CN108666599A - 可控液体扩散速率的连接装置及直接甲醇燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控制液体扩散速率的连接装置及其应用在直接甲醇燃料电池系统中的方法。其中，该可控制液体扩散速率的连接装置，包括一组中空纤维膜组件，可控制开度大小的挡板。直接甲醇燃料电池系统中的高浓度甲醇储存箱与低浓度甲醇燃料箱通过可控制液体扩散速率的连接装置进行连接。本发明使用中空纤维膜组件代替液体泵控制甲醇的输送，使系统节省了液体泵运行所消耗的大量能量。

Description

可控液体扩散速率的连接装置及直接甲醇燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，具体是涉及一种可控制液体扩散速率的连接装置及直接甲醇燃料电池系统。

背景技术

直接甲醇燃料电池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。由于直接甲醇燃料电池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，因而在实际应用的领域具有广阔的发展前景。

目前，由于催化剂等研发技术方面的限制，只有较低浓度的甲醇水溶液可以直接作为甲醇燃料电池的燃料使用。为了保证一次加料后燃料电池较长的运行时间，存储低浓度甲醇水溶液的燃料箱体积会过于庞大，不仅提高了成本，也大大压缩了直接甲醇燃料电池的应用空间。其次，甲醇水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。但此传统的配料方式由于诸多操作及设备的误差容易造成浓度控制不精确、混合不均匀等问题，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误差。另外，传统的燃料配置方式加大了人工劳动强度、增加了整体的成本。

CN 1742401A公布了一种直接甲醇燃料电池系统，其中设置一高浓度甲醇储存箱，通过液体泵将高浓度甲醇输送到低浓度甲醇燃料箱中，并且将燃料电池阴极产生的水通过冷凝进行回收，同样通过液体泵输送到低浓度甲醇燃料箱中。低浓度甲醇燃料上方设置一甲醇捕集器，也是使用冷凝的方式回收溢出的甲醇蒸汽。这种方式一方面减小的燃料储存箱的体积，另一方面通过控制流量大小控制低浓度甲醇燃料箱中甲醇的浓度保持稳定。对燃料电池反应中产生的水和因高温蒸发溢出的甲醇进行回收和循环利用，减少了燃料的损耗。但是，此种方式最大的缺点是由于多设置了几个液体泵和冷凝换热器，造成大量的能量损耗。

中空纤维膜作为具有特殊分离功能的高分子合成膜，近三十年来发展非常迅速。中空纤维膜由于单位体积装填密度大、不用任何支撑体、设备小型化、结构简单化等优点，生产成本一般低于其他类型的膜，目前常用于大规模污水处理工程中，以及酸性气体处理、空气除湿等方面。用于制备中空纤维膜的材料非常多，如疏水性材料聚烯烃类、聚丙烯酸和全氟磺酸，亲水性材料如聚砜、醋酸纤维素、聚芳醚酮、聚芳醚砜和聚酰亚胺等。利用不同原材料制成的中空纤维膜的分离特性，可以将其应用到直接甲醇燃料电池系统中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种可控制液体扩散速率的连接装置及应用它的直接甲醇燃料电池系统，不仅减小了系统体积，实现甲醇、水的回收和循环利用，保证低浓度甲醇燃料浓度稳定，同时设备结构简单、能耗小、运行成本更低。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种可控制液体扩散速率的连接装置，包括连接于高浓度甲醇储存箱与一低浓度甲醇燃料箱之间的一组中空纤维膜组件和可控制该中空纤维膜组件的入口端或开口端的开度大小的挡板。

进一步的，所述中空纤维膜组件的膜材料为甲醇优先透过性膜，其管程入口端与所述高浓度甲醇储存箱相连通、管程出口端封闭，其壳程出口端与所述低浓度甲醇燃料箱相连通，壳程入口端封闭；或者其壳程入口端与所述高浓度甲醇储存箱相连通、壳程出口端封闭，其管程出口端与所述低浓度甲醇燃料箱相连通，管程入口端封闭。

