CN109709487A - 一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置及计算方法 - Google Patents
一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置及计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置及计算方法，按照直接甲醇燃料电池系统总效率计算式的推导；测定系统生成的电能和阳极出口甲醇溶液的浓度；计算消耗的甲醇燃料和直接甲醇燃料电池系统总效率；计算热力学效率、电压效率、BOP效率，最后计算电流效率。本发明的有益效果是通过测量阳极出口溶液的甲醇浓度和体积，计算得到直接甲醇燃料电池系统总效率，根据η＝η热*η电压*η电流*ηBOP，对总效率进行分离，得热力学效率、电压效率、电流效率，再得出电流效率，方法简单高效，实现直接甲醇燃料电池总效率和各单项效率高效准确的测试及分析，为优化甲醇燃料电池系统总效率提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池测试技术领域，尤其涉及一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置及计算方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池是一种将燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的一种化学电源，是一种能量转化装置，它不同于二次电池的能量存储机制。评价直接甲醇燃料电池性能指标除功率、工作寿命、重量、成本等因素外，还有一项最重要的指标——效率。一般来讲，能量转换装置的总效率是指装置输出的能量占输入能量的百分数比，即输出能量/输入能量×100％，对于直接甲醇燃料电池的总效率而言，其直接甲醇燃料电池总效率定义为系统生成的电能与消耗的甲醇燃料所具备的能量的比值，通常直接甲醇燃料电池总效率表达式由以下几部分组成：1.热力学效率η热，也称极限效率，是燃料电池理论上能达到的最高效率；2.电化学效率η电压，也称电压效率，是燃料电池实际放电电压与可逆电动势的比值；3.燃料发电效率η电流，也称电流效率，是实际生成的电流与按消耗反应物计算所生成的理论电流的比值；4.BOP效率ηBOP，扣除系统内耗后的效率。直接甲醇燃料电池总效率是所有效率综合的结果，可表示为η＝η热*η电压*η电流*ηBOP，每一种效率的高低都影响着直接甲醇燃料电池总效率。
在四种效率中，热力学效率η热大小为电池反应的吉布斯自由能与生成焓的比值，对于确定的电池而言，其值大小与温度有关，但影响不大；BOP效率ηBOP与电池系统自身内耗相关，对于特定的电池系统而言，一般是确定的；对电压效率η电压而言，在固定的工作条件下，低负载的情况下效率高，高负载的情况下效率低；对于电流效率η电流，直接甲醇燃料电池主要考虑的问题是甲醇作为阳极反应物，会渗透至阴极，导致不必要的甲醇消耗问题，甲醇渗透越严重，电流效率越低。因此，对直接甲醇燃料电池总效率影响较大的是电压效率η电压和电流效率η电流。如何对甲醇渗透量进行定量是确定电流效率η电流的关键。
想要得到直接甲醇燃料电池总效率目前已知使用比较广泛的方法是分别测试各单项效率，然后相乘得到。计算各个单项效率的方法为：
①热力学效率η热：根据η热的定义可以得到η热＝ΔG/ΔH，其中ΔG为电池反应吉布斯自由能，ΔH为电池反应在标况下的焓变；
②BOP效率ηBOP：在测试单电池或电堆效率的过程中，测试仪器都是通过外部供电的，因此不存在内耗，所以ηBOP为100％。
③电压效率η电压：根据η电压的定义可以得到η电压＝V/E，其中V为燃料电池实际工作电压，E为燃料电池工作条件下的可逆电压；
④电流效率η电流：影响η电流的主要因素是甲醇渗透，但是不论是在阳极参与电极反应的甲醇还是渗透到阴极的甲醇，他们最终产物都是二氧化碳(CO2)，因此通过分别检测阴、阳极产物CO2的量，就可以反推出阴、阳极参与反应的甲醇的量，从而计算出η电流。现有技术中CO2的量通过沉淀法得到：用氢氧化钡(Ba(OH)2)来吸收CO2生成BaCO3沉淀，生成物BaCO3与反应物CO2的摩尔比为1：1，将收集到的BaCO3称重后计算出摩尔量即为CO2的摩尔量。
