專(zhuān)利名稱(chēng)：一種直接液體燃料電池系統(tǒng)燃料進(jìn)料方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直接液體燃料電池系統(tǒng)燃料進(jìn)料方法，該方法通過(guò)減少系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部 件的使用，降低了系統(tǒng)的能耗，同時(shí)系統(tǒng)中節(jié)流閥的制造與使用方便靈活，更易于系統(tǒng)的集 成及系統(tǒng)可靠性的提高。另一方面，該方法通過(guò)降低氣液分離器中燃料的濃度，減少了燃料 的損失，提高了系統(tǒng)的燃料利用率。
背景技術(shù)：
直接液體燃料電池是將燃料(甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙酸)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。由于這類(lèi)燃料的比能量密度高，燃料電池系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，該類(lèi)電池在便攜式移動(dòng)電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在直接液體燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，為提高系統(tǒng)的能量密度，往往采用高濃度 燃料甚至是純?nèi)剂线M(jìn)料，但是為降低燃料滲透對(duì)電池性能和穩(wěn)定性的影響，在燃料進(jìn)電堆 前需要對(duì)高濃度燃料或者是純?nèi)剂线M(jìn)行稀釋。同時(shí)，需要對(duì)陽(yáng)極排出物進(jìn)行氣液分離，以排 除二氧化碳，回收未反應(yīng)的燃料和水。所以系統(tǒng)中常將補(bǔ)充的高濃度燃料或者是純?nèi)剂吓c 回收的燃料與水混合液在氣液分離器中進(jìn)行混合，并調(diào)節(jié)至系統(tǒng)所需的濃度，再作為反應(yīng) 燃料進(jìn)入電堆陽(yáng)極。而將高濃度燃料或者是純?nèi)剂涎a(bǔ)充到電堆陽(yáng)極循環(huán)系統(tǒng)中的方法通常 是通過(guò)運(yùn)動(dòng)部件液體泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但液體泵的采用通常會(huì)增大系統(tǒng)的能耗，降低系統(tǒng)的能 量密度和系統(tǒng)的可靠性。目前關(guān)于燃料進(jìn)料的方法對(duì)直接液體燃料電池系統(tǒng)燃料利用率及系統(tǒng)能量密度 影響的文獻(xiàn)和公開(kāi)專(zhuān)利仍然很少。美國(guó)專(zhuān)利20080063912公開(kāi)了一種直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其中純甲醇通過(guò)液體 泵直接補(bǔ)充到燃料混合腔中，與回收的醇水混合液混合至系統(tǒng)所需的濃度后再作為反應(yīng)物 進(jìn)入燃料電池電堆陽(yáng)極進(jìn)行反應(yīng)。美國(guó)專(zhuān)利20060081130公開(kāi)了一種直接甲醇用氣液分離器，該氣液分離器陰極水 回收和陽(yáng)極氣體分離集成為一體，提高了部件的集成度。其中純甲醇直接泵入液體室調(diào)節(jié) 至系統(tǒng)所需的濃度，再給電堆進(jìn)料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種直接液體(甲醇、乙醇、乙二醇等)燃 料電池系統(tǒng)的燃料進(jìn)料方法。