CN105449246A - 一种直接甲醇燃料电池供给系统和方法 - Google Patents

一种直接甲醇燃料电池供给系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直接甲醇燃料电池供给系统和方法。包括直接甲醇燃料电池、超声雾化器、微流控芯片、燃料储存箱、纯甲醇储存箱、水储存箱、微泵、供给管道；微流控芯片包括流场通道；流场通道为非对称式方形循环腔、圆弧通道、扩张腔依次相连；甲醇储存箱和水储存箱通过供给管道分别与微流控芯片的两个进口相连，且用微泵对两者的流量进行控制；微流控芯片的出口与燃料储存箱相连；燃料储存箱的出口通过微泵连接超声雾化器；所述超声雾化器连通甲醇燃料电池的阳极流场板。本发明的优点在于使用该方式混合的甲醇溶液浓度可控，混合均匀，将为雾化供给方式提供良好的条件，从而进一步提高燃料电池的性能；均匀的甲醇溶液提高了电池放电的稳定性。

Description

一种直接甲醇燃料电池供给系统和方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池供给系统和方法。
背景技术
燃料电池具有高效能、低噪声、无污染、可靠性高等优点，因而受到了人们的广泛关注。其中，质子交换膜燃料电池由于可在室温时快速启动，并可按负载要求改变输出功率，因而一直是人们研究的热点。直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种，由于其具有能量密度高、燃料来源广等优点因而被期望用于各种便携式电子设备中。然而，由于阳极的甲醇会通过质子交换膜到达电池的阴极(甲醇渗透)，在阴极发生电化学氧化，与氧气的电化学还原形成短路，产生混合电位，降低开路电压，从而降低了燃料电池的性能。为了解决这一问题，许多的技术方案被提出，其中超声雾化供给方式能够有效缓解甲醇渗透问题而不降低电池的能量密度、适用范围广。
微流控技术是近十几年来各学科领域研究的重点课题，该技术能够精确控制和操控微尺度流体，主要具有以下特点：第一，微加工技术制作的微流控芯片的微小尺度使多个部件和功能集中在数平方厘米的芯片上，因而体积小，便于携带；第二，操作简便，液体流动可控，通过控制液体的进口流速，就能精确控制物质的浓度；第三，微流控芯片将液体控制在微小的体积中，传质速率高，因而具有极高的混合效率。微流控技术的这些优点，使其在社会各领域尤其是化学、生物、医药等领域得到了广泛的应用。
目前直接甲醇燃料电池领域中甲醇溶液的配置多采用人工或机械的方式事先进行大剂量的混合，然后再将其直接用于电池的供给。由于雾化供给方式受溶液浓度影响较大，而传统的燃料配制方式由于诸多操作及设备的误差则容易存在浓度控制不精确、混合不均等问题。浓度控制不精确一方面使电池的性能无法得到充分发挥，另一方面使得电池的输出性能与期望的输出之间产生较大的误差。而燃料混合不均匀也将带来一系列问题：浓度高时甲醇渗透加剧，降低电池的开路电压；浓度较低时甲醇渗透问题又有所缓解，这将导致电池的动态性能不稳定。传统的燃料配制方式限制了直接甲醇燃料电池性能的进一步提高；利用人工进行燃料的配制则加大了人工劳动强度、增加了整体的成本，而且使电池的操作也更为复杂。
发明内容
本发明目的在于提供一种直接甲醇燃料电池半循环装置和方法，采用超声雾化供给的方式减少甲醇渗透，利用微流控技术为雾化供给方式提供浓度精确、混合均匀的燃料从而提高直接甲醇燃料电池的性能，同时实现对阴极反应中产物水的回收利用。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种直接甲醇燃料电池供给系统，包括超声雾化器、微流控芯片、燃料储存箱、纯甲醇储存箱、水储存箱、微泵、供给管道；