沉淀法计算电流效率η电流存在的缺点是：1.使用Ba(OH)2溶液来吸收CO2时，无法保证所有CO2都能够被吸收，使结果出现较大偏差；2.吸收后的沉淀需要抽滤、烘干，容易损失沉淀，使结果出现偏差；3.整个过程繁琐，耗时耗力，仅能在实验室条件下进行粗略分析，在工业生产中应用不便。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置及计算方法，装置结构简单，方法可靠，实现直接甲醇燃料电池总效率和各单项效率高效准确的测试及分析，为优化甲醇燃料电池系统总效率提供理论依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置，包括燃料进料装置、温度调节装置、反应物回收测量装置和电子负载，待测燃料电池电堆与燃料进料装置连接，所述电子负载与燃料电池电堆电连接，所述温度调节装置与燃料电池电堆连接；其特点是所述反应物回收测量装置包括引流管、体积测量装置和浓度测量装置，引流管一端与电堆阳极出口相连接，另一端连接体积测量装置和浓度测量装置，用于燃料电池电堆反应生成甲醇溶液的体积与浓度测定。
进一步的，所述燃料进料装置包括供液装置和供气装置，所述供液装置连接燃料电池电堆的阳极进口，供气装置连接燃料电池电堆阴极进口。
进一步的，所述供液装置包括甲醇溶液储液罐和液泵；所述供气装置包括气源和流量控制器。
进一步的，所述温度调节装置包括加热装置、继电器和温控表；所述加热装置与继电器、温控表电连接，安装于电堆上，用于调节电堆工作温度。
进一步的，所述加热装置为加热片或加热棒。
进一步的，所述浓度测量装置为气相色谱仪。
本发明还提供一种直接甲醇燃料电池电流效率计算方法，其特征在于按照如下步骤进行：
S1.直接甲醇燃料电池系统总效率计算式的推导；根据定义直接甲醇燃料电池总效率η为系统生成的电能与消耗的甲醇燃料所具备的能量的比值，计算式为：
η＝W电/Q甲醇
其中：W电为系统生成的电能；
Q甲醇为消耗的甲醇燃料中的化学能，计算式为：
Q甲醇＝-ΔH*(c0*v*t-c1*V1)
其中：ΔH为标况下甲醇氧化反应的焓变，为已知数据；
c0为阳极进料口甲醇溶液浓度，为已知数据；
v为阳极进料口甲醇溶液的流速，为已知数据；
t为进料时间，为已知数据；
c1为阳极出口甲醇溶液的浓度；
V1进料时间t内阳极出口收集到的甲醇溶液的体积；
S11通过电子负载测试系统测得W电；
S12通过气相色谱测得c1并计算Q甲醇；
S13计算直接甲醇燃料电池系统总效率η
S2.计算各单项效率；
S21.热力学效率η热，基本计算式为：η热＝ΔG/ΔH；
其中，ΔH为电池反应在标况下的焓变；
ΔG为电池反应吉布斯自由能，可以得到计算式：
ΔG＝-n*E*F
其中，n为每摩尔甲醇反应所迁移的电子数；
F为法拉第常数；
E为燃料电池工作条件下的可逆电动势，可根据能斯特方程求得；
热力学效率η热的计最终算式为：
η热＝-n*E*F/ΔH
将各数据代入计算；
S22.电压效率η电压，计算式为η电压＝V/E，
其中V为燃料电池实际工作电压；V通过Arbin测试系统可以得到，
E为燃料电池工作条件下的可逆电动势，在S21步骤中得到；
将各数据代入计算；
S23.BOP效率ηBOP，在测试单电池或电堆效率的过程中，测试仪器包括电子负载测试系统、温度传感器均通过外部供电，不存在单电池或电堆内耗，ηBOP为100％；
S24.电流效率η电流，根据η＝η热*η电压*η电流*ηBOP；
其中直接甲醇燃料电池系统总效率η由S1步骤计算得到，热力学效率η热、电压效率η电压、BOP效率ηBOP通过S21、S22、S23步骤得到，将各数据代入计算式η＝η热*η电压*η电流*ηBOP得到η电流。
进一步的，所述可逆电动势E略微受温度影响，波动范围小，热力学效率η热基本不变。