本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案包括以下內(nèi)容一種直接液體燃料電池系統(tǒng)燃料進(jìn)料方法，所述直接液體燃料電池系統(tǒng)包括直接 液體燃料電池電堆、換熱器、氣液分離器、燃料罐，其中電堆陰極出口的氣液混合物經(jīng)換熱 器后進(jìn)入氣液分離器，電堆陽(yáng)極出口的氣液混合物通過(guò)管路直接進(jìn)入氣液分離器，氣液分 離器物料出口與電堆的陽(yáng)極入口通過(guò)管路連接，在它們的連接管路上依次設(shè)置有節(jié)流閥和 液體泵，在節(jié)流閥與液體泵之間設(shè)置有支路，支路經(jīng)由電磁閥與燃料罐管路連接，燃料罐中的燃料通過(guò)經(jīng)由氣液分離器物料出口與電堆的陽(yáng)極入口間的連接管路進(jìn)入電堆的陽(yáng)極，且 在電堆的陽(yáng)極入口處設(shè)置有濃度傳感器；濃度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)由一控制器處理后，由 控制器通過(guò)導(dǎo)線與電磁閥電連接。所述控制器由單片機(jī)、電阻、三極管和繼電器組成；燃料濃度傳感器與單片機(jī)信號(hào) 連接，單片機(jī)接收所述燃料濃度傳感器的輸出信號(hào)，并與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定的燃料濃度值進(jìn) 行邏輯比較判斷，單片機(jī)的輸出信號(hào)通過(guò)電阻連接到三極管的基極，三極管的發(fā)射極接地， 三極管的集電極與繼電器控制端線路連接，三極管控制繼電器主回路的通斷，電磁閥或具 有截止功能的微型泵接于繼電器的主回路上，繼電器再控制電磁閥或具有截止功能的微型 泵的開(kāi)啟或關(guān)閉?；?，所述控制器由單片機(jī)、場(chǎng)所效應(yīng)管和繼電器組成；燃料濃度傳感器與單片機(jī)信 號(hào)連接，單片機(jī)接收所述燃料濃度傳感器的輸出信號(hào)，并與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定的燃料濃度值 進(jìn)行邏輯比較判斷，單片機(jī)的輸出信號(hào)連接到場(chǎng)所效應(yīng)管的柵極，場(chǎng)所效應(yīng)管的源極或漏 極接地，場(chǎng)所效應(yīng)管的漏極或源極與繼電器控制端線路連接，場(chǎng)所效應(yīng)管控制繼電器主回 路的通斷，電磁閥或具有截止功能的微型泵接于繼電器的主回路上，繼電器再控制電磁閥 或具有截止功能的微型泵的開(kāi)啟或關(guān)閉。所述燃料是指甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙 酸中的一種或一種以上的混合溶液。所述燃料罐中的燃料的摩爾濃度高于氣液分離器中的燃料的摩爾濃度；直接液體 燃料電池系統(tǒng)電堆陽(yáng)極的燃料進(jìn)料濃度由位于進(jìn)料管路上的濃度傳感器監(jiān)測(cè)和控制。所述節(jié)流閥為耐燃料腐蝕的材料制成，如聚醚酰亞胺(PEI)、聚四氟乙烯(PTFE) 或聚偏氟乙烯(PVDF)等。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所述的直接液體燃料電池系統(tǒng)燃料進(jìn)料方法，其減少了系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件 (通常為液體泵)的使用，降低了系統(tǒng)的能耗，同時(shí)因節(jié)流閥的制造與使用方便靈活，更易 于系統(tǒng)的集成及系統(tǒng)可靠性的提高。另一方面，該方法將高濃度燃料或者是純?nèi)剂现苯友a(bǔ) 充到連接氣液分離器物料出口和電堆陽(yáng)極入口的連接管路上，降低了系統(tǒng)中燃料的揮發(fā)損 失量，提高了系統(tǒng)的燃料利用率。


圖1、本發(fā)明所述DMFC系統(tǒng)純甲醇進(jìn)料方法流程示意圖。其中，1為空氣泵；2為直接甲醇燃料電池電堆；201為陰極；202為陽(yáng)極；3為風(fēng)扇； 4為換熱器；5為氣液分離器；6為液泵；7為電磁閥；8為節(jié)流閥；9為純甲醇罐；10控制器； 11為濃度傳感器。圖2、圖1中所述控制器的控制電路原理圖。其中，11為濃度傳感器；12為單片機(jī)；13為電阻；14為繼電器；15為三極管；7為
