CN102104158B

CN102104158B - 一种微流量阀及直接液体燃料电池燃料供给系统

Info

Publication number: CN102104158B
Application number: CN2009102484431A
Authority: CN
Inventors: 孙公权; 陈利康; 孙海; 赵钢; 秦兵
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN102104158A

Abstract

本发明涉及一种微流量阀及直接液体燃料电池燃料供给系统，包括燃料入口阀体、燃料出口阀座，在燃料入口阀体与燃料出口阀座间的燃料流经通路上设置有微孔膜；即在微孔膜放置在阀体和阀座的接口处，其通过微孔膜将溶液流量限制在直接液体燃料电池系统所需流量级别。利用其构建的直接液体燃料电池燃料供给系统通过循环泵与之相配合，以电堆电流、电堆温度为参数，程序化控制燃料泵的供电电压，可以实现对直接液体燃料电池阳极溶液浓度的调控。减少了一般液体燃料电池系统中所用液体浓度传感器、微型泵、电磁阀等部件，提高了系统集成度和可靠性，降低了系统的寄生功耗和制作成本。

Description

一种微流量阀及直接液体燃料电池燃料供给系统

技术领域

本发明涉及一种液体微流量阀及利用其构建的直接液体燃料电池阳极燃料供给系统。微流量阀限制了阳极燃料的最大供应量，保证了直接液体燃料电池系统的安全；基于该阀的燃料供给系统，其减少了传统直接液体燃料电池阳极燃料供给系统中所用的燃料浓度传感器、微型泵、微型电磁阀等部件，提高了系统的集成度和可靠性。

背景技术

直接液体燃料电池是将液体燃料中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。液体燃料(包括醇类燃料及甲酸和乙酸等)的比能量密度高，在便携式移动电源领域具有广阔的应用前景。

为提高系统的燃料利用率，增加系统的集成度，在直接液体燃料电池系统中，其阳极的燃料溶液是循环利用的。但由于直接液体燃料电池存在燃料渗透以及催化剂毒化等问题，系统运行时，阳极的溶液需要维持在一定的浓度范围内，系统才能安全可靠的工作。因此，随系统运行时间的增长，溶液中的燃料不断被消耗，需要适时的向系统阳极补充高浓度燃料或者是纯燃料，系统才能连续稳定运行。

在直接液体燃料电池系统中，一般阳极燃料的供给都是通过浓度传感器、微型燃料泵、微型电磁阀等器件构成的燃料调节系统或类似系统来完成。目前，直接醇类燃料电池系统的运行寿命一般可达数千小时，在系统全寿命中微型燃料泵、微型电磁阀的动作将达到数百万次。这对微型燃料泵、微型电磁阀的可靠性提出了严峻的挑战。目前，仍很少有厂家能够保证微型燃料泵、微型电磁阀这一数量级的动作寿命。此外，微型燃料泵、微型电磁阀大部分是基于MEMS技术制造，尚在发展之中，成本昂贵。而在线液体燃料浓度传感器尚没有成熟的产品，已研究开发的浓度传感器大多是基于电化学原理，由于该类型传感器需要采用贵金属催化剂，成本很难降低，可靠性也需要进一步考察。

发明内容

本发明针对以上现有技术的不足，开发一种液体微流量阀及基于该微流量阀构建的直接液体(甲醇、乙醇、乙二醇、甲酸、乙酸等)燃料电池阳极燃料供给系统；液体微流量阀将燃料流量限制在很低的数量级(如mL/min-uL/min)，并且针对额定输出功率的直接液体燃料电池系统限制了阳极燃料的最大供应量；阳极燃料供给系统利用该微流量阀和阳极溶液循环泵配合实现燃料自动补充。

