技术领域
[0001] 本
发明涉及
燃料电池技术领域，具体是一种拱型自供氧余热利用式
直接甲醇燃料电池。
背景技术
[0002]
蒸汽被动式直接甲醇燃料电池(V-DMFC)属于直接甲醇燃料电池中的一种形式。因其更高的
能量密度、更弱的甲醇穿透现象、较为延长的工作时间，具有更广泛的开发和研究价值，但是V-DMFC的蒸汽供给方式以及合理的管理方法成为抑制V-DMFC整体性能提高的关键因素，特别是对于实现V-DMFC的纯甲醇供料，这一点显得尤为重要。
[0003] 直接甲醇燃料电池的
电极和电池反应如下：
[0004]
阳极反应为CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2
[0005]
阴极反应为3/2O2+6H++6e-→3H2O
[0006] 电池总反应为CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2+能量
[0007] 目前为V-DMFC提供甲醇蒸汽的方法主要是依靠加热液态甲醇燃料，产生高温高压的甲醇蒸汽，但是高温甲醇蒸汽参与反应时导致
质子交换膜的通透性增强，从而导致更严重的甲醇穿透现象和寄生损耗。而常温状态下依靠渗透
气化技术获得的甲醇蒸汽往往浓度太低，会造成较为严重的浓差极化，阻碍了电池性能的提高，而且渗透
汽化技术得到的气态燃料存在甲醇含量明显大于
水含量的问题，使得反应物浓度比例失衡，难以维持电池高效工作。而对于纯甲醇燃料供给，渗透汽化得到高浓度的甲醇蒸汽，不仅会造成严重的甲醇穿透现象，而且得到的甲醇蒸汽会存在饱和现象，导致甲醇蒸汽分压偏低，形成严重的浓差极化现象。同时过高的甲醇蒸汽
温度会导致膜电极高温脱水，造成反应失效，极大地缩短膜电极的使用寿命，严重影响电池
能量密度。
[0008] Guo和Faghri在文献Zhen Guo,Amir Faghri.Vapor feed direct methanol fuel cells with passive thermal-fluids management system[J].Journal of Power Sources,2007,167(2).曾提出多种阳极燃料汽化方案，并以此为
基础建立了V-DMFC中的热-
流管理系统，在他们的设计模型中，甲醇溶液通过毛细吸液芯从燃料罐中被动地传输至
蒸发板，汽化后在蒸汽腔中形成蒸汽燃料，而汽化的形式可以为自然利用电热薄片直接加热蒸发板能够有效避免燃料的
液化，整个系统表现出优异的
稳定性与可靠性，而伴随产生的寄生功率损耗大约为5％。但是由于甲醇
蒸汽压明显大于水的蒸汽压，以及甲醇蒸发吸热造成的
相变界面低温等因素将限制水的蒸发，进而造成阳极反应缺水，对电池输出产生了不利的影响。在燃料电池阴极反应侧，会产生水膜。水滴
覆盖堵塞阴极
流场板，导致氧气无法继续通过阴极流场板到达膜电极，严重地阻碍了反应的进行。
[0009] 为了解决Guo和Faghri的方案中的甲醇和水的蒸发相互影响的问题，Jewett等在文献Gregory Jewett,Zhen Guo,Amir Faghri.Performance characteristics of a vapor feed passive miniature direct methanol fuel cell[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(19-20).中优化了上述供料机制，他们将水和甲醇分开两个燃料罐储存，然后分别用毛细吸液芯输出至蒸发区，优化后的系统能够主动控制燃料的配比，从而控制电池的输出，但是这种设计无疑将增加系统的体积，增大电池管理的难度。