電磁閥。圖3、圖1中控制器控制電磁閥及燃料進(jìn)料泵動(dòng)作的控制邏輯圖。圖4、圖1中所述DMFC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)甲醇濃度傳感器檢測(cè)到的甲醇濃度隨時(shí)間 的變化。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例圖1為本發(fā)明所述DMFC系統(tǒng)純甲醇進(jìn)料方法流程示意圖。所示DMFC系統(tǒng)包括直 接甲醇燃料電池電堆2，空氣泵1，風(fēng)扇3，換熱器4，氣液分離器5，液泵6，純甲醇罐9，節(jié)流 閥8，電磁閥7，控制器10及甲醇濃度傳感器11。上述DMFC系統(tǒng)工作過(guò)程中，其環(huán)境溫度為室溫(25°C )，其對(duì)外輸出功率恒定為 50W,工作時(shí)空氣泵1將外界空氣輸送到直接甲醇燃料電池電堆2的陰極201中，陰極201 出口的氣液混合物經(jīng)過(guò)換熱器4冷凝后進(jìn)入氣液分離器5，為提高系統(tǒng)的換熱效率，換熱器 4上方設(shè)有風(fēng)扇3 ；直接甲醇燃料電池電堆2陽(yáng)極202出口的氣液混合物通過(guò)管路直接進(jìn)入 氣液分離器5 ；氣液分離器5的物料出口經(jīng)由節(jié)流閥8和液泵6與直接甲醇燃料電池電堆2 的陽(yáng)極202通過(guò)管路連接，在上述連接管路上設(shè)置有一支路，支路經(jīng)由電磁閥7與純甲醇罐 9通過(guò)管路連接，使得純甲醇罐9中的純甲醇在節(jié)流閥8的負(fù)壓作用下進(jìn)入該支路，并在電 磁閥7開(kāi)啟時(shí)進(jìn)入氣液分離器5物料出口與電堆2的陽(yáng)極202入口間的連接管路中，從而 實(shí)現(xiàn)純甲醇與氣液分離器物料出口燃料混合液的混合。同時(shí)，在上述DMFC系統(tǒng)中，直接甲 醇燃料電池電堆2的陽(yáng)極202入口處設(shè)置有(甲醇)濃度傳感器11，該傳感器的輸出信號(hào) 經(jīng)控制器10處理后，通過(guò)控制器10與電磁閥7通過(guò)導(dǎo)線連接，從而實(shí)現(xiàn)該直接甲醇燃料電 池電堆2的甲醇進(jìn)料濃度為0. 3M。圖2為上述控制器的控制電路原理圖。(甲醇)濃度傳感器11的輸出信號(hào)輸入到 單片機(jī)12，并由單片機(jī)12的內(nèi)部邏輯進(jìn)行判斷，其輸出信號(hào)通過(guò)電阻13連接到三極管15 的基極，三極管15控制繼電器14的通斷，繼電器14再控制電磁閥7的開(kāi)啟或關(guān)閉。圖3為上述控制器控制電磁閥及燃料進(jìn)料泵動(dòng)作的控制邏輯圖。首先，單片機(jī)12 查詢(xún)(甲醇)濃度傳感器11，當(dāng)甲醇傳感器檢測(cè)到的甲醇濃度不小于ο. 3M時(shí)，單片機(jī)繼續(xù) 查詢(xún)(甲醇)濃度傳感器11，當(dāng)甲醇濃度傳感器檢測(cè)到的甲醇濃度小于0. 3M時(shí)，單片機(jī)12 輸出控制信號(hào)，電磁閥7開(kāi)啟。然后單片機(jī)12查詢(xún)(甲醇)濃度傳感器11，當(dāng)甲醇濃度傳 感器檢測(cè)到的甲醇濃度仍小于0. 3M時(shí)，單片機(jī)繼續(xù)查詢(xún)(甲醇)濃度傳感器11，當(dāng)甲醇濃 度傳感器檢測(cè)到的甲醇濃度大于等于0. 3M時(shí)，單片機(jī)12輸出控制信號(hào)，電磁閥7關(guān)閉。圖4為圖1中所述DMFC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)甲醇濃度傳感器檢測(cè)到的甲醇濃度隨時(shí) 間的變化。DMFC系統(tǒng)運(yùn)行條件工作溫度65°C，甲醇濃度設(shè)定值為0. 3M，對(duì)外輸出功率 50W ；可以看出，本發(fā)明所述DMFC系統(tǒng)的甲醇進(jìn)料方式，實(shí)現(xiàn)了甲醇進(jìn)料濃度在一定范 圍內(nèi)波動(dòng)，從而確保了該系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種直接液體燃料電池系統(tǒng)燃料進(jìn)料方法，所述直接液體燃料電池系統(tǒng)包括直接液 體燃料電池電堆、換熱器、氣液分離器、燃料罐，其特征在于電堆陰極出口的氣液混合物經(jīng)換熱器后進(jìn)入氣液分離器，電堆陽(yáng)極出口的氣液混合 物通過(guò)管路直接進(jìn)入氣液分離器，氣液分離器物料出口與電堆的陽(yáng)極入口通過(guò)管路連接， 在它們的連接管路上依次設(shè)置有節(jié)流閥和液體泵，在節(jié)流閥上、或節(jié)流閥與液體泵之間設(shè) 