CN100483823C - 以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于清洁能源领域的一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。该方法是将纯甲醇容器与甲醇溶液容器之间用隔板连通；调节纯甲醇容器中活塞的高度，以控制甲醇容器中的甲醇分子从隔板扩散到甲醇溶液容器中的速度来调节甲醇溶液的浓度；使维持在电堆正常工作时所需甲醇溶液的预定浓度值；输送给电池的电堆使用。所述两种装置总体结构基本相同，一种是利用弹簧材料体积与甲醇溶液浓度的线性关系，通过杠杆作用调节活塞高度来控制甲醇的扩散量；另一种是由控制器对电机的控制，调节活塞高度来控制甲醇的扩散量。该发明具有体积小，结构简单，甲醇溶液浓度控制灵活，同时也在工作时不消耗能量的优点。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源领域，特别涉及一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。
背景技术
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)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、燃料易于贮存和运输、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。
直接甲醇燃料电池中的甲醇浓度值的大小对直接甲醇燃料电池的工作有着非常重要的作用，当使用较低浓度的甲醇时电池电堆的输出的功率较低，当使用的甲醇浓度增加时，电池电堆的输出的功率会有变大，但是当甲醇的浓度增加也会导致甲醇渗透作用得增加，甲醇渗透不仅会使甲醇利用率降低，而且会使电堆温度过高，使电池的寿命缩短；当甲醇浓度升高到一定的值时，渗透作用产生的渗透超电势反而使电池性能下降，所以甲醇浓度的大小对直接甲醇燃料电池的正常工作有非常重要的意义。通常DMFC最适宜的甲醇浓度为1.0mol/L。
现有的控制直接甲醇燃料电池中甲醇浓度的方法有事先将甲醇溶液配好，然后供给电池使用，如果使用这种方法那么电池本身不能补给甲醇，一段时间后甲醇溶液的浓度会变的过分小，导致电池不能正常工作，并且由于所需要的甲醇溶液的浓度很低，所以使用这种方法通常需要一个很大的液罐，使电池的体积增大。还有一种方法是通过控制微型泵抽取甲醇与水混合以得到一定浓度的甲醇溶液，但是微型泵的使用不仅会导致制造成本的增加，而且由于在直接甲醇燃料电池中所需要的甲醇量很小，会给甲醇的流量控制和浓度控制带来很大的困难，例如10W的电池一秒只需要几微升的甲醇，通常的办法就是每隔一定时间开启甲醇泵一下，这样虽然可以把甲醇浓度控制在一定范围，仍然会使甲醇浓度出现极大的波动，通常会使用一个较大的容器抑制甲醇浓度出现较大的波动，但是这样又会使系统的体积变大。泵的使用还会消耗电池的能量，是系统的发电效率降低，同时也使电池的结构更加复杂，使制造和维护的成本增大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提出了一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。包括两个发明目的，第一个目的是提供一种调节隔板扩散率的直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的控制方法。第二个目的是提供以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的装置。
实现上述目的的技术方案：实现第一个目的方法是
1)将第二纯甲醇容器2与甲醇溶液容器3之间用隔板17连通和第一纯甲醇容器1和第二纯甲醇容器2以连通管15连通；
2)调节第二纯甲醇容器2中活塞4的高度，以控制第二纯甲醇容器2中的纯甲醇16的甲醇分子从隔板17扩散到甲醇溶液容器3中的速度来调节甲醇溶液的浓度r；
3)调节甲醇溶液容器3中存放的甲醇溶液的浓度r，使维持在电堆9正常工作时所需甲醇溶液的预定浓度值r0mol/L；
