CN100452515C - 极板流道分堆并接式电堆构成的直接甲醇燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，其特征在于，各个电堆中，各阳极极板中甲醇混合液流道的液流进口端经过各自的液流控制阀，共同经过一个液泵接入甲醇混合液容器的液流出口端，而各甲醇混合液流道的液流出口端并联后把出口液流回流到甲醇混合液容器中；各阴极极板中空气流道的气流进口端并联后与一个气泵的出气端相连，而各个空气流道的出气端并联后与大气相通。当某个电堆流道堵塞时，其余电堆的所有控制阀关闭，流道堵塞电堆的所有控制阀全部开启到最大。当电堆欠负荷运行时要分批分堆地关闭一部分电堆上的控制阀。同时，本发明可以在解决电堆流道堵塞的同时延长电池的工作寿命。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源领域，特别涉及一种提高直接甲醇燃料电池系统稳定性的方法及装置。
背景技术
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)直接以甲醇为阳极燃料，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，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燃料电池的电堆在长时间工作时，电堆的性能会下降，电堆性能下降具体表现为在相同的放电电流下其放电电压会逐渐的下降。但是如果此时让休息数分钟后，电堆又可以像以前一样正常工作，已有研究表明造成电堆性能下降的可能原因是一氧化碳中毒。同时如果让电堆长时间不间断的发电对电堆的寿命也会有很大的影响。
此外，直接甲醇燃料电池的电堆是由一片一片的极板串联起来的，构成电堆的任意两个极板中间都有一片质子交换膜，电堆工作时甲醇溶液和空气分别在交换膜两侧的极板中的流道里流动，阳极侧极板流过甲醇溶液，阴极侧流过空气。由于在阳极的流道里会反应产生二氧化碳气体，而二氧化碳气泡又会吸附在流道里造成流道的堵塞，使甲醇溶液流通受到阻碍；同样在阴极侧的流道里会反应生成水，水也会使阴极侧的空气流道堵塞，无论阴极侧还是阳极侧的流道的堵塞，都有可能使这两片电极组成的单电池形成反极现象，也就是说这两片极板不但没有发电，还消耗了电堆的电量，现在克服流道堵塞的方法只是加大甲醇溶液和空气在电堆中的流速，这种方法有一定的效果，但所需要的液泵和气泵的功率也较大。同时，如果在极板和交换膜的面积都不变的情况下如果要增加电堆的功率，那么只能增加极板和质子交换膜的片数，但是电堆中极板数量增多同时也意味着在系统中出现流道堵塞的概率加大。
针对上述问题设计了一种新型的直接甲醇燃料电池系统，该系统不仅可以使电池中的电堆在有性能衰减的情况下长时间发电，而且还可以在一定程度上克服流道堵塞的现象。同时也有一定的抗负载扰动能力。
发明内容
本发明的目的是提供可延长电堆工作寿命的一种极板中流道分段并接式的电堆构成的甲醇燃料电池。
本发明的特征在于，含有：
多个电堆，
甲醇混合液容器，该容器的出口端与一个液泵的入口端通过液管连接，而该液泵的出口端通过液管连接着与所述电堆数量相等的液流控制阀，而所述各个液流控制阀的另一端分别与各个电堆的阳极极板中甲醇混合液流道的液流入口端相连，所述各阳极极板中甲醇混合液流道的出口端经液管并联后与所述甲醇混合容器的入口端相连；
气泵，空气输出端通过气管与所述电堆数量相等的气流控制阀相连，而所述各个气流控制阀的另一端分别与各个电堆的阴极极板中空气通道的气流输入端相连，所述各阴极极板中空气通道的气流出口端的反应后的气体经气管排向大气。
当某个电堆中流道堵塞时，1～2秒内其余电堆的所有控制阀是关闭的，而流道堵塞电堆的所有控制阀是开启到最大的。
当所述甲醇燃料电池欠负荷运行时，部分电堆的所有控制阀是分批分堆地轮流关闭的。本发明的有益效果是本发明针对甲醇燃料电池电堆的工作特性设计了一种新型的直接甲醇燃料电池的系统结构，该系统结构不仅可以使电池中的电堆在有性能衰减的情况下长时间发电，，而且还可以在一定程度上克服流道堵塞的现象。同时也有一定的抗负载扰动能力。具有结构简单，便于制造和维护的优点。
附图说明
图-1为实施方案原理图1.电堆阴极，2.电堆阳极，3.液体导管及甲醇混合液的流向，41～48.阀，5.甲醇混合液，6存放甲醇混合液的容器，7液泵，8.气泵，9.气体导管及气体的流向，10.电堆。
图-2为电堆切换的顺序示意图。
具体实施方式
