CN103066310B - 用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，包括蒸发器、温控系统、反应物回收装置、热量平衡装置；反应物回收装置包括蛇形管路和甲醇冷却箱；蛇形管路一端与电池反应体的反应物排出口相接，另一端穿过甲醇冷却箱下部，中间部分置于甲醇冷却箱中；甲醇冷却箱置于室温环境中，内部储存液体甲醇，箱体下部通过阀门与蒸发器连通；热量平衡装置由热管均匀排列组合而成。本发明采用蒸汽形式提供电池反应的燃料，有效地解决了甲醇的穿透问题，提高了被动式自呼吸直接甲醇燃料电池的阻醇性能，可以在高甲醇浓度的条件下工作，提高了燃料利用率；由于阳极反应物温度的提高和压强的提高，提高了电池反应的速率，从而提高了放电速率。

Description

用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统。

背景技术

直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，以下简称DMFC)是直接利用甲醇水溶液作为燃料，氧或空气作为氧化剂的一种燃料电池。

DMFC的半电池反应和总反应可表示如下：

阳极反应为CH₃OH+H₂O→6H⁺+6e^-+CO₂

阴极反应为3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

电池总反应为CH₃OH+3/2O₂→2H₂O+CO₂

DMFC由于具有较高的能量密度，燃料易得，使用便利，设备简单，绿色环保等优点，被业内认为是最有潜力率先实现市场化的一类燃料电池。现阶段我国在DMFC研发方面虽然已经取得一定的研究成果，但是都是利用液态甲醇溶液作为原料，这不可避免地会遇到以下问题：（1）甲醇穿透现象严重，功率密度低，甲醇利用率低；（2）甲醇浓度低，到达阳极的甲醇被稀释；（3）反应温度低（≤90℃），电池活性低；（4）电池两极均存在两相传质受阻现象。以上因素共同作用，大大限制了DMFC的性能，使得人们不得不继续探索采用蒸汽供给的形式为DMFC提供燃料。

以蒸汽形式为燃料电池供给燃料具有以下优点：

(1)能够有效降低甲醇穿透,提高燃料的利用率。

(2)有更高的工作温度和压力,提高氧化反应的速率,提高能量的输出量。

(3)可以实现纯甲醇供料，具有更高的能量密度。

(4)能够有较高的传质速率，提高燃料供给速率。

上述论述表明，采用蒸汽形式供给燃料的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池具有更加优异的输出性能，对于直接甲醇燃料电池的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可以提高电池发电效率的用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，包括蒸发器、温控系统、反应物回收装置、热量平衡装置；反应物回收装置包括蛇形管路和甲醇冷却箱；蛇形管路一端与电池反应体的反应物排出口相接，另一端穿过甲醇冷却箱下部，中间部分置于甲醇冷却箱中；甲醇冷却箱置于室温环境中，内部储存液体甲醇，箱体下部通过阀门与蒸发器连通；热量平衡装置由热管均匀排列组合而成。

优选的，所述温控系统包括电热丝、继电器、开关、温控仪、热电偶、以及电源，电源为温控系统提供能量，并接到温控仪的电源接线端，温控仪采用智能温控仪，温控仪SSR输出端接继电器，继电器输出端接到电热丝，K型热电偶正负极分别接到温控仪的热电偶接线“+”“-”端。

优选的，还包括保温层，所述保温层设置在整个电池反应体的外部。

优选的，所述蒸发器与电池反应体之间置有多孔金属纤维板，所述多孔金属纤维板由不锈钢纤维烧结而成。

优选的，多孔金属纤维板由直径为20-200μm的不锈钢金属纤维烧结而成，孔隙率为70%-90%，渗透率为10^-12-10^-9m²，孔径为50μm-500μm，厚度为2mm-4mm。

优选的，所述蒸发器采用透明材料制成。

优选的，所述电热丝通过燃料腔壁上的通孔置于燃料腔内部，并且表面涂有导热性能良好且耐甲醇腐蚀的绝缘导热硅胶。

优选的，所述热管呈“U”型，蒸发段嵌入蒸发器内部，用导热硅胶固定，冷凝段嵌入电池反应体内部，用导热硅胶固定，绝热段置于外部空气中。

优选的，所述蛇形管路通过流量阀与电池反应体相接，所述蛇形管路由导热性能良好且耐甲醇溶液腐蚀的金属材料制成。

优选的，所述蛇形管路内部填充有不锈钢纤维，并经过烧结处理，孔隙率为70%-90%，渗透率为10^-12-10^-9m²，孔径为50μm-500μm。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明采用蒸汽形式提供电池反应的燃料，有效地解决了甲醇的穿透问题，提高了被动式自呼吸直接甲醇燃料电池的阻醇性能，可以在高甲醇浓度的条件下工作，提高了燃料利用率；由于阳极反应物温度的提高和压强的提高，提高了电池反应的速率，从而提高了放电速率。

