CN101752583A

CN101752583A - 一种直接醇类燃料电池系统

Info

Publication number: CN101752583A
Application number: CN200810229322A
Authority: CN
Inventors: 孙公权; 耿江涛; 李相一; 邢广磊
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: CN101752583B

Abstract

本发明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。

Description

一种直接醇类燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及燃料电池系统中的直接醇类燃料电池系统。

背景技术

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。本发明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。涉及本发明的甲醇、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技术领域(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WO 2006/010012中公开了一种燃料进料增压系统。燃料罐中有可压缩的弹性内胆，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，从而压缩内胆，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。

发明内容

本发明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。

本发明与世界专利WO 2006/010012的区别是，本发明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。

本发明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，本发明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Δt(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ξ(摩尔/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ξ与燃料供应量L及运行时间Δt之间的关系由如下式(1)表示：

L＝ξ×Δt (1)

如果是采用数字式开关阀，则开度系数ξ一定。控制器在一定的开度ξ下可以通过调节阀的开启频率F(次/秒)与开启周期T(秒)(在本发明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Δt的过程中，燃料供应量L由如下式(2)计算：

L＝ξ×Δt×F×T (2)

式(2)中，(Δt×F×T)是数字开关阀在燃料电池运行时间Δt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ξ。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ξ值主要与燃料所受的驱动压力差ΔP(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力差)有关，其函数关系可通过实验方法获得。即对已明确了的所用系统，通过事先进行ξ与ΔP之间关系实验，然后根据最小二乘法原理对实验数据作线性或非线性回归计算可得到定量描述上述关系的数学函数式：

ξ＝f(ΔP) (3)

式(3)至少是各种一元函数中的一种函数形式，如线性函数(如ξ＝a+b×ΔP)、幂函数(如ξ＝a×ΔP^b)、指数函数(如ξ＝a×b^ΔP)、对数函数(如ξ＝a+b×ln(ΔP))，或其他形式的函数，还可以是上述两种或两种以上函数的组合。其中，a和b等对已定供料系统来说是常数，其值可在回归计算中获得。将此函数式编译为控制器能执行的语言代码并存储于控制器内，此语言代码即为内置指定程序。

在阀的开度系数ξ与燃料所受驱动压力差ΔP之间关系实验中，其实验范围应该涵盖实际应用中可能遇到的范围，这样才能得到较准确的燃料补给量ξ与ΔP的数学函数关系，在实际应用中不至于因为式(3)脱离试验范围而产生较大的偏差。

直接醇类燃料电池系统应用主动控制法进行燃料补给时，工作过程如下：直接醇类燃料电池系统在运行过程中随着电能的输出，燃料不断被消耗，导致燃料浓度不断减小需要适时补充燃料。Δt所需要的燃料补充量L，由控制器根据燃料电池的当前工作状态参数算出，再根据ΔP、式(3)算出阀的开度系数，即ξ。若所用阀为连续调节阀，控制器可根据ξ值实时给出调节连续调节阀开度的指令去直接控制其开度；若所用阀为数字式开关阀，由于对数字式开关阀来说，F往往事先固定(这样利于提高控制硬件的简便性与可靠性)，故控制器可根据式(2)算出阀的开启周期T，然后通过调整阀的T值来控制燃料补给，以满足当前燃料电池的燃料需求。

(2)反馈控制法

燃料补给还可以采用反馈控制法，即阀和燃料浓度传感器相配合，当传感器所测燃料浓度低于目标浓度值时，控制器发出信号开启阀注入燃料，当浓度达到目标浓度值时，控制器发出信号关闭阀。

采用这种控制方法时，为尽量减小燃料过量注入引起的浓度波动，需要仔细调整燃料注入方式，如：对于连续调节阀则可动态调整其开度，在燃料补给刚开始时，阀可以开启较大开度，燃料以较大补给流量进入电池阳极燃料混合系统，之后当燃料浓度接近目标浓度时阀的开度可逐渐减小，补给流量随之降低，直至达到补给目标浓度时阀门完全闭合，这种方法可使燃料浓度的变化相对平缓，减小燃料的过量注入；对于数字开关阀可将单次大剂量注入改为多次小剂量脉冲注入，可以避免浓度产生剧烈波动，也能够减小燃料的过量注入。

本直接醇类燃料电池系统，结构简单，操作可靠，充分利用了阴极气路具有较高压力的特点，对阴极气路流量的影响较小，甚至可忽略不计。另外，燃料罐只需要很小的压力便可使罐内高浓度燃料进入阳极燃料混合系统，对阴极氧化剂进料子系统的气泵要求不高，对气泵的功耗影响也比较小。由于不使用燃料泵，采用本发明可减小直接醇类燃料电池系统故障发生率及系统能量损耗，提高系统的可靠性及净输出功率，适合长时间使用。

