專利名稱：用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及-種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，尤其 適用于使用高濃度或者純甲醇進(jìn)料的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以液體燃料進(jìn)料的燃料電池是將儲(chǔ)存于燃料(甲醇、乙醇等)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn) 化為電能的一種電化學(xué)反應(yīng)裝置。與氣體燃料相比，小分子液體燃料易于儲(chǔ)備和運(yùn)輸，具有 較高的能量轉(zhuǎn)換效率，氧化反應(yīng)產(chǎn)物主要為水和二氧化碳，是環(huán)境友好的綠色能源。直接甲醇燃料電池(DMFC)是目前以液體燃料進(jìn)料的燃料電池中研究最為廣泛的 一種。DMFC具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料不需要重整等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是十分理想的小型化可移動(dòng)電源 之一，在交通、通訊、軍事、航天等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。甲醇溶液的進(jìn)料濃度對(duì)DMFC的性能有很大的影響，隨甲醇進(jìn)料濃度的增加，甲醇 滲透增強(qiáng)，滲透的甲醇在陰極發(fā)生反應(yīng)與陰極的氧還原反應(yīng)形成混合電位，陰極電勢(shì)降低， 電池性能下降。因此，為了使DMFC系統(tǒng)以良好而穩(wěn)定的性能持續(xù)放電，必須以低濃度甲醇 溶液進(jìn)料，而低濃度甲醇溶液的存儲(chǔ)會(huì)使得DMFC系統(tǒng)的體積增大，不利于DMFC系統(tǒng)的應(yīng)用。解決上述問(wèn)題的方法通常是持續(xù)的給系統(tǒng)補(bǔ)充高濃度甲醇溶液或者純甲醇，通過(guò) 攜帶少量的高濃度甲醇溶液或者純甲醇來(lái)減小系統(tǒng)的重量和體積，同時(shí)使系統(tǒng)獲得較長(zhǎng)的 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。[美國(guó)專利6761988B1]介紹了當(dāng)DMFC輸出功率較小時(shí)加熱位于充有控制液體的 密封腔內(nèi)的元件，液體膨脹產(chǎn)生的壓力施加在極板、氣體擴(kuò)散層以及電極上，減小了流往陽(yáng) 極的甲醇，反之則密封腔產(chǎn)生的壓力減小，增加了流往陽(yáng)極的甲醇。通過(guò)上述辦法調(diào)節(jié)了甲 醇濃度，使?jié)B透到陰極甲醇最少化。該專利所述的微結(jié)構(gòu)需要利用MEMS技術(shù)加工而成，不 易實(shí)現(xiàn)。而且若是電池組中的每片電池都采用這種方法控制甲醇濃度會(huì)使系統(tǒng)非常復(fù)雜， 成本很高。[中國(guó)專利200710064632.4]介紹了根據(jù)負(fù)載的大小和儲(chǔ)能設(shè)備的剩余電量的大 小控制甲醇濃度。實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的大小、儲(chǔ)能設(shè)備的剩余電量以及混合后的甲醇濃度，控制 器根據(jù)上述信息進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)控制輸送泵的轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)了輸送泵的流量，當(dāng)甲醇濃 度大于預(yù)設(shè)值時(shí)減少輸送泵的流量，當(dāng)甲醇濃度小于預(yù)設(shè)值時(shí)增大輸送泵的流量，將濃度 控制到預(yù)設(shè)值。該專利所述的甲醇溶液濃度控制方法及裝置在燃料電池系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比 較復(fù)雜，對(duì)輸送泵的要求較高，需要選擇流量可調(diào)的輸送泵。需要檢測(cè)的量較多，控制器軟 件復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不利影響。[中國(guó)專利CN100433435C]介紹了用在定電壓下工作的第二組膜電極作為濃度檢 測(cè)元件來(lái)檢測(cè)第一組膜電極陽(yáng)極側(cè)燃料的濃度，第一組膜電極產(chǎn)生的電流供給負(fù)載。當(dāng)燃 料濃度<設(shè)定值+ε (ε為一濃度容忍值)時(shí)，將進(jìn)入第一組膜電極陽(yáng)極液體燃料的濃度調(diào) 高。該專利所述的燃料濃度控制方法對(duì)燃料添加的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如輸送泵的動(dòng)作未做具體說(shuō)明，而且檢測(cè)濃度時(shí)要保持溫度相同，需要加溫度控制機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制 方法，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，將電堆陽(yáng)極入口的燃料濃度控制在較高的狀態(tài)，主動(dòng)利用滲透的燃 料在陰極反應(yīng)放出的熱量升高電堆的溫度，當(dāng)電堆溫度達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的設(shè)定值時(shí)， 將電堆陽(yáng)極入口的燃料濃度控制在較低的狀態(tài)，抑制燃料滲透，降低燃料滲透給電堆性能 帶來(lái)的不利影響。