（9）相连，树状燃料供给支路（10）出口与阳极电极（3）相连，阵列状燃料排出支路（11）进口通过燃料供给区（2）空腔部分与阳极电极（3）相连，燃料供给区（2）空腔与阳极电极（3）相连，阵列状燃料排出支路（11）出口与燃料回收流路（12）相连，燃料出口（13）为燃料回收流路（12）出口与燃料电池外侧相连，树状燃料供给支路（10）和阵列状燃料排出支路（11）为相互不连通的管路；
所述阴极燃料回流区（7）为蛇形流场、平行流场、非连续型流场或交指型流场；
所述阳极电极（3）和阴极电极（5）为涂覆有相应催化剂具有多孔结构的导电金属材料或碳材料。
2.如权利要求1所述的物料传输逐级分散燃料电池，其特征在于：所述燃料进口（8）位于产物回流区（1）侧壁上，燃料回收流路（12）纵向设置在产物回流区（1）中，燃料回收流路（12）分为上半段和下半段，上、下半段均设置有燃料出口（13），两个燃料出口（13）分别位于产物回流区（1）底部和顶部。
3.如权利要求1所述的物料传输逐级分散燃料电池，其特征在于：所述树状燃料供给支路（10）为二叉树状逐级分散流场，二叉树状逐级分散流场为由1条燃料供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式分布。
4.如权利要求1所述的物料传输逐级分散燃料电池，其特征在于：所述阵列状燃料排出支路（11）以“4×4”阵列分布于产物回流区（1）。
5.如权利要求1-4任一项所述的物料传输逐级分散燃料电池，其特征在于：所述交换膜（4）为阳离子交换膜、阴离子交换膜或中***换膜。
6.如权利要求1-4任一项所述的物料传输逐级分散燃料电池，其特征在于：所述产物回流区（1）、燃料供给区（2）和阴极流场板（6）所用材料为无机非金属材料、金属复合材料或有机高分子材料。
7.一种权利要求1所述物料传输逐级分散燃料电池的工作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S100：燃料均匀分配进入电极：
燃料电池未反应的燃料通过燃料进口（8）进入燃料电池阳极侧，在泵功的作用下通过燃料分配流路（9）均匀分配到树状燃料供给支路（10），进入阳极电极（3）中；同时，氧化剂通过阴极流场板（6）进入阴极电极（5）中；
步骤S200：电池放电反应：
燃料在阳极电极（3）表面进行反应；
步骤S300：产物顺流流出：
燃料反应完成后，由每个树状燃料供给支路（10）出口流入的燃料经过电极流入燃料供给区（2）的空腔中，进一步通过阵列状燃料排出支路（11）入口顺流流出，汇流至燃料回收流路（12）通过燃料出口（13）排出。
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