本发明采用的具体技术方案包括以下内容：

一种液体微流量阀，包括燃料入口阀体、燃料出口阀座，在燃料入口阀体与燃料出口阀座间的燃料流经通路上设置有微孔膜；即在微孔膜放置在阀体和阀座的接口处。

在微孔膜与燃料入口阀体和/或燃料出口阀座间设置有密封环，微孔膜与燃料入口阀体或燃料出口阀座之间通过密封环密封。

所述燃料入口阀体和/或燃料出口阀座通过螺钉固接成一体。

所述微孔膜为具有非亲水性膜，孔径介于1um～5um；阀座和阀体都是由耐溶剂析出的高分子聚合物或耐腐蚀的金属制造而成。

所述微孔膜为聚偏氟乙烯PVDF膜或聚四氟乙烯PTFE膜；阀座和阀体都是由PEI、PEFE、PP、不锈钢、钛或钛合金制造而成。

所述阀座的下方设有与外界流体相连通的主管道，主管道上设有外界流体的入口和出口，阀座的燃料出口与主管道相连通，在主管道的入口端设置有喉管；主管道直径D介于3～12mm，喉管的长度介于5～10mm，喉管的直径d与主管道直径D的比值为1/2～1/20。

一种直接液体燃料电池燃料供给系统，包括直接液体燃料电池电堆、所述微流量阀、气液分离器、单向阀、溶液循环泵、液体流量传感器、温度传感器、电流传感器、电路控制单元构成；

直接液体燃料电池电堆阳极出口的气液混合物通过管路直接进入气液分离器，气液分离器物料出口与电堆的阳极入口通过管路连接，在它们的连接管路上依次设置有单向阀和溶液循环泵，单向阀的入口和气液分离器的出口相连，溶液循环泵出口与电堆阳极入口相连；

所述微流量阀的主管道设置于单向阀和溶液循环泵之间的管道上，微流量阀的主管道入口与单向阀的出口相连，微流量阀的主管道出口与溶液循环泵的入口相连；

所述微流量阀的阀体燃料入口与燃料储罐管路连接，且它们的连接管路上设置有液体流量传感器；

温度传感器检测电堆温度，电流传感器检测电堆输出电流；温度传感器的温度信号、电流传感器的电流信号、液体流量传感器的流量信号输入电路控制单元，电路控制单元按照设定的程序调整施加给溶液循环泵的供电电压，调节溶液循环泵的消耗功率。

溶液循环泵的消耗功率调整是以电堆温度和电堆电流为参数进行的；循环泵的供电电压调节范围介于0.5-1倍的V标称电压之间。

电路控制单元由单片机或数字信号处理器、输出电压可调DC/DC、数字电位器或DAC构成，温度传感器、电流传感器、液体流量传感器分通经A/D转换器与单片机或数字信号处理器信号连接；单片机或数字信号处理器通过数字电位器或DAC与输出电压可调DC/DC信号连接，输出电压可调DC/DC与溶液循环泵电连接。

温度传感器应设置在电堆的阳极溶液入口附近或电堆空气出口附近；纯燃料是指甲醇、乙醇、乙二醇等C4以下的醇燃料或甲酸。

本发明具有以下优点：

本发明所述的液体微流量阀及以其为基础构建的直接液体燃料电池阳极燃料供给系统，无需一般液体燃料电池系统中所用液体浓度传感器、微型泵、电磁阀等部件，使得系统设计简化灵活，提高了系统集成度和可靠性，降低了系统的寄生功耗和制作成本，提高了电池系统的效率。在特定的系统中，液体微流量阀的最大流量被限制在一定范围内，电池系统中阳极循环溶液的浓度也就被限制在一定范围内，保证了系统的安全。

附图说明

图1微流量阀立体爆炸图；

其中，11为螺钉；12为燃料入口阀体；13为密封环；14为微孔膜；15为燃料出口阀座。

图2微流量阀轴向剖面图；

其中，22为侧支口凹孔；23为燃料出口阀座法兰盘；24为燃料入口阀体凸起止口；21为燃料出口阀座主管道；25为喉管；26燃料入口阀体接口；27燃料出口阀座主管道入口端；28燃料出口阀座主管道出口端。

