[发明专利]一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统

说明书

一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，包括燃料电池、冷凝器、储液腔，所述储液腔的两个出口通过两个毛细管Ⅰ与燃料电池的其中两个进口相连，燃料电池的其中一个出口通过蒸气管路与冷凝器进口相连，冷凝器出口通过毛细管Ⅱ与燃料电池的另一个进口相连，燃料电池的另一个出口通过回流管路与储液腔进口相连。该电池构建具有散热和甲醇燃料输运的热毛细力泵结构，驱动甲醇燃料进入微型燃料电池发生氧化还原反应从而产生电能，实现基于散热、燃料储运和反应发电一体化的微型燃料电池，颠覆了现有普遍采用有源泵、阀控制甲醇燃料输运的燃料电池工作机理。

技术领域

本发明涉及热毛细力环路热管和甲醇燃料电池技术领域，主要是基于其工作原理通过电池极板与蒸发器集成构建具有散热和燃料输运功能的热毛细泵环路结构，从而实现集散热、燃料储运和反应发电为一体的一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，具体涉及一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种通过电化学反应将供给的燃料和氧化剂的化学能连续不断地转化为电能的发电装置。它能量转换率高、无氮氧化物排放、能量密度和功率密度高，基于这些优点燃料电池技术的研究与开发备受各国政府与公司的关注，被认为是新世纪首选的、洁净的、高效的电池技术。燃料电池的研究与开发，不仅有利于能源工业和电池工业的发展，而且推动电子、材料、医学等领域的科学技术进步，对于资源利用率的提高和各种环境问题的解决起到的很大的影响。

目前我国在一些领域对高能量高密度集成化的研究有较大的需求，对此本发明研究集散热、燃料储运和反应发电一体化的微型燃料电池技术。环路热管是一种回路闭合环形热管，一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成，它传热能力强、可以克服重力场、管线布置方便、有精准的控温能力，环路热管中的毛细泵环路作为航天军事等高科技领域热管理重要部件，最开始应用于天文望远镜；在燃料电池领域，电池基本上都是采用泵和阀的方式提供燃料，且催化电极采用碳粉作为催化剂载体，电池反应活性低。为此对燃料电池和环路热管进行创新，采用电池极板与蒸发器集成的方式构成蒸发室，与冷凝器和燃料电池组成一个热毛细力驱动的闭合微型燃料电池系统。

发明内容

本发明提供毛细环路热管和燃料电池结合的方式，将蒸发器与阳极集成极板集成构成蒸发室，与冷凝器构成一个回路，通过蒸发器结构吸收电池反应产生的热量，进而推动环路内燃料的单向流动，使燃料进入微型甲醇燃料电池从而进行发电反应，构建具有散热和燃料输运的热毛细泵结构驱动燃料进入微型燃料电池；在催化电极方面，采用碳纳米管或石墨烯气凝胶构建一种三维纳米结构，使得微型燃料电池催化电极反应具有更高的活性和更大的比表面积。

为了实现上述目的，本发明提供一种热毛细力驱动的闭合微流体燃料电池系统，包括燃料电池、冷凝器、储液腔，所述储液腔的两个出口通过两个毛细管Ⅰ与燃料电池的其中两个进口相连，燃料电池的其中一个出口通过蒸气管路与冷凝器进口相连，冷凝器出口通过毛细管Ⅱ与燃料电池的另一个进口相连，燃料电池的另一个出口通过回流管路与储液腔进口相连。

所述燃料电池分为单燃料电池和燃料电池组；所述单燃料电池由阴极极板Ⅰ、膜电极及阳极集成极板Ⅰ组成，所述阴极极板Ⅰ与阳极集成极板Ⅰ之间设置有膜电极；所述燃料电池组由若干电池集成，所述燃料电池组包括阴极极板Ⅰ、若干膜电极、若干双面极板、阳极集成极板Ⅰ组成，所述阴极极板Ⅰ与阳极集成极板Ⅱ之间通过若干膜电极和若干双面极板集成。

所述膜电极由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层组成，所述阳极扩散层与阳极催化层一端相连，阳极催化层另一端与质子交换膜一端相连，质子交换膜另一端与阴极催化层一端相连，阴极催化层另一端与阴极扩散层相连。

所述阳极集成极板Ⅰ和阳极集成极板Ⅱ结构相同，均由蒸发器、阳极极板、蒸气管路、回流管路、毛细管Ⅰ及毛细管Ⅱ组成，所述阳极极板边缘嵌入设置有流场和两个蒸发器，且两个蒸发器并联设置，所述流场进口端与毛细管Ⅱ相连，流场出口端与回流管路相连，两个所述蒸发器进口端分别与两个毛细管Ⅰ相连，两个蒸发器出口端通过三通与蒸气管路相连。