本发明的有益效果是采用与现有技术相反的思路，先测量反应后阳极出口溶液的甲醇浓度和体积，通过计算式得到直接甲醇燃料电池系统总效率η，根据η＝η热*η电压*η电流*ηBOP，对总效率η进行分离，得出热力学效率、电压效率、电流效率三种单项效率的大小，再推算出电流效率η电流；不需要考虑CO2的吸收问题以及沉淀的处理问题，方法简单高效，实现直接甲醇燃料电池总效率和各单项效率高效准确的测试及分析，为优化甲醇燃料电池系统总效率提供理论依据。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明直接甲醇燃料电池电流效率测试装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明使用的仪器为Arbin测试系统、气相色谱仪，测量甲醇体积的仪器如量杯或量筒。
计算时按照如下步骤进行：
S1.计算直接甲醇燃料电池系统总效率；
本系统燃料电池电堆的温度为65℃，向甲醇燃料电池中通入不同浓度(0.5mol/L、0.8mol/L、1.0mol/L)的甲醇水溶为阳极进料口甲醇溶液浓度c0，Arbin测试系统电极两端与电堆两极相连接，设置放电电流I(5A、7.5A、10A)使燃料电池恒流放电，通过Arbin测试系统测量燃料电池实际工作电压V和系统生成的电能W电；使用高压恒流泵调节阳极进料口甲醇溶液的流速v，控制测试/进料时间t为5min；使用量筒测量阳极出口收集到的甲醇溶液的体积V1；使用气相色谱测量阳极出口甲醇溶液的浓度c1。
Q甲醇计算式为：Q甲醇＝-ΔH*(c0*v*t-c1*V1)；
直接甲醇燃料电池总效率η计算式为：η＝W电/Q甲醇
0.5mol/L、0.8mol/L、1.0mol/L浓度的阳极进料口甲醇溶液浓度c0，得到表1所示计算结果：
表1
S2.计算各单项效率
S21.热力学效率η热，基本计算式为：η热＝ΔG/ΔH；
其中，ΔH为电池反应在标况下的焓变；
ΔG为电池反应吉布斯自由能，可以得到计算式：
ΔG＝-n*E*F
其中，n为每摩尔甲醇反应所迁移的电子数；
F为法拉第常数；
E为燃料电池工作条件下的可逆电动势，可根据能斯特方程求得；
热力学效率η热的计最终算式为：
η热＝-n*E*F/ΔH
将各数据代入计算；
S22.电压效率η电压，计算式为η电压＝V/E，
其中V为燃料电池实际工作电压；
E为料电池工作条件下的可逆电动势，在S21步骤中得到；
将各数据代入计算；
S23.BOP效率ηBOP，在测试单电池或电堆效率的过程中，测试仪器包括Arbin测试系统、温度传感器均通过外部供电，不存在单电池或电堆内耗，ηBOP为100％；
S24.电流效率η电流，根据η＝η热*η电压*η电流*ηBOP，得到η电流＝η/(η热*η电压*ηBOP)
其中直接甲醇燃料电池系统总效率η由S1步骤计算得到，热力学效率η热、电压效率η电压、BOP效率ηBOP通过S21、S22、S23步骤得到，将各数据代入计算式η＝η热*η电压*η电流*ηBOP得到η电流。如表2所示：
表2
| 样品序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 电池的总效率η＝W<sub>电</sub>/Q<sub>甲醇</sub> | 0.298 | 0.354 | 0.350 | 0.258 | 0.245 | 0.262 | 0.212 | 0.216 | 0.218 |
| 热力学效率η<sub>热</sub> | 0.942 | 0.942 | 0.942 | 0.944 | 0.944 | 0.944 | 0.945 | 0.945 | 0.945 |
| 电压效率η<sub>电压</sub> | 0.472 | 0.443 | 0.424 | 0.458 | 0.436 | 0.415 | 0.451 | 0.426 | 0.408 |
| BOP效率η<sub>BOP</sub> | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 电流效率η<sub>电流</sub>＝η/(η<sub>热</sub>*η<sub>电压</sub>*η<sub>BOP</sub>) | 0.671 | 0.849 | 0.876 | 0.597 | 0.595 | 0.669 | 0.497 | 0.536 | 0.567 |
