專利名稱：一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于清潔能源領(lǐng)域，特別涉及一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法及裝置。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡(jiǎn)稱DMFC)是PEMFC的一種，以直接甲醇為陽(yáng)極燃料，無(wú)需將甲醇重整為富氫氣體的甲醇重整器裝置，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積能量密度高、燃料補(bǔ)充方便等特點(diǎn)，是最適合用于小型電源、車用電源等的燃料電池。它直接用甲醇溶液作為“燃料”發(fā)電，反應(yīng)后的產(chǎn)物只有水和二氧化碳，是一種綠色的環(huán)保電池。所以直接甲醇燃料電池的研究具有十分重要的意義。
限制直接甲醇燃料電池商業(yè)化的一個(gè)重要原因是沒(méi)有完全解決電池中的甲醇滲透問(wèn)題。甲醇滲透就是甲醇從電堆的陽(yáng)極通過(guò)膜擴(kuò)散到陰極直接與氧氣發(fā)生反應(yīng)，甲醇滲透與甲醇的濃度有直接的聯(lián)系，一般甲醇濃度越高，滲透現(xiàn)象越嚴(yán)重，相反適當(dāng)?shù)慕档图状嫉臐舛瓤梢栽谝欢ǔ潭壬弦种萍状嫉臐B透。甲醇滲透不僅使甲醇的利用率降低，也使電堆的電壓輸出不穩(wěn)定，同時(shí)滲透到陰極的甲醇在電堆的陰極產(chǎn)生了大量的熱量，使電堆的溫度升高，縮短了電池的壽命。
現(xiàn)有的克服甲醇滲透問(wèn)題的一個(gè)方法就是將較低濃度的甲醇溶液供給電堆使用，并將甲醇溶液的濃度維持在一個(gè)定值(通常是0.5～2mol/L，濃度依電堆的不同而不同)。這種方法沒(méi)有完全考慮到提高甲醇的利用率，例如負(fù)載消耗的功率是5~8W，由于濃度不可變，所以甲醇濃度要維持在至少可以使電堆提供8W的值上。我們知道，在一點(diǎn)的濃度范圍內(nèi)，甲醇濃度越高輸出功率也會(huì)越高，但濃度高不僅會(huì)使甲醇滲透現(xiàn)象加重，造成甲醇的浪費(fèi)，而且也會(huì)使電堆過(guò)熱，導(dǎo)致電堆壽命縮短。那么如果同一個(gè)電堆在其它條件都相同的條件下，輸出5W時(shí)電堆中的濃度一定比輸出8W時(shí)的濃度要低，所以我們?cè)谪?fù)載低的時(shí)候調(diào)低甲醇濃度是一個(gè)很好的選擇，這樣不僅可以降低堆溫，還可節(jié)省一定的甲醇。
同時(shí)以前將甲醇溶度控制在定值的方法也不完全適用于負(fù)載頻繁變動(dòng)的情況。所以將蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備和電池電堆混合使用的方法來(lái)使電池抗負(fù)載平凡干擾的能力增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法及裝置。其特征在于，所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法是在儲(chǔ)能設(shè)備與電堆混同使用條件下，依據(jù)負(fù)載的大小和儲(chǔ)能設(shè)備的剩余電量的大小控制甲醇的濃度，使電堆輸出穩(wěn)定、電池抗負(fù)載平凡干擾的能力增強(qiáng)，該方法具體控制過(guò)程如下1)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的大小和蓄電池中的剩余電量，將檢測(cè)到的信息傳送給控制器；2)甲醇在混合容器中與水進(jìn)行混合，檢測(cè)混合后的甲醇濃度值，并將檢測(cè)到的濃度值傳送給控制器。
3)電堆工作時(shí)，控制器控制電池中各輸送泵的轉(zhuǎn)速，以得到需要的甲醇濃度和流量，甲醇溶液在電堆中進(jìn)行反應(yīng)；4)反應(yīng)后甲醇溶液又被輸入到存放甲醇水溶液的罐中進(jìn)行循環(huán)利用。
所述控制器控制輸送泵的流量或甲醇閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間，將甲醇濃度控制到預(yù)定的值r0mol/L。