附图说明

图1.实施例1的工艺图；

图2.实施例1中控制器的控制逻辑图；

图3.实施例2的工艺图；

图4.实施例2中控制器的结构示意图；

图5.实施例2中控制器的控制逻辑图；

图6.实施例2中获取控制器内有关数字开关阀开度系数与燃料所受驱动压力差关系的实验流程图；

图7.根据图6获得的有关数字开关阀的开度系数与燃料所受驱动压力差之间关系的实验数据及回归计算结果。

具体实施方式

为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，由下述具体实施例，并配合所附图式，对本发明详加说明，说明如后。

实施例1：

图1是实施本直接醇类燃料电池系统的一种工艺图。本实施例采用反馈控制法控制高浓度燃料的补给，控制器控制燃料补给所用的阀为连续调节阀。图1中201为燃料罐，燃料罐有多种形状，如方块形、圆柱形、椭圆柱形、球形等，是由塑料、金属、合金等耐燃料腐蚀的材料经注塑或者其它方式加工获得。202为燃料罐内的高浓度燃料，可以是纯甲醇、乙醇等液态有机烃类等物质。203为燃料罐的上口，能够从此处添加燃料，可用塞子或旋盖等装置进行密封，防止罐内气体泄露。阀门204通过管路与阴极氧化剂进料子系统的气路相连，用于对燃料罐进行充气。205为燃料罐内燃料的出口，与206相连接。206是能够接受控制器传输的电信号并根据此信号进行动作的阀门，可以是数字开关阀或连续调节阀。无论是数字开关阀还是连续调节阀，其形式可以是电磁阀、电动阀、气动阀、液动阀中的一种。本实施例中206为连续调节阀中的电动阀，可根据控制器209的输出信号210进行连续的开度调节。燃料罐内燃料经206进入阳极燃料混合子系统207，在207内与自电堆阳极出口216返回的燃料进行混合，混合之后的溶液208先经过甲醇浓度传感器211，然后自电堆阳极入口215进入电堆213。217、218分别为电堆阴极的入口、出口，214为负载。219为电堆阴极气泵，220为阴极气路的支路，220通过阀门204与燃料罐201相连通。当直接醇类燃料电池正常工作时，阴极氧化剂(空气或纯氧)由219驱动进入电堆213。在219的作用下，电池阴极气路之中的气体具有相对较高的压力，因此阴极气体可通过220进入201，为201充气。

本实施例中，220是在219与217之间引出，除此之外，220还可以由阴极气路其它位置引出，只需此位置气体压力高于201中气体压力即可。例如：在阴极气路出口处218的气体也有一定的压力(此处出口气体并非直接排入大气，而是进入冷凝器等尾气处理装置，图1中未画出)，220也可以从此处引出。

211可以实时检测燃料中甲醇的浓度(C_fuel)，并将其转换为电信号212输入控制器209。209接收到甲醇浓度信号(C_fuel)之后，将其与控制器内预置的目标浓度值(C₀)进行比较、判断，然后输出信号210控制阀206的动作。

控制器209的逻辑控制过程如图2所示：步骤(301)首先测量燃料浓度C_fuel；然后执行下一步骤(302)判断C_fuel＜C₀是否成立，如果条件不成立，则返回步骤(301)，如果条件成立，则执行下一步骤；步骤(303)中控制器输出信号控制阀206开始补给燃料；在燃料补给的过程中需要实时测量C_fuel，并判断C_fuel＜C₀是否成立(步骤(304)和步骤(305))，如果条件成立，说明燃料补充量还不够，继续补充，如果条件不成立，则执行下一步骤；步骤(306)停止补充燃料，并返回步骤(301)继续测量C_fuel。

本实施例中，为防止高浓度燃料的过量补给，避免燃料浓度的剧烈波动，在燃料补给过程中控制器209可通过检测C₀-C_fuel差值的大小，采取PID控制方式控制阀206的开度系数，例如，在刚开始补给燃料时(C_fuel＜C₀，C₀-C_fuel具有最大值)，209可通过210控制206具有较大的开度系数，使201中高浓度燃料202以较大的补给流量迅速补给到阳极燃料混合系统207中；随着C_fuel逐渐接近C₀(C₀-C_fuel逐渐减小)，209可控制206的开度系数逐渐减小，这样燃料的补给流量也会逐渐降低；最终当C_fuel与C₀相等(C₀-C_fuel＝0)时，209输出信号使206完全闭合。

本实施例中的直接醇类燃料电池系统，在阴极气体经支路进入燃料罐时，由于将阴极气路中气体分流，阴极气体流量可能会略受影响。但考虑到燃料罐本身体积不大，阴极气体流量的损失非常小，甚至可忽略不计，而且一旦燃料罐内气体压力补充到与阴极气路压力相同，燃料罐就不再对阴极气体进行分流，阴极气体流量可恢复正常。另外，燃料罐内气体只需要增加很小的压力便可推动罐内高浓度燃料进入阳极燃料混合系统，对阴极气泵的要求不高，对气泵的功耗影响也比较小。因此燃料电池系统采用这种无泵燃料补给方法是可行的。

