CN116742043A - 有甲醇固态化存储燃料供给结构的pdmfc及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC及工作方法，属于直接甲醇燃料电池技术领域。系统控制器与电磁阀、空气泵、甲醇泵及燃料泵连接，燃料箱和水箱与甲醇泵连通并内有碳气凝胶，气液分离器与甲醇泵、燃料泵及燃料电池连通，空气泵、燃料泵与燃料电池连通。方法如下：甲醇泵向反应仓中泵入水和甲醇形成甲醇溶液；燃料泵将甲醇溶液送到电池阳极侧内；空气泵抽取空气到电池阴极侧内；燃料电池反应产物进入气液分离器内生成稀释的甲醇溶液；甲醇泵抽入新的甲醇形成新的甲醇溶液供到电池阳极侧形成工作循环。本发明通过碳气凝胶作为甲醇的存储载体，实现了甲醇的固态化存储，甲醇无渗透和泄漏风险，提高了系统的可靠性，摆放方向更灵活。
Description
技术领域
本发明涉及一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC及工作方法，属于直接甲醇燃料电池技术领域。
背景技术
便携式直接甲醇燃料电池(Portable Direct Methanol Fuel Cell，简称PDMFC)是一种基于直接甲醇燃料电池(DMFC)技术的小型化、轻量化的能源装置。它们可以为各种便携式电子设备提供清洁、高效的能源，如笔记本电脑、手机、无人机等。
DMFC是一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其工作原理与氢气燃料电池相似。主要区别在于DMFC使用甲醇作为燃料，而不是氢气。在DMFC的阳极侧，甲醇与水发生反应，生成质子(H+)、电子和二氧化碳。质子通过质子交换膜13传递到阴极，电子则经外部电路传递，产生电流。在DMFC的阴极侧，质子、电子和氧气发生反应，生成水。
PDMFC的优点众多，例如高能量密度：甲醇的能量密度高于传统的锂离子电池，这使得PDMFC能够为便携式设备提供更长时间的电力供应。燃料补充简便：与锂离子电池需要充电相比，PDMFC可以通过简单地补充甲醇来恢复能量，使得设备更加方便实用。环境友好：PDMFC的主要排放物是水和二氧化碳，相比燃烧化石燃料产生的有害物质，其对环境的影响较小。上述优点使得PDMFC系统有望成为未来便携式电子设备的理想能源解决方案。
PDMFC系统通过采用泵、阀等控制元件，以及在系统内进行合理的燃料供给结构的设计，可以实现在高浓度或者纯甲醇供给下的长时间稳定工作，但在实际应用中仍然存在一些缺点。主要问题在于甲醇作为液体燃料，存在易挥发与泄露的问题，有毒性和腐蚀性，这使得PDMFC系统的安全性和可靠性受到了极大挑战。而且，在燃料供给结构中甲醇以液体形式存储，使得PDMFC系统摆放方向固定，使用不便。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC及工作方法。
实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，包括燃料电池、燃料箱、甲醇存储用碳气凝胶、气液分离器、水箱、电磁阀、水存储用碳气凝胶、系统控制器、空气泵、甲醇泵以及燃料泵；
所述系统控制器与电磁阀、空气泵、甲醇泵以及燃料泵均信号传输连接，
所述燃料箱内填充有甲醇存储用碳气凝胶，所述水箱内填充有水存储用碳气凝胶，燃料箱的出液端以及水箱的出液端均通过电磁阀与甲醇泵的进液端连通设置；
所述甲醇泵的出液端与气液分离器连通设置，所述气液分离器与燃料泵的进液端连通设置，所述燃料泵的出液端与燃料电池的电池阳极侧的进料端连通设置；所述电池阳极侧的出料端与气液分离器连通设置；
所述空气泵的出气端与燃料电池的电池阴极侧的进料端连通设置；所述电池阴极侧的出料端与气液分离器连通设置。
本发明的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC的工作方法，所述方法包括如下步骤：
S1：系统控制器控制电磁阀打开水箱通路；
S2：系统控制器控制甲醇泵启动；
S3：甲醇泵从水箱内抽取水存储用碳气凝胶内的水并送至气液分离器的反应仓中；
