专利名称：一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于清洁能源领域，特别涉及一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法及装置。
背景技术：
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)是PEMFC的一种，以直接甲醇为阳极燃料，无需将甲醇重整为富氢气体的甲醇重整器装置，具有系统结构简单、体积能量密度高、燃料补充方便等特点，是最适合用于小型电源、车用电源等的燃料电池。它直接用甲醇溶液作为“燃料”发电，反应后的产物只有水和二氧化碳，是一种绿色的环保电池。所以直接甲醇燃料电池的研究具有十分重要的意义。
限制直接甲醇燃料电池商业化的一个重要原因是没有完全解决电池中的甲醇渗透问题。甲醇渗透就是甲醇从电堆的阳极通过膜扩散到阴极直接与氧气发生反应，甲醇渗透与甲醇的浓度有直接的联系，一般甲醇浓度越高，渗透现象越严重，相反适当的降低甲醇的浓度可以在一定程度上抑制甲醇的渗透。甲醇渗透不仅使甲醇的利用率降低，也使电堆的电压输出不稳定，同时渗透到阴极的甲醇在电堆的阴极产生了大量的热量，使电堆的温度升高，缩短了电池的寿命。
现有的克服甲醇渗透问题的一个方法就是将较低浓度的甲醇溶液供给电堆使用，并将甲醇溶液的浓度维持在一个定值(通常是0.5～2mol/L，浓度依电堆的不同而不同)。这种方法没有完全考虑到提高甲醇的利用率，例如负载消耗的功率是5~8W，由于浓度不可变，所以甲醇浓度要维持在至少可以使电堆提供8W的值上。我们知道，在一点的浓度范围内，甲醇浓度越高输出功率也会越高，但浓度高不仅会使甲醇渗透现象加重，造成甲醇的浪费，而且也会使电堆过热，导致电堆寿命缩短。那么如果同一个电堆在其它条件都相同的条件下，输出5W时电堆中的浓度一定比输出8W时的浓度要低，所以我们在负载低的时候调低甲醇浓度是一个很好的选择，这样不仅可以降低堆温，还可节省一定的甲醇。
同时以前将甲醇溶度控制在定值的方法也不完全适用于负载频繁变动的情况。所以将蓄电池等储能设备和电池电堆混合使用的方法来使电池抗负载平凡干扰的能力增强。
发明内容
本发明的目的是提出一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法及装置。其特征在于，所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法是在储能设备与电堆混同使用条件下，依据负载的大小和储能设备的剩余电量的大小控制甲醇的浓度，使电堆输出稳定、电池抗负载平凡干扰的能力增强，该方法具体控制过程如下1)实时检测负载的大小和蓄电池中的剩余电量，将检测到的信息传送给控制器；2)甲醇在混合容器中与水进行混合，检测混合后的甲醇浓度值，并将检测到的浓度值传送给控制器。
3)电堆工作时，控制器控制电池中各输送泵的转速，以得到需要的甲醇浓度和流量，甲醇溶液在电堆中进行反应；4)反应后甲醇溶液又被输入到存放甲醇水溶液的罐中进行循环利用。
所述控制器控制输送泵的流量或甲醇阀门的开启时间，将甲醇浓度控制到预定的值r0mol/L。
所述甲醇的浓度大于预定的值r0mol/L时，减少输送泵中的甲醇流量；甲醇的浓度小于r0mol/L时，可以增大甲醇输送泵中的甲醇流量，保证甲醇浓度到达预定的值。
所述甲醇浓度值可以在所示的管道中测量，或在混合容器中测量，或根据测量出与甲醇浓度相关的电堆阴极的温度、阴极二氧化碳的释放量、电堆的输出电流而间接得到甲醇浓度值。
所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置是在甲醇容器和混合容器之间连接泵从甲醇容器中向混合容器中抽取甲醇，混合容器通过泵和管道连接至电堆，电堆顶部和混合容器顶部再用管道连通；电堆分别和蓄电池、负载连接、蓄电池与负载连接，控制器分别和上述部件连接。
所述控制器可以选用单片机、DSP控制器或可编程控制器。
所述负载包括外接用电设备和本电池中的控制器、输送泵、电池中的稳压电路及DC～AC变换器。
本发明的有益效果是本发明提出的一种甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的控制方法，同时将蓄电池等储能设备与电堆混同使用，并基于负载的大小和蓄电池的剩余电量的大小控制甲醇的浓度。这种方法既能够满足负载频繁变动的需要，同时也可以最大化的利用甲醇燃料。
图1为实施例1装置示意图。
图2为方案一中的将低的甲醇浓度调到期望的较高浓度值的控制原理图。
图3为实施例2装置示意图。
图4为实施例3装置示意图。
具体实施例方式