在上述兩個(gè)不同階段，電堆陽(yáng)極入口處燃料濃度的控制是通過(guò)比較濃度傳感器采 集到的燃料濃度與不同階段燃料進(jìn)料濃度的設(shè)定值，并通過(guò)控制電路判斷是否向控制高濃 度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補(bǔ)充控制部件發(fā)出補(bǔ)充燃料的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。該方法的具體控制過(guò)程如下 通過(guò)溫度傳感器和電堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電堆溫度T和電 堆陽(yáng)極入口處的燃料實(shí)際進(jìn)料濃度C，并通過(guò)控制電路首先判斷電堆溫度T與系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn) 行溫度設(shè)定值TS的關(guān)系，有如下A和B兩種情況。A情況在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，即T < TS時(shí)，將電堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度控制在設(shè)定 值CS1，具體的說(shuō)，是通過(guò)控制電路判斷電堆陽(yáng)極入口處的燃料實(shí)際進(jìn)料濃度C與電堆陽(yáng)極 入口處的燃料濃度設(shè)定值CS 1的關(guān)系，也分為Al和A2兩種具體情況。Al情況當(dāng)C < CSl時(shí)，控制電路向控制高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合 罐的燃料補(bǔ)充控制部件發(fā)出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件按照脈沖信號(hào)動(dòng)作，先開(kāi)啟后關(guān) 閉，這樣高濃度燃料(純?nèi)剂?便間歇式的通入到燃料混合罐中。間歇式通入燃料是指每 一個(gè)脈沖周期都包括燃料補(bǔ)充控制部件開(kāi)啟和燃料補(bǔ)充控制部件關(guān)閉兩個(gè)過(guò)程，在燃料補(bǔ) 充控制部件開(kāi)啟過(guò)程中，高濃度燃料(純?nèi)剂?注入到燃料混合罐中，在燃料補(bǔ)充控制部件 關(guān)閉過(guò)程中，已經(jīng)注入的高濃度燃料(純?nèi)剂?在燃料混合罐中與原燃料混合罐中的溶液 均勻混合，避免了因燃料混合不均勻造成的濃度傳感器得到的濃度信號(hào)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。在 一個(gè)脈沖周期結(jié)束后，根據(jù)此時(shí)控制電路對(duì)C與CSl關(guān)系的判斷結(jié)果，控制電路決定是否繼 續(xù)向上述燃料補(bǔ)充控制部件發(fā)出下一個(gè)脈沖信號(hào)，如果C <CS1，則繼續(xù)發(fā)出脈沖信號(hào)，燃 料補(bǔ)充控制部件間歇式動(dòng)作，如果C ^ CS1，則停止發(fā)出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件不動(dòng) 作。如此實(shí)時(shí)判斷C與CSl的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上述條件實(shí)時(shí)選擇是否發(fā)出脈沖 信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件也相應(yīng)的按照脈沖信號(hào)周期性間歇式動(dòng)作。A2情況當(dāng)OCSl時(shí)，控制電路不發(fā)出信號(hào)，控制高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通 向燃料混合罐的燃料補(bǔ)充控制部件不動(dòng)作，但隨電堆中反應(yīng)的不斷進(jìn)行，燃料混合罐中的 燃料濃度不斷降低，當(dāng)濃度傳感器的實(shí)時(shí)濃度檢測(cè)值C < CSl時(shí)，控制電路向燃料補(bǔ)充控制 部件發(fā)出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)控制燃料補(bǔ)充控制部件先開(kāi)啟后關(guān)閉，高濃度燃料(純?nèi)剂? 便間歇式的通入到燃料混合罐中，如此實(shí)時(shí)判斷C與CSl的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上 述結(jié)果判斷是否發(fā)出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件也相應(yīng)的按照脈沖信號(hào)周期性間歇式動(dòng) 作。