S4：系统控制器控制电磁阀打开燃料箱通路；
S5：甲醇泵从燃料箱内抽取甲醇存储用碳气凝胶内的甲醇并送至气液分离器的反应仓中与水混合，形成甲醇溶液；
S6：甲醇浓度传感器测量甲醇溶液的浓度，测量所得浓度转换成电信号传递给系统控制器；
S7：若甲醇溶液的浓度符合系统需求，则进行S；反之，系统控制器则根据甲醇浓度的高低，重复S-S/S-S控制甲醇泵调节水/甲醇的输入流量至甲醇溶液的浓度符合系统需求；
S8：系统控制器控制燃料泵启动，将甲醇溶液输送到电池阳极侧内进行反应；
S9：系统控制器控制空气泵抽取外部空气供给到电池阴极侧内进行反应；
S10：在电池阳极侧内产生的气相和液相混合反应产物：CO与未完全反应的甲醇和水，进入气液分离器的反应仓；
S11：在电池阴极侧内产生的气相和液相混合反应产物：HO和未完全反应的空气进入气液分离器的气液分离仓；
S12：通过气液分离器的温度调节功能使进入反应仓中的未完全反应的甲醇和水经过冷凝作用液化，并与从气液分离仓内流入的电池阴极侧反应产生的水混合生成稀释的甲醇溶液；反应仓内的CO则向上穿过多孔结构，与气液分离仓内的空气一同通过气体排出装置排出；
S13：稀释的甲醇溶液与通过甲醇泵抽入的新的甲醇混合，形成新的甲醇溶液；
S14：燃料泵将新的甲醇溶液供给到电池阳极侧，形成工作循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、燃料存储和供给结构简单：
本发明在燃料箱内增加了碳气凝胶作为甲醇的存储载体，实现了甲醇的固态化存储，同时碳气凝胶质量轻，对系统质量的影响微乎其微。
2、避免甲醇挥发和泄露，提高系统安全性和可靠性：
甲醇存储于甲醇存储用碳气凝胶中，由于碳气凝胶对甲醇分子的吸附作用，甲醇无渗透和泄漏风险。甲醇不会挥发到空气中，对人体产生毒害，同时甲醇不会泄露到系统中，腐蚀系统组件，提高了系统的可靠性。
3、摆放方向灵活：
通过避免了甲醇的挥发和泄露，使得摆放方向更加灵活。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明从燃料供给方法入手，提供一种有基于多孔介质的甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，包括燃料电池、燃料箱20、甲醇存储用碳气凝胶22、气液分离器30、水箱40、电磁阀41、水存储用碳气凝胶42、系统控制器50、空气泵53、甲醇泵54以及燃料泵55；
所述系统控制器50内含微型锂电池，系统控制器50与电磁阀41、空气泵53、甲醇泵54以及燃料泵55均信号传输连接，具体为：所述系统控制器50通过甲醇泵控制信号输出线路74与甲醇泵54信号传输连接；系统控制器50通过电磁阀控制信号输出线路78与电磁阀41信号传输连接；系统控制器50通过燃料泵控制信号输出线路75与燃料泵55信号传输连接；系统控制器50通过空气泵控制信号输出线路73与空气泵53信号传输连接；
所述燃料箱20内填充有甲醇存储用碳气凝胶22，所述水箱40内填充有水存储用碳气凝胶42，燃料箱20的出液端以及水箱40的出液端均通过电磁阀41与甲醇泵54的进液端连通设置；
所述甲醇泵54的出液端通过燃料供给管路37与气液分离器30的反应仓34的进液端连通设置，所述气液分离器30的反应仓34的进液端与燃料泵55的进液端连通设置，所述燃料泵55的出液端通过阳极进料管路28与燃料电池的电池阳极侧14的进料端连通设置；所述电池阳极侧14的出料端通过阳极排出管路38与气液分离器30的反应仓34连通设置；
所述空气泵53的出气端通过阴极进料管路26与燃料电池的电池阴极侧12的进料端连通设置；所述电池阴极侧12的出料端通过阴极排出管路36与气液分离器30的气液分离仓32连通设置。
所述气液分离器30包括气体排出装置31、气液分离仓32、多孔结构33以及反应仓34；所述气液分离仓32以及反应仓34上下连通设置，并且气液分离仓32与反应仓34之间设有多孔结构33，所述气液分离仓32的上端设有气体排出装置31。
所述多孔结构33由多孔材料如海绵、碳纤维、碳气凝胶等制成，以确保气体顺利向上排出，同时允许液体向下进入。