4)然后由输送泵12送入电堆9，供给电池的电堆9使用，甲醇溶液14在电堆9内反应，反应后较低浓度的甲醇溶液14又从输送管8送回到甲醇溶液容器3中，供电堆循环使用以提高甲醇利用率。
所述活塞4的高度调节是通过甲醇溶液容器3底部的弹簧材料13，弹簧材料13随甲醇浓度的改变而改变自身的体积，由此通过杠杆调节活塞4在第二纯甲醇容器2中的高度。
所述弹簧材料13在甲醇溶液中随甲醇浓度增大，其体积也越大，从而在杠杆6的作用下使活塞4在第二纯甲醇容器2中的高度降低，反之，则上升。
所述活塞4的高度调节还通过电机21带动齿轮22旋转，齿轮22的转动又驱动活塞4的高度控制柄5带动活塞4上下运动而调节活塞4在第二纯甲醇容器2中的高度。
所述电机21的转动由控制器23根据温度传感器18测定的电堆温度值和溶液浓度传感器19测定的甲醇浓度值通过电机控制信号线20控制电机21。
所述第二个目的是以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的装置包括第一种结构或第二种结构，其中，
第一种结构是第一纯甲醇容器1和第二纯甲醇容器2以连通管15连通，在第二纯甲醇容器2与甲醇溶液容器3之间用隔板17连通，带高度控制柄5的活塞4放置在第二纯甲醇容器2内，高度控制柄5和杠杆6一端连接；在甲醇溶液容器3底部采用吸收甲醇能力大于吸收水能力的弹簧材料13，弹簧材料13通过支杆和杠杆6另一端连接，杠杆6支持在固定支撑7；甲醇溶液容器3通过输送泵12与电堆9连接，电堆9的输送管8插入甲醇溶液容器3中，电堆9两边分别为阳极11和阴极10。所述弹簧材料13可以选用美国杜邦公司生产的聚四氟乙烯。
第二种结构是在第一种结构中的电堆9内安装温度传感器18和在甲醇溶液容器3中以溶液浓度传感器19代替弹簧材料13，二者再和控制器23连接；其次以电机21连接齿轮22，齿轮22再连接驱动活塞4的高度控制柄5代替第一种结构中的杠杆6，电机21通过通过电机控制信号线20和控制器23连接。
所述隔板17上有均匀分布的小孔，孔中填充有聚四氟乙烯24，聚四氟乙烯24可以吸收甲醇16但是不能吸收水分子25。
本发明的有益效果本发明利用物质对不同液体具有不同吸收能力和以定向扩散来控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的特性，同时利用某些材料体积会随甲醇溶液浓度变化的特性设计了一种适合于直接醇类电池的浓度控制系统，该装置具有体积小，结构简单，制造和维护成本低，同时也在工作时不消耗能量的优点。
附图说明
图1为实施方案—1示意图。
图2为实施方案—2示意图。
图3为隔板示意图。
图4为聚四氟乙烯在各种物质中体积的变化示意图。
图5为聚四氟乙烯对不同液体吸收能力示意图。
图6方案—2中的控制原理图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足提出了一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。下面结合附图对本发明予以具体说明。
实施方案—1
实施方案—1如图1所示的第一种结构示意图。图中第一纯甲醇容器1和第二纯甲醇容器2以连通管15连通，在第二纯甲醇容器2与甲醇溶液容器3之间用隔板17连通，带高度控制柄5的活塞4放置在第二纯甲醇容器2内，高度控制柄5和杠杆6一端连接；在甲醇溶液容器3底部的弹簧材料13通过支杆和杠杆6另一端连接，杠杆6支持在固定支撑7；容器3通过输送泵12与电堆9连接，电堆9的输送管8插入甲醇溶液容器3中，电堆9两边分别为阳极11和阴极10。隔板的结构如图3所示，隔板17上有均匀分布的小孔，孔中填充有聚四氟乙烯24，聚四氟乙烯24可以吸收甲醇16但是不能吸收水分子25(如图5所示)。隔板的作用是甲醇分子可以由第二纯甲醇容器2扩散到甲醇溶液容器3中，但是甲醇溶液容器3中的水分子不能扩散到第二纯甲醇容器2中，起到隔水和隔甲醇的作用。
甲醇溶液容器3底部的弹簧材料13为吸收甲醇的能力大于吸收水的能力的材料，可以选用美国杜邦公司生产的聚四氟乙烯。