B情況在系統(tǒng)啟動(dòng)階段完成后，即電堆溫度T > TS時(shí)，將電堆陽(yáng)極入口處的燃料 濃度控制在設(shè)定值CS2，具體的說(shuō)，是通過(guò)控制電路判斷電堆陽(yáng)極入口處的燃料實(shí)際進(jìn)料濃度C與電堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度設(shè)定值CS2的關(guān)系，也分為Bl和B2兩種具體情況。Bl情況當(dāng)C < CS2時(shí)，控制電路向燃料補(bǔ)充控制部件發(fā)出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控 制部件按照脈沖信號(hào)先開(kāi)啟后關(guān)閉，這樣高濃度燃料(純?nèi)剂?便間歇式的通入到燃料混 合罐中，在一個(gè)脈沖周期結(jié)束后，根據(jù)此時(shí)控制電路對(duì)C與CS2關(guān)系的判斷結(jié)果，控制電路 決定是否繼續(xù)向上述燃料補(bǔ)充控制部件發(fā)出下一個(gè)脈沖信號(hào)，如果C < CS2，則繼續(xù)發(fā)出脈 沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件間歇式動(dòng)作，如果C > CS2，則停止發(fā)出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制 部件不動(dòng)作。如此實(shí)時(shí)判斷C與CS2的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上述條件實(shí)時(shí)選擇是否 發(fā)出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件也相應(yīng)的按照脈沖信號(hào)周期性間歇式動(dòng)作。B2情況當(dāng)C > CS2時(shí)，控制電路不發(fā)出信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件不動(dòng)作，但隨電 堆中反應(yīng)的不斷進(jìn)行，燃料混合罐中的燃料濃度不斷降低，當(dāng)濃度傳感器的實(shí)時(shí)濃度檢測(cè) 值(< CS2時(shí)，控制電路向燃料補(bǔ)充控制部件發(fā)出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)控制燃料補(bǔ)充控制部 件先開(kāi)啟后關(guān)閉，高濃度燃料(純?nèi)剂?便間歇式的通入到燃料混合罐中，如此實(shí)時(shí)判斷C 與CS2的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上述結(jié)果判斷是否發(fā)出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件 也相應(yīng)的按照脈沖信號(hào)周期性間歇式動(dòng)作。如上所述系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行溫度設(shè)定值TS，其范圍是50°C彡TS ( 70°C。這主要是由 于電堆工作溫度低于50°C時(shí)，電堆中陰陽(yáng)極電催化劑活性過(guò)低，影響電堆的放電性能，不能 滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需要；而電堆工作溫度高于70°C時(shí)，一方面，隨溫度升高而加劇的甲醇滲 透會(huì)影響電堆的陰極性能，另一方面，隨溫度升高整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的功耗也隨之 增大，不利于系統(tǒng)的應(yīng)用。如上所述在系統(tǒng)運(yùn)行的不同階段，電堆陽(yáng)極入口處燃料濃度設(shè)定值CSl和CS2，其 范圍分別是lmol/L < CSl彡2mol/L,0. 5mol/L彡CS2彡lmol/L。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段電堆使 用較高濃度的燃料，利用滲透的燃料在陰極反應(yīng)放出的熱量升高電堆溫度，使電堆溫度在 不加其他輔助設(shè)備的條件下快速升高到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工作溫度，但此時(shí)燃料進(jìn)料的濃度也 不易過(guò)高，當(dāng)燃料進(jìn)料濃度超過(guò)2mol/L時(shí)，由于滲透的燃料在陰極反應(yīng)可能會(huì)毒化電堆陰 極的電催化劑，導(dǎo)致電堆放電性能不易于穩(wěn)定，不能滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需要。而當(dāng)電堆的溫度 升高到電堆穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)需要的溫度后，降低電堆使用燃料的濃度，提高電堆的放電性能，使 其滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需要。此時(shí)，若燃料進(jìn)料濃度過(guò)高會(huì)因燃料滲透率過(guò)高而導(dǎo)致電堆陰極 性能降低，若燃料進(jìn)料濃度過(guò)低會(huì)因陽(yáng)極傳質(zhì)極化而導(dǎo)致電堆陽(yáng)極性能降低。