[0010] 故亟待寻找一种行之有效的方法，在装置简便可行的情况下，保证甲醇蒸发速率的同时，解决阴极水管理问题，解决甲醇穿透问题，减缓膜电极在高温情况下的使用寿命衰减情况，从而达到大幅提高V-DMFC的电池能量密度。
发明内容
[0011] 本发明的目的是提供一种拱型自供氧余热利用式直接甲醇燃料电池，通过实现纯甲醇供料且系统自身供氧，在解决现存的甲醇穿透问题、阴极水管理问题的同时极大地提高了直接甲醇燃料电池的工作性能。
[0012] 本发明至少通过如下技术方案之一实现。
[0013] 一种拱型自供氧余热利用式直接甲醇燃料电池，包括拱形壳体、渗透汽化膜、中心反应部分、氧气发生腔与热
力循环系统；所述渗透汽化膜将拱形壳体分割为甲醇燃料腔和蒸汽腔；所述蒸汽腔中设置有气体缓冲结构，气体缓冲结构的顶部设有气孔；所述气体缓冲结构包括第一疏水
纤维板和与第一疏水纤维板间隔设置的第一亲水多孔板；所述中心反应部分包括阳极流场板、膜电极和阴极流场板，膜电极位于阳极流场板和阴极流场板中间，所述阳极流场板与膜电极的阳极侧之间设置有第二亲水多孔板，所述第二亲水多孔板的亲水面与膜电极的阳极侧的扩散层相
接触；所述膜电极的阴极侧与阴极流场板之间设置有第二疏水纤维板，所述第二疏水纤维板的疏水面与膜电极的阴极侧的扩散层相接触；
[0014] 所述中心反应部分位于拱形壳体的中部；所述甲醇燃料腔和蒸汽腔位于中心反应部分的一侧，氧气发生腔位于中心反应部分的另一侧；
[0015] 所述
热力循环系统包括余热收集装置、管路和余热利用装置；所述余热收集装置包覆在中心反应部分的外围，余热收集装置通过管路与余热利用装置连接；所述余热利用装置安装与拱形壳体的端部，包覆于甲醇燃料腔外围；所述余热收集装置包覆于中心反应部分外围；
[0016] 所述氧气发生腔等间距设置有两
块第三疏水纤维板。
[0017] 进一步地，所述拱形壳体主要由以环氧
树脂为材料的两个四分之一的环管连接而成，所述中心反应部分设置在两个环管的连接处。
[0018] 进一步地，所述余热收集装置和余热利用装置为内部结构是多层波纹型翅片16阵列排布的圆环和圆盖。
[0019] 进一步地，余热收集装置和余热利用装置内均设有
水循环运输管道，余热收集装置的水循环运输管道与余热利用装置的水循环运输管道通过管路连接，余热收集装置通过水循环运输管道将水运输流经余热收集装置的翅片，将余热收集装置产生的热量由翅片收集之后通过余热收集装置的水循环运输管道带走，热量再通过管路传至余热利用装置的翅片，余热利用装置的翅片将热量扩散到甲醇燃料腔外，从而推动甲醇的蒸发。
[0020] 进一步地，所述第一亲水多孔板和第二亲水多孔板均为由
金属粉末烧结而成的金属板，其所述金属粉末粒径为75～125um，其孔隙率为65％-85％，金属板厚度为1～3mm，水滴与
板面之间形成
角度小于20度，所述金属粉末为金属
铜粉末或金属不锈
钢粉末；
[0021] 所述第一疏水纤维板、第二疏水纤维板和第三疏水纤维板均为由金属纤维烧结而成的纤维金属板经表面疏
水处理而成，其所述金属纤维的直径为150～350um，其孔隙率70％～90％，纤维板厚度为1～3mm，水滴与板面之间形成角度大于100度，所述金属纤维为金属铜纤维或金属
不锈钢纤维。
