CN109888325B - 一种多级均匀流场燃料电池及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多级均匀流场燃料电池及其工作方法，本发明的多级均匀流场燃料电池，树状燃料供给支路通过逐级分散的树状流场由燃料分配流路展开，采用树状逐级分散的纵向流入流场，保证电解液能够均匀的进入电极表面，提高电解液反应程度，进一步提升电池效率；同时，阵列状产物排出支路均匀分布连接在产物回收流路上，采用与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，保证电解液在反应完成后能够顺流流出电极，保证电极侧燃料始终均匀高浓度，避免了燃料与产物的掺混。

Description

一种多级均匀流场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，具体涉及一种多级均匀流场燃料电池。

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多级均匀流场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：

一种多级均匀流场燃料电池，包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板、阳极集流板、阳极电极、交换膜、阴极电极、阴极集流板和阴极流场板；

阳极集流板与阳极流场板和阳极电极相连，阳极电极和阴极电极通过交换膜隔开，阴极集流板与阴极电极和阴极流场板相连；

阳极流场板为设置有燃料进口、燃料分配流路、树状燃料供给支路、阵列状产物排出支路、产物回收流路和产物出口的流场板，其中树状燃料供给支路通过逐级分散的树状流场由燃料分配流路展开，阵列状产物排出支路均匀分布连接在产物回收流路上；

燃料进口为燃料分配流路与燃料电池外侧相连的进口，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通过阳极集流板与阳极电极相连，阵列状产物排出支路进口通过阳极集流板与阳极电极相连，阵列状产物排出支路出口与产物回收流路相连，树状燃料供给支路和阵列状产物排出支路为位于阳极流场板中互相交错不连通的管路，产物出口为产物回收流路与燃料电池外侧相连的出口；

阳极集流板为具有阵列分布孔的平板，阳极集流板中孔道与树状燃料供给支路出口及阵列状产物排出支路进口相连通，阴极集流板为与阴极流场板流道相对应的具有孔道的平板，阴极流场板为具有流道的平板。

进一步，所述产物回收流路纵向设置在阳极流场板中，产物出口位于阳极流场板顶部，燃料进口位于阳极流场板侧壁上。

进一步，多条所述树状燃料供给支路出口和多条阵列状产物排出支路进口等间距间隔设置。

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由1条电解液供给流路以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，所述阵列状产物排出支路以“3×3”阵列分布于电极外侧。

进一步，所述阳极流场板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。

进一步，所述阳极集流板和阴极集流板材料为无机非金属或金属的导电材料。

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、阴离子交换膜或中性交换膜；

一种多级均匀流场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和阴极集流板进入阴极电极中；

步骤S200：电池放电反应：

燃料在阳极电极表面进行放电反应；

步骤S300：产物顺流流出电池：

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阳极电极由阵列状产物排出支路入口顺流流出，汇流至产物回收流路通过产物出口排出。

本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：

本发明的多级均匀流场燃料电池，包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板、阳极集流板、阳极电极、交换膜、阴极电极、阴极集流板和阴极流场板；阳极集流板与阳极流场板和阳极电极相连，阳极电极和阴极电极通过交换膜隔开，阴极集流板与阴极电极和阴极流场板相连；树状燃料供给支路通过逐级分散的树状流场由燃料分配流路展开，采用树状逐级分散的纵向流入流场，保证电解液能够均匀的进入电极表面，提高电解液反应程度，进一步提升电池效率；

同时，阵列状产物排出支路均匀分布连接在产物回收流路上，采用与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，保证电解液在反应完成后能够顺流流出电极，保证电极侧燃料始终均匀高浓度，避免了燃料与产物的掺混。

进一步，所述多条树状燃料供给支路出口和多条阵列状产物排出支路进口等间距间隔设置，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从距离较近的阵列状产物排出支路入口流出，汇流至产物回收流路排出，进一步降低进出口之间的压差，降低电池额外泵功，提高电池效率。

附图说明

图1是本发明燃料电池结构示意图；

图2是本发明燃料电池集流板侧视图；

图中，1-阳极流场板，2-阳极集流板，3-阳极电极，4-交换膜，5-阴极电极，6-阴极集流板，7-阴极流场板，8-燃料进口，9-燃料分配流路，10-树状燃料供给支路，11-阵列状产物排出支路，12-产物回收流路，13-产物出口。

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1-2，本发明的多级均匀流场燃料电池，包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板1、阳极集流板2、阳极电极3、交换膜4、阴极电极5、阴极集流板6和阴极流场板7；阳极集流板2与阳极流场板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，阴极集流板6与阴极电极5和阴极流场板7相连。

阳极流场板1为设置有燃料进口8、燃料分配流路9、树状燃料供给支路10、阵列状产物排出支路11、产物回收流路12和产物出口13的流场板，其中树状燃料供给支路10通过逐级分散的树状流场由燃料分配流路9展开，阵列状产物排出支路11均匀分布连接在产物回收流路12上。

燃料进口8为燃料分配流路9与燃料电池外侧相连的进口，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出口通过阳极集流板2与阳极电极3相连，阵列状产物排出支路11进口通过阳极集流板2与阳极电极3相连，阵列状产物排出支路11出口与产物回收流路12相连，树状燃料供给支路10和阵列状产物排出支路11为位于阳极流场板1中互相交错不连通的管路，产物出口13为产物回收流路12与燃料电池外侧相连的出口。

