[发明专利]用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO2的复合流场板

说明书

本发明公开了用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO₂的复合流场板。所述复合流场板由开放式栅状集电板及传质管理层组合而成；所述开放式栅状集电板与膜电极贴合，具有多条宽度为0.5~1.5mm的直通槽道，肋宽为0.5~1.5mm，开孔率为40%~60%；传质管理层通过固定板与开放式栅状集电板紧密贴合。本发明中开放式栅状集电板可实现对CO₂气体的定向排出使其形成具有自驱动排放效应的排放行为，实现在槽道内的强化传质。传质管理层不仅能实现对CO₂气体流向的控制，实现气液传输通道分离，而且能保证不损害电池性能的情况下供应较高浓度的甲醇溶液，提高电池的续航能力。该复合流场板在保证更高电池输出性能的前提下，有效提高电池能量密度，大幅提高电池的性能及延长工作时间。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO₂的复合流场板。

背景技术

随着便携式电子设备变得越来越复杂，能量需求越来越高，传统二次电池已经很难再满足能量密度及续航性能的要求。在这种情况下直接甲醇燃料电池凭借其能量密度高，即时补充燃料，操作安全和续航能力强等优势，成为潜在的传统二次电池的替代品而受到广泛的研究。特别是被动式直接甲醇燃料电池，其结构紧凑，操作温度低和不存在寄生功率，更适用于便携设备。

尽管众多的研究学者对被动式直接甲醇燃料电池的各个方面进行了深入的研究，但仍然有技术瓶颈阻碍直接甲醇投入到实际应用中。其中，阳极产生的CO₂对电池性能会带来许多负面作用。CO₂的积聚，会导致阳极甲醇溶液供应不均匀且阻碍催化反应的进行，对电池性能产生极大的削弱。然而，至今仍未有根本性的解决方法。在现有的技术中，更多的是采用大开孔率的集电板来促进CO₂的排放。然而，大开孔率的集电板却容易造成在使用较高浓度甲醇溶液时产生较为严重的甲醇穿透。穿透的甲醇会造成过电位，降低燃料利用率，影响发电效率，此外，甲醇在阴极催化剂的作用下直接与氧气发生反应，容易造成阴极氧气短缺，且其产物对阴极催化剂有一定毒害作用，对电池具有极大的危害。虽然使用低浓度的甲醇溶液能有效缓解甲醇穿透现象，但是其能量密度却显著降低。此外，在高电流密度工况下，容易形成浓差极化现象，影响电池性能。因此，能否设计出一种既能促进阳极CO₂排放，又能有效抑制甲醇穿透的流场结构，对被动式直接甲醇燃料电池性能的提升具有积极的意义。

发明内容

为促进被动式直接甲醇燃料电池阳极CO₂的排放，同时抑制甲醇穿透现象，提升电池的综合性能，本发明提供了一种新型复合流场结构，开放式集电板对阳极CO₂具有定向排出作用，可将气泡直接经过集电板排出到外部环境中，形成气液通道分离的内部传质方式。此外，CO₂在集电板槽道内，形成自驱动排放行为，有效促进气泡的排放，减少其在阳极的积累。传质管理层则一方面辅助保证CO₂在槽道内进行传输，阻碍其进入燃料腔，实现气液通道分离；另一方面，提供足够的甲醇传质阻力，缓解在较高浓度甲醇溶液下的甲醇穿透现象。通过开放式集电板及传质管理层的组合，实现被动式直接甲醇燃料电池阳极 CO₂的及时排出以及利用其活跃传输行为强化槽道内传质，同时实现甲醇穿透现象的抑制，最终提高被动式直接甲醇燃料电池的性能。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

用于控制及利用直接甲醇燃料电池阳极CO₂的复合流场板，其由开放式栅状集电板及传质管理层组合而成，能够实现阳极CO₂的有效管理及利用。其中开放式栅状集电板通过垫片与膜电极贴合，具有实现CO₂定向排出的作用；传质管理层为多孔烧结金属纤维毡，由固定板将传质管理层与开放式栅状集电板紧密贴合。