所述甲醇的濃度大于預(yù)定的值r0mol/L時(shí)，減少輸送泵中的甲醇流量；甲醇的濃度小于r0mol/L時(shí)，可以增大甲醇輸送泵中的甲醇流量，保證甲醇濃度到達(dá)預(yù)定的值。
所述甲醇濃度值可以在所示的管道中測(cè)量，或在混合容器中測(cè)量，或根據(jù)測(cè)量出與甲醇濃度相關(guān)的電堆陰極的溫度、陰極二氧化碳的釋放量、電堆的輸出電流而間接得到甲醇濃度值。
所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制裝置是在甲醇容器和混合容器之間連接泵從甲醇容器中向混合容器中抽取甲醇，混合容器通過(guò)泵和管道連接至電堆，電堆頂部和混合容器頂部再用管道連通；電堆分別和蓄電池、負(fù)載連接、蓄電池與負(fù)載連接，控制器分別和上述部件連接。
所述控制器可以選用單片機(jī)、DSP控制器或可編程控制器。
所述負(fù)載包括外接用電設(shè)備和本電池中的控制器、輸送泵、電池中的穩(wěn)壓電路及DC～AC變換器。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的一種甲醇燃料電池甲醇溶液濃度的控制方法，同時(shí)將蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備與電堆混同使用，并基于負(fù)載的大小和蓄電池的剩余電量的大小控制甲醇的濃度。這種方法既能夠滿足負(fù)載頻繁變動(dòng)的需要，同時(shí)也可以最大化的利用甲醇燃料。


圖1為實(shí)施例1裝置示意圖。
圖2為方案一中的將低的甲醇濃度調(diào)到期望的較高濃度值的控制原理圖。
圖3為實(shí)施例2裝置示意圖。
圖4為實(shí)施例3裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法及裝置。下面結(jié)合附圖，例舉具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明予以說(shuō)明。
實(shí)施方案1(如圖1所示)圖1所示，在甲醇容器和混合容器之間連接泵-1，混合容器用管道和泵-2連通至電堆；電堆分別和蓄電池、負(fù)載連接、蓄電池與負(fù)載連接，控制器分別和上述部件連接。
混合容器中的甲醇溶液供給電堆使用，電堆使用過(guò)的較低濃度的甲醇溶液又被輸送到混合容器中進(jìn)一步使用以提高甲醇的利用率，混合容器中不足的甲醇由泵-1向其提供；電堆通過(guò)穩(wěn)壓電路和充電電路與蓄電池相連，電堆發(fā)出的電量同時(shí)給外部負(fù)載和蓄電池供電，蓄電池給外部負(fù)載供電也為電池中的控制器和泵等耗能設(shè)備供電?？刂破魍ㄟ^(guò)檢測(cè)到的甲醇濃度值、負(fù)載大小和蓄電池剩余電量等信息調(diào)節(jié)泵的開(kāi)啟時(shí)間或轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)混合容器中甲醇濃度的目的。
例如混合容器中原先有1mol/L的甲醇溶液，體積為100ml，為了達(dá)到這樣的一個(gè)目標(biāo)當(dāng)電堆發(fā)電功率大于負(fù)載消耗的功率時(shí)，蓄電池可以儲(chǔ)能，并調(diào)低甲醇濃度；當(dāng)電堆發(fā)電功率小于負(fù)載消耗功率時(shí)，發(fā)電不足部分由蓄電池提供，并調(diào)高甲醇濃度，所以控制的目標(biāo)可以轉(zhuǎn)換為在負(fù)載變化和蓄電池電量變化的情況下通過(guò)調(diào)節(jié)輸入甲醇溶液的濃度以達(dá)到使蓄電池的電量始終為60％。
該電池適合變化范圍是5～10W的負(fù)載，并且負(fù)載的平均功率為8W；允許向電堆加入甲醇溶液的濃度范圍是0.3～2.0mol/L，并且在這個(gè)濃度范圍內(nèi)，電堆的輸出功率是隨濃度的增加而增加的。可以先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得在不同的甲醇濃度下電堆的輸出功率，例如在電堆在工作溫度下測(cè)出在甲醇濃度為1mol/L時(shí)電堆的輸出功率為8W，0.5mol/L時(shí)電堆的輸出功率為5W，1.5mol/L時(shí)電堆的輸出功率為10W。因此我們可以建立一個(gè)在不同負(fù)載大小的情況下所需要甲醇濃度的函數(shù)關(guān)系。