[0022] 进一步地，在与余热利用装置连接的管路中安装有液
泵，液泵将处于余热利用装置中的水向上推动至余热收集装置，完成水运输的循环。
[0023] 进一步地，所述氧气发生腔内等间距设置的两块第三疏水纤维板，其疏水面均向下，在构成多层气体缓冲结构的同时防止氧气发生腔产生的水蒸气过量地到达阴极使其阻碍阴极水管理。
[0024] 进一步地，所述膜电极的质子交换膜采用聚乙二醇-
多酸纳米
复合材料。
[0025] 进一步地，所述阳极流场板为栅状结构，其开孔率为50％～65％，阳极流场板为圆形并设有连接
导线的伸出型接孔；
[0026] 所述阴极流场板为孔状结构，其开孔率为30％～45％，阴极流场板为圆形并设有连接导线的伸出型接孔。
[0027] 进一步地，所述氧气发生腔中装有
质量分数在15％～30％过氧化氢溶液，当需要反应时向氧气发生腔加入二氧化锰或
铁离子、亚铁离子催化剂负载片，从而生成氧气，当需要氧气发生反应停止时取出亚铁离子催化剂负载片。
[0028] 相对于
现有技术，本发明的具有如下优点：
[0029] (1)本发明使用纯甲醇蒸汽作为反应物，主要以渗透汽化膜、膜电极两端的亲水多孔板与疏水纤维板、蒸汽腔构成的阳极气体缓冲结构、氧气发生腔构成的阴极气体缓冲结构，在多个方面解决阴极侧水管理问题的同时，极大程度上解决了甲醇汽化的饱和问题与甲醇穿透的问题，从而极大的提高了电池的能量密度。
[0030] (2)本发明实现了对电池的纯甲醇供料，从而大大提高了电池的能量密度，延长了电池的工作时间。
[0031] (3)本发明利用膜电极两端的亲水多孔板与疏水纤维板，对阴极侧产水形成了阴极至阳极的
抽力，迫使水从阴极到阳极反补运动，这不但为电池可以保持纯甲醇供料提供了前提，提高了电池的性能和燃料利用率。
[0032] (4)本发明所使用的最新的膜电极制造成果以新型的聚乙二醇-多酸纳米复合材料代替传统的全氟磺酸材料的“Nafion”膜，极大地降低了膜电极成本，从而降低燃料电池的整体成本。
[0033] (5)本发明设置了专属的氧气发生腔来为反应提供氧气，保证反应氧气的充足保证的前提下，通过控制催化剂材料、多少、有无的情况，来达到控制反应的进行，保证了该反应的可操作性与可控制性。
[0034] (6)本发明特别设置了热力循环系统，其主要包括余热收集装置、管路与余热利用装置三个部分组成，通过该循环系统，将中心反应部分产生的余热转移到甲醇燃料腔，促进甲醇的蒸发，同时降低中心反应部分的
环境温度，保护膜电极，延长电池整体使用寿命。
[0035] (7)本发明采用现有成熟的烧结工艺制备亲水多孔板和疏水纤维板，工艺简单易于掌握，设备需要简单，而且成本低，易于实现商业化生产。
附图说明
[0036] 图1是本
实施例一种拱型自供氧余热利用式直接甲醇燃料电池装配示意图；
[0037] 图2是本实施例的燃料电池斜二侧外观图；
[0038] 图3是本实施例的余热利用装置内部结构斜二测视图；
[0039] 其中：拱形壳体-1；甲醇燃料腔-2；蒸汽腔-3；第一疏水纤维板-41；第二疏水纤维板-42；第三疏水纤维板-43；第一亲水多孔板-51；第二亲水多孔板-52；余热收集装置-6；渗透汽化膜-7；管路-8；气孔-9；阳极流场板-10；膜电极-11；阴极流场板-12；余热利用装置-13；热力循环系统-14；氧气发生腔-15；波纹型翅片-16；水循环运输管道-17。
具体实施方式
[0040] 为进一步理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
