专利名称：一种直接液体燃料电池系统燃料进料方法
技术领域：
本发明涉及直接液体燃料电池系统燃料进料方法，该方法通过减少系统中运动部 件的使用，降低了系统的能耗，同时系统中节流阀的制造与使用方便灵活，更易于系统的集 成及系统可靠性的提高。另一方面，该方法通过降低气液分离器中燃料的浓度，减少了燃料 的损失，提高了系统的燃料利用率。
背景技术：
直接液体燃料电池是将燃料(甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙酸)中的化学能 直接转化为电能的一种电化学反应装置。由于这类燃料的比能量密度高，燃料电池系统结 构简单等优点，该类电池在便携式移动电源领域具有广阔的应用前景。在直接液体燃料电池系统运行过程中，为提高系统的能量密度，往往采用高浓度 燃料甚至是纯燃料进料，但是为降低燃料渗透对电池性能和稳定性的影响，在燃料进电堆 前需要对高浓度燃料或者是纯燃料进行稀释。同时，需要对阳极排出物进行气液分离，以排 除二氧化碳，回收未反应的燃料和水。所以系统中常将补充的高浓度燃料或者是纯燃料与 回收的燃料与水混合液在气液分离器中进行混合，并调节至系统所需的浓度，再作为反应 燃料进入电堆阳极。而将高浓度燃料或者是纯燃料补充到电堆阳极循环系统中的方法通常 是通过运动部件液体泵来实现的，但液体泵的采用通常会增大系统的能耗，降低系统的能 量密度和系统的可靠性。目前关于燃料进料的方法对直接液体燃料电池系统燃料利用率及系统能量密度 影响的文献和公开专利仍然很少。美国专利20080063912公开了一种直接甲醇燃料电池系统，其中纯甲醇通过液体 泵直接补充到燃料混合腔中，与回收的醇水混合液混合至系统所需的浓度后再作为反应物 进入燃料电池电堆阳极进行反应。美国专利20060081130公开了一种直接甲醇用气液分离器，该气液分离器阴极水 回收和阳极气体分离集成为一体，提高了部件的集成度。其中纯甲醇直接泵入液体室调节 至系统所需的浓度，再给电堆进料。
发明内容
本发明针对以上现有技术的不足，提供一种直接液体(甲醇、乙醇、乙二醇等)燃 料电池系统的燃料进料方法。本发明采用的具体技术方案包括以下内容一种直接液体燃料电池系统燃料进料方法，所述直接液体燃料电池系统包括直接 液体燃料电池电堆、换热器、气液分离器、燃料罐，其中电堆阴极出口的气液混合物经换热 器后进入气液分离器，电堆阳极出口的气液混合物通过管路直接进入气液分离器，气液分 离器物料出口与电堆的阳极入口通过管路连接，在它们的连接管路上依次设置有节流阀和 液体泵，在节流阀与液体泵之间设置有支路，支路经由电磁阀与燃料罐管路连接，燃料罐中的燃料通过经由气液分离器物料出口与电堆的阳极入口间的连接管路进入电堆的阳极，且 在电堆的阳极入口处设置有浓度传感器；浓度传感器的输出信号经由一控制器处理后，由 控制器通过导线与电磁阀电连接。所述控制器由单片机、电阻、三极管和继电器组成；燃料浓度传感器与单片机信号 连接，单片机接收所述燃料浓度传感器的输出信号，并与单片机内部设定的燃料浓度值进 行逻辑比较判断，单片机的输出信号通过电阻连接到三极管的基极，三极管的发射极接地， 三极管的集电极与继电器控制端线路连接，三极管控制继电器主回路的通断，电磁阀或具 有截止功能的微型泵接于继电器的主回路上，继电器再控制电磁阀或具有截止功能的微型 泵的开启或关闭。或，所述控制器由单片机、场所效应管和继电器组成；燃料浓度传感器与单片机信 号连接，单片机接收所述燃料浓度传感器的输出信号，并与单片机内部设定的燃料浓度值 进行逻辑比较判断，单片机的输出信号连接到场所效应管的栅极，场所效应管的源极或漏 极接地，场所效应管的漏极或源极与继电器控制端线路连接，场所效应管控制继电器主回 路的通断，电磁阀或具有截止功能的微型泵接于继电器的主回路上，继电器再控制电磁阀 或具有截止功能的微型泵的开启或关闭。