产物回收流路12纵向设置在阳极流场板1中，产物出口13位于阳极流场板1顶部，燃料进口8位于阳极流场板1侧壁上。

多条树状燃料供给支路10出口和多条阵列状产物排出支路11进口等间距间隔设置。

阳极集流板2为具有阵列分布孔的平板，阳极集流板2中孔道与树状燃料供给支路10出口及阵列状产物排出支路11进口相连通，阴极集流板6为与阴极流场板7流道相对应的具有孔道的平板。阴极流场板7为具有蛇形流道、平行流道、非连续型流道、交指型流道等的平板。

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。

阳极流场板1和阴极流场板7所用材料具备燃料电池所需要的机械强度及对于所用电解液的耐腐蚀性，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。

阳极集流板2和阴极集流板6材料为石墨等无机非金属或不锈钢等金属的导电材料。

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、阴离子交换膜或中性交换膜；

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条电解液供给流路以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”逐级分散方式使电解液进入电极更加均匀；阵列状产物排出支路11以“3×3”阵列分布于电极外侧。

一种多级均匀流场燃料电池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依次通过阴极流场板7和阴极集流板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、阳极集流板2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；电子通过外电路经过阴极集流板6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：产物顺流流出电池：

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阳极电极3由阵列状产物排出支路11入口顺流流出，进一步电解液有阵列状产物排出支路11汇流至产物回收流路12通过产物出口13排出。

本发明相对于现有技术，采用一种新型二叉树状逐级分散的纵向流入流场，保证电解液能够均匀的进入电极表面，提高电解液反应程度，进一步提升电池效率；同时本发明采用与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，保证电解液在反应完成后能够顺流流出电极，保证电极侧燃料始终均匀高浓度，避免了燃料产物的掺混。

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 (10)

1.一种多级均匀流场燃料电池，其特征在于：包括设置在燃料电池本体上的阳极流场板(1)、阳极集流板(2)、阳极电极(3)、交换膜(4)、阴极电极(5)、阴极集流板(6)和阴极流场板(7)；

阳极集流板(2)与阳极流场板(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，阴极集流板(6)与阴极电极(5)和阴极流场板(7)相连；

阳极流场板(1)为设置有燃料进口(8)、燃料分配流路(9)、树状燃料供给支路(10)、阵列状产物排出支路(11)、产物回收流路(12)和产物出口(13)的流场板，其中树状燃料供给支路(10)通过逐级分散的树状流场由燃料分配流路(9)展开，阵列状产物排出支路(11)均匀分布连接在产物回收流路(12)上；

燃料进口(8)为燃料分配流路(9)与燃料电池外侧相连的进口，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)出口通过阳极集流板(2)与阳极电极(3)相连，阵列状产物排出支路(11)进口通过阳极集流板(2)与阳极电极(3)相连，阵列状产物排出支路(11)出口与产物回收流路(12)相连，树状燃料供给支路(10)和阵列状产物排出支路(11)为位于阳极流场板(1)中互相交错不连通的管路，产物出口(13)为产物回收流路(12)与燃料电池外侧相连的出口；

阳极集流板(2)为具有阵列分布孔的平板，阳极集流板(2)中孔道与树状燃料供给支路(10)出口及阵列状产物排出支路(11)进口相连通，阴极集流板(6)为与阴极流场板(7)流道相对应的具有孔道的平板，阴极流场板(7)为具有流道的平板。

2.如权利要求1所述的多级均匀流场燃料电池，其特征在于：所述产物回收流路(12)纵向设置在阳极流场板(1)中，产物出口(13)位于阳极流场板(1)顶部，燃料进口(8)位于阳极流场板(1)侧壁上。

3.如权利要求2所述的多级均匀流场燃料电池，其特征在于：多条所述树状燃料供给支路(10)出口和多条阵列状产物排出支路(11)进口等间距间隔设置。

4.如权利要求3所述的多级均匀流场燃料电池，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，即树状燃料供给支路由1条电解液供给流路以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。

5.如权利要求4所述的多级均匀流场燃料电池，其特征在于：所述阵列状产物排出支路(11)以“3×3”阵列分布于电极外侧。

6.如权利要求1-5任一项所述的多级均匀流场燃料电池，其特征在于：所述阳极流场板(1)和阴极流场板(7)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.如权利要求1-5任一项所述的多级均匀流场燃料电池，其特征在于：所述阳极集流板(2)和阴极集流板(6)材料为无机非金属或金属的导电材料。

8.如权利要求1-5任一项所述的多级均匀流场燃料电池，其特征在于：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。

9.如权利要求1-5任一项所述的多级均匀流场燃料电池，其特征在于：所述交换膜(4)为阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性交换膜。

10.一种权利要求1所述多级均匀流场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(7)和阴极集流板(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)表面进行放电反应；

步骤S300：产物顺流流出电池：

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阳极电极(3)由阵列状产物排出支路(11)入口顺流流出，汇流至产物回收流路(12)通过产物出口(13)排出。

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