[發明專利]一種新型陽極流場的直接液體燃料電池

在審

• 申請號: 202310442648.3
• 申請日: 2023-04-23
• 公開（公告）號: CN116314913A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 周遠;趙偉豪;何雪豐;常海星;鐘年丙;張興紅
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/023;H01M8/1009
• 代理公司: 重慶鼎慧峰合知識產權代理事務所(普通合伙) 50236
• 代理人: 楊力

本發明公開了一種新型陽極流場的直接液體燃料電池，包括陽極集流板、陰極集流板、膜電極組及陽極流場板。膜電極組夾設于陽極集流板和陰極集流板之間，陽極流場板設于陽極集流板和膜電極組之間。陽極流場板由疏水多孔層制成，以將陽極產生的氣泡捕獲并原位排出；陽極流場板內設有交指狀流場，以使液體燃料以強制對流方式進入至膜電極組內，且將膜電極組內的溶解氧攜帶向外排出。上述新型陽極流場的直接液體燃料電池，在促進氣泡高效排出的同時避免了陽極氧氣滲透問題，并且無附加設備和額外能量損耗，可有效解決氣泡引起的傳質惡化和轉化效率低與輸出穩定性難以兼顧的問題，對推動高性能直接液體燃料電池商業化進程具有重要意義。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種新型陽極流場的直接液體燃料電池。

背景技術

直接液體燃料電池(Direct?liquid?fuel?cells，DLFCs)可將甲醇、甲酸等碳基液體燃料以及液氨、肼等氮基液體燃料的化學能直接轉化產生清潔的電能，具有能量密度高、環境友好、運行條件溫和等優點，同時有效解決了氫燃料電池面臨的氫氣儲運難題，是助力實現我國“雙碳”目標的清潔能源高效利用技術之一。

在實際運行過程中，DLFCs勢必面臨大電流運行條件。以液氨/甲醇燃料為例，電池陽極會產生大量的N₂/CO₂氣泡。一方面，氣泡黏附在電極表面會占據電化學活性面積，阻礙反應物傳輸，導致歐姆損失和陽極過電位增加；同時引起燃料分布不均，造成陽極濃差極化損失。另一方面，氣泡的生長和脫離過程會導致電池性能產生波動，電壓穩定性降低，并且電壓波動和氣泡脫離產生的拖拽力會加速陽極催化劑老化和脫落。此外，陽極流道內積聚的氣泡還會顯著增加通道內的壓降和燃料滲透風險，這嚴重制約了DLFCs的商業化進程。

目前，針對大電流密度下DLFCs內氣泡引起的傳質惡化和轉化效率低與輸出穩定性差等問題，常見的促進氣泡排出方法有改變運行工況(如增大燃料流速、提高溶液溫度)、外加作用力場(如聲場、磁場、電場)等。然而上述主動方法存在以下問題：1)增大燃料流速會降低燃料利用率，而提高溶液溫度可能會導致膜穩定性降低以及燃料滲透問題；2)外加聲場/磁場/電場會增加系統整體功耗和復雜性，降低電池凈輸出功率。

發明內容

基于此，有必要針對上述問題，提供一種新型陽極流場的直接液體燃料電池，以解決氣泡引起的傳質惡化和轉化效率低以及輸出穩定性難以兼顧的問題。

一種新型陽極流場的直接液體燃料電池，包括：

陽極集流板；

陰極集流板；

膜電極組，夾設于所述陽極集流板和所述陰極集流板之間；及

陽極流場板，設于所述陽極集流板和所述膜電極組之間；所述陽極流場板由疏水多孔層制成，以將陽極產生的氣泡捕獲并原位排出；所述陽極流場板內設有交指狀流場，以使液體燃料以強制對流方式進入至所述膜電極組內，且將所述膜電極組內的溶解氧攜帶向外排出。

在其中一個實施例中，所述膜電極組包括膜電極、陽極擴散層及陰極擴散層，所述陽極擴散層和所述陰極擴散層分別布置于所述膜電極相對的兩側，所述陽極流場板與所述陽極擴散層貼合。

在其中一個實施例中，所述膜電極包括陽極催化劑層、陰極催化劑層及離子交換膜，所述陽極催化劑層和所述陰極催化劑層分別設于所述離子交換膜的相對兩側，所述陽極擴散層貼合所述陽極催化劑層，所述陰極擴散層貼合所述陰極催化劑層。

在其中一個實施例中，陽極催化劑和陰極催化劑的漿料分別噴涂沉積在所述離子交換膜的兩面，然后采用熱壓制備所述膜電極，并所述陽極催化劑層做親水處理。

在其中一個實施例中，所述陰極擴散層采用疏水多孔層，所述陽極擴散層采用親水多孔層。

在其中一個實施例中，所述陽極流場板由疏水導電纖維組成，并利用機械加工方式構建交指狀流場。