CN102683729A

CN102683729A - 燃料电池燃料供应装置

Info

Publication number: CN102683729A
Application number: CN201210173937XA
Authority: CN
Inventors: 张明波
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种燃料电池燃料供应装置，包括混合管（10）、循环泵配用泵管（11）、燃料滴注泵配用泵管（12），所述混合管具有入口端（14）和出口端（15），所述混合管靠近其入口端方向的侧壁具有侧开口（16），所述循环泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管之一的一端与所述入口端相连，所述循环泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管中的另一个的一端与所述侧开口相连，所述循环泵配用泵管的另一端与循环泵相连，所述燃料滴注泵配用泵管的另一端与燃料滴注泵相连，所述混合管在所述侧开口与所述出口端之间的管中安装有至少两个螺旋状混合单体（13）。本发明相较于现有技术具有体积小、无需外部能量驱动、稀释速度快、无噪声的优点。

Description

燃料电池燃料供应装置

技术领域

本发明涉及一种燃料电池燃料供应装置，尤其涉及可以将纯甲醇快速稀释为指定浓度溶液的燃料供应装置。

背景技术

下面的现有技术说明涉及本申请的应用领域之一，即直接甲醇燃料电池（DMFC）。

DMFC的最大特点是利用纯甲醇作为燃料，即使按照21%的综合能量转换效率计算，输出功率为400W的DMFC持续工作一小时仅需要424毫升的纯甲醇，因此使用较高能量密度比的纯甲醇作为燃料可以大大提高DMFC的实用性。但DMFC的质子交换膜在高浓度的溶液环境中根本无法正常工作，研究证实DMFC比较适合的燃料浓度为1～2M，这意味着燃料在进入DMFC电堆前必须进行稀释。

DMFC实用的一大障碍是其较慢的响应速度，相关研究文献[1-4]中均有提到燃料电池输出电压有滞后于负载电流变化的情形，但文献提供的滞后时间从几秒到几十秒不等，但上述文献中实验数据都是恒定浓度溶液条件下获得的，因此响应的延迟应是所用电堆结构和运行条件不同导致的燃料在DMFC阳极室中扩散速度不同所致）。文献[5]注意到了因燃料加注导致的响应滞后，并指出因燃料加注产生延迟时间和进料管的容积成正比，和溶液的流速成反比。实验数据显示电堆正常运行时该延迟时间可达数百秒，远大于因甲醇扩散引发的延迟。另外，在DMFC驱动的负载功率发生变化时，往往需要根据输出功率的变化动态调节燃料的浓度，这个过程也需要一定的时间。因此甲醇较慢的氧化反应速度虽然对DMFC的响应速度会产生一定的影响，但决不是主要原因，低速的进料模式产生的数百秒的死区时间才是影响DMFC性能的主要因素。

虽然提高燃料流速可以降低因加注燃料产生的死区时间，但流速的增加不仅会因附属设备功耗的增加而降低DMFC的效率，还会对DMFC的输出性能产生不利的影响，因此仅仅通过增加流速以提高DMFC的响应速度的方法并不可行。比较可行的方法是改变传统的燃料稀释和加注模式，以减少燃料稀释时间和加注时间，从而提高DMFC的响应速度。

目前通用的稀释方法是将冷凝水和纯甲醇混合后导入一容积较大的容器中，利用主动搅拌装置将其混合均匀，通过控制纯甲醇的加注量控制容器中甲醇溶液的浓度。混合后的甲醇溶液经循环泵驱动进入阳极流道，此种方法虽然简单，但存在如下缺陷：

1）主动搅拌装置会增加系统的复杂性，不利于DMFC电源系统的小型化；

2）主动搅拌装置需要能量驱动，导致电源系统效率的降低；

3）搅拌室较大的容积使得溶液浓度的改变需要较长的时间，导致DMFC响应时间增加；

4）主动搅拌装置会产生噪声。

因此，提供一种体积小、无需外部能量驱动、稀释速度快、无噪声的燃料供应装置，对于提高DMFC的实用性无疑有着重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池的燃料供应装置，包括混合管、循环泵配用泵管、燃料滴注泵配用泵管，混合管具有入口端和出口端，循环泵配用泵管和燃料滴注泵配用泵管之一的一端与入口端相连，循环泵配用泵管和燃料滴注泵配用泵管中的另一个的一端与侧开口相连，循环泵配用泵管的另一端与循环泵相连，燃料滴注泵配用泵管的另一端与燃料滴注泵相连，混合管在侧开口与出口端之间的管中安装有至少两个螺旋状混合单体。