Claims (8)
1.一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置，包括燃料进料装置、温度调节装置、反应物回收测量装置和电子负载，待测燃料电池电堆与所述燃料进料装置连接，所述电子负载与燃料电池电堆电连接，所述温度调节装置与燃料电池电堆连接；其特征在于：所述反应物回收测量装置包括引流管、体积测量装置和浓度测量装置，引流管一端与电堆阳极出口相连接，另一端连接体积测量装置和浓度测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置，其特征在于：所述燃料进料装置包括供液装置和供气装置，所述供液装置连接燃料电池电堆的阳极进口，供气装置连接燃料电池电堆阴极进口。
3.根据权利要求2所述的一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置，其特征在于：所述供液装置包括甲醇溶液储液罐和液泵；所述供气装置包括气源和流量控制器。
4.根据权利要求1或3所述的一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置，其特征在于：所述温度调节装置包括加热装置、继电器和温控表；所述加热装置与继电器、温控表电连接，安装于电堆上。
5.根据权利要求4所述的一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置，其特征在于：所述加热装置为加热片或加热棒。
6.根据权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池电流效率测试装置，其特征在于：所述浓度测量装置为气相色谱仪。
7.一种直接甲醇燃料电池电流效率计算方法，其特征在于实用权利要求1-6任一项所述直接甲醇燃料电池效率测试装置并按照如下步骤进行：
S1.直接甲醇燃料电池系统总效率计算式的推导；根据定义直接甲醇燃料电池总效率η为系统生成的电能与消耗的甲醇燃料所具备的能量的比值，计算式为：
η＝W电/Q甲醇
其中：W电为系统生成的电能；
Q甲醇为消耗的甲醇燃料中的化学能，计算式为：
Q甲醇＝-ΔH*(c0*v*t-c1*V1)
其中：ΔH为标况下甲醇氧化反应的焓变，为已知数据；
c0为阳极进料口甲醇溶液浓度，为已知数据；
v为阳极进料口甲醇溶液的流速，为已知数据；
t为进料时间，为已知数据；
c1为阳极出口甲醇溶液的浓度；
V1进料时间t内阳极出口收集到的甲醇溶液的体积；
S11通过电子负载测试系统测得W电；
S12通过气相色谱测得c1并计算Q甲醇；
S13计算直接甲醇燃料电池系统总效率η
S2.计算各单项效率；
S21.热力学效率η热，基本计算式为：η热＝ΔG/ΔH；
其中，ΔH为电池反应在标况下的焓变；
ΔG为电池反应吉布斯自由能，可以得到计算式：
ΔG＝-n*E*F
其中，n为每摩尔甲醇反应所迁移的电子数；
F为法拉第常数；
E为燃料电池工作条件下的可逆电动势，可根据能斯特方程求得；
热力学效率η热的计最终算式为：
η热＝-n*E*F/ΔH
将各数据代入计算；
S22.电压效率η电压，计算式为η电压＝V/E，
其中V为燃料电池实际工作电压；V通过电子负载测试系统可以得到，
E为燃料电池工作条件下的可逆电动势，在S21步骤中得到；
将各数据代入计算；
S23.BOP效率ηBOP，在测试单电池或电堆效率的过程中，测试仪器包括电子负载测试系统、温度传感器均通过外部供电，不存在单电池或电堆内耗，ηBOP为100％；
S24.电流效率η电流，根据η＝η热*η电压*η电流*ηBOP；
其中直接甲醇燃料电池系统总效率η由S1步骤计算得到，热力学效率η热、电压效率η电压、BOP效率ηBOP通过S21、S22、S23步骤得到，将各数据代入计算式η＝η热*η电压*η电流*ηBOP得到η电流。
8.根据权利要求7所述一种直接甲醇燃料电池效率计算方法，其特征在于：所述可逆电动势E略微受温度影响，波动范围小，热力学效率η热基本不变。
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