一种基于超声的主被混合型DMFC燃料供给装置

摘要

本发明提供一种基于超声的主被混合型DMFC燃料供给装置，包括电池阳极燃料供给系统和电池阴极供氧系统，其中电池阳极燃料供给系统包括燃料储存腔、棉芯、超声雾化器、隔离板和雾化腔，电池阴极供氧系统包括从下到上依次设置的直接甲醇燃料电池质子交换膜、阴极集电极和阴极流场通道板，本装置通过特有结构能够实现甲醇溶液的自呼吸供给，在经过超声雾化片雾化后，于雾化腔的入口处获得分散均匀的甲醇燃料，雾化后的甲醇燃料通过雾化腔自然扩散至燃料电池的阳极，得到一种高性能的直接甲醇燃料电池供给系统。

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种自呼吸方式的直接甲醇燃料电池供给系统。

背景技术

燃料电池具有高效能、低噪声、无污染、可靠性高等优点，受到人们的广泛关注。直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种。燃料电池中质子交换膜两侧分别发生氧化还原反应时会有甲醇渗透的现象，少部分阳极的甲醇会通过质子交换膜到达电池的阴极，在阴极发生电化学氧化，与氧气的电化学还原形成短路，产生混合电位，降低开路电压，从而降低了燃料电池的性能。为了解决这一问题，许多的技术方案被提出，其中超声雾化供给方式能够有效缓解甲醇渗透问题并且不会降低电池的能量密度。

目前直接甲醇燃料电池领域中甲醇溶液的供给多采用蠕动泵或机械的方式进行较为持久的燃料供给，然后再通过输送管道直接通向直接甲醇燃料电池的阳极，甲醇溶液通过蛇形流场的过程中不断被消耗，最终排出电池外成为废液。对于一般的液态供给方式，电池的性能很容易受溶液流动速度以及流场结构的影响，这种传统的燃料供给方式只能保证甲醇燃料按照一定的速率进入电池，对于电池流场中局部区域的均匀性无法保证，而且甲醇溶液会影响阳极二氧化碳的排出不利于反应的进行。

针对传统供给方式存在的一些不足之处，自呼吸式供给方式可以很好地保证和控制燃料的输送速率，棉芯具有毛细吸管的作用，可以将燃料储存箱中的甲醇溶液吸附于孔隙中，同时也能够将燃料电池阴极产生的废液及时吸出让氧气避免废液的阻挡，提高燃料及氧气供给效率，无需外部供给装置及电源，极大地节约供给过程中的能源消耗，简化供给的结构。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题，提供一种基于超声的主被混合型DMFC(直接甲醇燃料电池)燃料供给装置，采用自呼吸的方式减少电池因供给燃料带来的能源消耗。采用超声雾化供给的方式提高燃料供给的均匀程度，使甲醇燃料供给均匀可控，减少甲醇渗透，提高直接甲醇燃料电池的性能。

采用的技术方案如下：

一种基于超声的主被混合型DMFC燃料供给装置，包括电池阳极燃料供给系统和电池阴极供氧系统，其特征在于：所述电池阳极燃料供给系统包括燃料储存腔、棉芯、超声雾化器、隔离板和雾化腔，所述燃料储存腔为位于装置底部开设的腔体，用于储存甲醇溶液，棉芯下端沉浸在燃料储存腔内部溶液中，棉芯上端穿过燃料储存腔上部盖板后与超声雾化器中部的超声雾化片下侧紧密接触，所述超声雾化片上侧与雾化腔内部连通，雾化腔上端与直接甲醇燃料电池的阳极相通；

所述电池阴极供氧系统包括从下到上依次设置的直接甲醇燃料电池质子交换膜、阴极集电极和阴极流场通道板，所述质子交换膜、阴极集电极以及催化剂构成了燃料电池的MEA膜，质子交换膜上紧密贴合有一层微孔碳布，微孔碳布内孔隙用于收集并扩散出阴极反应所产生的水，同时为空气中的氧气提供运输通道，阴极集电极收集燃料电池产生的电荷，装置中阴极产生的废水以及阳极流出来的燃料废液从阳极流场通道板上的燃料废液出口排出。

所述超声雾化器由超声雾化片和频率匹配器两部分组成，频率匹配器外接低压电源放置在装置外部，超声雾化片放置在装置内部通过导线与频率匹配器连接。

所述超声雾化片由两块隔离板上下夹持后固定于燃料储存腔上方，超声雾化片包括雾化片外壳，设置在外壳内的压电陶瓷片、以及设置在压电陶瓷片中部的微孔雾化片，雾化片外壳一侧开设有凹槽缺口作为雾化片的电源接口。

所述阴极流场通道板与阴极集电极之间、阴极集电极与质子交换膜之间、质子交换膜与阳极集电极之间，以及燃料储存腔上方盖板与隔离板底部之间均设有密封垫，所述密封垫为中空的框型结构，用于防止装置结构内溶液向外泄漏。

所述超声雾化器的频率匹配器的频率范围为50-55KHz，超声雾化器内电路将直流电压转换为高频电压施加在环形压电陶瓷上，带动微孔雾化片做高频振动，将甲醇溶液雾化。

所述超声雾化片中部微孔雾化片上的孔径尺寸小于100微米，使得雾化后的雾滴粒径小于100微米。

所述燃料储存腔中甲醇溶液浓度不低于8mol/L。

本发明装置甲醇燃料供给的特有结构能够实现甲醇溶液的自呼吸供给，在经过超声雾化片雾化后，于雾化腔的入口处就能获得分散均匀的甲醇燃料，雾化后的甲醇燃料通过雾化腔自然扩散至燃料电池的阳极，得到一种高性能的直接甲醇燃料电池供给系统，自呼吸供给方式的引进能够自发的将甲醇燃料转移至超声雾化片上，这极大的节约了燃料供给的能量消耗。