本发明提出一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法及装置。下面结合附图，例举具体实施方案对本发明予以说明。
实施方案1(如图1所示)图1所示，在甲醇容器和混合容器之间连接泵-1，混合容器用管道和泵-2连通至电堆；电堆分别和蓄电池、负载连接、蓄电池与负载连接，控制器分别和上述部件连接。
混合容器中的甲醇溶液供给电堆使用，电堆使用过的较低浓度的甲醇溶液又被输送到混合容器中进一步使用以提高甲醇的利用率，混合容器中不足的甲醇由泵-1向其提供；电堆通过稳压电路和充电电路与蓄电池相连，电堆发出的电量同时给外部负载和蓄电池供电，蓄电池给外部负载供电也为电池中的控制器和泵等耗能设备供电。控制器通过检测到的甲醇浓度值、负载大小和蓄电池剩余电量等信息调节泵的开启时间或转速以达到调节混合容器中甲醇浓度的目的。
例如混合容器中原先有1mol/L的甲醇溶液，体积为100ml，为了达到这样的一个目标当电堆发电功率大于负载消耗的功率时，蓄电池可以储能，并调低甲醇浓度；当电堆发电功率小于负载消耗功率时，发电不足部分由蓄电池提供，并调高甲醇浓度，所以控制的目标可以转换为在负载变化和蓄电池电量变化的情况下通过调节输入甲醇溶液的浓度以达到使蓄电池的电量始终为60％。
该电池适合变化范围是5～10W的负载，并且负载的平均功率为8W；允许向电堆加入甲醇溶液的浓度范围是0.3～2.0mol/L，并且在这个浓度范围内，电堆的输出功率是随浓度的增加而增加的。可以先通过实验测得在不同的甲醇浓度下电堆的输出功率，例如在电堆在工作温度下测出在甲醇浓度为1mol/L时电堆的输出功率为8W，0.5mol/L时电堆的输出功率为5W，1.5mol/L时电堆的输出功率为10W。因此我们可以建立一个在不同负载大小的情况下所需要甲醇浓度的函数关系。为了叙述方便，这个负载大小——甲醇浓度的函数关系可以用f(P)表示，P表示负载的大小，f(P)表示所需要的甲醇浓度。那么在不考虑蓄电池电量的情况下，当负载为8W时所需的甲醇溶液浓度为f(8)，即1mol/L；当负载为10W时所需的甲醇溶液浓度为f(10)，即1.5mol/L；当负载为5W时所需的甲醇溶液浓度为f(5)，即0.5mol/L。下面给出了一种根据蓄电池的剩余电量的大小和负载的大小来确定需要的甲醇浓度大小的方法假设负载不变，以蓄电池的剩余电量为60％为基值，当蓄电池的电量变化X％的大小时，所需的甲醇浓度应该相应的变化-0.01x(mol/L)，例如当蓄电池电量为80％时，甲醇浓度应相应的降低0.01×(80-60)＝0.2mol/L；当蓄电池电量为40％时，甲醇浓度应相应的提高0.01×(60-40)％＝0.2mol/L。
当负载变化时，那么甲醇浓度值应为(f(P)-0.01x)mol/L。例如当负载大小为8W，蓄电池电量为60％时，甲醇浓度应为1mol/L；例如当负载大小为10W，蓄电池电量为50％时，甲醇浓度应为1.5-0.01×(50-60)＝1.6mol/L；例如当负载大小为5W，蓄电池电量为70％时，甲醇浓度应为0.5-0.01×(70-60)＝0.4mol/L，其它的情况下依此类推。
所述根据测量出和甲醇电量相关的电堆阴极的温度或阴极二氧化碳的释放量而间接得到甲醇浓度值间接得到甲醇浓度值的方法可以根据上述通过实验测得在不同的甲醇浓度下的甲醇电量相关的电堆阴极的温度或阴极二氧化碳的释放量建立一种对应的数据关系，从而间接得到甲醇浓度值。
下面给出一种将浓度控制到所期望值的方法电堆中甲醇的消耗可分为甲醇发电的消耗和甲醇渗透消耗，在不同的甲醇浓度、电堆温度和负载大小的情况下电堆消耗的甲醇速率是不同的，但是我们可以用实验的方法测出在不同的状况下电堆中甲醇消耗速率。假设原先甲醇的浓度为1mol/L，现在需要甲醇的浓度为0.8mol/L时，一个简单的让甲醇浓度降低的方法就是停止纯甲醇的供应，也就是将泵-1关闭。当甲醇浓度降到0.8mol/L时，再开启泵-1，并将泵-1开启到所需要的流量。
假设原先甲醇的浓度为0.8mol/L，现在需要甲醇的浓度为1mol/L时，可以通过加大泵-1的流量来实现。具体的为，检测到混合容器中甲醇浓度为r，与所期望的甲醇浓度r0相比较，PI控制器根据两个浓度的差值输出泵-1所需要的工作转速控制量，以此来控制甲醇的流量达到调节混合容器中甲醇浓度的目的，控制的原理如图2所示当混合容器中甲醇浓度达到了所需要的了浓度r0值时，根据此时检测到的电堆状况将输送泵-1开启到所需要的流量。