图3直接液体燃料电池的燃料供给系统结构流程图；

其中，31为直接液体燃料电池电堆；32为气液分离器；33为单向阀；34为液体微流量阀；35为阳极溶液循环泵；36为液体流量传感器；37为燃料储罐；38为温度传感器，39为电流传感器。40为电路控制单元；41为电堆阳极入口；42为电堆阳极出口；43为电堆阴极空气入口；44为电堆阴极空气出口。

图4燃料供给系统控制电路原理结构图；

其中，45为温度传感器信号；46为电流传感器信号；47为流量传感器信号；48、49、50为A/D转换器；51为单片机或数字信号处理器DSP；52为数字电位器或模数转换器DAC；53为DC/DC；54为DC/DC输出电压调节端口；55为DC/DC输出端。

图5循环泵电压控制程序流程图。

图6实际直接甲醇燃料电池系统电堆温度和甲醇浓度随运行时间变化图。

具体实施方式

实施例1

一种液体微流量阀，其结构如图1和图2所示。其主要由燃料入口阀体12、密封环13、微孔膜14、燃料出口阀座15四部分组成。微孔膜14置于阀座15的侧支口凹孔22底部，燃料入口阀体12通过螺钉11扣压在阀座15的法兰盘23上，燃料入口阀体12凸起的止口24压迫密封环13，从而实现微孔膜与阀座和阀体止口之间的密封。阀座15的主管道21与法兰盘23相通，主管道21的入口设置有一段喉管25，以增加入口的液体吸入阻力。

上述液体微流量阀所用微孔膜是非亲水性的，如PVDF膜、PTFE膜，其孔径介于1um～5um，可以叠加使用。微孔膜可以在燃料注入支路造成较高的流动阻力，将燃料流量控制在很低的数量级，一般介于几十微升～几毫升。并且在膜两侧的压力差低于一定的范围，溶液将无法穿透，即有最小开启压力差。通过使用不同孔径的膜或多层叠加可以达到所需的流动阻力和最小开启压力差。最小开启压力差一般要达到5～10KPa。

上述液体微流量阀阀座主管道直径D介于3～12mm，其入口设有喉管。喉管的长度介于5～10mm，喉管的直径d与主管道直径D的比值大约是1/2～1/20。

上述液体微流量阀阀座和阀体都是由耐溶剂析出的高分子聚合物或耐腐蚀的金属制造，如PEI、PEFE、PP、不锈钢、钛、钛合金等。

按照图1采用PEI材料制造微流量阀。所用的微孔膜为PVDF膜，孔径2.5um，有效面积30mm2，所用密封环为硅橡胶。微流量阀阀座主管道直径为8mm，喉管长度6mm，直径为4mm，测得其在甲醇溶液中开启压力为5.5KPa；在甲酸溶液中开启压力为6KPa，在膜两侧压力差达到30KPa，其甲醇流量为1.5mL/min；甲酸流量为1.2mL/min。

一种直接液体燃料电池的燃料供给系统，是基于上述的微流量阀构建。其结构流程如图3所示。直接液体燃料电池电堆31阳极出口排出物中包含未反应的燃料溶液和反应产物，反应产物一般为气态。排出物首先进入气液分离器32分离气态反应产物。分离器同时也是电堆阳极溶液循环缓冲存储区。气液分离器32的出口经过单向阀33接上述液体微流量阀34的入口，微流量阀34的主管道出口与阳极溶液循环泵35入口相连，微流量阀34的燃料入口经液体流量传感器36与燃料储罐37相连。循环泵35的出口直接接电堆31的阳极入口。分离后的阳极溶液与燃料在微流量阀的主管道内按一定比例混合后被输送入电堆阳极参与反应。在电堆31堆体上安装有温度传感器38，电堆电流输出线上安装有电流传感器39。采集到的温度信号、电流信号、流量信号被送入电路控制单元40，按设定好的程序进行处理。电路控制单元根据处理结果调整施加在循环泵35上的供电电压，即改变循环泵的吸入功率，从而改变微流量阀34主管道与储罐中的燃料通路入口两点间的压力差，调整燃料向主管道的注入量，使阳极循环溶液被控制在一定的燃料浓度范围内。