（2）本发明采用多孔微结构金属纤维板，增大了传质传热的比表面积，提高了传质阻力和传热速率，提高了燃料的利用效率，从而提高了电池的输出性能。

（3）本发明利用热管技术实现热量在不同单元之间的快速传导，提高了能量的利用效率，解决了直接甲醇燃料电池反应速率偏慢的问题，提高了电池性能。

（4）本发明利用蛇形管路过滤反应产物CO₂，同时回收未反应甲醇，并充分利用反应产物CO₂和未反应燃料的热量预热待用甲醇溶液，提高了电池整体的能量利用率，并在蛇形管路内部填充不锈钢金属纤维，提高运动阻力，保证冷凝充分。

（5）本发明通过温控设备控制燃料蒸发的速率，从而控制电池反应的速率，实现电池电量输出的可控性，方便快捷，提高了燃料的利用效率。

（6）本发明结构简单，装配方便，生产成本低，特别是具有良好的阻醇性能，适合高浓度甲醇供给，能够有效提高电池能量密度，延长工作时间，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的应用装配示意图。

图2是图1的结构分解图

图3是本发明中蒸发器结构示意图。

图4是本发明中温控装置电路图。

图5是本发明中蛇形管路结构示意图。

图6是本发明中甲醇冷却箱结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

为进一步理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，包括蒸发器3、温控系统、反应物回收装置、热量平衡装置、保温层；反应物回收装置包括蛇形管路4和甲醇冷却箱5；蛇形管路4一端与电池反应体1的反应物出口相接，另一端穿过甲醇冷却箱5下部的通孔20，中间部分置于甲醇冷却箱5的甲醇腔21中；甲醇冷却箱5置于室温环境中，内部储存液体甲醇，箱体下部通过阀门与蒸发器3连通；热量平衡装置由热管2均匀排列组合而成，热管蒸发段嵌入蒸发器内部，冷凝段嵌入电池反应体内部，绝热段置于外部空气中；温控系统包括电热丝16、继电器、开关、温控仪14、热电偶15、电源；保温层位于整个电池反应体的外部，防止热量散失；蒸发器3与电池反应体1之间置有多孔金属纤维板7，多孔金属纤维板7由直径为20-200μm的不锈钢金属纤维烧结而成，孔隙率为70%-90%，渗透率为10^-12-10^-9m²，孔径为50μm-500μm，厚度为2mm-4mm，能够有效提高传质阻力，实现均匀传质。

如图3所示，蒸发器燃料腔9与多孔金属纤维板7形成燃料储存空间，用于储存液体燃料甲醇溶液；燃料腔9的截面形状和有效面积与电池反应的有效面积相同；在蒸发器3器壁上有第二螺孔13，用于连接阀门6，继而连接甲醇冷却箱5，便于向燃料腔9内补充液态燃料；在腔的内部通过孔12安置电热丝16，将电热丝16与外部温控仪14、开关、电源连接；蒸发器3器壁上设有第一螺孔10以安装热电偶15；蒸发器3外侧有保温层，防止热量散失；蒸发器3燃料腔9壁上设有热管插孔11，用于安放热管2。

如图4所示，温控装置包括电热丝16、继电器、开关、温控仪14、热电偶15、电源，控制蒸发器的工作温度；电热丝16置于蒸发器燃料腔9内，通电发热后加热甲醇溶液获得蒸汽燃料；热电偶15的工作端通过蒸发器器壁置于燃料腔9，与燃料接触后探测燃料温度，热电偶15导线端接在温控仪14的端口上；电源为电热丝16、温控仪14提供电能。

反应物回收装置是反应产物CO₂和未反应的甲醇蒸汽以及水的处理回收装置，将未反应的甲醇蒸汽冷凝后回收利用，将反应产物CO₂过滤后排出，同时用甲醇蒸汽、水蒸气以及CO₂的热量预热待利用甲醇溶液，提高电池体系的能量利用率，节能环保。蛇形管路4一端通过流量阀与电池反应体1相连，流量阀在控制反应物的排出速率，继而控制电池体系的物质交换速率，使反应充分进行，并保证冷凝充分；蛇形管路4弯曲部分置于甲醇冷却箱5内部；蛇形管路4内部填充烧结不锈钢纤维17，孔隙率在70%-90%，可以增大蒸汽冷凝面积，增大运动阻力，保证冷凝充分；蛇形管路4的下端由甲醇冷却箱5上的通孔20穿出，两者用橡胶管套连接保证密封；蛇形管路4下端暴露在空气中，将CO₂排出电池系统，并将冷凝后的甲醇收集。

如图1和图2所示，热管平衡装置由热管2均匀并联组合而成，热管2蒸发段嵌入蒸发器3的燃料腔9内部，用导热胶固定，冷凝段嵌入电池反应体1内部，用导热胶固定，绝热段置于外部空气中。