所述纯甲醇储存箱和水储存箱通过供给管道分别与微流控芯片的两个进口相连，且用微泵对两者的流量进行控制；微流控芯片的出口与燃料储存箱相连；燃料储存箱的出口通过微泵连接超声雾化器；所述超声雾化器安装在直接甲醇燃料电池的封装外壳上使其成为一体，且连通甲醇燃料电池的阳极流场板。
按上述方案，燃料电池的阴极流场板与水储存箱相连实现阴极反应产物的回收。
按上述方案，燃料电池的阳极流场板与燃料储存箱相连实现阳极多余甲醇溶液的回收。
一种直接甲醇燃料电池半循环系统，包括直接甲醇燃料电池、超声雾化器、微流控芯片、燃料储存箱、纯甲醇储存箱、水储存箱、微泵、供给管道；所述直接甲醇燃料电池包括封装外壳、阳极流场板、膜电极组件、阴极流场板、密封圈；
所述纯甲醇储存箱和水储存箱通过供给管道分别与微流控芯片的两个进口相连，且用微泵对两者的流量进行控制；微流控芯片的出口与燃料储存箱相连；燃料储存箱的出口通过微泵连接超声雾化器；所述超声雾化器安装在直接甲醇燃料电池的封装外壳上使其成为一体，且连通甲醇燃料电池的阳极流场板；燃料电池的阴极流场板与水储存箱相连实现阴极反应产物的回收；燃料电池的阳极流场板与燃料储存箱相连实现阳极多余甲醇溶液的回收。
按上述方案，所述微流控芯片的流场通道为非对称式方形循环腔、圆弧通道、扩张腔依次相连；方形循环腔扩张比为1:8，扩张腔扩张比为1:5。
上述直接甲醇燃料电池供给方法，包括以下步骤：
当电池开始工作时，在直接甲醇燃料电池自身电能的驱动下，通过微泵分别控制纯甲醇储存箱和水储存箱中甲醇和水的出口流量实现甲醇溶液浓度的控制，进入微流控芯片的甲醇和水快速均匀混合得到甲醇溶液，进入燃料储存箱中。
燃料储存箱中甲醇溶液由供给管道进入到超声雾化器中，在超声作用下被雾化，以液滴的形式进入所述燃料电池的阳极流场板进行发电。
按上述方案，还包括经阴极流场板还原反应产生的水进入水储存箱回收，阳极流场板多余的甲醇溶液进入燃料储存箱回收。
按上述方案，所述液滴粒径在50微米以下。
按上述方案，所述甲醇溶液的浓度范围0.5～12mol/L
按上述方案，所述超声的频率为50-55KHz。
本发明微流控芯片的特有结构能够实现两种物质的快速混合，在微流控芯片的出口处就能获得浓度精确、混合均匀的甲醇溶液，结合超声雾化燃料供给方式，得到一种高性能直接甲醇燃料电池供给系统。微流控技术的引进能够把人们从燃料配制的工作中解放出来，实现燃料的自动混合、供给，得到的混合溶液的浓度也更为均匀、准确。微流控技术和雾化供给方式的结合有望缓解阳极甲醇渗透的问题，使电池的动态性能更为稳定。
微流控技术能够操控微小尺度的流体进行混合，具有体积小、响应迅速、控制精确等优点。采用微流控芯片能实现溶液之间的自动混合，通过控制两者进入芯片的流量比例就能操控芯片出口处的燃料浓度，精巧的通道结构则能够实现甲醇与水的快速、均匀混合。微流控技术与雾化供给方式的结合，进一步提高了电池的稳定性和使用性能。此外，阴极的水的回收利用，阳极甲醇溶液的回收利用，形成了一个半循环系统。
本发明的有益效果：
本发明的优点在于使用该方式混合的甲醇溶液浓度可控，混合均匀，将为雾化供给方式提供良好的条件，从而进一步提高燃料电池的性能；均匀的甲醇溶液提高了电池放电的稳定性；溶液的混合实现了自动化，减轻了人工劳动强度，降低了系统误差和整体成本；该燃料电池系统实现了阴极产物水的回收利用，节约了原料。该混合方式不仅适用于直接甲醇燃料电池，而且适用于其他任何需要进行物质混合的场合；不仅适用于微小型的单个电池，而且对大型的多个电池组成的电池堆也同样适用。
附图说明
图1：本发明直接甲醇燃料电池供给系统示意图；
图2：微流控芯片通道结构示意图；