是本发明针对直接甲醇燃料电池的运行特性提出了将燃料电池的电堆分为许多段，使其成为许多小电堆，在工作时让其中的一个或两个小电堆轮流停止工作以克服电堆长时间发电使电堆性能下降的缺点；如果检测到其中某个电堆性能明显下降时则继续保持该电堆上的控制甲醇溶液和空气流通的阀门在全开状态，而瞬间关闭其它堆上的阀门，使这个性能下降的堆中的甲醇流速和空气流速都迅速加大以克服流道堵塞，如果该堆的性能没有回升的话，说明引起电堆性能下降的原因不是流道堵塞，那么此时就关闭该堆并启动其它的一个休息时间最长的电堆。因为电堆时工作时也需要泵等附件配合工作，所以堆开启的越少，系统内部耗电就越少，该系统还可以跟据负载的大小确定所需开启的电堆的数目，不多开也不少开，可以在一定程度上达到提高系统效率的目的。
如图-1所示：有四个功率为50瓦的电堆(从左到右分别编号为A、B、C、D)，向电堆的阳极2都通入一定浓度的甲醇溶液，阴极1通入空气，这样电堆就会输出电能。每个电堆的阳极都有管道连通到液泵7，工作时液泵7会从混合容器5中抽取甲醇溶液供电堆10使用，使用完的较低浓度的甲醇溶液又被输送到混合容器10中继续循环使用以提高系统效率，阀41～44的开闭分别控制甲醇溶液是否能流向电堆A、B、C、D；每个电堆的阴极都用管道连同至气泵8，电池工作时由气泵抽取空气到电堆阴极供电堆使用，反应后连同二氧化碳气体一起排放到空气中，阀45～48的开闭分别控制空气是否能流向电堆A、B、C、D。
当系统工作时先检测出负载的大小，根据负载的大小来决定需要启动电堆的数量，例如如果此时负载平均功率为100～150瓦，那么只需要开启三个电堆就可以了，因为电堆不能很长时间运行，所以我们采用了切换的方法给轮流的让电堆工作，每次切换的间隔为30分钟，具体的是：如果先让A、B、C号堆工作，30分钟后转到B、C、D号堆同时工作，再隔30分钟转到、C、D、A号堆同时工作，再隔30分钟转到D、A、B堆同时工作，再隔30分钟转到A、B、C号堆同时工作，这样循环不止。
如果此时负载平均功率为50～100瓦，那么只需要开启两个电堆就可以了，具体的切换方式为：如果先让A、B号堆工作，30分钟后转到C、D号堆同时工作，再隔30分钟转到A、B号堆同时工作，这样循环不止。
如果此时负载平均功率为0～50瓦，那么只需要开启一个电堆就可以了，具体的切换方式为：如果先让A号堆工作，30分钟后转到B号堆工作，再隔30分钟转到C号堆同时工作，30分钟后转到D号堆工作，这样循环不止。
上述系统切换时，启动电堆的方法是开启连接该电堆的控制甲醇溶液和空气进料的阀门，并连接上负载开关；关闭不需要工作的电堆的方法是关闭连接该电堆的控制甲醇溶液和空气进料的阀门，并断开连接到负载开关。系统工作时控制器根据开启的电堆得数量和负载的大小确定泵7、8的转速。
假设检测到某时负载突然变的很大，三个堆同时工作也不能满足要求，那么可以同时启动四个堆。
假设此时检测到某个正在工作的电堆发生有明显的性能下降(表现为在相同的放电电流下，输出电压下降)，那么可能是电堆中流道堵塞造成的，解决的方法是立刻闭合所有连接至其它堆的阀门，并把泵7、8开启到最大转速1～2秒，然后再恢复原来的工作状态，看该电堆得性能是否有回升，如果性能可以恢复那么让该电堆继续工作，如果性能不能回升，说明此时电堆性能下降不是流道堵塞造成的，此时电堆需要休息，那么立刻关闭该电堆并启动其它电堆。
Claims (1)
1.极板流道分段并接式电堆构成的直接甲醇燃料电池其特征在于含有：
多个电堆，
甲醇混合液容器，该容器的出口端与一个液泵的入口端通过液管连接，而该液泵的出口端通过液管连接着与所述电堆数量相等的液流控制阀，而所述各个液流控制阀的另一端分别与各个电堆的阳极极板中甲醇混合液流道的液流入口端相连，所述各阳极极板中甲醇混合液流道的出口端经液管并联后与所述甲醇混合容器的入口端相连；
气泵，空气输出端通过气管与所述电堆数量相等的气流控制阀相连，而所述各个气流控制阀的另一端分别与各个电堆的阴极极板中空气通道的气流输入端相连，所述各阴极极板中空气通道的气流出口端的反应后的气体经气管排向大气；
当某个电堆中流道堵塞时，1～2秒内其余电堆的所有控制阀是关闭的，而流道堵塞电堆的所有控制阀是开启到最大的；
当甲醇燃料电池欠负荷运行时，部分电堆的所有控制阀是分批分堆地轮流关闭的；
当电堆发生性能衰减时，立刻关闭该电堆的控制阀，而开启休息时间最长的电堆。
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