CN109873183B - 一种直接液体燃料电池发电装置 - Google Patents

Abstract

一种直接液体燃料电池发电装置，包括直接液体燃料电池系统和低温辅助启动部件。在电堆阴极入口设置一个换热器，利用电堆阳极出口的甲醇溶液的热量为空气加热。利用启动用电子负载产生的热量为冷凝器加热。利用气液分离器出液口甲醇溶液的热量为流入燃料补充泵的高浓度燃料预热。在气液分离器、液体燃料连通管上分别设置电加热元件。辅助启动部件主要包括带有刻度的辅助溶液储罐、PTC加热器、溶液输送泵、低温电池、电压变换器、外接电源连接器等部分。本发明直接甲醇燃料电池系统结构简单，通过低温辅助启动部件或者车内点烟器等外接电源辅助加热，可以在低温环境中启动与运行。低温辅助启动部件采用PTC加热器，不需要温度控制器，易于实现。

Description

一种直接液体燃料电池发电装置

技术领域

本发明涉及一种在低温环境中启动的直接液体燃料电池发电装置，具体的说包括直接甲醇燃料电池系统及低温辅助启动部件，尤其是适用需要在-20℃～-40℃低温环境中启动的直接甲醇燃料电池系统。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)是将及甲醇中的化学能直接转化为电能的一种化学反应装置。DMFC具有结构简单、燃料不需要重整、反应产物主要为水和二氧化碳，是环境友好的绿色能源等优点，被认为是十分理想的小型化可移动电源之一，在交通、通讯、军事、航天等方面具有广阔的应用前景。

DMFC大都使用高浓度或纯甲醇为燃料，但在电极催化层发生反应的是浓度较低的甲醇溶液，在0℃以下的环境中很容易结冰。纯甲醇的冰点为-97℃，可以直接存储在低温环境中。DMFC在-20℃～-40℃的低温环境中启动时，如果冷空气直接进入燃料电池电堆阴极，不仅会使电堆的温度分布不均匀，还容易使先接触到冷空气的阴极气体扩散层内局部结冰，影响性能。由于-20℃～-40℃的纯甲醇对泵内的密封材料影响很大，很难采购到适合输送-20℃～-40℃纯甲醇的微型燃料泵。如果采用电加热的方式给空气及纯甲醇预热，则会增加电能的消耗，减少系统的输出电能。

在低温环境中，虽然将DMFC系统内的甲醇溶液排空，可以避免因甲醇溶液结冰而造成气液分离器等部件的损坏，但是再次使用时如果气液分离组件内没有甲醇溶液，DMFC是无法正常启动的。DMFC在冬季的运输过程中，很难保证系统始终处在0℃以上的环境中。在-20℃～-40℃的环境中用于启动系统的辅助溶液早已结成冰块了，也无法加入到DMFC中。作为可移动电源，受体积与重量的限制，DMFC内部集成的二次电池大都采用锂电池，容量一般都比较小。况且，在-20℃～-40℃环境中普通锂电池的放电能力大幅下降，很难提供更多的电能用于加热。

美国专利6103410公开了一种将少量氧化剂与少量的燃料，如氢气引入到电堆阴极，在阴极催化剂的作用下燃料与氧化剂发生反应放出热量，同时生成水。可以将电堆内部的冰融化，并使电堆升到可以启动的温度。但是这样操作也容易降低阴极催化剂的活性，也容易对电极结构造成一定的损坏。而且这种方法需要将氢气与氧化剂混合在一起，操作不当容易发生安全事故。如果将纯甲醇引入到直接甲醇燃料电池的阴极，则会发生剧烈的反应，损坏电极。甲醇溶液在温度较低的环境中已经结冰了。