结合具体的数据对本发明技术方案做进一步的说明，如图1所示，蒸发器3加工成60mm×60mm×27mm，材料为有机玻璃；燃料腔9与电池反应面积相同为32mm×32mm，深度为23mm；多孔金属纤维板7为不锈钢纤维在氮气气氛保护烧结炉内，900℃烧结30min而成，烧结后便可制备具有80%孔隙率的多孔金属纤维板，由气泡法测得多孔金属纤维板的平均孔径为580μm，渗透率为3.4×10^-9m²。多孔金属纤维板7面积与电池反应面积相同为32mm×32mm，厚度为3mm，用K-5203导热硅胶固定于蒸发器燃料腔9上部的梯形槽内；热管2采用铜作管壳，水为工作介质，吸液芯为烧结粉末管芯，功率为5W，加工成图1中所示形状，数目在2-6之间，如图1所示，均匀排列在蒸发器上侧面、下侧面与左侧面，将热管蒸发段与甲醇溶液接触，用橡胶管套密封，将冷凝段固定于电池反应体1的通孔11，用橡胶管套密封。在蒸发器3与电池反应体1之间垫有硅胶垫圈8。

如图4所示，电热丝16功率为100W，通过导线将电池集电板与电池相连可以完成充电；热电偶15为K型热电偶，用螺纹安装入蒸发器3的螺孔10中；温控仪14、继电器均为市场所售产品。

如图6所示，甲醇冷却箱5加工成36mm×36mm×23mm，材料为有机玻璃；甲醇腔21为30mm×30mm×20mm，下端通孔20直径为5mm。甲醇冷却箱5通过第三螺孔19与阀门相接，阀门6为市场上所售G1/16球阀，阀门6另一端与蒸发器3相连。

如图5所示，蛇形管路4为不锈钢管，外径为4mm，内径为3mm；在管内填充不锈钢金属纤维17，不锈钢金属纤维17的长度在20-200μm，然后放到氮气氛围保护的烧结炉内，800℃烧结30分钟，使得不锈钢金属纤维17与管壁18充分粘接，孔隙率为70%-90%；蛇形管路4一端连接流量阀，继而与电池反应体1的反应产物排出口相接，流量阀可采用爱克斯SLA-6节流阀，另一端从甲醇冷却箱5的通孔20穿出，通孔20与蛇形管路4通过橡胶管套密封；管口下端回收甲醇。整个电池系统外部用电木及石棉保温。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，包括蒸发器、温控系统、反应物回收装置、电池反应体、以及热量平衡装置，其特征在于，反应物回收装置包括蛇形管路和甲醇冷却箱；蛇形管路一端与电池反应体的反应物排出口相接，另一端穿过甲醇冷却箱下部，中间部分置于甲醇冷却箱中；甲醇冷却箱置于室温环境中，内部储存液体甲醇，箱体下部通过阀门与蒸发器连通；热量平衡装置由热管均匀排列组合而成；所述蒸发器与电池反应体之间置有多孔金属纤维板，所述多孔金属纤维板由不锈钢纤维烧结而成；所述蛇形管路通过流量阀与电池反应体相接，所述蛇形管路由耐甲醇溶液腐蚀的金属材料制成；所述蛇形管路内部填充有不锈钢纤维，并经过烧结处理，孔隙率为70％‐90％，渗透率为10^‐12‐10^‐9m²，孔径为50μm‐500μm。

2.根据权利要求1所述的用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，其特征在于，所述温控系统包括电热丝、继电器、开关、温控仪、热电偶、以及电源，电源为温控系统提供能量，并接到温控仪的电源接线端，温控仪采用智能温控仪，温控仪SSR输出端接继电器，继电器输出端接到电热丝，K型热电偶正负极分别接到温控仪的热电偶接线“+”“-”端。

3.根据权利要求1所述的用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，其特征在于，还包括保温层，所述保温层设置在整个电池反应体的外部。

4.根据权利要求1所述的用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，其特征在于，多孔金属纤维板由直径为20-200μm的不锈钢金属纤维烧结而成，孔隙率为70％-90％，渗透率为10^-12-10^-9m²，孔径为50μm-500μm，厚度为2mm-4mm。

5.根据权利要求1所述的用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，其特征在于，所述蒸发器采用透明材料制成。

6.根据权利要求2所述的用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，其特征在于，所述电热丝通过燃料腔壁上的通孔置于燃料腔内部，并且表面涂有导热性能良好且耐甲醇腐蚀的绝缘导热硅胶。

7.根据权利要求1所述的用于被动式直接甲醇燃料电池的热/流管理系统，其特征在于，所述热管呈“U”型，蒸发段嵌入蒸发器内部，用导热硅胶固定，冷凝段嵌入电池反应体内部，用导热硅胶固定，绝热段置于外部空气中。