[發明專利]一種熱毛細力驅動的閉合微流體燃料電池系統

有效

• 申請號: 201911040870.0
• 申請日: 2019-10-29
• 公開（公告）號: CN111029598B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 苑振宇;曹成;啜文慧;郭忠明;涂朝銀;孔凡博
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/04007;H01M8/04029;H01M8/04082;H01M8/04186;H01M8/1009
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種熱毛細力驅動的閉合微流體燃料電池系統，包括燃料電池、冷凝器、儲液腔，所述儲液腔的兩個出口通過兩個毛細管Ⅰ與燃料電池的其中兩個進口相連，燃料電池的其中一個出口通過蒸氣管路與冷凝器進口相連，冷凝器出口通過毛細管Ⅱ與燃料電池的另一個進口相連，燃料電池的另一個出口通過回流管路與儲液腔進口相連。該電池構建具有散熱和甲醇燃料輸運的熱毛細力泵結構，驅動甲醇燃料進入微型燃料電池發生氧化還原反應從而產生電能，實現基于散熱、燃料儲運和反應發電一體化的微型燃料電池，顛覆了現有普遍采用有源泵、閥控制甲醇燃料輸運的燃料電池工作機理。

技術領域

本發明涉及熱毛細力環路熱管和甲醇燃料電池技術領域，主要是基于其工作原理通過電池極板與蒸發器集成構建具有散熱和燃料輸運功能的熱毛細泵環路結構，從而實現集散熱、燃料儲運和反應發電為一體的一種熱毛細力驅動的閉合微流體燃料電池系統，具體涉及一種熱毛細力驅動的閉合微流體燃料電池系統。

背景技術

燃料電池是一種通過電化學反應將供給的燃料和氧化劑的化學能連續不斷地轉化為電能的發電裝置。它能量轉換率高、無氮氧化物排放、能量密度和功率密度高，基于這些優點燃料電池技術的研究與開發備受各國政府與公司的關注，被認為是新世紀首選的、潔凈的、高效的電池技術。燃料電池的研究與開發，不僅有利于能源工業和電池工業的發展，而且推動電子、材料、醫學等領域的科學技術進步，對于資源利用率的提高和各種環境問題的解決起到的很大的影響。

目前我國在一些領域對高能量高密度集成化的研究有較大的需求，對此本發明研究集散熱、燃料儲運和反應發電一體化的微型燃料電池技術。環路熱管是一種回路閉合環形熱管，一般由蒸發器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構成，它傳熱能力強、可以克服重力場、管線布置方便、有精準的控溫能力，環路熱管中的毛細泵環路作為航天軍事等高科技領域熱管理重要部件，最開始應用于天文望遠鏡；在燃料電池領域，電池基本上都是采用泵和閥的方式提供燃料，且催化電極采用碳粉作為催化劑載體，電池反應活性低。為此對燃料電池和環路熱管進行創新，采用電池極板與蒸發器集成的方式構成蒸發室，與冷凝器和燃料電池組成一個熱毛細力驅動的閉合微型燃料電池系統。

發明內容

本發明提供毛細環路熱管和燃料電池結合的方式，將蒸發器與陽極集成極板集成構成蒸發室，與冷凝器構成一個回路，通過蒸發器結構吸收電池反應產生的熱量，進而推動環路內燃料的單向流動，使燃料進入微型甲醇燃料電池從而進行發電反應，構建具有散熱和燃料輸運的熱毛細泵結構驅動燃料進入微型燃料電池；在催化電極方面，采用碳納米管或石墨烯氣凝膠構建一種三維納米結構，使得微型燃料電池催化電極反應具有更高的活性和更大的比表面積。

為了實現上述目的，本發明提供一種熱毛細力驅動的閉合微流體燃料電池系統，包括燃料電池、冷凝器、儲液腔，所述儲液腔的兩個出口通過兩個毛細管Ⅰ與燃料電池的其中兩個進口相連，燃料電池的其中一個出口通過蒸氣管路與冷凝器進口相連，冷凝器出口通過毛細管Ⅱ與燃料電池的另一個進口相連，燃料電池的另一個出口通過回流管路與儲液腔進口相連。

所述燃料電池分為單燃料電池和燃料電池組；所述單燃料電池由陰極極板Ⅰ、膜電極及陽極集成極板Ⅰ組成，所述陰極極板Ⅰ與陽極集成極板Ⅰ之間設置有膜電極；所述燃料電池組由若干電池集成，所述燃料電池組包括陰極極板Ⅰ、若干膜電極、若干雙面極板、陽極集成極板Ⅰ組成，所述陰極極板Ⅰ與陽極集成極板Ⅱ之間通過若干膜電極和若干雙面極板集成。

所述膜電極由陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、陰極擴散層組成，所述陽極擴散層與陽極催化層一端相連，陽極催化層另一端與質子交換膜一端相連，質子交換膜另一端與陰極催化層一端相連，陰極催化層另一端與陰極擴散層相連。

所述陽極集成極板Ⅰ和陽極集成極板Ⅱ結構相同，均由蒸發器、陽極極板、蒸氣管路、回流管路、毛細管Ⅰ及毛細管Ⅱ組成，所述陽極極板邊緣嵌入設置有流場和兩個蒸發器，且兩個蒸發器并聯設置，所述流場進口端與毛細管Ⅱ相連，流場出口端與回流管路相連，兩個所述蒸發器進口端分別與兩個毛細管Ⅰ相連，兩個蒸發器出口端通過三通與蒸氣管路相連。