一种直接甲醇燃料电池系统，包括燃料电池组、高浓度甲醇储存箱、低浓度甲醇燃料箱和连接于所述高浓度甲醇储存箱和所述低浓度甲醇燃料箱之间的所述可控制液体扩散速率的连接装置，所述高浓度甲醇储存箱中的纯甲醇或甲醇水溶液的浓度高于所述低浓度甲醇燃料箱中的甲醇水溶液；所述燃料电池组的阳极侧入口通过第一阳极管路连接至所述低浓度甲醇燃料箱，所述燃料电池组的阴极侧入口通过第一阴极管路引入空气，所述第一阳极管路上设有将所述低浓度甲醇燃料箱内的甲醇水溶液泵入所述燃料电池组的液体泵、用于检测所述第一阳极管路中甲醇水溶液的浓度的浓度传感器和用于调节进入所述燃料电池组内的甲醇水溶液的量的第一流量计；所述第一阴极管路上设有用于将空气泵入所述燃料电池组的空气泵和用于调节进入所述燃料电池组内的空气的量的第二流量计；所述燃料电池组的阳极侧出口排出的含二氧化碳气体的未反应甲醇水溶液，经过一第二阳极管路引入所述低浓度甲醇燃料箱中；所述燃料电池组的阴极侧出口排出的潮湿空气，经过一水气分离组件分离后，其中的空气排入大气中，其中的水引入一水储存箱中收集，所述水储存箱内收集的水经带有阀门的管路引入所述低浓度甲醇燃料箱；还包括一控制器，所述控制器根据所述浓度传感器提供的信号，通过一电磁阀调节所述挡板开度大小。

进一步的，所述水气分离组件为一组中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件的膜材料为透水不透气膜或者透气不透水膜，该中空纤维膜组件的入口端与所述燃料电池组的阴极侧出口通过管路相连接，其尾部出口端直接连通大气，其侧面出口端与所述水储存箱通过管路相连接。

进一步的，还包括一甲醇回收组件，所述甲醇回收组件为一组中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件的膜材料为透甲醇不透气膜或者透气不透甲醇膜，该中空纤维膜组件的入口端与所述低浓度甲醇燃料箱通过管路相连接，其尾部出口端直接连通大气，其侧面出口端与所述低浓度甲醇燃料箱通过管路相连接。

进一步的，所述第一阳极管路上还设有用于调节所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度的散热器和用于检测所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度的温度传感器，所述控制器根据所述温度传感器提供的信号，控制所述散热器调节所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度。

进一步的，所述第一阳极管路上还设有用于过滤杂质的燃料过滤器，所述第一阴极管路上还设有用于过滤杂质的空气过滤器。

进一步的，所述低浓度甲醇燃料箱内设有液位传感器，所述控制器根据所述液位传感器提供的信号，控制所述阀门打开或关闭。

本发明的有益效果是：本发明提供一种直接甲醇燃料电池系统，其中设置一高浓度甲醇储存箱，用于存储高浓度甲醇，以减小的燃料储存箱的体积，延长甲醇燃料的加料周期。高浓度甲醇储存箱与低浓度甲醇燃料箱通过一组中空纤维膜组件相连接，在连接处设置一可调节接口处开口大小的挡板，高浓度甲醇浓度差的推动力通过膜渗透进入低浓度甲醇燃料箱，渗透速率通过调节膜的接触面积大小来进行调节，即由调节挡板开口的大小来实现，此挡板开口大小由控制器进行调节。使用中空纤维膜组件代替液体泵控制甲醇的输送，使系统节省了为液体泵运行所消耗的大量能量。

燃料电池阴极产生的潮湿气体通过水气分离组件进行分离，水气分离组件为一组中空纤维膜组件，分离出的水排入水箱进行储存，实现水的循环利用，经分离后的剩余干燥气体直接从尾部排出至大气中。可能有少量水蒸气也会被干燥气体带走，但其损耗的量远远少于回收的水量，足够支持燃料电池系统的运行。低浓度甲醇燃料上方设置的甲醇回收组件为一组中空纤维膜组件，分离回收的甲醇直接回到低浓度甲醇燃料箱中，实现甲醇的回收，减少甲醇因蒸发产生的损耗，二氧化碳气体则直接排出至大气中。可能有少量甲醇蒸气也会被干燥气体带走，但其损耗的量远远少于回收的甲醇量，可以忽略不计。使用中空纤维膜组件代替上述两个过程使用的冷凝器，大大减少了因换热所消耗的能量，且过程简单，容易实现，使系统运行成本大大降低。