上述液体循环泵的供电电压调节范围介于V标称电压/0.5V标称电压。

上述直接液体燃料电池燃料进料系统中所用液体微流量阀开启压力差为5～10KPa。在流量阀微孔膜两侧压力差为30kpa～80kpa时，其流量小于10mL/min。

上述液体循环泵在液体微流量阀主管道出口造成的吸入负压介于0.5KPa～50KPa。

上述直接液体燃料电池燃料进料系统中燃料储罐与直接液体燃料电池系统的高度差小于2m。

上述直接液体燃料电池燃料进料系统中所用单向阀的开启压力小于200Pa。

上述直接液体燃料电池燃料进料系统中温度传感器应放置在电堆的阳极溶液入口附近或电堆空气出口附近。

上述直接液体燃料电池系统燃料进料系统，其特征在于：纯燃料是指甲醇、乙醇、乙二醇等C4以下的醇燃料及甲酸。

本发明所述一种直接液体燃料电池的燃料供给系统电路控制单元的具体原理结构如图4所示，其主要由单片机或数字信号处理器，输出电压可调DC/DC两大部分组成。电堆温度48、输出电流49、燃料流量50等模拟量信号首先经过模数转换器A/D，变换成数字信号输入到单片机或数字信号处理器。单片机或数字信号处理器按照预先设定的程序处理后，输出一数字信号控制接在DC/DC输出电压设定端的设定电阻52的阻值。电压设定电阻52是数字式电位器或数模转换器DAC，直接将单片机或数字信号处理器输出的数字控制信号变换成对应的电阻值，调整DC/DC输出电压。

上述DC/DC变换器的输入电压范围介于3～50V，输出电压可在0.8～32V可调。

本发明所述一种直接液体燃料电池的燃料供给系统电路控制单元的信号处理与循环泵电压控制程序流程如图5所示，包括一个主程序和两个子程序。在系统加电起动阶段，给循环泵施加的是其标称电压V标称电压，同时采集电堆的温度和输出电流，比较电堆温度T电堆和预先设定的温度T设定。如果T电堆＞T设定，则调用流量调节程序1，反之，则调用流量调节程序2。从子程序跳出之后又回到下一轮的采集、比较、调整的循环。进入流量调节子程序1，首先采集燃料流量V燃料，然后根据函数f(I电堆)换算出电堆电流I所对应的燃料流量，并将二者进行比较。如果V燃料＞f(I电堆)，则将燃料循环泵的供电电压降低N mV，反之则将燃料循环泵的供电电压升高N mV，然后循环这一过程。给这一循环子程序设置一时间中断，每当执行时间超过预设周期t，则产生时间溢出中断，强制跳出子程序回到主程序。调用流量调节子程序2的过程和执行子程序1的过程相同，只是电堆电流变换函数更换成F(I电堆)。

上述控制程序中电堆的设定温度T设定为50℃～90℃。

上述控制程序循环泵供电电压的变化幅度N介于5mV～20mV。

上述控制程序中子程序循环周期t为0.1S～2S。

上述控制程序中电堆电流变换函数f(I电堆)＝a400I电堆/96485；F(I电堆)＝400I电堆/96485，a的取值根据电堆额定输出功率和转换效率而定，约为2～6；