优选地，每两个相邻的混合单体方向相反地交叉固定在管道内。

优选地，混合管的容积为10ml～200ml。

本发明还提供一种直接甲醇混合管靠近其入口端方向的侧壁具有侧开口燃料电池，包括如上所述的燃料供应装置，及包括储液室、甲醇供给源和燃料电池阳极室，其中燃料供应装置的循环泵与储液室相连，燃料供应装置的燃料滴注泵与甲醇供给源相连，及燃料供应装置的混合管的出口端与燃料电池阳极室相连。

附图说明

本发明将在下面参考附图、结合优选实施方式进行更完全地说明。

图1为根据本发明的燃料供应装置的结构示意图。

图2为多个混合单体连接在一起的构造示意图。

图3为单一混合单体的示意图。

图4为包括根据本发明的燃料供应装置的燃料电池阳极溶液循环装置结构示意图。

为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。在所有附图中，同样的附图标记用于同样或对应的部分。

通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。对于本领域的技术人员来说，从下面的详细描述可显而易见地得出其它实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的燃料供应装置的实施例。该燃料供应装置包括混合管10、循环泵配用泵管11、燃料滴注泵配用泵管12，混合管具有入口端14和出口端15，混合管靠近其入口端方向的侧壁具有侧开口16，循环泵配用泵管的一端与入口端相连，燃料滴注泵配用泵管的一端与侧开口相连。循环泵配用泵管的另一端与循环泵相连，燃料滴注泵配用泵管的另一端与燃料滴注泵相连，在该实施例中，循环泵和燃料滴注泵均为蠕动泵。混合管在侧开口与出口端之间的管中安装有至少两个螺旋状混合单体13，每两个相邻的混合单体方向相反地交叉固定在管道内，即多个左、右旋混合单体依序相互垂直紧密排列在管道内，如图2中所示。为清楚起见，图3示出了单一螺旋状混合单体的结构示意图。液体混合过程中混合单体本身不会发生旋转运动，混合管内也无任何转动部件，混合的能量来自于水流的动能。流体在混合管内流动时，每一混合单体将液流一分为二，混合管内总分流数以混合单体数量的几何级数递增。由于相邻的混合单体方向相反，使水流不断产生方向相反的旋紊流状态，从而在每个单体的两端产生旋涡，这种旋涡、反旋涡增强了混合效率。如此在混合管内时发生多种混合作用，使不同液体在短时间完成有效混合。

图1中所示的混合管的容积为10ml～200ml，较小容积可以保证较高的响应速度；而较大容积虽然响应速度相对较慢，但混合效果更好。在优选实施例中，混合管的容积为50ml，及其中包括5个混合单体。

通过在直接甲醇燃料电池的阳极进料端加装本发明燃料供应装置，该装置的两个进料端分别和两个蠕动泵连接，蠕动泵受控制系统的控制，并根据控制系统的设定流速向混合管内注入纯甲醇和纯净水（或低浓度甲醇溶液），根据对燃料的供应量的不同要求，混合管内的溶液的流速为1ml/min~100ml/min。控制系统通过两个蠕动泵控制甲醇注入速度和低浓度溶液速度进而控制混合后溶液的浓度。控制系统根据直接甲醇燃料电池驱动负载功率确定注入阳极流道内溶液的浓度，并进一步确定控制用于加注甲醇和纯净水（或低浓度甲醇溶液）蠕动泵的控制电压，从而控制纯甲醇和纯净水（或低浓度甲醇溶液）的加注速度，达到控制进入直接甲醇燃料电池阳极流道内溶液的流速和浓度的目的。在蠕动泵的压力下，纯甲醇在混合管内快速稀释为指定浓度的甲醇溶液后注入直接甲醇燃料电池阳极流道内。具体地，驱动的负载功率增加时，直接甲醇燃料电池输出电压会快速下降，控制系统根据算法增加甲醇的加注速度和（或）循环溶液的流动速度，通过快速补充甲醇燃料，保证DMFC足够的燃料供应，从而维持输出电压稳定。驱动的负载功率减小时，控制系统根据控制算法降低甲醇的加注速度和（或）循环溶液的流动速度，通过快速降低DMFC阳极流道内的甲醇浓度，降低甲醇穿透。