附图说明

图1为本发明直接甲醇燃料电池系统的实施例的结构框图；

图2为本发明可控制液体扩散速率的连接装置的实施例的结构原理示意图。

图3为本发明一种水气分离组件或者甲醇回收组件的实施例的结构原理示意图。

图4为本发明另一种水气分离组件或者甲醇回收组件的实施例的结构原理示意图。

图5为图3实施例的中空纤维组件管腔内部横截面结构原理示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。其中所说的结构或面的上面或上侧，包含中间还有其他层的情况。

如图1所示为本发明一种直接甲醇燃料电池系统实施例的结构框图，包括燃料电池组4、高浓度甲醇储存箱14、低浓度甲醇燃料箱13和连接于高浓度甲醇储存箱14和低浓度甲醇燃料箱13之间的可控制液体扩散速率的连接装置11，高浓度甲醇储存箱14中的纯甲醇或甲醇水溶液的浓度高于低浓度甲醇燃料箱13中的甲醇水溶液；燃料电池组4的阳极侧入口通过第一阳极管路连接至低浓度甲醇燃料箱13，燃料电池组4的阴极侧入口通过第一阴极管路引入空气，第一阳极管路上设有将低浓度甲醇燃料箱13内的甲醇水溶液泵入燃料电池组4的液体泵9、用于检测第一阳极管路中甲醇水溶液的浓度的浓度传感器8和用于调节进入燃料电池组4内的甲醇水溶液的量的第一流量计5；第一阴极管路上设有用于将空气泵入燃料电池组4的空气泵1和用于调节进入燃料电池组4内的空气的量的第二流量计3；燃料电池组4的阳极侧出口排出的含二氧化碳气体的未反应甲醇水溶液，经过一第二阳极管路引入所述低浓度甲醇燃料箱13中；燃料电池组4的阴极侧出口排出的潮湿空气，经过一水气分离组件19分离后，其中的空气排入大气中，其中的水引入一水储存箱16中收集，水储存箱16内收集的水经带有阀门15的管路引入低浓度甲醇燃料箱13；还包括一控制器20，控制器根据浓度传感器8提供的信号，通过一电磁阀可控制连接装置11中的液体扩散速率。

优选的，第一阳极管路上还设有用于调节所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度的散热器10和用于检测所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度的温度传感器7，控制器20根据该温度传感器7提供的信号，控制该散热器10调节第一阳极管路内甲醇水溶液的温度。

优选的，第一阳极管路上还设有用于过滤杂质的燃料过滤器6，所述第一阴极管路上还设有用于过滤杂质的空气过滤器2。

优选的，低浓度甲醇燃料箱13内设有液位传感器，控制器20根据液位传感器提供的信号，控制阀门打开或关闭。

如图2所示为本发明可控制液体扩散速率的连接装置的实施例的结构原理示意图。包括连接于高浓度甲醇储存箱14与低浓度甲醇燃料箱13之间的一组中空纤维膜组件和可控制该中空纤维膜组件的入口端或开口端的开度大小的挡板111。该中空纤维膜组件的膜材料为甲醇优先透过性膜，其管程112入口端与高浓度甲醇储存箱14相连通、出口端封闭，其壳程113出口端与低浓度甲醇燃料箱13相连通，入口端封闭。

如图3所示为本发明优选的一种水气分离组件或者甲醇回收组件的实施例的结构原理示意图。此装置为一中空纤维膜组件，在图1实施例中其应用于甲醇回收组件，膜组件的原料为透气不透甲醇膜。如图5所示为此中空纤维膜组件的内部结构，每条中空纤维管被封装在圆柱形的外壳174内，管内部为中空结构，组成管程172，管外部与外壳174组成的腔体为壳程173。壳程进口171与含甲醇蒸汽的二氧化碳气体管道相连接，当此气体进入壳程173后，二氧化碳气体透过膜渗透进入管程172，并通过管程出口176排入大气中。被分离后的甲醇通过壳程出口175收集，并通过管道重新回收至低浓度甲醇燃料箱14中。

