一种直接醇类燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供一种直接醇类燃料电池系统，包括燃料罐、阴极氧化剂进料子系统、阳极燃料循环子系统及电堆。燃料罐为密闭燃料罐，内有高浓度燃料，并通过管路与阴极氧化剂进料子系统相连通。所述阴极氧化剂进料子系统包括气泵、管路等，当气泵工作时阴极气路具有较高的压力，若燃料罐与阴极气路相连通，便会对燃料罐进行充气，使罐内气体具有较高压力。此相对高压与阳极燃料混合子系统中压力形成压力差，罐内高浓度燃料在此压力差作用下通过阀受控供应给阳极燃料混合子系统，经混合之后成为低浓度燃料，然后进入电堆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池系统，尤其涉及燃料电池系统中的直接醇类燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池是一种能够通过电化学反应产生电能的装置。根据燃料电池原理的不 同，燃料电池可划分为很多类型，如质子交换膜燃料电池，固体氧化物燃料电池，熔融碳酸 盐燃料电池，碱性燃料电池等。本专利技术涉及质子交换膜燃料电池中以甲醇、乙醇等液态有机 烃类作为燃料的直接醇类燃料电池。涉及本专利技术的甲醇、乙醇等液态有机烃类燃料，具有来 源广泛、能量密度高、使用安全、易于存储及运输方便等优点。因此，直接醇类燃料电池特别 适合作为笔记本、手机等可移动便携设备的电源使用，被认为是最有应用潜力的移动电源 之一。 对于以甲醇、乙醇等液态有机烃类作为燃料的燃料电池来说，从提高系统能量/ 体积比功率考虑，携带高浓度甚至纯燃料无疑最为理想。但是由于燃料电池不能直接使用 浓度为100%的纯燃料(即只能使用低浓度的水溶液)，故中间需要一个浓度调节环节。这 就需要一个根据燃料电池的燃料消耗情况，及时准确地补充纯净燃料的环节，以保证反应 体系的介质(燃料)浓度维持在工艺所需的恒定的值上。通常所普遍采用的方法是使用电 驱动的微型燃料泵来完成高浓度燃料的定量补给工作。即，系统监控系统根据燃料浓度监 控结果计算出燃料需求量，而后给燃料泵发出指令将燃料罐中的燃料按需求量注入反应体 系中，以维持反应介质的燃料浓度。然而，使用微型电驱动泵完成上述使命，在现阶段尚存 如下问题 (1)燃料泵以燃料电池所产生自身电力作电源，具有一定功耗，会降低系统的净输 出功率； (2)燃料泵运行时产生的噪音，可限制燃料电池系统在某些设备上的使用； (3)燃料泵及其控制环节的存在，导致燃料电池系统发生故障的几率增加； (4)在一些对体积比能量要求较高的系统中，需要用到体积足够小的微型燃料泵， 而微型燃料泵制作属于高
(目前尚无本国产品)，成本较高，导致燃料电池系统的 总成本的提高，不利于燃料电池推广应用。 目前直接醇类燃料电池系统燃料罐内高浓度燃料的补给方法中，除了应用燃料泵 之外，还有一些文献提出比较新颖的燃料补给方法。专利CN101034752中使用某特殊材料 (如聚四氟乙烯、尼龙、聚乙烯等)，这种材料的体积变化与甲醇燃料的浓度呈线性关系，利 用此关系通过机械装置控制高浓度甲醇燃料(纯甲醇)穿过隔板的扩散量大小，可达到调 节电池燃料中甲醇浓度的目的。世界专利W0 2006/010012中公开了一种燃料进料增压系 统。燃料罐中有可压縮的弹性内胆，内胆内储存有高浓度燃料。可通过使用螺杆、泵等机械 装置对燃料罐施加外力或者加入某些室温下的蒸汽压大于大气压的液体等手段，使罐中与 内胆之外空间中的气体处于较高压力状态，从而压縮内胆，驱动高浓度燃料进入燃料电池。 上述两种燃料补给方法的直接醇类燃料电池系统结构均较复杂，对设计、制备的要求比较3高，对于作为便携式设备电源的燃料电池来说，不能满足降低成本和简化工艺的需要。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种直接醇类燃料电池系统。 它利用燃料电池阴极氧化剂进料子系统中的阴极气路对密闭的燃料罐进行充气，使燃料罐 内气体具有相对高压，此相对高压与阳极燃料混合子系统内的压力形成一定的压力差，对 罐内高浓度燃料产生推动力。当燃料电池需要补给燃料时，控制器输出信号控制阀进行动 作，于是在上述推动力的作用下，适量的高浓度燃料就从燃料罐被补给到阳极燃料混合子 系统之中，然后进入燃料电池，满足电池输出能量的需求。 本专利技术与世界专利WO 2006/010012的区别是，本专利技术中的燃料罐不需内胆，高浓度燃料直接贮存在燃料罐内，并且采用简单有效的系统工艺结构来使燃料罐内气体具有较高的压力，即，直接将燃料罐与燃料电池阴极氧化剂进料子系统的阴极气路相连。采用这种连接方法完全不需要额外添加增压装置，可以充分利用阴极气路较高的压力，对阴极气体的流量和气泵的功耗影响较小，从而达到简化燃料电池系统设计、优化工艺的目的。 本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现直接醇类燃料电池系统所用主要部件包括燃料罐、阴极氧化剂进料子系统、阳极燃料循环子系统及电堆。 