所述燃料是指甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙 酸中的一种或一种以上的混合溶液。所述燃料罐中的燃料的摩尔浓度高于气液分离器中的燃料的摩尔浓度；直接液体 燃料电池系统电堆阳极的燃料进料浓度由位于进料管路上的浓度传感器监测和控制。所述节流阀为耐燃料腐蚀的材料制成，如聚醚酰亚胺(PEI)、聚四氟乙烯(PTFE) 或聚偏氟乙烯(PVDF)等。本发明具有以下优点本发明所述的直接液体燃料电池系统燃料进料方法，其减少了系统中运动部件 (通常为液体泵)的使用，降低了系统的能耗，同时因节流阀的制造与使用方便灵活，更易 于系统的集成及系统可靠性的提高。另一方面，该方法将高浓度燃料或者是纯燃料直接补 充到连接气液分离器物料出口和电堆阳极入口的连接管路上，降低了系统中燃料的挥发损 失量，提高了系统的燃料利用率。
图1、本发明所述DMFC系统纯甲醇进料方法流程示意图。其中，1为空气泵；2为直接甲醇燃料电池电堆；201为阴极；202为阳极；3为风扇； 4为换热器；5为气液分离器；6为液泵；7为电磁阀；8为节流阀；9为纯甲醇罐；10控制器； 11为浓度传感器。图2、图1中所述控制器的控制电路原理图。其中，11为浓度传感器；12为单片机；13为电阻；14为继电器；15为三极管；7为
电磁阀。图3、图1中控制器控制电磁阀及燃料进料泵动作的控制逻辑图。图4、图1中所述DMFC系统稳定运行时甲醇浓度传感器检测到的甲醇浓度随时间 的变化。
具体实施例方式实施例图1为本发明所述DMFC系统纯甲醇进料方法流程示意图。所示DMFC系统包括直 接甲醇燃料电池电堆2，空气泵1，风扇3，换热器4，气液分离器5，液泵6，纯甲醇罐9，节流 阀8，电磁阀7，控制器10及甲醇浓度传感器11。上述DMFC系统工作过程中，其环境温度为室温(25°C )，其对外输出功率恒定为 50W,工作时空气泵1将外界空气输送到直接甲醇燃料电池电堆2的阴极201中，阴极201 出口的气液混合物经过换热器4冷凝后进入气液分离器5，为提高系统的换热效率，换热器 4上方设有风扇3 ；直接甲醇燃料电池电堆2阳极202出口的气液混合物通过管路直接进入 气液分离器5 ；气液分离器5的物料出口经由节流阀8和液泵6与直接甲醇燃料电池电堆2 的阳极202通过管路连接，在上述连接管路上设置有一支路，支路经由电磁阀7与纯甲醇罐 9通过管路连接，使得纯甲醇罐9中的纯甲醇在节流阀8的负压作用下进入该支路，并在电 磁阀7开启时进入气液分离器5物料出口与电堆2的阳极202入口间的连接管路中，从而 实现纯甲醇与气液分离器物料出口燃料混合液的混合。同时，在上述DMFC系统中，直接甲 醇燃料电池电堆2的阳极202入口处设置有(甲醇)浓度传感器11，该传感器的输出信号 经控制器10处理后，通过控制器10与电磁阀7通过导线连接，从而实现该直接甲醇燃料电 池电堆2的甲醇进料浓度为0. 3M。图2为上述控制器的控制电路原理图。(甲醇)浓度传感器11的输出信号输入到 单片机12，并由单片机12的内部逻辑进行判断，其输出信号通过电阻13连接到三极管15 的基极，三极管15控制继电器14的通断，继电器14再控制电磁阀7的开启或关闭。图3为上述控制器控制电磁阀及燃料进料泵动作的控制逻辑图。首先，单片机12 查询(甲醇)浓度传感器11，当甲醇传感器检测到的甲醇浓度不小于ο. 3M时，单片机继续 查询(甲醇)浓度传感器11，当甲醇浓度传感器检测到的甲醇浓度小于0. 3M时，单片机12 输出控制信号，电磁阀7开启。然后单片机12查询(甲醇)浓度传感器11，当甲醇浓度传 感器检测到的甲醇浓度仍小于0. 3M时，单片机继续查询(甲醇)浓度传感器11，当甲醇浓 度传感器检测到的甲醇浓度大于等于0. 3M时，单片机12输出控制信号，电磁阀7关闭。图4为图1中所述DMFC系统稳定运行时甲醇浓度传感器检测到的甲醇浓度随时 间的变化。DMFC系统运行条件工作温度65°C，甲醇浓度设定值为0. 3M，对外输出功率 50W ；可以看出，本发明所述DMFC系统的甲醇进料方式，实现了甲醇进料浓度在一定范 围内波动，从而确保了该系统在一定时间内的稳定运行。