实施例2：

图3是实施本直接醇类燃料电池系统的另一种工艺图。与实施例1不同的是，本实施例控制器209采用主动控制法控制燃料补给，内置有可进行判断、计算的控制程序，并且控制高浓度燃料的补给所采用的阀为数字开关阀中的电磁阀221。图3中，燃料罐201内的气体压力P₁由与接口222相连接的压力变送器223测量得到，223可将压力信号转换为电压信号228输入控制器209。同样的，阳极燃料混合子系统207内气体压力P₂可通过与接口224相连接的压力变送器225测量得到，225可将压力信号转换为电信号229输入209。此外，燃料电池系统中还安装有温度传感器233、电流测量电路226以及电压测量电路227，可以实时测量电堆的温度、输出电流、输出电压等当前电堆运行状态参数，并将其转换为230、231、232等电信号输入209。

图4为实施例2中控制器的逻辑控制图，当燃料电池系统需要补给燃料时，控制器根据此图控制燃料的补给：首先在步骤(401)中，控制器在时间t＝0时刻开始计时；然后执行步骤(402)，测量燃料电池系统的运行参数，如电堆的温度(T_s)、输出电流值(I)、输出电压值(V)、燃料罐内的气体压力(P₁)和阳极燃料混合系统内气体压力(P₂)等；步骤(403)则先根据T_s、I、V等参数计算得出在接下来的一段时间Δt(在保证阀221能够正常进行开启、闭合等动作的前提下，所选择的Δt值应足够小，以便于实时跟踪燃料电池的运行状态、迅速调整燃料补给量)内的燃料需求量L，然后将P₁、P₂代入式(3)计算出阀的开度系数ξ，最后将L值、ξ值以及阀的开启频率F(已知)代入式(2)，计算出阀的开启周期T；步骤(404)控制器根据T值输出信号控制阀进行动作，开始补给燃料；步骤(405)判断t＜Δt是否成立，如果成立，则返回步骤(404)，继续补给燃料，如果不成立，则返回步骤(401)开始进行下一循环。

在此需要说明的是，如果燃料罐201和阳极燃料混合系统207的结构参数不同、各自所包含的溶液体积不同、201和207间相对位置不同，可能会导致201和207内溶液液面之间存在一定的高度差Δh。在这种情况下，209根据信号228、229计算出的201和207中气体压力差值ΔP’不等于燃料罐中燃料所受驱动压力差ΔP。但是，通过对系统各零部件间位置的调整和系统工艺的优化，可以使Δh所产生的压力差相对于ΔP’非常小，甚至忽略不计，因此可近似认为ΔP’与ΔP相等。也就是说，209根据信号228、229计算出的201和207间气体压力差值，即为燃料所受驱动压力差ΔP。

图5是控制器的结构示意图。控制器的核心部件为单片机，本实施例中选用的单片机型号为：ATmega16。此单片机可以同时接收模拟信号和数字信号，并根据内置控制程序对信号进行处理。本实施例2(图3)中，信号232、231、228、229分别为V、I、P₁、P₂的模拟信号，在控制器中需要通过相对应的分压电路、取样电路、电压变换电路转变为单片机所能接收的电压信号。图5中，经转换之后V、I、P₁、P₂信号通过引脚ADC0、ADC1、ADC2、ADC3为单片机接收。在本实施例中，温度测量使用的是DS18B20型温度传感器，此温度传感器能够直接将温度信号转换为数字信号230，然后被单片机所接收。单片机接收到V、I、P₁、P₂、T_s信号后，通过内置控制程序进行运算，然后向电磁阀控制电路输出信号控制电磁阀的动作。

控制器中内置控制程序主要包括计算当前燃料电池系统中燃料需求量的程序和根据式(2)、式(3)计算电磁阀开启周期的程序。其中式(3)，即：ξ＝f(ΔP)，是将实验数据经回归计算得来，具体方法如图6所示。

图6是关于获取数字开关阀的开度系数ξ与燃料所受驱动压力差ΔP关系的实验流程图，包括步骤(601)至步骤(605)，分别说明如下：步骤(601)提供燃料罐、数字开关阀等实验设备，并将其进行连接；步骤(602)中对步骤(601)中燃料罐充气，使罐内气体存在一定压力，当阀开启时，罐内燃料便在压力差ΔP作用下流出，测量此压力差及燃料通过阀的流量，此燃料流量值即为此压力差下数字开关阀的开度系数ξ；步骤(603)调整燃料罐内气体压力，使罐内燃料受多个不同压力差的作用，分别测量各压力差及其作用下数字开关阀的开度系数；步骤(604)中通过对步骤(602)(603)中实验数据进行回归计算，得出数字开关阀的开度系数ξ与燃料所受驱动压力差ΔP之间的数学函数关系式：ξ＝f(ΔP)；步骤(605)则将经步骤(604)回归计算得出的数学关系ξ＝f(ΔP)编写为控制器所能执行的语言代码程序，并将其存储在控制器中。