所述反应仓34上设有甲醇浓度传感器29，所述甲醇浓度传感器29通过甲醇浓度信号输入线路64与系统控制器50信号传输连接。
PDMFC在运行过程中，系统控制器50实时监测系统状态并控制进料流量。
所述燃料电池上设有温度传感器19，所述温度传感器19通过温度信号输入线路63与系统控制器50信号传输连接。
燃料电池的温度由温度传感器19监控，测量的温度转换成电信号，通过温度信号输入线路63传递给系统控制器50。
当系统温度超出工作温度范围时，系统控制器50发出控制信号，通过空气泵控制信号输出线路73控制空气泵53以及通过燃料泵控制信号输出线路75控制燃料泵55暂停工作。
当温度降至正常工作温度范围内，系统再重新启动。
所述燃料电池的电池阳极侧14通过阳极信号输入线路61以及电池阴极侧12通过阴极信号输入线路62均与系统控制器50信号传输连接。
当输出电压信号超出正常范围时，系统控制器50发出控制信号，通过空气泵控制信号输出线路73控制空气泵53以及通过燃料泵控制信号输出线路75控制燃料泵55均暂停工作。等待输出电压信号恢复正常范围后，再重启系统。
所述气液分离器30上设有水位传感器39，所述水位传感器39通过水位信号输入线路65与系统控制器50信号传输连接。
甲醇溶液35的液面高度由水位传感器39测量，水位传感器39通常采用电容结构。当液面高度过高时，水位传感器39将警告信号通过水位信号输入线路65传递给系统控制器50。
所述气液分离器30上还设有加热电阻59，所述加热电阻59通过加热电阻输出线路76与系统控制器50信号传输连接。
系统控制器50通过加热电阻输出线路76为加热电阻59提供电能，使进入气液分离仓32的水加速蒸发，从而降低液面高度。
所述甲醇存储用碳气凝胶22以及水存储用碳气凝胶42的制作方法相同，均包括如下步骤：
步骤一：制备氧化石墨烯样品；
步骤一一：在冰水浴(0-4℃)条件下，将质量比为1：1的纯度不低于99.6wt.％的鳞片石墨及硝酸钠(3-5克)缓慢加入至50-100ml浓度为98％的浓硫酸中，并搅拌至低温反应结束；
步骤一二：在35℃水浴下向步骤一一所得溶液内加入3-10克高锰酸钾，中温反应2小时；
步骤一三：向步骤一二所得溶液内加入100-200ml超纯水，并控制体系温度低于100℃；
步骤一四：向步骤一三所得溶液内加入3-10ml30wt.％纯度的过氧化氢溶液，并将所得溶液离心洗涤至中性；
步骤一五：将步骤一四所得溶液经超声剥离后，即可得到氧化石墨烯样品；
步骤二：将所制备的氧化石墨烯样品配制成5wt.％纯度的水溶液，取上述溶液2-8毫升、去离子水8-32毫升、甲醛溶液(37％甲醛)0.3-1.3毫升、间苯二酚0.25-1克，混合搅拌20min；优选4mL溶液与0.665mL甲醛、0.495g间苯二酚、16mL去离子水混合。
步骤三：将步骤二所得均匀分散的溶液转移至水热釜内衬中，85℃下水热24h后自然降温得到水凝胶；
步骤四：将所得水凝胶经过液氮预冻后放入冷冻干燥机中干燥；
步骤五：将干燥后的样品放入管式炉中，5℃min-1升温至800℃，在氨气气氛下碳化2h，得到超亲水性的氮掺杂的碳气凝胶。
本发明的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC的工作方法，所述方法包括如下步骤：
S1：系统控制器50通过电磁阀控制信号输出线路78控制电磁阀41打开水箱40通路；(此时燃料箱20关闭)
S2：系统控制器50通过燃料泵控制信号输出线路74控制甲醇泵54启动；
S3：甲醇泵54从水箱40内抽取水存储用碳气凝胶42内的水并通过燃料供给管路37送至气液分离器30的反应仓34中；
S4：系统控制器50通过电磁阀控制信号输出线路78控制电磁阀41打开燃料箱20通路；(此时水箱40关闭)
S5：甲醇泵54从燃料箱20内抽取甲醇存储用碳气凝胶22内的甲醇并通过燃料供给管路37送至气液分离器30的反应仓34中与水混合，形成甲醇溶液35；
S6：甲醇浓度传感器29测量甲醇溶液35的浓度，测量所得浓度转换成电信号，通过甲醇浓度信号输入线路64传递给系统控制器50；