权利要求
1.一种直接液体燃料电池系统燃料进料方法，所述直接液体燃料电池系统包括直接液 体燃料电池电堆、换热器、气液分离器、燃料罐，其特征在于电堆阴极出口的气液混合物经换热器后进入气液分离器，电堆阳极出口的气液混合 物通过管路直接进入气液分离器，气液分离器物料出口与电堆的阳极入口通过管路连接， 在它们的连接管路上依次设置有节流阀和液体泵，在节流阀上、或节流阀与液体泵之间设 置有支路，支路经由电磁阀与燃料罐管路连接，燃料罐中的燃料通过经由气液分离器物料 出口与电堆阳极入口间的连接管路进入电堆阳极，且在电堆的阳极入口处设置有浓度传感 器；浓度传感器的输出信号经由一控制器处理后，由控制器通过导线与电磁阀电连接。
2.按照权利要求1所述的进料方法，其特征在于所述控制器由单片机、电阻、三极管 和继电器组成；燃料浓度传感器与单片机信号连接，单片机接收所述燃料浓度传感器的输出信号，并 与单片机内部设定的燃料浓度值进行逻辑比较判断，单斤机的输出信号通过电阻连接到三 极管的基极，三极管的发射极接地，三极管的集电极与继电器控制端线路连接，三极管控制 继电器主回路的通断，电磁阀接于继电器的主回路上，继电器再控制电磁阀的开启或关闭。
3.按照权利要求1所述的进料方法，其特征在于所述控制器由单片机、场所效应管和 继电器组成；燃料浓度传感器与单片机信号连接，单片机接收所述燃料浓度传感器的输出信号，并 与单片机内部设定的燃料浓度值进行逻辑比较判断，单片机的输出信号连接到场所效应管 的栅极，场所效应管的源极或漏极接地，场所效应管的漏极或源极与继电器控制端线路连 接，场所效应管控制继电器主回路的通断，电磁阀接于继电器的主回路上，继电器再控制电 磁阀的开启或关闭。
4.按照权利要求1所述的进料方法，其特征在于所述燃料是指甲醇、乙醇、乙二醇、丙 醇、甲酸、乙酸中的一种或一种以上的混合溶液。
5.按照权利要求1或4所述的进料方法，其特征在于所述燃料罐中的燃料的摩尔浓 度高于气液分离器中的燃料的摩尔浓度；直接液体燃料电池系统电堆阳极的燃料进料浓度 由位于进料管路上的浓度传感器监测和控制。
6.按照权利要求1所述的进料方法，其特征在于所述节流阀为耐燃料腐蚀的材料制成。
全文摘要
本发明涉及直接液体燃料电池系统的燃料进料方法，直接液体燃料电池系统包括电池电堆、换热器、气液分离器、燃料罐，电堆阴极出口的气液混合物经换热器后进入气液分离器，电堆阳极出口的气液混合物直接进入气液分离器，气液分离器物料出口与电堆阳极入口的连接管路上依次设有节流阀和液体泵，二者之间设有支路，支路经由电磁阀与燃料罐管路连接，燃料罐中的燃料经由气液分离器物料出口与电堆的阳极入口间的连接管路进入电堆阳极，且在其入口设有浓度传感器；其输出信号经由一控制器处理后，由控制器通过导线与电磁阀电连接。本发明所述燃料进料方法，其减少了系统中运动部件的使用，降低了系统的能耗，同时节流阀的制造与使用方便灵活，更易于系统的集成及系统稳定性的提高。
文档编号H01M8/22GK102104161SQ20091024845
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者孙公权, 孙海, 秦兵, 赵钢, 陈利康 申请人:中国科学院大连化学物理研究所