CN101644651A - 直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度自动检测补给装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于清洁能源领域的一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度自动检测补给装置。该装置的混合容器内设置带孔挡板，带孔挡板的一侧为甲醇渗透装置，另一侧放置甲醇溶液浓度自动检测装置，稀甲醇溶液罐通过稀甲醇溶液导管和混合容器相通，其中甲醇渗透装置为在两块带孔的玻璃夹板之间夹一层聚四氟乙烯膜、甲醇溶液浓度自动检测装置为在混合容器内设置至少两根注入标准甲醇浓度溶液的浮球的圆柱形网筒，光敏二极管感应浮球的位置，通过检测浮球位置，确定甲醇溶液浓度，通过单片机控制打开电子阀向混合容器里注入纯甲醇，使得燃料电池在使用过程中甲醇浓度保持稳定，补偿了温度对甲醇溶液浓度的影响，具有结构简单、成本低、维护方便等优点。
Description
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自动检测补给装置。
背景技术
燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置，发电过程不是燃料的直接燃烧，且不受卡诺循环限制，因此其能量转换效率较高于普通内燃机，是集能源、化工、材料与自动化控制等技术为一体的，具有高效和清洁特色的新电源。
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)是基于质子交换膜燃料电池技术、直接用甲醇作燃料、无需重整的低温燃料电池。其燃料甲醇能量密度比氢还大，且价格便宜，易存储和运输，另外系统结构简单、低噪音、无污染等特点，被认为是面向21世纪最具研究和发展潜力的绿色能源之一。
甲醇渗透是影响DMFC性能的最主要因素，受膜的渗透率和厚度，工作温度，阳极自身性能以及燃料供给时的甲醇浓度等因素的影响。对于已给定的燃料电池堆则只能通过降低输入甲醇浓度以减少甲醇渗透现象。而甲醇浓度低时，电池开路电压较高，但随着电流密度的增加，电池性能降低。高浓度甲醇有利于阳极反应，但甲醇向阴极的渗透率增加，电池性能也下降。一般认为甲醇在水中的最佳浓度为1-2mol/L(体积分数约为6％)时DMFC性能最佳。然而目前DMFC燃料电池甲醇浓度检测面临严峻的问题：(1)性能差，如感应范围小，反应速度慢，不能长时间工作，可重复性差，且受温度，二氧化碳和金属离子等影响较大。(2)体积大，为减小温度等因素的影响常需要附加设备，如液泵、恒温源等，使得系统结构复杂，难以小型化。(3)成本高。甲醇浓度传感器所面临的问题使得DMFC便携式发展应用受到很大的影响。
目前在甲醇浓度传感器检测技术不成熟的条件下，同时又要甲醇溶液浓度稳定在最佳浓度范围内，从而使得直接甲醇燃料电池达到最佳输出效果，通常的做法是采用体积较大的混合容器，根据电堆的运行状态时开时断的方式向混合容器里补充甲醇，以稳定甲醇溶液浓度。该方法虽然使得甲醇溶液浓度在短时间内变化不是很大，但是无形中却增加了系统的体积，且具有严重的滞后性，不利于系统持续稳定工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度自动检测补给装置，该装置混合容器12的一侧面下部与液泵7相连，液泵7的输出与电堆15相通，混合容器12的上端面固定纯甲醇溶液导管11，纯甲醇溶液导管11上端经电子阀6连接至纯甲醇罐2，下端伸入混合容器12，纯甲醇溶液导管11连接甲醇渗透装置，电堆15负极输出口通过甲醇溶液导管1通入稀甲醇溶液罐5中；其特征在于，混合容器12设置带孔挡板22，带孔挡板22的一侧为甲醇渗透装置，另一侧放置甲醇溶液浓度自动检测装置，稀甲醇溶液罐5通过稀甲醇溶液导管4和混合容器12相通。