中国发明专利200910012179.1公开了一种质子交换膜燃料电池低温启动系统及启动方法，采用置于冷却剂中的由相变材料做成的储热袋将燃料电池工作时产生的废热储存起来，当在低温条件下启动时先使储热袋放热，加热冷却剂，然后通过冷却剂给电堆加热。燃料电池正常工作后热带再次储存热量。直接甲醇燃料电池没有冷却剂，依靠空气为阴极生成的水或阳极的甲醇溶液冷却，进而控制电堆的温度。

中国发明专利201510741934.5公开了一种低温启动燃料电池系统及利用方法，低温冷启动系统包括燃料电池系统、低温冷启动加热装置、燃料电池控制系统和用电端。燃料电池控制系统包括控制板和控制电源。采用低温冷启动加热装置对电堆的阴极入口管路、阳极入口管路、冷却回路采用电加热或水气加热的方式进行加热，同时增加用电端负载使燃料电池升温。燃料电池系统设置有加热控制器，在阳极回路、阴极回路、冷却回路以及加热之路连接端分别设置温度传感器。该方法虽然可以在保证电极安全的前提下加速燃料电池在低温下的冷启动，但是需求的电能较多，如果加热器的电能都来自于系统内的控制电源，则控制电源的容量要足够大，而且放电能力不能受低温影响很大。而且，需要设置加热控制器进行各管路温度的检测与控制。

综合来看，现有的低温启动系统及方法要么可能对电极造成损坏，要么不适用于直接甲醇燃料电池的结构，要么系统内需要大容量的电池用于加热，均具有一定的局限性。

发明内容

本发明针对以上现有技术的不足，提供一种直接液体燃料电池发电装置，在低温环境中启动的直接甲醇燃料电池系统及低温辅助启动部件，尤其是适用需要在-20℃～-40℃低温环境中启动的直接甲醇燃料电池系统。

一种直接液体燃料电池发电装置，包括直接液体燃料电池系统，所述直接液体燃料电池系统包括燃料电池电堆、气泵、气液分离器、液泵、冷凝器；所述气泵气体出口与电堆阴极入口管路相连，电堆阴极出口经过冷凝器与气液分离器阴极物料回收口管路相连；所述气液分离器的出液口经燃料循环泵与电堆阳极入口管路相连，所述电堆阳极出口与气液分离器上的阳极物料回收口管路相连；所述气液分离器设置有阴极物料回收口、阳极物料回收口、辅助溶液入口和出液口；

所述气液分离器为一密闭容器，其中部设有横向的隔板，将密闭容器内部分隔成上下互不相连的二个腔室，上部腔室为阴极物料气液分离腔、下部腔室为阳极物料气液分离腔，于隔板上开设有通孔，于隔板上表面通孔四周设有一环形突起，通孔下部设有一导管，导管上端与通孔密闭连接，导管下端伸入至阳极物料分离腔内的液面以下；

于阴极物料气液分离腔中上部设有阴极物料回收口、上部设有尾气出口；

于阳极物料气液分离腔中上部设有阳极物料回收口、下部设有出液口和辅助溶液入口；于阳极物料气液分离腔上部设有气体出口，气体出口经管路与阴极物料气液分离腔中上部连通，或于隔板上开设有作为二氧化碳排出口的通孔，通过二氧化碳排出口的二氧化碳经过隔板上表面的液体层进入阴极物料气液分离腔中；

所述直接液体燃料电池系统还包括一辅助启动电源接口和一液体燃料输送口，液体燃料输送口经液体燃料连通管与气液分离器的辅助溶液入口连接；辅助启动电源接口经导线与液体燃料连通管外部缠绕的电加热元件连接，辅助启动电源接口经导线与阳极物料气液分离腔中下部壁面上设置的电加热元件连接；所述发电装置还包括低温辅助启动部件；所述低温辅助启动部件包括辅助溶液储罐、电加热器、溶液输送泵、低温电池以及辅助供电插头；