图3：微流控芯片用于甲醇与水混合的效率图；
其中，1-电池负载，2-超声雾化器，3-微泵，4-燃料储存箱，5-微流控芯片，6-纯甲醇储存箱，7-微泵，8-微泵，9-水储存箱，10-直接甲醇燃料电池，11-通道入口1，12-流场通道，13-通道出口，14-通道入口2；121-方形循环腔；122-圆弧通道；123-扩张腔。
具体实施方式
以下实施例用于进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
参照附图1所示直接甲醇燃料电池供给系统示意图，包括超声雾化器2、微流控芯片5、燃料储存箱4、纯甲醇储存箱6、水储存箱9、微泵(3、7、8)、供给管道；所述直接甲醇燃料电池包括封装外壳、阳极流场板、膜电极组件、阴极流场板、密封圈；所述超声雾化器安装在直接甲醇燃料电池的封装外壳上使其成为一体。根据直接甲醇燃料电池的实际需要选定雾化供给所需的甲醇溶液浓度。电池开始工作时，在电池自身产生电能的驱动下，通过调节微泵7、8来调节水储存箱9和纯甲醇储存箱6的出口流量，可以操控进入微流控芯片5中甲醇和水的比例，从而得到特定浓度的甲醇溶液。之后混合好的甲醇溶液经供给管道进入到燃料储存箱4中。根据需要再通过微泵3控制燃料储存箱4出口处的出口流量，甲醇溶液经供给管道到达超声雾化器2，在超声振动作用下甲醇溶液由液流变成微小的液滴，供给至直接甲醇燃料电池的阳极。
直接甲醇燃料电池中，在阳极催化剂的作用下，甲醇发生氧化反应生成了二氧化碳(CO2)和氢离子(H+)，为了防止燃料堆积，未反应完的甲醇溶液将被回收至甲醇溶液储存箱4中，用于下一次供给。产生的H+穿过质子交换膜到达电池的阴极，在催化剂的作用下与阴极的(O2)发生还原反应生成水(H2O)。多余的水将经阴极流场通道进入到水储存箱9中，用作下一次稀释甲醇的原料。图1所示的供给系统结合直接甲醇燃料电池10构成了一个半循环系统。
对于小型的直接甲醇燃料电池，微流控芯片出口13的输出流量就能满足直接甲醇燃料电池的供给需要，从而可以去除附图1中的燃料储存箱4来达到简化装置的目的。
对于以液态方式进行供给的微型直接甲醇燃料电池，可将微流控芯片直接嵌入到电池的结构中，使它们成为一个整体，再通过微阀和微泵的控制和调节作用就能形成一个完整的微型电池系统。
参照附图1和2所示，所述纯甲醇储存箱6和水储存箱9通过供给管道分别与微流控芯片5的通道入口2(14)和通道入口1(11)相连，且用微泵(7、8)对两者的流量进行控制；微流控芯片5的通道出口13直接与燃料储存箱4相连；燃料储存箱4的出口则通过供给管道依次连接微泵3、超声雾化器2以及甲醇燃料电池的阳极流场板。微流控芯片5由玻璃和有机聚合物等材料制成，进出口和通道被刻在有机聚合物表面，然后将其密封在玻璃片上，包括11-通道入口1，12-流场通道，13-通道出口，14-通道入口2。所述流场通道12为非对称式方形循环腔121、圆弧通道122、扩张腔123依次相连；方形循环腔扩张比为1:8，扩张腔扩张比为1:5。工作时，通过调节微泵7和8来控制进入微流控芯片的纯甲醇和水的流量比，根据通道入口1、2的流量比例就能通道出口处的甲醇溶液的浓度，在芯片流场特殊结构的作用下，实现两股液体的均匀混合。如：在通道出口处获得浓度为12.82mol/L的甲醇溶液，只需保证微泵7和8的流量相同即可。
燃料电池的阴极流场板与水储存箱9相连实现阴极反应产物的回收。
燃料电池的阳极流场板与燃料储存箱4相连实现阳极多余甲醇溶液的回收。
在有电子负载1时，在直接甲醇燃料电池10自身电能的驱动下，通过微泵(3、7、8)分别控制纯甲醇储存箱6和水储存箱9中甲醇和水的出口流量实现甲醇溶液浓度的控制，进入微流控芯片5的甲醇和水快速均匀混合得到甲醇溶液，进入燃料储存箱中；