上述燃料供应装置实施例具有如下优点：体积小，利于DMFC电源系统的小型化；无需外部能量驱动，可以减少附属设备的功率消耗，利于提高电源系统的整体效率；在溶液流动过程中完成甲醇的稀释，可以大大减少因甲醇稀释造成的时间滞后，大幅度提高直接甲醇燃料电源系统的响应速度。也就是说，本发明燃料供应装置将溶液流动和稀释两个过程合二为一，大幅缩短了燃料进入阳极流道的时间，从而最大限度地因降低甲醇稀释和溶液流动造成的死区时间。

图4示出了包括上述燃料供应装置的直接甲醇燃料电池的阳极溶液循环装置结构示意图。上述燃料供应装置的循环泵与储液室相连，燃料供应装置的燃料滴注泵与纯甲醇供给源相连，及燃料供应装置的混合管的出口端与燃料电池阳极室相连。燃料电池阳极室经冷凝器将阳极流道溶液送入储液室中，燃料电池阴极室经冷凝器将阴极冷凝水送入储液室中，因而储液室中为纯水或低浓度甲醇溶液。具有本发明燃料供应装置的燃料电池输出的滞后时间远低于现有技术燃料电池。

一些优选实施例已经在前面进行了说明，但是应当强调的是，本发明不受这些实施例的限制，而是可以权利要求限定的主题内的其它方式实现。

参考文献：

[1].Argyropoulos,P.,K.Scott and W.M.Taama,Dynamic response of thedirect methanol fuel cell under variable load conditions.Journal of Power Sources,2000.87(1-2):p.153-161.

[2].Sundmacher,K.,et al.,Dynamics of the direct methanol fuel cell(DMFC):experiments and model-based analysis.Chemical Engineering Science,2001.56(2):p.333-341.

[3].Argyropoulos,P.,K.Scott and W.M.Taama,The effect of operatingconditions on the dynamic response of the direct methanol fuel cell.ElectrochimicaActa,2000.45(12):p.1983-1998.

[4].Krewer,U.and K.Sundmacher,Transfer function analysis of thedynamic behaviour of DMFCs:Response to step changes in cell current.Journal ofPower Sources,2006.154(1):p.153-170.

[5].Schultz,T.,U.Krewer and K.Sundmacher,Impact of electrode kineticson the dynamic response of a DMFC to change of methanol feed concentration.Journal of Power Sources,2007.165(1):p.138-151.

Claims

1.一种燃料电池燃料供应装置，包括混合管（10）、循环泵配用泵管（11）、燃料滴注泵配用泵管（12），所述混合管具有入口端（14）和出口端（15），所述混合管靠近其入口端方向的侧壁具有侧开口（16），所述循环泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管之一的一端与所述入口端相连，所述循环泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管中的另一个的一端与所述侧开口相连，所述循环泵配用泵管的另一端与循环泵相连，所述燃料滴注泵配用泵管的另一端与燃料滴注泵相连，所述混合管在所述侧开口与所述出口端之间的管中安装有至少两个螺旋状混合单体（13）。

2.根据权利要求1的燃料供应装置，其中每两个相邻的混合单体方向相反地交叉固定在管道内。

3.根据权利要求1或2的燃料供应装置，其中所述混合管的容积为10ml～200ml。

4.根据权利要求1或2的燃料供应装置，其中所述混合管内的溶液的流速为1ml/min~100ml/min。

5.根据权利要求1或2的燃料供应装置，其中混合管、循环泵配用泵管和燃料滴注泵配用泵管可一体形成。

6.根据权利要求1或2的燃料供应装置，其中所述出口端朝向出口的方向逐渐变细。

7.根据权利要求1或2的燃料供应装置，还包括出口管，所述出口管与所述出口端相连。

8.根据权利要求1或2的燃料供应装置，其中所述混合单体的材料为金属、塑料、陶瓷或玻璃。

9.根据权利要求3的燃料供应装置，其中所述混合管的容积为50ml，及所述混合管内包括5个混合单体。

10.一种直接甲醇燃料电池，包括根据权利要求1-9任一所述的燃料供应装置、储液室、甲醇供给源和燃料电池阳极室，其中燃料供应装置的循环泵与储液室相连，燃料供应装置的燃料滴注泵与甲醇供给源相连，及燃料供应装置的混合管的出口端与燃料电池阳极室相连。