因此，將系統(tǒng) 運(yùn)行不同階段的燃料進(jìn)料濃度分別控制在上述范圍較為適宜。如上所述控制電路發(fā)出的脈沖信號(hào)，至少包括一個(gè)周期，相應(yīng)的控制高濃度燃料 罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補(bǔ)充控制部件至少動(dòng)作一次，即至少包括一個(gè)開(kāi)啟 過(guò)程和關(guān)閉過(guò)程。所述以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)，液體燃料為甲醇、乙醇、甲酸、乙二醇等小 分子燃料或者上述燃料中的兩種或兩種以上的混合燃料。本發(fā)明的有益效果是提出了一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃 度控制方法，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，電堆使用較高濃度的燃料，主動(dòng)利用滲透的燃料在陰極反應(yīng) 放出的熱量，快速升高電堆溫度，縮短了系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，省略了在系統(tǒng)啟動(dòng)階段為系統(tǒng)升溫 的輔助設(shè)備；在系統(tǒng)啟動(dòng)完成之后的正常運(yùn)行階段，電堆使用較低濃度的燃料，抑制燃料滲 透，降低燃料滲透給電堆性能帶來(lái)的不利影響；燃料進(jìn)料濃度的控制是通過(guò)燃料濃度傳感器，控制電路和由高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補(bǔ)充控制部件共同實(shí) 現(xiàn)的，控制電路輸出的信號(hào)為脈沖式信號(hào)，相應(yīng)的燃料補(bǔ)充控制部件的動(dòng)作方式為周期性 間歇式的動(dòng)作方式。這樣在電磁閥開(kāi)啟時(shí)，高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?可以為系統(tǒng)補(bǔ)充少 量的高濃度燃料(純?nèi)剂?，而在燃料補(bǔ)充控制部件關(guān)閉時(shí)，高濃度燃料(純?nèi)剂?可以有 時(shí)間在系統(tǒng)內(nèi)混合均勻，這種燃料濃度控制方式避免了因濃度傳感器測(cè)量延遲而造成的濃 度控制不準(zhǔn)，可以提高燃料進(jìn)料濃度控制的精確度，改善了燃料進(jìn)料濃度的控制效果，保證 了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明方法特別適用于使用高濃度甲醇或者純甲醇進(jìn)料的直接甲 醇燃料電池系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明提供的一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制 方法的原理示意圖。圖2為本發(fā)明提供的一種以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制電路 圖示意圖。圖3為本發(fā)明的一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法 中燃料補(bǔ)充控制部件的動(dòng)作情況和高濃度燃料或者純?nèi)剂涎a(bǔ)充的實(shí)際過(guò)程示意圖。圖4為實(shí)施例1中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測(cè)試結(jié)果。圖5為實(shí)施例2中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，以 下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述，但是本發(fā)明不僅限于以下實(shí)施例。如圖1所示，其為本發(fā)明提供的一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料 濃度控制方法的原理示意圖。包括電堆(1)，在電堆(1)上設(shè)置有溫度傳感器(2)，一燃料混合器(9)進(jìn)料口分別與燃料補(bǔ)充控制部件(10)的出料口和電堆陽(yáng)極出 口管路相連，燃料混合器(9)出料口通過(guò)燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽(yáng)極入口相連，在燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽(yáng)極入口相連的管路上設(shè)有燃料濃度傳感器(6)，燃料 濃度傳感器(6)和溫度傳感器(2)與控制電路(8)輸入端信號(hào)連接，控制電路(8)的輸出 端與燃料補(bǔ)充控制部件(10)電性連接；在電堆陽(yáng)極與燃料混合器(9)連接管路上設(shè)置有二氧化碳分離器(11)，電堆陰極入口通過(guò)管路與空氣泵(12)的輸出端相連，在電堆陰極出口處依次設(shè) 置有冷凝器(4)和水分離器(5)，水分離器(5)的水出口與燃料混合器(9)相連通。在冷凝 器⑷的外側(cè)設(shè)置有風(fēng)扇⑶。如圖2所示，其為本發(fā)明提供的一種以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度 控制電路示意圖。