如图4所示为本发明优选的另一种水气分离组件或者甲醇回收组件的实施例的结构原理示意图。此装置为一中空纤维膜组件，在图1实施例中其应用于水气分离组件，膜组件的原料为透水不透气膜。管程进口191与潮湿气体管道相连接，当此气体进入管程192后，水透过膜渗透进入壳程193，并通过壳程出口195收集，通过管道重新回收至水储存箱16中，被分离后剩余的干燥气体通过管程出口176排入大气中。

此燃料电池系统的工作原理如下所示：低浓度甲醇燃料箱13中的低浓度甲醇水溶液浓度应维持在一个稳定的数值，以保证燃料电池组稳定的电能输出。当液位传感器12检测到低浓度甲醇燃料13中液位低于某一位置时，阀门15打开，将水箱16中回收的水排入低浓度甲醇燃料箱13中，当排入确定量的水后即关闭阀门15，水的排入会引发低浓度甲醇水溶液浓度下降。燃料电池组4阳极排出的含二氧化碳气体的未反应甲醇水溶液也会通过第二阳极管路进入低浓度甲醇燃料箱13中，其中的甲醇水溶液由于燃料电池组中反应的消耗也会引起浓度降低。同时，由于电池阳极排出的甲醇水溶液具有较高的温度，导致二氧化碳气体会裹挟少部分甲醇蒸汽，此气体从低浓度甲醇燃料箱13排入大气的过程中，再通过甲醇回收组件将其中的甲醇回收并重新排入到低浓度甲醇燃料箱13。上述多种因素引发低浓度甲醇燃料箱13中甲醇浓度的变化，当浓度传感器8检测到浓度变化的信号后，控制器20通过计算，控制电磁阀将挡板111打开到某一位置，使高浓度甲醇溶液与低浓度甲醇溶液接触的扩散面积增大或减小，从而控制的甲醇从膜中透过的流量，直到浓度稳定。

可调节开度大小的挡板111设在高浓度甲醇储存箱一侧，当挡板底部位于中空纤维膜组件底部时，管程前段进口全部被封闭，随着挡板开度加大，部分管程进口被打开，直到最后全部打开。控制器20根据其接收的信号可通过电磁阀调节挡板111开度大小。当低浓度甲醇燃料箱13中甲醇浓度变小时，调节挡板111开度变大，管程进口被打开，相当于增加了高浓度甲醇与低浓度甲醇想相接触的渗透膜的面积，从而增加了渗透速率，更多的高浓度甲醇进入管程，由于浓度差的推动力通过膜渗透进入低浓度甲醇燃料箱14中，平衡了其中的甲醇浓度。当低浓度甲醇燃料箱14中的甲醇浓度达到稳定值时，挡板111被开到较小位置，减少甲醇的渗透速率，使低浓度甲醇燃料箱14中的甲醇浓度达到稳定值始终保持在一定范围内，不会出现较大的波动。

低浓度甲醇水溶液从低浓度甲醇燃料箱13中流出，经过散热器10、由液压泵9连续的将其泵入燃料电池组件4中，在进入燃料电池组件4之前，要经过过滤器6过滤掉其中可能存在的杂质，并经过第一流量计5调节其流量。空气通过空气泵1被泵入燃料电池组件4中，在进入燃料电池组件4之前，要经过过滤器2过滤掉空气中可能存在的粉尘等杂质，并经过第二流量计3调节其流量。

低浓度甲醇水溶液流经燃料电池组件4，反应后含二氧化碳气体的未反应甲醇水溶液通过第二阳极管路排入低浓度甲醇燃料箱13中，裹挟少部分甲醇蒸汽的二氧化碳气体进入甲醇回收组件17中，经过中空纤维膜组件分离后，收集的甲醇重新排入低浓度甲醇燃料箱13，分离后的二氧化碳气体直接排入大气中。空气流经燃料电池组件4，反应后剩余的未反应的空气及反应的产物水蒸气通过第二阴极管路被排入水气分离组件19，经过中空纤维膜组件分离后，收集的水排入水储存箱16，而干燥的空气直接排入大气中。水储存箱16上方设有一个溢流开口18，若水箱中回收的水液面高出此溢流开口18，多余的水即会从此处排出，防止积攒的水过多致使水位升高对水气分离组件19造成水淹。水储存箱16下方设有一个开关阀门，当需要排水时，此阀门打开，排出一定量的水后关闭，直到下次需要排水时再次打开。在水气分离组件或者甲醇回收组件中，使用中空纤维膜组件代替传统的冷凝回收装置，减少了因换热所消耗的能量，降低了系统运行成本。