该材料放在甲醇溶液里可以随甲醇浓度的改变而改变自身的体积，一般甲醇浓度越大，其体积也越大，其体积随甲醇浓度的改变而改变的示意图如图4所示，可以看出聚四氟乙烯在潮湿状态下的体积比在干燥状态下的体积大，但是在甲醇水溶液里其体积会进一步变大，并且在甲醇水溶液中该种材料的体积是和甲醇的浓度呈线性关系，本发明则利用弹簧材料13的这种特性通过杠杆6来调节活塞4在第二纯甲醇容器2中的高度，控制第二纯甲醇容器2中的纯甲醇16的甲醇分子从隔板17扩散到甲醇溶液容器3中的速度来调节甲醇溶液的浓度r，使维持在电堆9正常工作时所需甲醇溶液的预定浓度值r0mol/L；然后由输送泵12送入电堆9，供给电池的电堆9使用，甲醇溶液14在电堆9内反应，反应后较低浓度的甲醇溶液14又从输送管8送回到甲醇溶液容器3中，供电堆循环使用以提高甲醇利用率。
例如在图1中，当活塞4较低时，由于第二纯甲醇容器2中的液位较低，起作用的孔的数量较少，所以总的扩散速度很低，随着甲醇16的消耗，甲醇溶液容器3中的甲醇浓度就会降低；当活塞4较高时，由于第二纯甲醇容器2中的液位也较高，那么甲醇分子可以从更多的孔中扩散到甲醇溶液容器3中变成水溶液，总的扩散速度会升高，所以甲醇溶液容器3中的甲醇浓度会升高。可以通过杠杆6将第二纯甲醇容器2中的活塞高度控制柄5和甲醇溶液容器3中的可以随甲醇浓度变化而变化长度的弹簧材料13相连接，那么就可以达到控制甲醇浓度的目的。当甲醇浓度低时，弹簧材料13变短，通过杠杆6的作用使活塞4抬高，这样就会有更多的甲醇16流向甲醇溶液容器3使甲醇浓度升高；当甲醇浓度升高时，甲醇溶液容器3中的弹簧材料13会逐渐变长，那么活塞在第二纯甲醇容器2中的高度会变低，这样渗透到甲醇溶液容器3中的甲醇流速会减少，所以甲醇的浓度也就会停止升高并维持在一个预定浓度值r0mol/L上。所以通过合理的选择隔板中小孔的个数与孔径，上述系统可以将甲醇浓度维持在一个定值。
实施方案—2
实施方案—2如图2所示的第二种结构示意图，控制原理与方案—1相同，第二种结构是在第一种结构中的电堆9内安装温度传感器18和在甲醇溶液容器3中以溶液浓度传感器19代替弹簧材料13，二者再和控制器23连接；其次以电机21连接齿轮22，齿轮22再连接驱动活塞4的高度控制柄5代替第一种结构中的杠杆6，电机21通过电机控制信号线20和控制器23连接。即在方案—2中活塞的高度是由一个电机控制的，方案—2可以根据需要将甲醇浓度调到任意值，而不是像方案—1如果系统各部分大小一旦确定，那么只能将浓度维持在一个定值。
由于电池电堆的输出功率可以随负载功率不同而变化，电堆使用的甲醇溶液浓度甲醇溶液的浓度可以适当调整，即在大功率情况下适当调高甲醇浓度，当负载变小时调低浓度以降低甲醇渗透作用，具体的控制方法为：
先通过实验的方法测出在不同的甲醇浓度和电堆温度下电池的输出功率，然后再根据负载的大小确定所需甲醇的预定浓度值r0mol/L。例如假设在当电堆的温度为60度时，测出在甲醇浓度为1mol/L时电堆的输出功率为8W，1.5mol/L时电堆的输出功率为10W。那么我们可以得到当电堆温度为60度时，负载为8W时所需的甲醇1mol/L；当负载为10W时所需的甲醇溶液浓度为1.5mol/L。
因为甲醇溶液容器3中的甲醇浓度可以通过调节第二纯甲醇容器2中的活塞4的高度来确定，可以通过合理的选择隔板中小孔的个数、分布以及小孔的孔径得到活塞高度与隔板中甲醇渗透速度的函数关系。例如可以得到当隔板相对第二纯甲醇容器2底部的高度为1cm时甲醇渗透速度为2uL/S，当隔板相对第二纯甲醇容器2底部的高度为4cm时甲醇渗透速度为8uL/S。
如图6所示的控制原理，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，调节过程为：，溶液浓度传感器19检测到混合容器中甲醇浓度为0.8mol/L，与预定浓度值r01.0mol/L相比较，PID式的控制器23根据两个浓度的差值输出对电机的控制信号给电机21，电机21带动齿轮22转动，调节活塞4的高度，以此来控制甲醇的扩散量，达到调节甲醇溶液容器3中甲醇浓度的目的。
Claims (7)
1.一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的方法，其特征在于，具体步骤为：
1)将第二纯甲醇容器(2)与甲醇溶液容器(3)之间用隔板(17)连通，将第一纯甲醇容器(1)和第二纯甲醇容器(2)以连通管(15)连通；