燃料储存箱4中甲醇溶液由供给管道进入到超声雾化器2中，在超声作用下被雾化，以液滴的形式进入所述燃料电池的阳极流场板进行发电。
液滴粒径在50微米以下。
甲醇溶液的浓度范围为0.5～12mol/L。
超声的频率为50-55KHz。
参照附图3，在室温条件下，对提出的通道结构进行实验。在水中掺入荧光粒子，将纯甲醇和水以相同的速度分别沿进口11和14通入到微流控芯片中。在共聚焦显微镜下，利用CCD相机拍摄通道出口处的流体图像。最后，对图像的灰度值进行提取，计算其标准偏差，就能计算出液体之间的混合程度。附图3中的实验结果显示，采用本发明微流控芯片，在较低流速时就能获得90％以上的混合效率。因而，微流控芯片的引入实现了纯甲醇和水的自动混合，为雾化供给创造了条件，有利于电池性能的进一步提高。

Claims (10)

1.一种直接甲醇燃料电池供给系统，其特征在于包括超声雾化器、微流控芯片、燃料储存箱、纯甲醇储存箱、水储存箱、微泵、供给管道；
所述纯甲醇储存箱和水储存箱通过供给管道分别与微流控芯片的两个进口相连，且用微泵对两者的流量进行控制；微流控芯片的出口与燃料储存箱相连；燃料储存箱的出口通过微泵连接超声雾化器；所述超声雾化器安装在直接甲醇燃料电池的封装外壳上使其成为一体，且连通甲醇燃料电池的阳极流场板。
2.如权利要求1所述直接甲醇燃料电池供给系统，其特征在于所述微流控芯片的流场通道为非对称式方形循环腔、圆弧通道、扩张腔依次相连；方形循环腔扩张比为1:8，扩张腔扩张比为1:5。
3.如权利要求1所述直接甲醇燃料电池供给系统，其特征在于所述燃料电池的阴极流场板与水储存箱相连实现阴极反应产物的回收。
4.如权利要求1所述直接甲醇燃料电池供给系统，其特征在于燃料电池的阳极流场板与燃料储存箱相连实现阳极多余甲醇溶液的回收。
5.一种直接甲醇燃料电池半循环系统，其特征在于包括直接甲醇燃料电池、超声雾化器、微流控芯片、燃料储存箱、纯甲醇储存箱、水储存箱、微泵、供给管道；所述直接甲醇燃料电池包括封装外壳、阳极流场板、膜电极组件、阴极流场板、密封圈；
所述纯甲醇储存箱和水储存箱通过供给管道分别与微流控芯片的两个进口相连，且用微泵对两者的流量进行控制；微流控芯片的出口与燃料储存箱相连；燃料储存箱的出口通过微泵连接超声雾化器；所述超声雾化器安装在直接甲醇燃料电池的封装外壳上使其成为一体，且连通甲醇燃料电池的阳极流场板；燃料电池的阴极流场板与水储存箱相连实现阴极反应产物的回收；燃料电池的阳极流场板与燃料储存箱相连实现阳极多余甲醇溶液的回收。
6.如权利要求5所述直接甲醇燃料电池供给系统，其特征在于所述微流控芯片的流场通道为非对称式方形循环腔、圆弧通道、扩张腔依次相连；方形循环腔扩张比为1:8，扩张腔扩张比为1:5。
7.权利要求1所述直接甲醇燃料电池供给方法，其特征在于包括以下步骤：
当电池开始工作时，在直接甲醇燃料电池自身电能的驱动下，通过微泵分别控制纯甲醇储存箱和水储存箱中甲醇和水的出口流量实现甲醇溶液浓度的控制，进入微流控芯片的甲醇和水快速均匀混合得到甲醇溶液，进入燃料储存箱中；
燃料储存箱中甲醇溶液由供给管道进入到超声雾化器中，在超声作用下被雾化，以液滴的形式进入所述燃料电池的阳极流场板进行发电。
8.如权利要求7所述直接甲醇燃料电池供给方法，其特征在于所述液滴粒径在50微米以下。
9.如权利要求7所述直接甲醇燃料电池供给方法，其特征在于所述甲醇溶液的浓度范围0.5～12mol/L。
10.如权利要求7所述直接甲醇燃料电池供给方法，其特征在于所述超声的频率为50-55KHz。
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