所述电加热器设置于辅助溶液储罐底部为辅助溶液储罐内部的溶液加热，所述低温电池为电加热器供电，或为电加热器和溶液输送泵同时供电；

所述溶液输送泵的出液口经管路与所述直接液体燃料电池系统的液体燃料输送口连通，所述溶液输送泵的进液口经管路与辅助溶液储罐相连；所述辅助供电插头直接或经一电压变换器与所述直接液体燃料电池系统的辅助启动电源接口电连接，为启动阶段的直接液体燃料电池系统的电加热元件供电。

所述低温辅助启动部件中的电加热器为PTC加热器；所述直接液体燃料电池系统的电加热元件为电加热丝或电加热线或电加热带或PTC加热器中的一种或二种以上。

所述低温电池为低温锂电池或铅酸电池。

所述直接液体燃料电池系统包括第一换热器；电堆阳极出口溶液作为第一换热器的热流体，电堆阴极进口气体作为第一换热器的冷流体，用于实现电堆阳极出口溶液为电堆阴极进口气体预热的功能。

所述直接液体燃料电池系统还包括启动用电子负载和控制器；所述启动用电子负载设置于冷凝器上，所述启动用电子负载与所述燃料电池电堆并联连接，同时与所述控制器电连接，于电堆启动阶段工作，为冷凝器加热。

所述直接液体燃料电池系统与所述低温辅助启动部件在结构上是分离的，可以通过辅助启动电源接口及液体输送口实现快速连接。

所述直接液体燃料电池系统中的气液分离器上还设置于一高浓度燃料入口，高浓度燃料入口管路与燃料补充泵的出口相连，燃料补充泵的入口管路内的流体通过气液分离器的出液口与燃料循环泵相连的管路内的流体来预热。

所述低温辅助启动部件中的辅助溶液储罐上部设置有气压平衡管。

辅助溶液储罐中的液体体积可由罐体上的可视刻度获得。

附图说明

图1为本发明所述的一种直接液体燃料电池系统结构示意图。图中，101燃料电池电堆；102气泵；103风扇；104冷凝器；105气液分离器；106第一换热器；107燃料循环泵；108预热管路；109燃料补充泵；110是气液分离器加热器；111液体燃料连通管；112液体燃料连通管电加热线；113启动用电子负载；114控制器，包括控制器114-1与二次电池114-2。

101是燃料电池电堆，将储存于燃料中的化学能直接转化为电能。102是气泵，给电堆阴极输送空气。103是风扇，它的启动和停止可以用来调节冷凝器的冷凝效率。104是冷凝器，用来冷凝阴极出口的水蒸气。105是气液分离器，将阳极物料中的二氧化碳气体分离出来，将阴极物料中的水分离出来。同时稀释添加进来的高浓度燃料或者纯燃料。106是第一换热器，利用从电堆阳极出口流出的甲醇溶液的热量为空气加热。107是燃料循环泵，用来给电堆输送液体燃料。108是预热管路，利用气液分离器的出液口与燃料循环泵相连管路中甲醇溶液的热量为高浓度燃料预热。109是燃料补充泵，根据控制器的输出信号，向气液分离器中补充经过预热的高浓度燃料或者纯燃料。110是气液分离器加热器，可以为甲醇溶液加热并保持一定的温度。111是液体燃料连通管，一端连接气液分离器的底部，另一端为液体燃料输送口，固定在DMFC系统的外壁上。通过液体燃料连通管可以向气液分离器中注入甲醇溶液，也可以将气液分离器中的甲醇溶液排空。112是液体燃料连通管电加热线，电阻值为一定值，加电后发热，可以为液体燃料连通管加热。113是启动用电子负载，与燃料电池电堆并联连接，受控制器控制，安装在冷凝器上，在系统启动阶段工作，可以加快电堆升温，缩短启动时间。启动用电子负载自身发出的热量用来为冷凝器加热，防止由于冷凝器温度过低造成内部的冷凝水结冰，避免冷凝器内部堵塞。114是控制器，包括控制器与二次电池。