該電路以單片機(jī)為核心，其中，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量電堆溫 度，溫度傳感器信號(hào)直接輸入到控制電路內(nèi)部的單片機(jī)。燃料濃度傳感器輸出的信號(hào)大多是模擬量，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后輸入到控制電路內(nèi)部的單片機(jī)，如AT89C51 ；也可以直接 輸入到本身具有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，如ATmega8、ATmega16。單片機(jī)輸出的控制信號(hào)通 過(guò)三極管、繼電器等元件控制由高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補(bǔ)充控 制部件的開(kāi)啟和關(guān)閉，從而控制燃料混合罐中的燃料濃度及電堆陽(yáng)極入口處燃料的進(jìn)料濃度。圖3為本發(fā)明的一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法 中燃料補(bǔ)充控制部件的動(dòng)作情況和高濃度燃料或者純?nèi)剂涎a(bǔ)充的實(shí)際過(guò)程示意圖。在系統(tǒng) 啟動(dòng)階段，當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的燃料進(jìn)料濃度C小于設(shè)定值CSl時(shí)，控制電路向高濃度燃料罐 (純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補(bǔ)充控制部件輸出脈沖信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件相應(yīng) 的先開(kāi)啟后關(guān)閉。燃料補(bǔ)充控制部件開(kāi)啟時(shí)，高濃度燃料(純?nèi)剂?添加到燃料混合器中； 燃料補(bǔ)充控制部件關(guān)閉時(shí)，停止向燃料混合罐添加高濃度燃料(純?nèi)剂?，此時(shí)，已經(jīng)添加 的高濃度燃料(純?nèi)剂?在燃料循環(huán)泵的作用下與燃料混合器中原有燃料進(jìn)行充分混合。 采用這種方式向燃料混合器中補(bǔ)充高濃度燃料或者純?nèi)剂希粌H有利于燃料在短時(shí)間內(nèi)混 合均勻，同時(shí)也可以避免由于濃度檢測(cè)信號(hào)的滯后造成的燃料補(bǔ)充過(guò)量，從而進(jìn)一步使電 堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度更接近設(shè)定值，提高了系統(tǒng)中燃料進(jìn)料濃度的控制精度，改善了 濃度控制效果，更有利于以液體進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。圖4為實(shí)施例1中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測(cè)試結(jié)果。實(shí)施例1 提供一個(gè)輸出功率為25W的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。其中，燃料補(bǔ)充控 制部件采用一個(gè)流量為7mL/min的液泵和一個(gè)電磁閥。燃料補(bǔ)充機(jī)構(gòu)提供的是純甲醇液 體。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電堆溫度的設(shè)定值TS為62°C，當(dāng)電堆溫度T>62°C時(shí)，陽(yáng)極入口處甲 醇溶液濃度設(shè)定值CSl為1. 8mol/L,當(dāng)陽(yáng)極甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度C < 1. 8mol/L時(shí)，控制電路 輸出脈沖信號(hào)。每個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間長(zhǎng)度為8s，其中燃料補(bǔ)充控制部件先啟動(dòng)2s而后關(guān)閉 6s，在燃料補(bǔ)充控制部件執(zhí)行完一次燃料補(bǔ)充命令后，如果甲醇進(jìn)料濃度仍未達(dá)到1. Smol/ L，再次執(zhí)行這樣的命令。每執(zhí)行完一次命令，控制電路都會(huì)根據(jù)甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度進(jìn)行判 斷，決定是否繼續(xù)補(bǔ)充燃料，直到甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度達(dá)到1.8mol/L為止。如果在電堆溫度 未超過(guò)62°C時(shí)，甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度再次低于1. 8mol/L，重復(fù)進(jìn)行上述動(dòng)作。當(dāng)電堆溫度T > 62°C時(shí)，陽(yáng)極入口處甲醇溶液濃度設(shè)定值CSl為1. Omol/L,當(dāng)陽(yáng)極甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度C < 1. Omol/L時(shí)，控制電路輸出脈沖信號(hào)。