所述甲醇渗透装置为在两块带孔的玻璃夹板24之间夹一层聚四氟乙烯膜23。
所述甲醇溶液浓度自动检测装置为在混合容器12内设置至少一根圆柱形网筒18，圆柱形网筒18内放置一个注入标准甲醇浓度溶液的浮球19，光敏二极管26通过平行支架32固定在距离圆柱形网筒18顶部半个浮球直径距离的位置，发光二极管25安装在浮球19的光敏二极管26所在面的另一面的混合容器12外壁上，光敏二极管引线31连接到单片机；光敏二极管26将检测的浮球19表示甲醇溶液浓度的位置信号通过光敏二极管引线31输入到单片机，单片机根据此甲醇溶液浓度的位置信号控制打开电子阀6的时长，从而调节混合容器12内甲醇溶液浓度，使混合容器12内工作甲醇溶液20稳定1-1.3mol/L的范围内，即完成甲醇燃料电池用甲醇溶液浓度自动检测补给程序。
本发明的有益效果：本发明利用物质在不同密度中所受浮力不同的特性，设计了一种适合于直接醇类电池的自动检测补偿装置，能够达到稳定甲醇溶液浓度的目的，该方法同时补偿了温度对甲醇溶液浓度的影响，具有成本低，结构简单，制造方便和维护成本低等特点。
附图说明
图1为直接甲醇燃料电池系统原理图
图2为甲醇溶液浓度自动检测补给装置示意图，其中a为甲醇渗透装置，b为甲醇溶液浓度自动检测补给装置c为光敏二极管、发光二极管与浮球的相对位置示意图。
图3为甲醇溶液浓度检测装置示意图。
图4多浮球检测示意图。
图中：1.甲醇溶液导管 2.纯甲醇罐 3.纯甲醇 4.稀甲醇溶液导管 5.稀甲醇溶液 6.电子阀 7.液泵，8.低浓度甲醇溶液 11.纯甲醇液体导管 12.混合容器 15.电堆 18.圆柱形网筒 19.浮球 20.工作甲醇溶液。22.带孔挡板 23.聚四氟乙烯膜 24.带孔的夹板；25发光二极管 26.光敏二极管 28.浮球I 29.浮球II 30.浮球III 31.连接光敏二极管导线 32.平行支架。
图3为甲醇溶液浓度检测装置示意图。
图4多浮球检测示意图。
图中：1.甲醇溶液导管 2.纯甲醇罐 3.纯甲醇 4.稀甲醇溶液导管 5.稀甲醇溶液 6.电子阀 7.液泵，8.低浓度甲醇溶液 11.纯甲醇液体导管 12.混合容器 15.电堆 18.圆柱形网筒 19.浮球 20.工作甲醇溶液。21.甲醇溶液浓度检测装置 22.带孔挡板 23.聚四氟乙烯膜 24.带孔的夹板。26.光敏二极管 27.光线 28.浮球I 29.浮球II 30.浮球III
具体实施方式
本发明提出一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度自动检测补给装置。下面结合附图，例举具体实施方案对本发明予以说明。
在图1所示直接甲醇燃料电池系统原理图中，该装置混合容器12的一侧面下部与液泵7相连，液泵7的输出与电堆15相通，混合容器12的上端面固定纯甲醇溶液导管11，纯甲醇溶液导管11上端经电子阀6连接至纯甲醇罐2，下端伸入混合容器12，纯甲醇溶液导管11连接甲醇渗透装置，电堆15负极输出口的.低浓度甲醇溶液8通过甲醇溶液导管1通入稀甲醇溶液罐5中；混合容器12内设置带孔挡板22，带孔挡板22的一侧为甲醇渗透装置，另一侧放置甲醇溶液浓度自动检测装置，稀甲醇溶液罐5通过稀甲醇溶液导管4和混合容器12相通。