在数字开关阀的开度系数ξ与燃料所受驱动压力差ΔP之间关系实验中，其实验范围应该涵盖实际应用中可能遇到的范围，这样才能得到较准确的ξ与ΔP间的数学函数关系，在实际应用中不至于因为式ξ＝f(ΔP)脱离试验范围而产生较大的偏差。

图7是根据流程图6进行的一系列有关数字开关阀的开度系数ξ与燃料所受不同驱动压力差ΔP之间关系的实验结果。实验中所选用的燃料为纯甲醇，所用数字开关阀为Numatics生产的LSM2L6H00V型电磁阀，燃料所受驱动压力差分别为0.95KPa、1.95KPa、2.96KPa、3.92KPa、4.91KPa。由图7可以看出，随着燃料所受驱动压力差ΔP的增加，电磁阀的开度系数ξ也在逐渐增加，并且ξ与ΔP有良好的线性关系。利用图7实验所获得的数据，根据数据分析中的最小二乘法原理作一元线性回归计算(《技术数理统计方法》，曾秋成著，安徽科学技术出版社，1981)，得出ξ(mol/s)与ΔP(KPa)间的数学关系式：ξ＝2.96×10^-3ΔP+5.92×10^-3，此关系式的决定系数(相关系数平方)R²达到0.988506，证明此关系式具有较高的可靠性。此关系式可以编写为控制器所能执行的语言程序，储存于控制器中。

用于一元线性回归计算的matlab程序如下：

function xxhg(X0，Y0)

XY0＝[X0，Y0]；

[N1，N2]＝size(XY0)；

Xx＝ones(N1，1)；

X＝[Xx，X0]；

p＝rank(X)；

U＝inv(X′*X)；

B＝U*X′*Y0；

a0＝B(1)；

a1＝B(2)；

Y1＝X*B；

YC＝(Y0-Y1)；

YC1＝YC′；

E1＝YC1*YC；

z＝sum(Y0)；

ym＝z/N1；

Ym＝Y0-ym；

E2＝Ym′*Ym；

R＝sqrt(1-E1/E2)；

RR＝R^2；

fprintf(′回归计算所得一元线性方程形式为：Y＝a0+a1*X，\n其中系数a0为％f，a1为％f.\n′，a0，a1)；

fprintf(′相关系数为％f，相关系数平方为％f.\n′，R，RR)；

本直接醇类燃料电池系统，充分利用了阴极氧化剂进料子系统的气路具有较高压力的特点，结构简单，操作可靠，对阴极气路的流量和气泵的功耗影响较小。由于不使用补给高浓度燃料所需的燃料泵，采用本发明可减小直接醇类燃料电池系统故障发生率及系统能量损耗，提高系统的可靠性及净输出功率，适合长时间使用。

Claims

1.一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，也可以是可通过连续调节开度来控制流量的连续调节阀；上述阀可以是电磁阀、电动阀、气动阀、以及液动阀中的一种。

6.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：所述控制高浓度燃料加注的阀，其开启、闭合、开度调整动作是由一控制器来控制的，此控制器为一单片机芯片，阀与控制器信号连接，控制器能够实时接收燃料电池系统状态参数的信号，然后经过内置的控制程序进行简单计算及判断，最终输出信号控制阀进行动作；阀可依控制器输出的信号控制燃料供应，从而满足直接醇类燃料电池正常稳定工作时对燃料的需求。

7.根据权利要求6所述的直接醇类燃料电池系统，其特征在于：在阳极燃料混合子系统与电堆的阳极氧化剂入口间的管路上设置有燃料浓度传感器，燃料浓度传感器与控制器线路连接；

所述控制器可以与燃料浓度传感器配合使用，根据反馈的燃料浓度值来控制阀的动作，使燃料电池系统中的燃料浓度保持一定，还可以根据燃料电池输出电能的需求，通过指定的内置控制程序对系统燃料需求进行实时计算，然后输出信号控制阀的动作，使燃料的补给量与消耗量相一致。

8.根据权利要求7所述的直接醇类燃料电池系统，其特征在于：控制器的内置控制程序包括阀的开度系数ξ与燃料所受驱动压力差ΔP之间关系的相关程序，ξ与ΔP之间的关系，即：ξ＝f(ΔP)，可通过对已明确所用系统事先进行ξ与ΔP之间关系的实验，然后根据最小二乘法原理对实验数据作线性或非线性回归计算来得到。