每個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間長(zhǎng)度仍為8s，其中燃料補(bǔ)充 控制部件先啟動(dòng)2s而后關(guān)閉6s，添加完成后如果甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度仍低于1. Omol/L，則燃 料補(bǔ)充控制部件繼續(xù)重復(fù)之前的補(bǔ)充動(dòng)作，反之則停止補(bǔ)充純甲醇。在上述實(shí)施例中，從系 統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始到系統(tǒng)達(dá)到正常工作溫度的時(shí)間大約為17min。圖5為實(shí)施例2中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測(cè)試結(jié)果。實(shí)施例2 提供一個(gè)輸出功率為25W的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。其中，燃料補(bǔ)充 控制部件采用一個(gè)流量為lOmL/min的液泵。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)溫度的設(shè)定值TSl為60°C， 當(dāng)電堆溫度T ≤60°C時(shí)，甲醇進(jìn)料濃度設(shè)定值CSl為1. 0mol/L,當(dāng)陽(yáng)極甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度 低于1. Omol/L時(shí)，控制電路輸出脈沖信號(hào)。每個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間長(zhǎng)度為12s，其中燃料補(bǔ) 充控制部件先啟動(dòng)2s而后關(guān)閉10s。純甲醇添加完成后，如果甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度仍未達(dá)到1. Omol/L，則燃料補(bǔ)充控制部件繼續(xù)重復(fù)之前的補(bǔ)充動(dòng)作，反之則停止為電堆系統(tǒng)補(bǔ)充純 甲醇。當(dāng)電堆溫度T > 60°C時(shí)，甲醇進(jìn)料濃度設(shè)定值CS2為0. 7mol/L,當(dāng)甲醇實(shí)際進(jìn)料濃 度低于0. 7mol/L時(shí)，控制電路控制燃料補(bǔ)充控制部件先啟動(dòng)2s而后關(guān)閉10s，純甲醇補(bǔ)充 完成后，如果甲醇實(shí)際進(jìn)料濃度仍低于0. 7mol/L，則燃料補(bǔ)充控制部件繼續(xù)重復(fù)之前的添 加動(dòng)作，反之則停止為電堆系統(tǒng)補(bǔ)充純甲醇燃料。在上述實(shí)施例中，從系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始到系統(tǒng) 達(dá)到正常工作溫度的時(shí)間大約為17min。
權(quán)利要求
一種用于以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括電堆(1)和燃料混合器(9)，在電堆(1)上設(shè)置有溫度傳感器(2)；其特征在于一燃料混合器(9)進(jìn)料口分別與燃料補(bǔ)充控制部件(10)的出料口和電堆陽(yáng)極出口管路相連，燃料混合器(9)出料口通過(guò)燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽(yáng)極入口相連；在燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽(yáng)極入口相連的管路上設(shè)有燃料濃度傳感器(6)，燃料補(bǔ)充控制部件(10)設(shè)置于高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎薜某隹诠苈飞希蝗剂蠞舛葌鞲衅?6)和溫度傳感器(2)的輸出信號(hào)接至控制電路(8)的輸入端，控制電路(8)的輸出端與燃料補(bǔ)充控制部件(10)電連接；利用溫度傳感器和濃度傳感器，通過(guò)控制電路輸出的脈沖信號(hào)控制高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎尥ㄏ蛉剂匣旌掀鞯娜剂涎a(bǔ)充控制部件的動(dòng)作，從而控制以液體燃料進(jìn)料的燃料電池系統(tǒng)中電堆陽(yáng)極入口處的燃料進(jìn)料濃度。
2.按照權(quán)利要求1所述的燃料濃度控制方法，其特征在于設(shè)定系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電堆溫度設(shè)定值TS，其中，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，控制電堆陽(yáng)極入口 處的燃料濃度為設(shè)定值CS1，主動(dòng)利用滲透的燃料在電堆陰極反應(yīng)放出的熱量，使電堆溫度 快速升高到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的溫度；在系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，即電堆溫度達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) 