置有支路，支路經(jīng)由電磁閥與燃料罐管路連接，燃料罐中的燃料通過(guò)經(jīng)由氣液分離器物料 出口與電堆陽(yáng)極入口間的連接管路進(jìn)入電堆陽(yáng)極，且在電堆的陽(yáng)極入口處設(shè)置有濃度傳感 器；濃度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)由一控制器處理后，由控制器通過(guò)導(dǎo)線與電磁閥電連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的進(jìn)料方法，其特征在于所述控制器由單片機(jī)、電阻、三極管 和繼電器組成；燃料濃度傳感器與單片機(jī)信號(hào)連接，單片機(jī)接收所述燃料濃度傳感器的輸出信號(hào)，并 與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定的燃料濃度值進(jìn)行邏輯比較判斷，單斤機(jī)的輸出信號(hào)通過(guò)電阻連接到三 極管的基極，三極管的發(fā)射極接地，三極管的集電極與繼電器控制端線路連接，三極管控制 繼電器主回路的通斷，電磁閥接于繼電器的主回路上，繼電器再控制電磁閥的開(kāi)啟或關(guān)閉。
3.按照權(quán)利要求1所述的進(jìn)料方法，其特征在于所述控制器由單片機(jī)、場(chǎng)所效應(yīng)管和 繼電器組成；燃料濃度傳感器與單片機(jī)信號(hào)連接，單片機(jī)接收所述燃料濃度傳感器的輸出信號(hào)，并 與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定的燃料濃度值進(jìn)行邏輯比較判斷，單片機(jī)的輸出信號(hào)連接到場(chǎng)所效應(yīng)管 的柵極，場(chǎng)所效應(yīng)管的源極或漏極接地，場(chǎng)所效應(yīng)管的漏極或源極與繼電器控制端線路連 接，場(chǎng)所效應(yīng)管控制繼電器主回路的通斷，電磁閥接于繼電器的主回路上，繼電器再控制電 磁閥的開(kāi)啟或關(guān)閉。
4.按照權(quán)利要求1所述的進(jìn)料方法，其特征在于所述燃料是指甲醇、乙醇、乙二醇、丙 醇、甲酸、乙酸中的一種或一種以上的混合溶液。
5.按照權(quán)利要求1或4所述的進(jìn)料方法，其特征在于所述燃料罐中的燃料的摩爾濃 度高于氣液分離器中的燃料的摩爾濃度；直接液體燃料電池系統(tǒng)電堆陽(yáng)極的燃料進(jìn)料濃度 由位于進(jìn)料管路上的濃度傳感器監(jiān)測(cè)和控制。
6.按照權(quán)利要求1所述的進(jìn)料方法，其特征在于所述節(jié)流閥為耐燃料腐蝕的材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及直接液體燃料電池系統(tǒng)的燃料進(jìn)料方法，直接液體燃料電池系統(tǒng)包括電池電堆、換熱器、氣液分離器、燃料罐，電堆陰極出口的氣液混合物經(jīng)換熱器后進(jìn)入氣液分離器，電堆陽(yáng)極出口的氣液混合物直接進(jìn)入氣液分離器，氣液分離器物料出口與電堆陽(yáng)極入口的連接管路上依次設(shè)有節(jié)流閥和液體泵，二者之間設(shè)有支路，支路經(jīng)由電磁閥與燃料罐管路連接，燃料罐中的燃料經(jīng)由氣液分離器物料出口與電堆的陽(yáng)極入口間的連接管路進(jìn)入電堆陽(yáng)極，且在其入口設(shè)有濃度傳感器；其輸出信號(hào)經(jīng)由一控制器處理后，由控制器通過(guò)導(dǎo)線與電磁閥電連接。本發(fā)明所述燃料進(jìn)料方法，其減少了系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件的使用，降低了系統(tǒng)的能耗，同時(shí)節(jié)流閥的制造與使用方便靈活，更易于系統(tǒng)的集成及系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。
文檔編號(hào)H01M8/22GK102104161SQ20091024845
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16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