S7：若甲醇溶液35的浓度符合系统需求，则进行S8；反之，系统控制器50则根据甲醇浓度的高低，通过内部算法转换成甲醇泵54的控制信号，通过甲醇泵控制信号输出线路74重复S1-S2/S3-S4控制甲醇泵54调节水/甲醇的输入流量至甲醇溶液35的浓度符合系统需求；
S8：系统控制器50通过燃料泵控制信号输出线路75控制燃料泵55启动，将甲醇溶液35通过阳极进料管路28输送到电池阳极侧14内进行反应；
S9：系统控制器50通过空气泵控制信号输出线路73控制空气泵53抽取外部空气，通过阴极进料管路26供给到电池阴极侧12内进行反应；此时，电池开始发生电化学反应，系统开始正常工作。
S10：在电池阳极侧14内产生的气相和液相混合反应产物：CO2与未完全反应的甲醇和水，通过阳极侧排出管路38进入气液分离器30的反应仓34；
S11：在电池阴极侧12内产生的气相和液相混合反应产物：H2O和未完全反应的空气通过阴极排出管路36进入气液分离器30的气液分离仓32；
S12：反应仓34中的未完全反应的甲醇和水经过冷凝作用液化，并与从气液分离仓32内流入的电池阴极侧12反应产生的水混合生成稀释的甲醇溶液35(主要是水，含有少量甲醇)；反应仓34内的CO2则向上穿过多孔结构33，与气液分离仓32内的空气一同通过气体排出装置31排出；
S13：稀释的甲醇溶液35与通过甲醇泵54抽入的新的甲醇混合，形成新的甲醇溶液35；
S14：燃料泵55将新的甲醇溶液35供给到电池阳极侧14，形成工作循环。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，包括燃料电池、燃料箱(20)、甲醇存储用碳气凝胶(22)、气液分离器(30)、水箱(40)、电磁阀(41)、水存储用碳气凝胶(42)、系统控制器(50)、空气泵(53)、甲醇泵(54)以及燃料泵(55)；
其特征在于：
所述系统控制器(50)与电磁阀(41)、空气泵(53)、甲醇泵(54)以及燃料泵(55)均信号传输连接，
所述燃料箱(20)内填充有甲醇存储用碳气凝胶(22)，所述水箱(40)内填充有水存储用碳气凝胶(42)，燃料箱(20)的出液端以及水箱(40)的出液端均通过电磁阀(41)与甲醇泵(54)的进液端连通设置；
所述甲醇泵(54)的出液端与气液分离器(30)连通设置，所述气液分离器(30)与燃料泵(55)的进液端连通设置，所述燃料泵(55)的出液端与燃料电池的电池阳极侧(14)的进料端连通设置；所述电池阳极侧(14)的出料端与气液分离器(30)连通设置；
所述空气泵(53)的出气端与燃料电池的电池阴极侧(12)的进料端连通设置；所述电池阴极侧(12)的出料端与气液分离器(30)连通设置。
2.根据权利要求1所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述气液分离器(30)包括气体排出装置(31)、气液分离仓(32)、多孔结构(33)以及反应仓(34)；所述气液分离仓(32)以及反应仓(34)上下连通设置，并且气液分离仓(32)与反应仓(34)之间设有多孔结构(33)，所述气液分离仓(32)的上端设有气体排出装置(31)。
3.根据权利要求2所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述多孔结构(33)由多孔材料制成。
4.根据权利要求2或3所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述反应仓(34)上设有甲醇浓度传感器(29)，所述甲醇浓度传感器(29)与系统控制器(50)信号传输连接。
5.根据权利要求4所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述燃料电池上设有温度传感器(19)，所述温度传感器(19)与系统控制器(50)信号传输连接。
6.根据权利要求1或5所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述燃料电池的电池阳极侧(14)以及电池阴极侧(12)均与系统控制器(50)信号传输连接。