按照图3和图4采用上述微流量阀构建额定输出功率为50W的直接甲醇燃料电池甲醇供给系统。燃料循环泵的标称电压是12V，当加载12V时其在微流量阀的主管道出口处产生的吸入负压为21KPa。所用燃料流量传感器流量检测范围为06mL/min，分辨率为1uL/min，响应时间小于10mS。单片机是ATMEL公司生产的ATMEGA16L。DC/DC是凌厉尔特公司生产的50W模块，其输入电压为4-30V，输出可以在8～12V调整。输出电压设定电阻采用由1024个抽头的数字电位器。电堆温度传感器放置在电堆空气的出口，设定温度T设定＝65℃，程序中电压单步变化幅度N＝10mV，流量调整子程序循环周期t设为1S。电堆电流变换函数f(I电堆)＝800I电堆/96485。运行中，燃料储罐与系统的相对位置每隔1小时变换一次，二者的的高度差控制在±0.5m，系统输出电流在0～1.2A之间变化。

图6是系统连续55小时运行过程中，检测到的电堆温度和电堆阳极入口位置甲醇浓度随运行时间的变化。可以看出电堆温度被控制在65℃上下，燃料循环泵的供电电压在11～12之间变化，甲醇浓度在0.5～0.6mol/L附近变动。温度和浓度有非常好的对应关系。而且在稳态操作(电堆电流恒定、溶液储罐位置固定)时，电堆的温度和浓度都很稳定，变现出良好的自我调整能力。

Claims

1.一种液体微流量阀，包括燃料入口阀体、燃料出口阀座，其特征在于：在燃料入口阀体与燃料出口阀座间的燃料流经通路上设置有微孔膜；即微孔膜放置在阀体和阀座的接口处；

2.如权利要求1所述流量阀，其特征在于：在微孔膜与燃料入口阀体和/或燃料出口阀座间设置有密封环，微孔膜与燃料入口阀体和/或燃料出口阀座之间通过密封环密封。

3.如权利要求1所述流量阀，其特征在于：所述燃料入口阀体和燃料出口阀座通过螺钉固接成一体。

4.如权利要求1所述流量阀，其特征在于：所述微孔膜为具有非亲水性膜，孔径介于1um～5um阀座和阀体都是由耐溶剂析出的高分子聚合物或耐腐蚀的金属制造而成。

5.如权利要求4所述流量阀，其特征在于：所述微孔膜为聚偏氟乙烯PVDF膜或聚四氟乙烯PTFE膜；阀座和阀体都是由PEI、PEFE、PP、不锈钢、钛或钛合金制造而成。

6.一种直接液体燃料电池燃料供给系统，包括直接液体燃料电池电堆、权利要求1所述微流量阀、气液分离器、单向阀、溶液循环泵、液体流量传感器、温度传感器、电流传感器、电路控制单元构成；

权利要求1所述微流量阀的主管道设置于单向阀和溶液循环泵之间的管道上，微流量阀的主管道入口与单向阀的出口相连，微流量阀的主管道出口与溶液循环泵的入口相连；

权利要求1所述微流量阀的阀体燃料入口与燃料储罐管路连接，且它们的连接管路上设置有液体流量传感器；

温度传感器检测电堆温度，电流传感器检测电堆输出电流；温度传感器的温度信号、电流传感器的电流信号、液体流量传感器的流量信号输入电路控制单元，电路控制单元按照设定的程序调整施加给溶液循环泵的供电电压，调节溶液循环泵的吸入功率。

7.如权利要求6所述燃料供给系统，其特征在于：溶液循环泵的消耗功率调整是以电堆温度和电堆电流为参数进行的；循环泵的供电电压调节范围介于0.5-1倍的V标称电压之间。

8.如权利要求6所述燃料供给系统，其特征在于：电路控制单元由单片机或数字信号处理器、输出电压可调DC/DC、数字电位器或DAC构成，温度传感器、电流传感器、液体流量传感器分通经A/D转换器与单片机或数字信号处理器信号连接；单片机或数字信号处理器通过数字电位器或DAC与输出电压可调DC/DC信号连接，输出电压可调DC/DC与溶液循环泵电连接。

9.如权利要求6所述燃料供给系统，其特征在于：温度传感器应设置在电堆的阳极溶液入口附近或电堆空气出口附近；纯燃料是指甲醇、乙醇、乙二醇或甲酸。