2)调节第二纯甲醇容器(2)中活塞(4)的高度，以控制第二纯甲醇容器(2)中的纯甲醇(16)的甲醇分子从隔板(17)扩散到甲醇溶液容器(3)中的速度来调节甲醇溶液的浓度r；所述隔板(17)上有均匀分布的小孔，孔中填充有聚四氟乙烯(24)，聚四氟乙烯(24)能吸收甲醇(16)，但是不能吸收水分子(25)；
3)调节甲醇溶液容器(3)中存放的甲醇溶液的浓度r，使维持在电堆(9)正常工作时所需甲醇溶液的预定浓度值r0mol/L；
4)然后由输送泵(12)送入电堆(9)，供给电池的电堆(9)使用，甲醇溶液(14)在电堆(9)内反应，反应后较低浓度的甲醇溶液(14)又从输送管(8)送回到甲醇溶液容器(3)中，供电堆循环使用以提高甲醇利用率。
2.根据权利要求1所述以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的方法，其特征在于，所述活塞(4)的高度调节是通过甲醇溶液容器(3)底部的弹簧材料(13)，弹簧材料(13)随甲醇浓度的改变而改变自身的体积，由此通过杠杆调节活塞(4)在第二纯甲醇容器(2)中的高度。
3.根据权利要求2所述以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的方法，其特征在于，所述弹簧材料(13)在甲醇溶液中随甲醇浓度增大，其体积也越大，从而在杠杆(6)的作用下使活塞(4)在第二纯甲醇容器(2)中的高度降低，反之，则上升。
4.根据权利要求1所述以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的方法，其特征在于，所述活塞(4)的高度调节通过电机(21)带动齿轮(22)旋转，齿轮(22)的转动又驱动活塞(4)的高度控制柄(5)带动活塞(4)上下运动而调节活塞(4)在第二纯甲醇容器(2)中的高度。
5.根据权利要求4所述以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的方法，其特征在于，所述电机(21)的转动由控制器(23)根据温度传感器(18)测定的电堆温度值和溶液浓度传感器(19)测定的甲醇浓度值通过电机控制信号线(20)控制电机(21)。
6.一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的装置，其特征在于，所述以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的装置包括第一种结构或第二种结构，其中，
第一种结构是第一纯甲醇容器(1)和第二纯甲醇容器(2)以连通管(15)连通，在第二纯甲醇容器(2)与甲醇溶液容器(3)之间用隔板(17)连通，带高度控制柄(5)的活塞(4)放置在第二纯甲醇容器(2)内，高度控制柄(5)和杠杆(6)一端连接；在甲醇溶液容器(3)底部采用吸收甲醇的能力大于吸收水能力的弹簧材料(13)，弹簧材料(13)通过支杆和杠杆(6)另一端连接，杠杆(6)支持在固定支撑(7)上；甲醇溶液容器(3)通过输送泵(12)与电堆(9)连接，电堆(9)的输送管(8)插入甲醇溶液容器(3)中，电堆(9)两边分别为阳极(11)和阴极(10)；所述隔板(17)上有均匀分布的小孔，孔中填充有聚四氟乙烯(24)，聚四氟乙烯(24)可以吸收甲醇(16)但是不能吸收水分子(25)；
第二种结构是在第一种结构中的电堆(9)内安装温度传感器(18)，在甲醇溶液容器(3)中以溶液浓度传感器(19)代替弹簧材料(13)，二者再和控制器(23)连接；其次以电机(21)连接齿轮(22)，齿轮(22)再连接驱动活塞(4)，驱动活塞(4)的高度控制柄(5)代替第一种结构中的杠杆(6)，电机(21)通过电机控制信号线(20)和控制器(23)连接。
7.根据权利要求6所述以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的装置，其特征在于，所述吸收甲醇的能力大于吸收水的能力的弹簧材料选用聚四氟乙烯、尼龙或聚乙烯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090429 Termination date: 20100419 |