图2a所示为甲醇渗透装置为在两块带孔的玻璃夹板24之间夹一层聚四氟乙烯膜23。图2b所示为甲醇溶液浓度自动检测装置为在混合容器12内设置至少两根圆柱形网筒18，圆柱形网筒18内放置一个注入标准甲醇浓度溶液的浮球19(根据需求可注入不同标准)，根据阿基米德原理随着甲醇溶液浓度的变化，浮球位置发生改变，浮到溶液顶层或降到溶液底层，浮球处于溶液顶层则表示混合容器中的甲醇溶液浓度低于标准甲醇浓度溶液，若处于溶液底层则反之(如图3、4所示)。为了能够使得甲醇溶液浓度稳定在燃料电池堆最佳工作性能范围内，图2c所示为光敏二极管、发光二极管与浮球的相对位置示意图，图中光敏二极管26通过平行支架32固定在距离圆柱形网筒18顶部半个浮球直径距离的位置。发光二极管25安装在浮球19的光敏二极管26所在面的另一面的混合容器12外壁上，光敏二极管引线31连接到单片机；光敏二极管26将检测的浮球19表示甲醇溶液浓度的位置信号输入到单片机，单片机根据此甲醇溶液浓度的位置信号控制打开电子阀6的时长，从而调节混合容器12内甲醇溶液浓度，使混合容器12内工作甲醇溶液20稳定1-1.3mol/L的范围内，可分别向两个浮球注入标准甲醇浓度溶液，在浮球I 28内注入浓度1mol/L甲醇溶液，在浮球II 29内注入浓度1.3mol/L的甲醇溶液浓度，通过光敏二极管26感应浮球位置判断混合容器中甲醇溶液浓度是否在浓度范围内，若浮球I与浮球II都浮在溶液顶层，则表示混合容器中甲醇溶液浓度低于1mol/L，若浮球I降到溶液底层浮球II在溶液顶层，则表示溶液浓度在1-1.3mol/L。若浮球I与浮球II都降到溶液底层则表示溶液浓度高于1.3mol/L。在溶液低于浓度范围时光敏二极管26则向单片机等控制元件发出信号同时打开电子阀6，使纯甲醇罐5中的纯甲醇3能够通过纯甲醇液体导管11经聚四氟乙烯膜23流向混合容器，增加混合容器12中工作甲醇溶液20的浓度，降低溶液密度，同时检测浮球I是否下降到溶液底层而浮球II仍在溶液顶层，若否重复以上过程继续注入纯甲醇，直到浓度到达稳定范围为止，完成甲醇燃料电池用甲醇溶液浓度自动检测补给程序，实现自动检测补给功能。
Claims (3)
1.一种直接甲醇燃料电池用甲醇溶液浓度自动检测补给装置，混合容器(12)的一侧面下部与液泵(7)相连，液泵(7)的输出与电堆(15)相通，混合容器(12)的上端面固定纯甲醇溶液导管(11)，纯甲醇溶液导管(11)上端经电子阀(6)连接至纯甲醇罐2，下端伸入混合容器(12)，纯甲醇溶液导管(11)连接甲醇渗透装置，电堆(15)负极输出口通过甲醇溶液导管(1)通入稀甲醇溶液罐5中；其特征在于，混合容器(12)设置带孔挡板(22)，带孔挡板(22)的一侧为甲醇渗透装置，另一侧放置甲醇溶液浓度自动检测装置，稀甲醇溶液罐(5)通过稀甲醇溶液导管(4)和混合容器(12)相通。
2.根据权利要求1所述直接甲醇燃料电池用甲醇溶液浓度自动检测补给装置，其特征在于，所述甲醇渗透装置为在两块带孔的玻璃夹板(24)之间夹一层聚四氟乙烯膜(23)。
3.根据权利要求1所述直接甲醇燃料电池用甲醇溶液浓度自动检测补给装置，其特征在于，所述甲醇溶液浓度自动检测装置为在混合容器(12)内设置至少一根圆柱形网筒(18)，圆柱形网筒(18)内放置一个注入标准甲醇浓度溶液的浮球(19)，光敏二极管(26)通过平行支架(32)固定在距离圆柱形网筒(18)顶部半个浮球直径距离的位置，发光二极管(25)安装在浮球(19)的光敏二极管(26)所在面的另一面的混合容器(12)外壁上，光敏二极管引线(31)连接到单片机；光敏二极管(26)将检测的浮球(19)表示甲醇溶液浓度的位置信号通过光敏二极管引线(31)输入到单片机，单片机根据此甲醇溶液浓度的位置信号控制打开电子阀(6)的时长，从而调节混合容器(12)内甲醇溶液浓度，使混合容器(12)内工作甲醇溶液(20)稳定在1-1.3mol/L的范围内，即完成甲醇燃料电池用甲醇溶液浓度自动检测补给程序。
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