图2为本发明所述的低温辅助启动部件结构示意图。图中，201辅助溶液储罐；202辅助溶液储罐加热器；203溶液输送泵；204溶液输送泵进液管205溶液输送泵出液管；206辅助溶液输送管；207是气压平衡管；208是辅助溶液储罐上盖；209带有刻度线的液位视窗；210溶液输送泵的电源线；211加热器的电源线；212溶液输送泵电源开关；213加热器电源开关；214总电源开关；215低温电池；216低温电池电连接器；217外接电源电连接器；218电压变换器；219辅助供电插头。

201是辅助溶液储罐，用来存储辅助溶液，侧壁外表面上有保温材料。202是辅助溶液储罐加热器，加电后为辅助溶液储罐加热。203是溶液输送泵，用来输送辅助溶液，也可以将直接甲醇燃料电池气液分离器里的甲醇溶液输送到辅助溶液储罐中。204是溶液输送泵进液管，外壁包覆保温材料。205是溶液输送泵出液管，外壁包覆保温材料。206是辅助溶液输送管。通常情况下，溶液输送泵进液管与辅助溶液输送管连接，需要启动系统时，将溶液输送泵出液管与直接甲醇燃料电池的液体燃料输送口连接，将加热后的辅助溶液加注到直接甲醇燃料电池系统中。当直接甲醇燃料电池系统需要在低温环境中储存时，将溶液输送泵出液管与辅助溶液输送管连接，将液泵进液管与直接甲醇燃料电池的液体燃料输送口连接，可以将气液分离器中的甲醇溶液抽空，防止在低温环境中甲醇溶液结冰，损坏气液分离器等部件。207是气压平衡管，用来平衡辅助溶液储罐内外的压力。208是辅助溶液储罐上盖，打开上盖可以快速添加辅助溶液，也可以进行清洗。209是带有刻度线的液位视窗，通过视窗可以观测里面的液位，通过刻度线可以判断出输送了多少辅助溶液。210是溶液输送泵的电源线，211是加热器的电源线，溶液输送泵电源线的负极与加热器的电源线的负极连接在一起。212是溶液输送泵电源开关，设置在溶液输送泵电源线的正极上。213是加热器电源开关，设置在加热器电源线的正极上。214是总电源开关，215是低温电池，216是低温电池电连接器。低温电池可以选用铅酸电池或低温锂电池。低温电池通过低温电池电连接器为溶液输送泵，加热器提供电能。断开低温电池电连接器，可以取下低温电池。217是外接电源电连接器，通过此连接器可以通过车内点烟器、其他低温电池、燃料电池等电源为辅助启动部件提供电能。218是电压变换器，可以提供12VDC、24VDC两种规格的电压输出，可以为不同规格的直接甲醇燃料电池系统提供启动阶段所需的电能。219是辅助供电插头，可以连接到直接甲醇燃料电池系统上，为其提供电能。

低温辅助启动部件主要包括带有刻度的辅助溶液储罐201、PTC加热器202、溶液输送泵203、低温电池215、电压变换器218、外接电源连接器217等部分。通过辅助启动部件将辅助溶液储罐207中的辅助溶液，以及直接甲醇燃料电池系统中液体燃料连通管以及气液分离器加热，然后将辅助溶液加注到气液分离器中，利用辅助溶液的热量升高电堆的温度。本发明的优点是直接甲醇燃料电池系统结构简单，内部不用集成大容量的电池，通过低温辅助启动部件以及车内点烟器等外接电源辅助加热。低温辅助启动部件采用PTC加热器，不需要温度控制器，结构简单，成本低廉，易于实现。直接甲醇燃料电池系统进入正查启动状态后，就可以与低温辅助启动部件分开。

图3本发明所述的气液分离器加热器与液体燃料连通管电加热线连接示意图。

其中110是气液分离器加热器，112是液体燃料连通管电加热线，二者的电源线并联在一起。301是燃料电池辅助供电接口，通过此接口可以给气液分离器加热器、液体燃料连通管电加热线供电。辅助启动部件的辅助供电插头可以匹配燃料电池的辅助供电接口。