所述燃料罐完全密闭，并通过管路与阴极氧化剂进料子系统相连通，燃料罐中具 有高浓度燃料，此高浓度燃料为纯甲醇、乙醇、乙二醇或其他(C3-C6)低碳液态烃类中至少一种。 所述阴极氧化剂进料子系统包括气泵、管路、冷凝器等，在气泵的作用下阴极气路 具有较高的压力，当燃料罐与阴极气路连通时，燃料罐便被充气，从而使罐内气体具有较高 压力，此相对高压与阳极燃料混合子系统内的压力形成一定的压力差，罐内高浓度燃料在 此压力差作用下通过阀受控供应给阳极燃料混合子系统，经混合之后成为低浓度燃料，然 后进入电堆。 所述控制高浓度燃料加注的阀，可以是开度一定、可通过调节开启频率和开启周 期来控制流量的数字式开关阀，也可以是可通过连续调节开度来控制流量的连续调节阀。 阀的开启、闭合、开度调整等动作是由控制器来控制的，此控制器主要部件为单片机芯片。 控制器能够实时接收燃料电池系统传输的温度、压力、电压、电流或者燃料浓度等状态参数 信号，并可经过内置的控制程序进行简单计算及判断，然后输出信号控制阀进行动作。 根据控制原理的不同，本专利技术中控制器控制燃料补给有两种方法主动控制法和 反馈控制法，具体原理及实施方法如下 (1)主动控制法 主动控制法，即控制器根据燃料电池输出电能的需求，通过对系统状态的实时监 测，计算出准确的燃料需求量并输出信号控制阀的动作，使燃料的补给量与消耗量相一致。 燃料电池在一段时间At(秒)内运行所需的燃料量，即燃料的供应量L(摩尔)， 可根据燃料电池的输出功率、电池温度等参数计算得出。对燃料的供应量L的控制，依所用 阀的种类不同，控制器可采取不同的控制模式完成使命。 如果是采用连续调节阀，控制器根据当前燃料需求输出阀的开度控制信号来调节 阀的开度，进而调节燃料供应量L。调节阀针对某一种燃料的开度，由开度系数l (摩尔/4秒)定量表示，其物理意义为单位时间内通过燃料的能力。其大小不仅与阀口的形状、尺寸 有关，还与这种燃料的温度、粘性系数及燃料所受的驱动压力差等参数有关。开度系数I 与燃料供应量L及运行时间At之间的关系由如下式(1)表示 L =《X A t (1) 如果是采用数字式开关阀，则开度系数《 一定。控制器在一定的开度《下可以 通过调节阀的开启频率F(次/秒)与开启周期T(秒)(在本专利技术中开启周期指数字开关 阀进行一次开启、闭合动作过程中维持开启状态的时间)来控制燃料供应量L。在燃料电池 运行时间At的过程中，燃料供应量L由如下式(2)计算 L =《X A tXFXT (2) 式(2)中，(A tXFXT)是数字开关阀在燃料电池运行时间A t的过程中，阀开启 的累积时间。 无论采取何种形式的阀，均需要知道阀的开度系数l 。对于已确定的供料系统来 讲，当燃料供应系统的管路内径与阀口内径相比足够大时，可以忽略其流阻，又因燃料罐始 终处于室温状态，故可以忽略室温变化对燃料粘性系数的影响，则《值主要与燃料所受的 驱动压力差AP(即燃料罐内气体的相对高压与燃料电池阳极侧燃料混合系统压力之间形 成的压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接醇类燃料电池系统，所用主要部件包括燃料罐、阴极氧化剂进料子系统、阳极燃料循环子系统及电堆，其特征在于：所述燃料罐为完全密闭结构，并通过气体管路与阴极氧化剂进料子系统的气路相连通。

【技术特征摘要】
一种直接醇类燃料电池系统，所用主要部件包括燃料罐、阴极氧化剂进料子系统、阳极燃料循环子系统及电堆，其特征在于所述燃料罐为完全密闭结构，并通过气体管路与阴极氧化剂进料子系统的气路相连通。2. 根据权利要求1所述的直接醇类燃料电池系统，其特征在于在所述燃料罐的中上 部设置一气体管路与阴极氧化剂进料子系统的气路相连通。3. 根据权利要求1所述的直接醇类燃料电池系统，其特征在于所述阴极氧化剂进料 子系统包括气泵、管路、冷凝器，阴极氧化剂通过气泵经管路流入电堆的阴极氧化剂进口， 从电堆的阴极氧化剂出口流出后经冷凝器与大气相连通；在气泵的作用下阴极气路中具有 高于外界大气的压力，当燃料罐与阴极气路连通时，燃料罐便被充气，从而使罐内气体具有 压力，此相对压力与阳极燃料混合子系统内的压力形成一定的压差，可将燃料通过阀受控 注入阳极燃料混合子系统。4. 根据权利要求1所述的直接醇类燃料电池系统，其特征在于所述阳极燃料循环子 系统包括阀门、阳极燃料混合子系统，燃料罐中的阳极燃料经阀门进入阳极燃料混合子系 统，阳极燃料混合子系统通过管路与电堆的阳极氧化剂入口和出口相连；所述燃料罐内具有高浓度燃料，所述高浓度燃料为纯甲醇、乙醇、乙二醇或C3-C6低碳 液态烃类中的至少一种。5. 根据权利要求4所述的直接醇类燃料电池系统，其特征在于所述控制高浓度燃料 加注的阀，可以是开度一定、可通过调节开启频率和开启周期来控制流量的数字式开关阀，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙公权，耿江涛，李相一，邢广磊，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]