[0041] 如图1和图2所示，一种拱型自供氧余热利用式直接甲醇燃料电池，包括拱形壳体1、渗透汽化膜7、中心反应部分、氧气发生腔15与热力循环系统14；所述渗透汽化膜7将拱形壳体1分割为甲醇燃料腔2和蒸汽腔3；
[0042] 所述拱形壳体1主要由以
环氧树脂为材料的两个四分之一的环管连接而成，以环氧树脂为材料保证了该燃料电池反应的
可视化，同时该环管也保证了基础尺寸，如甲醇燃料腔2、渗透汽化膜7、疏水纤维板、亲水多孔板、氧气发生腔15，其尺寸为R＝50mm的圆。
[0043] 所述中心反应部分设置在两个环管的连接处；所述甲醇燃料腔(2)和蒸汽腔(3)位于中心反应部分的一侧，氧气发生腔(15)位于中心反应部分的另一侧。
[0044] 所述蒸汽腔3中设置有气体缓冲结构，气体缓冲结构的顶部设有气孔9，用于排放电池的二氧化
碳；所述气体缓冲结构包括第一疏水纤维板41和与第一疏水纤维板41间隔设置的第一亲水多孔板51；所述中心反应部分包括阳极流场板10、膜电极11和阴极流场板12，膜电极11位于阳极流场板10和阴极流场板12中间，所述阳极流场板10与膜电极11的阳极侧之间设置有有具有亲水性质的第二亲水多孔板52，所述第二亲水多孔板52的亲水面与膜电极11的阳极侧的扩散层相接触；所述膜电极11的阴极侧与阴极流场板12之间设置有有具有疏水性质的第二疏水纤维板42，所述第二疏水纤维板42的疏水面与膜电极11的阴极侧的扩散层相接触；
[0045] 所述热力循环系统14包括余热收集装置6、管路8和余热利用装置13；所述余热收集装置6包覆在中心反应部分的外围，覆余热收集装置6通过管路8与余热利用装置13连接；所述余热利用装置13安装与拱形壳体1的端部，余热利用装置13与甲醇燃料腔2连接。
[0046] 所述的甲醇燃料腔2、蒸汽腔3、阳极侧气体缓冲部分存在于蒸汽腔中、中心反应部分、阴极侧气体缓冲部分(存在与氧气发生腔中)与氧气发生腔顺次相连，共同包覆于拱形壳体1内(除中心反应部分为两半壳体所夹)，与热力循环系统14一同构成该被动式直接甲醇燃料电池电池的组成部分。
[0047] 如图3所示，余热收集装置6和余热利用装置13均为内部结构是多层波纹型翅片16阵列排布的圆环和和圆盖；
[0048] 余热收集装置6和余热利用装置13内均设有水循环运输管道17，余热收集装置6的水循环运输管道17与余热利用装置13的水循环运输管道17通过管路8连接，余热收集装置6通过水循环运输管道17将水运输流经余热收集装置6的翅片16，将余热收集装置6产生的热量由翅片16收集之后通过余热收集装置6的水循环运输管道17带走，热量再通过管路8传至余热利用装置13的翅片16，余热利用装置13的翅片16将热量扩散到甲醇燃料腔2外，从而推动甲醇的蒸发。在与余热利用装置13连接的管路8中安装有小型液泵，可将处于余热利用装置13中的水向上推动至余热收集装置6，完成水运输的循环。
[0049] 所述氧气发生腔15等间距设置有两块第三疏水纤维板43，从而也形成多层气体缓冲结构。
[0050] 所述阳极流场板10为栅状列阵结构，其开孔率为60％，阴极流场板12为孔状列阵结构，开孔率为40％，且各流场板均与集电板一体化为圆形特征，外部保留连接导线的接孔。
[0051] 所述本实施例中所述膜电极反应面积为R＝30mm的圆。
[0052] 所述本实施例中所述第一亲水多孔板51和第二亲水多孔板52均由粒径为75～125μm的金属铜粉末烧结而成的多孔金属板，尺寸参数为R＝50mm，其孔隙率为83％，厚度为2mm，接触角为15度。