图4本发明所述直接甲醇燃料电池系统低温启动模式软件流程示意图。

直接甲醇燃料电池系统控制器进入到低温启动模式后，燃料循环泵开始工作，使得辅助溶液在系统内循环。然后控制器开始检测燃料电池电堆的温度，当电堆温度大于设定值后，进入正常启动状态。

具体实施方式

为进一步说明本发明，列举以下实施例。

实施例1

提供一台额定输出功率为50W的DMFC系统，电堆由40片单池组成，在上次运行结束后已经将气液分离器中的甲醇溶液排空。采用电阻约为15Ω的电加热线缠绕在连通管上。采用电压为12VDC，表面温度为80℃、功率约为50W的PTC加热器为气液分离器加热。甲醇溶液通过管壳式换热器为气泵出口的空气加热，甲醇溶液走壳程，空气走管程。将纯甲醇的进料管在燃料循环泵的进料管上缠绕几圈进行预热。启动用电子负载为恒压模式，最大电流为10A，电压的设定值为20V。采用电压为12VDC，表面温度为80℃、功率约为80W的PTC加热器为辅助溶液储罐加热。将辅助溶液装入到辅助溶液储罐中，使用辅助启动部件内的铅酸电池的电能为辅助溶液加热。将辅助启动插头插到DMFC辅助启动电源接口中，为连通管与气液分离器加热。当辅助溶液的温度接近60℃时，将辅助启动部件的溶液输送泵出液管与DMFC系统液体燃料输送口连接，通过溶液输送泵将辅助溶液注入到气液分离器中。通过辅助溶液储罐侧壁的刻度，判断注入辅助溶液的量，到达所需值后停止注入，停止辅助溶液储罐的加热。启动DMFC系统，进入低温启动模式，使加热后的辅助溶液在系统内循环。当电堆温度升至6℃时，DMFC系统进入正常启动模式。当电堆温度正常上升后可以停止对气液分离组件与液体燃料连通管的加热。当电堆温度升至60℃时启动用电子负载停止工作。

实施例2

提供一台额定输出功率为200W的DMFC系统，电堆由70片单池组成，在上次运行结束后已经将气液分离组件中的甲醇溶液排空。采用电阻约为28Ω的加热线缠绕在液体燃料连通管上。采用电压为24VDC，表面温度为80℃、功率约为100W的PTC加热器为气液分离器加热。甲醇溶液通过管壳式换热器为气泵出口的空气加热，甲醇溶液走壳程，空气走管程。将纯甲醇的进料管在燃料循环泵的进料管上缠绕几圈进行预热。启动用电子负载的最大电流为20A，工作在恒压模式，电压的设定值为35V。采用电压为24VDC，表面温度为80℃、功率约为200W的PTC加热器为辅助溶液储罐加热。将辅助溶液装入到辅助溶液储罐中，通过车载点烟器为辅助溶液加热。将辅助启动插头插到DMFC辅助启动电源接口中，为液体燃料连通管与气液分离器加热。当辅助溶液的温度接近70℃时，将辅助启动部件的溶液输送泵出液管与DMFC系统液体燃料输送口连接，通过溶液输送泵将辅助溶液注入到气液分离器中。通过辅助溶液储罐侧壁的刻度，判断注入辅助溶液的量，到达所需值后停止注入，停止辅助溶液储罐的加热。启动DMFC系统，进入低温启动模式，使加热后的辅助溶液在系统内循环。当电堆温度升至10℃时，DMFC系统进入正常启动模式。当电堆温度正常上升后可以停止对气液分离器与液体燃料连通管的加热。当电堆温度升至60℃时启动用电子负载停止工作。