本发明具有如下优点：

本发明的优点在于使用自呼吸方式供给的甲醇溶液无需额外的能源消耗，始终能够自发稳定的供给，甲醇燃料经过超声雾化片雾化后能非常均匀的布散在阳极集电极和质子交换膜上，能够有效提高甲醇燃料利用率，促进阳极二氧化碳排放，降低甲醇渗透率，提高燃料电池的性能。利用阴极流场通道板内侧微孔碳布对阴极废液的吸附作用，可以实时排出废液并使氧气进入阴极更加顺畅，有序促进电化学反应的进行。本发明中的供给方式不仅适用于直接甲醇燃料电池，而且适用于其他任何需要进行溶液供给的场合，不仅适用于微小型的单个电池，而且对大型的多个电池组成的电池堆也同样适用。

附图说明

图1、本发明装置整体主视结构示意图；

图2、本发明装置整体结构剖视示意图；

图3、本发明装置立体结构示意图；

图4、本发明装置中超声雾化片结构示意图；

其中：1-燃料储存腔，2-燃料补给进口，3-隔离板，4-雾化腔，5-阳极集电极，6-质子交换膜，7-阴极集电极，8-密封垫，9-棉芯，10-燃料废液出口，11-超声雾化器，12-液体燃料进口，13-压电陶瓷，14-电源接口，15-微孔雾化片，16-雾化片外壳，17-阴极流场通道板，18-阳极流场通道板。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-4所示，一种基于超声的主被混合型DMFC燃料供给装置，包括电池阳极燃料供给系统和电池阴极供氧系统，电池阳极燃料供给系统包括燃料储存腔1、棉芯9、超声雾化器11、隔离板3和雾化腔4，燃料储存腔1为位于装置底部开设的腔体，用于储存甲醇溶液，棉芯9下端沉浸在燃料储存腔内部溶液中，棉芯9上端穿过燃料储存腔上部盖板后与超声雾化器11中部的超声雾化片下侧紧密接触，超声雾化片上侧与雾化腔4内部连通，雾化腔4上端与直接甲醇燃料电池的阳极相通；

按上述方案，直接甲醇燃料电池的阳极流场通道板18与雾化腔4、隔离板3、超声雾化器11、棉芯9依次相连接，实现阳极甲醇燃料的超声雾化方式均匀供给；燃料电池的超声雾化器11、疏孔棉芯9与燃料储存腔1相连实现阳极甲醇溶液的自呼吸式供给；

电池阴极供氧系统包括从下到上依次设置的直接甲醇燃料电池质子交换膜6、阴极集电极7和阴极流场通道板17，所述质子交换膜6、阴极集电极7以及催化剂构成了燃料电池的MEA膜，质子交换膜6上紧密贴合有一层微孔碳布，微孔碳布内孔隙用于收集并扩散出阴极反应所产生的水，同时为空气中的氧气提供运输通道，阴极集电极收集燃料电池产生的电荷，装置中阴极产生的废水以及阳极流出来的燃料废液从阳极流场通道板上的燃料废液出口排出；

按上述方案，阴极流场通道板17底部与微孔碳布相贴合，实现直接甲醇燃料电池阴极氧气供给的自呼吸方式。

超声雾化器11由超声雾化片和频率匹配器两部分组成，频率匹配器外接低压电源放置在装置外部，超声雾化片放置在装置内部通过导线与频率匹配器连接。

如图2和图4所示，超声雾化片由两块隔离板3上下夹持后固定于燃料储存腔上方，超声雾化片包括雾化片外壳16，设置在外壳内的压电陶瓷片13、以及设置在压电陶瓷片中部的微孔雾化片15，雾化片外壳16一侧开设有凹槽缺口作为雾化片的电源接口14。

阴极流场通道板17与阴极集电极7之间、阴极集电极7与质子交换膜6、质子交换膜6与阳极集电极5之间，以及燃料储存腔1上方盖板与隔离板3底部之间均设有密封垫8，所述密封垫8为中空的框型结构，用于防止装置结构内溶液向外泄漏。

如图1-2所示装置结构示意图，包括超声雾化器11、雾化腔4、供给管道；直接甲醇燃料电池包括封装外壳、阳极集电极5、质子交换膜6、阴极集电极7、密封垫8；超声雾化器11安装在两块隔离板3之间使其成为一体，电源由外界接入，根据直接甲醇燃料电池的实际需要选定雾化供给所需的甲醇溶液浓度。

电池开始工作时，在外接电源驱动下，通过调节负载电阻大小来控制超声雾化器11的雾化速率，从而得到充分雾化的甲醇雾滴进入雾化腔4。随着超声雾化器不断将棉芯9上甲醇溶液雾化喷入雾化腔4，棉芯9不断从燃料储存腔1中吸取甲醇溶液供给超声雾化器11。之后甲醇溶液雾滴经雾化腔4进入到阳极集电极5和质子交换膜6处。

直接甲醇燃料电池中，在阳极催化剂的作用下，甲醇发生氧化反应生成了二氧化碳(CO₂)和氢离子(H⁺)，二氧化碳可直接从阳极表面向下扩散出，避免了氧化产物与燃料的堆积，未反应完的甲醇溶液可被再次回收至甲醇溶液储存腔1中循环供给。产生的H⁺穿过质子交换膜6到达电池的阴极，在催化剂的作用下与阴极的(O₂)发生还原反应生成水(H₂O)。多余的水将经燃料废液出口10进入到废液储存箱中。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。