实施方案2(如图3所示)如图3所示的方案中，在纯甲醇容器旁增加一个甲醇水溶液容器和泵-2，并且去掉了混合容器，泵-2接至泵-1通向电堆的连接管道，甲醇水溶液和纯甲醇分别通过泵-2和泵-1打出并在管道中混合后进入电堆的阳极进行反应，反应后得到的较低浓度的甲醇溶液又被输送到存储水溶液的罐中以便进一步使用。甲醇浓度大小的确定方法与方案1相同，这里不再重复。但方案2中甲醇的控制方法与方案1有所不同，控制方法如下所述甲醇浓度具体的控制方法为检测出通过泵-2的甲醇溶液的甲醇浓度以及流量，根据所需要的甲醇确定泵-1的流量，例如假设泵-2中甲醇溶液的甲醇浓度为0.6mol/L，流速为1L/min，并假设所需要的甲醇浓度为1.2mol/L，那么泵-1的应平均每分钟输送0.6mol(约24ml)的甲醇。
对于图3，纯甲醇是在管道中被稀释的，可以将管道增长以增加混合作用；也可以在管道中增加一个混合容器以增强混合效果(如图4所示)。
权利要求
1.一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法，其特征在于，所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法是在储能设备与电堆混同使用条件下，依据负载的大小和储能设备的剩余电量的大小控制甲醇的浓度，使电堆输出稳定、电池抗负载平凡干扰的能力增强，该方法具体控制过程如下(1)实时检测负载的大小和蓄电池中的剩余电量，将检测到的信息传送给控制器；(2)甲醇在混合容器中与水进行混合，检测混合后的甲醇浓度值，并将检测到的浓度值传送给控制器。(3)控制器以上述信息参数进行运算，控制输送泵的转速，向电堆内添加甲醇，以得到需要的甲醇浓度和流量，保证电堆能正常工作，甲醇溶液在电堆中进行反应；(4)反应后甲醇溶液又被输入到存放甲醇水溶液的罐中进行循环利用。
2.根据权利要求1所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法，其特征在于，所述控制器控制输送泵的流量或甲醇阀门的开启时间，将甲醇浓度控制到预定的值r0mol/L。
3.根据权利要求1所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法，其特征在于，所述甲醇的浓度大于预定的值r0mol/L时，减少输送泵中的甲醇流量；甲醇的浓度小于r0mol/L时，增大输送泵中的甲醇流量，保证甲醇浓度到达预定的值。
4.根据权利要求2或3所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法，其特征在于，所述甲醇浓度值可以在所示的管道中测量，或在混合容器中测量，或根据测量出和甲醇电量相关的电堆阴极的温度或阴极二氧化碳的释放量而间接得到甲醇浓度值间接得到甲醇浓度值。
5.一种权利要求1所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置，其特征在于，所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置是在甲醇容器和混合容器之间连接输送泵，混合容器通过输送泵连接至电堆，电堆和混合容器再用管道连通；电堆分别和蓄电池、负载连接、蓄电池与负载连接。
6.根据权利要求5所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置，其特征在于，所述控制器可以选用单片机、数字信号处理器或可编程控制器。
7.根据权利要求5所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置，其特征在于，所述负载包括外接用电设备和本电池中的控制器、输送泵、电池中的稳压电路及DC～AC变换器。
8.根据权利要求5所述直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置，其特征在于，所述蓄电池可以用大电容代替。
全文摘要
本发明公开了属于清洁能源领域的一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法及装置。所述控制装置在甲醇容器和混合容器之间连接泵－1，混合容器通过管道连接至电堆，电堆和混合容器再用管道连通；电堆分别和蓄电池、负载连接、蓄电池与负载连接，控制器分别和上述部件连接。所述甲醇溶液浓度控制方法是控制器根据实时检测到的负载的大小和蓄电池中的剩余电量，同时检测甲醇浓度及电堆内现存的甲醇水溶液或水；控制器以这些信息参数进行运算，控制输送泵的转速，向电堆内添加甲醇，以得到需要的甲醇浓度和流量，保证电堆能正常工作。这种方法既能够满足负载频繁变动的需要，同时也可以最大化的利用甲醇燃料。
文档编号H01M8/04GK101034751SQ20071006463
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月21日 优先权日2007年3月21日
发明者王荣蓉, 李春文, 谢晓峰, 丁青青, 戎袁杰 申请人:清华大学