的設(shè)定值TS時(shí)，控制電堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度為設(shè)定值CS2 ；該方法的具體控制過(guò)程如 下實(shí)時(shí)檢測(cè)電堆溫度和燃料進(jìn)料濃度，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，當(dāng)電堆溫度T < TS時(shí)，控制電路(8)將濃度控制在CS1，即當(dāng)燃料濃度低于濃度設(shè)定值CSl時(shí)，由控制電路(8)輸出脈沖式 信號(hào)，高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎尥ㄏ蛉剂匣旌掀鞯娜剂涎a(bǔ)充控制部件(10)在一個(gè)脈沖周 期內(nèi)先開(kāi)啟后關(guān)閉，高濃度燃料或純?nèi)剂现芷谛蚤g歇式的補(bǔ)充到燃料混合器(9)中；當(dāng)燃 料濃度高于濃度設(shè)定值CSl時(shí)，控制電路⑶停止輸出信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部件(10)關(guān)閉， 無(wú)高濃度燃料或純?nèi)剂涎a(bǔ)充到燃料混合器(9)中；實(shí)時(shí)檢測(cè)電堆溫度和燃料進(jìn)料濃度，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段完成后，當(dāng)電堆溫度T > TS時(shí)， 控制電路(8)將濃度控制在CS2，即當(dāng)燃料濃度低于濃度設(shè)定值CS2時(shí)，由控制電路(8)輸 出脈沖式信號(hào)，由高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎尥ㄏ蛉剂匣旌掀?9)的燃料補(bǔ)充控制部件(10) 在一個(gè)脈沖周期內(nèi)先開(kāi)啟后關(guān)閉，高濃度燃料或純?nèi)剂现芷谛蚤g歇式的補(bǔ)充到燃料混合器(9)中；當(dāng)燃料濃度高于濃度設(shè)定值CS2時(shí)，控制電路(8)停止輸出信號(hào)，燃料補(bǔ)充控制部 件(10)關(guān)閉，無(wú)高濃度燃料(純?nèi)剂?補(bǔ)充到燃料混合器(9)中；兩個(gè)濃度設(shè)定值的關(guān)系 是 CSl > CS2。
3.按照權(quán)利要求2所述的燃料濃度控制方法，其特征在于電堆溫度為 TS < 70°C時(shí)，為所述的系統(tǒng)啟動(dòng)階段，電堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度設(shè)定值為CS1，且lmol/L < CSl ≤ 2mol/L ；所述的系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，電堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度設(shè)定值為 CS2,且 0. 5mol/L ≤ CS2 ≤lmol/L。
4.按照權(quán)利要求3所述的燃料濃度控制方法，其特征在于所述由控制電路(8)輸出 的脈沖式信號(hào)，至少包括一個(gè)周期的動(dòng)作。
5.按照權(quán)利要求1所述的燃料濃度控制方法，其特征在于所述燃料補(bǔ)充控制部件(10)為電磁閥、液泵或者由上述兩種部件共同組成。
6.按照權(quán)利要求1所述的燃料濃度控制方法，其特征在于所述燃料為甲醇、乙醇、甲 酸或乙二醇、或者上述燃料中的兩種或兩種以上的混合燃料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于以液體為燃料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，同時(shí)利用溫度和濃度傳感器，通過(guò)控制電路輸出的脈沖信號(hào)控制燃料補(bǔ)充控制部件的動(dòng)作，從而控制系統(tǒng)中電堆陽(yáng)極入口處的燃料進(jìn)料濃度。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段，控制電堆陽(yáng)極入口處的燃料濃度設(shè)定值分別為CS1和CS2，且CS1＞CS2。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高濃度燃料(純?nèi)剂?進(jìn)料，減小了系統(tǒng)的體積，縮短了系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。此外，控制電路采用脈沖信號(hào)控制燃料補(bǔ)充控制部件周期性間歇式的動(dòng)作，解決了濃度傳感器響應(yīng)信號(hào)滯后以及高濃度燃料在系統(tǒng)內(nèi)稀釋不均勻的問(wèn)題。本發(fā)明所述方法具有易于實(shí)現(xiàn)、精確度高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101997126SQ20091001329
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者孫公權(quán), 孫海, 秦兵, 趙鋼, 陳利康 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所