7.根据权利要求6所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述气液分离器(30)上设有水位传感器(39)，所述水位传感器(39)与系统控制器(50)信号传输连接。
8.根据权利要求1或7所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述气液分离器(30)上还设有加热电阻(59)，所述加热电阻(59)与系统控制器(50)信号传输连接。
9.根据权利要求8所述的一种有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC，其特征在于：所述甲醇存储用碳气凝胶(22)以及水存储用碳气凝胶(42)的制作方法相同，均包括如下步骤：
步骤一：制备氧化石墨烯样品；
步骤一一：在冰水浴条件下，将质量比为1：1的鳞片石墨及硝酸钠加入至50-100ml浓度为98％的浓硫酸中，并搅拌至低温反应结束；
步骤一二：在35℃水浴下向步骤一一所得溶液内加入3-10克高锰酸钾，中温反应2小时；
步骤一三：向步骤一二所得溶液内加入100-200ml超纯水，并控制体系温度低于100℃；
步骤一四：向步骤一三所得溶液内加入3-10ml30wt.％纯度的过氧化氢溶液，并将所得溶液离心洗涤至中性；
步骤一五：将步骤一四所得溶液经超声剥离后，即可得到氧化石墨烯样品；
步骤二：将所制备的氧化石墨烯样品配制成5wt.％纯度的水溶液，取上述溶液2-8毫升、去离子水8-32毫升、甲醛溶液0.3-1.3毫升、间苯二酚0.25-1克，混合搅拌20min；
步骤三：将步骤二所得均匀分散的溶液转移至水热釜内衬中，85℃下水热24h后自然降温得到水凝胶；
步骤四：将所得水凝胶经过液氮预冻后放入冷冻干燥机中干燥；
步骤五：将干燥后的样品放入管式炉中，5℃min-1升温至800℃，在氨气气氛下碳化2h，得到碳气凝胶。
10.一种根据权利要求1-9中任一权利要求所述的有甲醇固态化存储燃料供给结构的PDMFC的工作方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1：系统控制器(50)控制电磁阀(41)打开水箱(40)通路；
S2：系统控制器(50)控制甲醇泵(54)启动；
S3：甲醇泵(54)从水箱(40)内抽取水存储用碳气凝胶(42)内的水并送至气液分离器(30)的反应仓(34)中；
S4：系统控制器(50)控制电磁阀(41)打开燃料箱(20)通路；
S5：甲醇泵(54)从燃料箱(20)内抽取甲醇存储用碳气凝胶(22)内的甲醇并送至气液分离器(30)的反应仓(34)中与水混合，形成甲醇溶液(35)；
S6：甲醇浓度传感器(29)测量甲醇溶液(35)的浓度，测量所得浓度转换成电信号传递给系统控制器(50)；
S7：若甲醇溶液(35)的浓度符合系统需求，则进行S8；反之，系统控制器(50)则根据甲醇浓度的高低，重复S1-S2/S3-S4控制甲醇泵(54)调节水/甲醇的输入流量至甲醇溶液(35)的浓度符合系统需求；
S8：系统控制器(50)控制燃料泵(55)启动，将甲醇溶液(35)输送到电池阳极侧(14)内进行反应；
S9：系统控制器(50)控制空气泵(53)抽取外部空气供给到电池阴极侧(12)内进行反应；
S10：在电池阳极侧(14)内产生的气相和液相混合反应产物：CO2与未完全反应的甲醇和水，进入气液分离器(30)的反应仓(34)；
S11：在电池阴极侧(12)内产生的气相和液相混合反应产物：H2O和未完全反应的空气进入气液分离器(30)的气液分离仓(32)；
S12：反应仓(34)中的未完全反应的甲醇和水经过冷凝作用液化，并与从气液分离仓(32)内流入的电池阴极侧(12)反应产生的水混合生成稀释的甲醇溶液(35)；反应仓(34)内的CO2则向上穿过多孔结构(33)，与气液分离仓(32)内的空气一同通过气体排出装置(31)排出；
S13：稀释的甲醇溶液(35)与通过甲醇泵(54)抽入的新的甲醇混合，形成新的甲醇溶液(35)；
S14：燃料泵(55)将新的甲醇溶液(35)供给到电池阳极侧(14)，形成工作循环。
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