以上所述，仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于以上内容。基于本发明所披露的技术的变化、替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直接液体燃料电池发电装置，包括直接液体燃料电池系统，所述直接液体燃料电池系统包括燃料电池电堆、气泵、气液分离器、燃料循环泵、冷凝器；所述气泵气体出口与电堆阴极入口管路相连，电堆阴极出口经过冷凝器与气液分离器阴极物料回收口管路相连；所述气液分离器的出液口经燃料循环泵与电堆阳极入口管路相连，所述电堆阳极出口与气液分离器上的阳极物料回收口管路相连；所述气液分离器设置有阴极物料回收口、阳极物料回收口、辅助溶液入口和出液口；其特征在于：

所述直接液体燃料电池系统还包括一辅助启动电源接口和一液体燃料输送口，液体燃料输送口经液体燃料连通管与气液分离器的辅助溶液入口连接；辅助启动电源接口经导线与液体燃料连通管外部缠绕的电加热元件连接，辅助启动电源接口经导线与阳极物料气液分离腔中下部壁面上设置的电加热元件连接；

所述发电装置还包括低温辅助启动部件；所述低温辅助启动部件包括辅助溶液储罐、电加热器、溶液输送泵、低温电池以及辅助供电插头；

所述电加热器设置于辅助溶液储罐底部为辅助溶液储罐内部的溶液加热，所述低温电池为电加热器供电，或为电加热器和溶液输送泵同时供电；

所述溶液输送泵的出液口经管路与所述直接液体燃料电池系统的液体燃料输送口连通，所述溶液输送泵的进液口经管路与辅助溶液储罐相连；所述辅助供电插头直接或经一电压变换器与所述直接液体燃料电池系统的辅助启动电源接口电连接，为启动阶段的直接液体燃料电池系统的电加热元件供电；所述直接液体燃料电池系统中的气液分离器上还设置于一高浓度燃料入口，高浓度燃料入口管路与燃料补充泵的出口相连，燃料补充泵的入口管路内的流体通过气液分离器的出液口与燃料循环泵相连的管路内的流体来预热。

2.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：所述低温辅助启动部件中的电加热器为PTC加热器；所述直接液体燃料电池系统的电加热元件为电加热丝或电加热线或电加热带或PTC加热器中的一种或二种以上。

3.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：所述低温电池为低温锂电池或铅酸电池。

4.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：所述直接液体燃料电池系统包括第一换热器；电堆阳极出口溶液作为第一换热器的热流体，电堆阴极进口气体作为第一换热器的冷流体，用于实现电堆阳极出口溶液为电堆阴极进口气体预热的功能。

5.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：所述直接液体燃料电池系统还包括启动用电子负载和控制器；所述启动用电子负载设置于冷凝器上，所述启动用电子负载与所述燃料电池电堆并联连接，同时与所述控制器电连接，于电堆启动阶段工作，为冷凝器加热。

6.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：所述直接液体燃料电池系统与所述低温辅助启动部件在结构上是分离的，可以通过辅助启动电源接口及液体输送口实现快速连接。

7.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：所述气液分离器为一密闭容器，其中部设有横向的隔板，将密闭容器内部分隔成上下互不相连的二个腔室，上部腔室为阴极物料气液分离腔、下部腔室为阳极物料气液分离腔，于隔板上开设有通孔，于隔板上表面通孔四周设有一环形突起，通孔下部设有一导管，导管上端与通孔密闭连接，导管下端伸入至阳极物料分离腔内的液面以下；

于阴极物料气液分离腔中上部设有阴极物料回收口、上部设有尾气出口；

于阳极物料气液分离腔中上部设有阳极物料回收口、下部设有出液口和辅助溶液入口；于阳极物料气液分离腔上部设有气体出口，气体出口经管路与阴极物料气液分离腔中上部连通，或于隔板上开设有作为二氧化碳排出口的通孔，通过二氧化碳排出口的二氧化碳经过隔板上表面的液体层进入阴极物料气液分离腔中。

8.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：所述低温辅助启动部件中的辅助溶液储罐上部设置有气压平衡管。

9.如权利要求1所述直接液体燃料电池发电装置，其特征在于：辅助溶液储罐中的液体体积可由罐体上的可视刻度获得。

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