[0053] 具体来说，本实施例中所述第一疏水纤维板41、第二疏水纤维板42和第三疏水纤维板43均由直径为150～350um的铜纤维烧结而成并经表面疏水处理而成，其孔隙率为85％，厚度为2mm，接触角为130度。
[0054] 本实施例中，所述蒸汽腔3内设置有一块将蒸汽腔3分层的第一亲水多孔板51，第一亲水多孔板51与阳极流场板10之间设置有防止阳极水分流失的第一疏水纤维板41，其共同形成多层阳极气体缓冲结构，电池的二氧化碳排放气9孔位于气体缓冲结构的顶部，由于甲醇气体与二氧化碳气体存在较高的浓度差，可以将较多部分的二氧化碳气体排出。
[0055] 本实例中，所述甲醇燃料腔2为液态甲醇的暂存空间，液态甲醇在渗透汽化膜7中发生
吸附-溶解-释放的过程，由于甲醇具有易挥发性质，会在蒸汽腔3中挥发形成甲醇蒸汽，形成的甲醇蒸汽经过扩散过程后充满蒸汽腔3，并通过阳极流场板10的栅状阵列均匀到达第二亲水多孔板52，甲醇蒸汽在蒸汽腔3中蓄积后达到饱和状态，并且向低浓度区域即膜电极11扩散，到达第二亲水多孔板52的甲醇蒸汽会在毛细作用下被吸附蓄积，并在第二亲水多孔板52中均匀扩散，通过控制第二亲水多孔板52的孔隙率参数可以达到控制甲醇浓度的目的。这一系列运动的结果导致蒸汽腔3中的饱和甲醇蒸汽浓度降低，使得渗透汽化继续进行，重复汽化-扩散-吸附的运动过程，使得供料与反应持续不断进行；
[0056] 本实例中，采用16mol/L的甲醇浓度(可采取纯甲醇来供料，但经测量以16mol/L浓度甲醇供料，电池能量密度更高)来提供燃料，使得阳极供料侧基本仅有甲醇，但是由于电池的阳极反应需要水的参与，所以，阴极区一侧的第二疏水纤维板42可以将阴极反应产生的水受迫反补到阳极侧参与阳极电极反应，同时在阳极侧蒸汽腔3顶层设置第一疏水纤维板41防止阳极侧水分的流失。
[0057] 本实例中，在阴极侧，纯氧气通过氧气发生腔15中的过氧化氢
氧化还原反应产生，通过两块第三疏水纤维板43组成的阴极多层气体缓冲区到达阴极流场板12，并穿过其圆孔列阵进入到第二疏水纤维板42，最终到达膜电极11反应，阴极反应产物水在第二疏水纤维板42的疏水作用下，使得水不能排出，并不断蓄积，蓄积水在第二疏水纤维板42的排斥作用下，被迫向阳极区水浓度低的区域扩散，而参与阳极区的电极反应，从而实现阴极水反补，同时水的反补运动可以抑制阳极甲醇向阴极区穿透，而双层第三疏水纤维板43构成的多层气体缓冲结构保证了氧气发生腔中的过氧化氢氧化还原反应生成的水蒸汽不会大量的移动到中心反应区域，从而加强阴极侧水管理，达到对电池输出性能的提高，提高燃料利用率的作用；
[0058] 本实例中，氧气发生腔15中采取过质量分数为18％的氧化氢氧化还原反应，生成氧气提供甲醇反应所需，由于所生成氧气通过加入催化剂MnO2催化剂负载片而进行控制，当要停止反应时取出催化剂负载片，如此即可以保证反应充足供氧的前提下，又可以间接地控制反应速率。
[0059] 本实例中，使用聚乙二醇与多金属氧酸纳米复合材料制作膜电极，从而极大地降低了膜电极成本，从而降低燃料电池的整体成本。
[0060] 该装置可达到促进甲醇的蒸发，同时降低中心反应部分的环境温度，保护膜电极，延长电池整体使用寿命的效果。
[0061] 本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明
权利要求的保护范围之内。
