一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池及其物料反应方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及液体燃料电池，具体涉及一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池及其物料反应方法。
【背景技术】
[0002]直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)是一种以甲醇水溶液和空气(或氧气)为燃料，直接将化学能转化为电能的清洁能源。由于DMFC工作过程中没有燃烧，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，因此其能量转换效率极高(大约为60%?80%) ο同时，它还具有结构简单、环境友好、噪音低和燃料多样化等优点，在便携式电子产品和微机电系统等领域有着广泛的应用前景。
[0003]DMFC由膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)、阳极流场板和阴极流场板组成。其中，MEA由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层按照顺序压合在一起；流场板在朝向膜电极组件的一侧附有金属层或者直接采用金属材料，用于收集电流，同时流场板上加工有微沟道用于均匀分配反应物。工作时，甲醇水溶液通过阳极流场板经由阳极多孔扩散层到达阳极催化层发生氧化反应，生成二氧化碳、质子和电子；质子在电场作用下穿过质子交换膜迀移至阴极催化层，与扩散至阴极催化层的氧气发生还原反应，生成水；而电子则通过外电路进入阴极，并驱动负载工作。由此可见，燃料电池需要源源不断地供给新鲜的甲醇溶液和氧气(或空气)并及时排出反应产物才能持续发电。由此可见，DMFC反应物的及时供给和生成物的顺利排出是其能够长期稳定地运行的前提条件。因此，对反应物和生成物的物料管理是制约DMFC发展的关键因素。
[0004]根据甲醇溶液的供给方式，阳极物料管理可以分为主动管理和被动管理。主动管理采用流体输运设备来输运甲醇溶液和排出C02气泡，有利于阳极反应物和生成物的有序化管理，且能够满足甲醇溶液浓度均匀性和一致性要求。美国专利(US 20040247954A1)提出了一种直接甲醇燃料电池的甲醇溶液浓度控制方法，根据燃料电池的电压变化曲线、极化曲线等特性确定需要补给的甲醇溶液浓度，省去了结构复杂且价格昂贵的甲醇溶液浓度传感器。但是其相对复杂的系统和较大的寄生功耗增加了 DMFC的内部消耗。被动管理的基本思想是利用DMFC中毛细作用力、气泡驱动力或者重力等作用力实现物料有序化输运和管理，具有无寄生功耗优点。文献(Jiguchi T T, Abdelkareem M A, Kudo T, etal.Development of a passive direct methanol fuel cell stack for high methanolConcentrat1n [J].Journal of Power Sources, 2010，195:5975 - 5979)米用多孔碳板实现浓甲醇/纯甲醇的自动进料，但是随着反应进行，浓甲醇溶液液面的降低和阴极生成的水对甲醇溶液的稀释作用都会使电池的功率密度缓慢降低。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池及其物料反应方法，无需甲醇溶液浓度传感器，通过简单的结构实现甲醇溶液进料，解决了现有技术中电池功率低、电池昂贵的问题。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于:包括组件，组件上包括甲醇腔；依次对称排布于甲醇腔两侧的阳极流场板、膜电极组件和阴极流场板，所述甲醇腔包括物料储存区和物料反应区，所述物料储存区和物料反应区通过物料孔连通；所述物料储存区位于甲醇腔上部，所述物料反应区位于甲醇腔下部；
[0007]物料储存区包括循环栗出液管和液位传感器连接管，所述循环栗出液管横向贯穿于物料储存区；所述循环栗出液管管壁下侧包括若干循环栗出液口 ；
[0008]物料反应区包括循环栗进液管和供给栗出液管，所述供给栗出液管横向贯穿于物料反应区；所述供给栗出液管管壁上侧包括若干供给栗出液口。
[0009]进一步的，所述供给栗出液口直径小于供给栗出液管内径。
[0010]—种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池的物料反应方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0011 ] 电池工作时，物料反应区的甲醇溶液通过阳极流场板上点阵式自呼吸孔在浓度扩散的作用下到达扩散层，进而进入催化层，参加氧化反应；随着反应的进行，甲醇溶液不断消耗，物料反应区的甲醇溶液液位和浓度都降低，物料存储区的甲醇溶液从物料孔进入物料反应区，以补充消耗的甲醇溶液；
[0012]当液位传感器监测到甲醇腔中甲醇溶液的液位到达下限时，被动式直接甲醇燃料电池中断工作，供给栗开始工作；供给栗将甲醇罐中的浓甲醇通过供给栗出液管送进物料储存区，浓甲醇经扩散作用与物料反应区中的甲醇溶液混合；
[0013]当液位传感器监测到甲醇腔中甲醇溶液的液位到达上限时，供给栗停止工作，循环栗开始工作；浓甲醇溶液被循环栗通过循环栗进液管从物料反应区抽出，然后经循环栗出液管从循环栗出液口被送进物料储存区，与反应后的稀甲醇溶液混合，最后经由物料孔进入物料反应区；经过多次的循环搅拌，甲醇腔中得到浓度均匀的甲醇溶液；
[0014]循环栗工作一段时间后，停止工作，被动式直接甲醇燃料电池恢复正常工作；所有部分的起停控制通过电源管理模块实现。
[0015]有益效果:本发明提供的一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，结构简单，工作环境稳定，寄生功耗小，无需甲醇溶液浓度传感器，能够实现浓甲醇溶液较均匀的补给。成本低，工作效率高。
【附图说明】
[0016]图1为采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池三维爆炸视图；
[0017]图2为甲醇腔剖视图；
[0018]图3为被动式直接甲醇燃料电池浓甲醇进料管理示意图；
[0019]其中:1-甲醇腔，2-阳极流场板，3-膜电极组件，4-阴极流场板，5-循环栗出液管，6-液位传感器连接管，7-循环栗进液管，8-物料孔，9-供给栗出液管，a-螺栓孔，b-循环栗出液口，c-甲醇溶液，d-供给栗出液口。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0021]如图1所示为一种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于:包括组件，组件上包括甲醇腔1 ;依次对称排布于甲醇腔1两侧的阳极流场板2、膜电极组件3和阴极流场板4，所述甲醇腔1包括物料储存区和物料反应区，所述物料储存区和物料反应区通过物料孔8连通；所述物料储存区位于甲醇腔1上部，所述物料反应区位于甲醇腔1下部；
[0022]如图2所示，物料储存区包括循环栗出液管5和液位传感器连接管6，所述循环栗出液管5横向贯穿于物料储存区；所述循环栗出液管5管壁下侧包括若干循环栗出液口 b ;
[0023]物料反应区包括循环栗进液管7和供给栗出液管9，所述供给栗出液管9横向贯穿于物料反应区；所述供给栗出液管9管壁上侧包括若干供给栗出液口 d。
[0024]进一步的，所述供给栗出液口 d直径小于供给栗出液管9内径。
[0025]—种采用浓甲醇进料的被动式直接甲醇燃料电池的物料反应方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0026]电池工作时，物料反应区的甲醇溶液通过阳极流场板2上点阵式自呼吸孔在浓度扩散的作用下到达扩散层，进而进入催化层，参加氧化反应；随着反应的进行，甲醇溶液不断消耗