以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可控制液体扩散速率的连接装置，其特征在于：包括连接于高浓度甲醇储存箱与一低浓度甲醇燃料箱之间的一组中空纤维膜组件和可控制该中空纤维膜组件的入口端或开口端的开度大小的挡板。

2.根据权利要求1所述可控制液体扩散速率的连接装置，其特征在于，所述中空纤维膜组件的膜材料为甲醇优先透过性膜，其管程入口端与所述高浓度甲醇储存箱相连通、管程出口端封闭，其壳程出口端与所述低浓度甲醇燃料箱相连通，壳程入口端封闭；或者其壳程入口端与所述高浓度甲醇储存箱相连通、壳程出口端封闭，其管程出口端与所述低浓度甲醇燃料箱相连通，管程入口端封闭。

3.一种直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：包括燃料电池组、高浓度甲醇储存箱、低浓度甲醇燃料箱和连接于所述高浓度甲醇储存箱和所述低浓度甲醇燃料箱之间的如权利要求1或2所述的可控制液体扩散速率的连接装置，所述高浓度甲醇储存箱中的纯甲醇或甲醇水溶液的浓度高于所述低浓度甲醇燃料箱中的甲醇水溶液；所述燃料电池组的阳极侧入口通过第一阳极管路连接至所述低浓度甲醇燃料箱，所述燃料电池组的阴极侧入口通过第一阴极管路引入空气，所述第一阳极管路上设有将所述低浓度甲醇燃料箱内的甲醇水溶液泵入所述燃料电池组的液体泵、用于检测所述第一阳极管路中甲醇水溶液的浓度的浓度传感器和用于调节进入所述燃料电池组内的甲醇水溶液的量的第一流量计；所述第一阴极管路上设有用于将空气泵入所述燃料电池组的空气泵和用于调节进入所述燃料电池组内的空气的量的第二流量计；所述燃料电池组的阳极侧出口排出的含二氧化碳气体的未反应甲醇水溶液，经过一第二阳极管路引入所述低浓度甲醇燃料箱中；所述燃料电池组的阴极侧出口排出的潮湿空气，经过一水气分离组件分离后，其中的空气排入大气中，其中的水引入一水储存箱中收集，所述水储存箱内收集的水经带有阀门的管路引入所述低浓度甲醇燃料箱；还包括一控制器，所述控制器根据所述浓度传感器提供的信号，通过一电磁阀调节所述挡板开度大小。

4.根据权利要求3所述的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：所述水气分离组件为一组中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件的膜材料为透水不透气膜或者透气不透水膜，该中空纤维膜组件的入口端与所述燃料电池组的阴极侧出口通过管路相连接，其尾部出口端直接连通大气，其侧面出口端与所述水储存箱通过管路相连接。

5.根据权利要求3所述的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：还包括一甲醇回收组件，所述甲醇回收组件为一组中空纤维膜组件，该中空纤维膜组件的膜材料为透甲醇不透气膜或者透气不透甲醇膜，该中空纤维膜组件的入口端与所述低浓度甲醇燃料箱通过管路相连接，其尾部出口端直接连通大气，其侧面出口端与所述低浓度甲醇燃料箱通过管路相连接。

6.根据权利要求3所述的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：所述第一阳极管路上还设有用于调节所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度的散热器和用于检测所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度的温度传感器，所述控制器根据所述温度传感器提供的信号，控制所述散热器调节所述第一阳极管路内甲醇水溶液的温度。

7.根据权利要求3所述的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：所述第一阳极管路上还设有用于过滤杂质的燃料过滤器，所述第一阴极管路上还设有用于过滤杂质的空气过滤器。

8.根据权利要求3所述的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：所述低浓度甲醇燃料箱内设有液位传感器，所述控制器根据所述液位传感器提供的信号，控制所述阀门打开或关闭。