為了敘述方便，這個(gè)負(fù)載大小——甲醇濃度的函數(shù)關(guān)系可以用f(P)表示，P表示負(fù)載的大小，f(P)表示所需要的甲醇濃度。那么在不考慮蓄電池電量的情況下，當(dāng)負(fù)載為8W時(shí)所需的甲醇溶液濃度為f(8)，即1mol/L；當(dāng)負(fù)載為10W時(shí)所需的甲醇溶液濃度為f(10)，即1.5mol/L；當(dāng)負(fù)載為5W時(shí)所需的甲醇溶液濃度為f(5)，即0.5mol/L。下面給出了一種根據(jù)蓄電池的剩余電量的大小和負(fù)載的大小來(lái)確定需要的甲醇濃度大小的方法假設(shè)負(fù)載不變，以蓄電池的剩余電量為60％為基值，當(dāng)蓄電池的電量變化X％的大小時(shí)，所需的甲醇濃度應(yīng)該相應(yīng)的變化-0.01x(mol/L)，例如當(dāng)蓄電池電量為80％時(shí)，甲醇濃度應(yīng)相應(yīng)的降低0.01×(80-60)＝0.2mol/L；當(dāng)蓄電池電量為40％時(shí)，甲醇濃度應(yīng)相應(yīng)的提高0.01×(60-40)％＝0.2mol/L。
當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，那么甲醇濃度值應(yīng)為(f(P)-0.01x)mol/L。例如當(dāng)負(fù)載大小為8W，蓄電池電量為60％時(shí)，甲醇濃度應(yīng)為1mol/L；例如當(dāng)負(fù)載大小為10W，蓄電池電量為50％時(shí)，甲醇濃度應(yīng)為1.5-0.01×(50-60)＝1.6mol/L；例如當(dāng)負(fù)載大小為5W，蓄電池電量為70％時(shí)，甲醇濃度應(yīng)為0.5-0.01×(70-60)＝0.4mol/L，其它的情況下依此類推。
所述根據(jù)測(cè)量出和甲醇電量相關(guān)的電堆陰極的溫度或陰極二氧化碳的釋放量而間接得到甲醇濃度值間接得到甲醇濃度值的方法可以根據(jù)上述通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得在不同的甲醇濃度下的甲醇電量相關(guān)的電堆陰極的溫度或陰極二氧化碳的釋放量建立一種對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系，從而間接得到甲醇濃度值。
下面給出一種將濃度控制到所期望值的方法電堆中甲醇的消耗可分為甲醇發(fā)電的消耗和甲醇滲透消耗，在不同的甲醇濃度、電堆溫度和負(fù)載大小的情況下電堆消耗的甲醇速率是不同的，但是我們可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出在不同的狀況下電堆中甲醇消耗速率。假設(shè)原先甲醇的濃度為1mol/L，現(xiàn)在需要甲醇的濃度為0.8mol/L時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)單的讓甲醇濃度降低的方法就是停止純甲醇的供應(yīng)，也就是將泵-1關(guān)閉。當(dāng)甲醇濃度降到0.8mol/L時(shí)，再開(kāi)啟泵-1，并將泵-1開(kāi)啟到所需要的流量。
假設(shè)原先甲醇的濃度為0.8mol/L，現(xiàn)在需要甲醇的濃度為1mol/L時(shí)，可以通過(guò)加大泵-1的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體的為，檢測(cè)到混合容器中甲醇濃度為r，與所期望的甲醇濃度r0相比較，PI控制器根據(jù)兩個(gè)濃度的差值輸出泵-1所需要的工作轉(zhuǎn)速控制量，以此來(lái)控制甲醇的流量達(dá)到調(diào)節(jié)混合容器中甲醇濃度的目的，控制的原理如圖2所示當(dāng)混合容器中甲醇濃度達(dá)到了所需要的了濃度r0值時(shí)，根據(jù)此時(shí)檢測(cè)到的電堆狀況將輸送泵-1開(kāi)啟到所需要的流量。
實(shí)施方案2(如圖3所示)如圖3所示的方案中，在純甲醇容器旁增加一個(gè)甲醇水溶液容器和泵-2，并且去掉了混合容器，泵-2接至泵-1通向電堆的連接管道，甲醇水溶液和純甲醇分別通過(guò)泵-2和泵-1打出并在管道中混合后進(jìn)入電堆的陽(yáng)極進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后得到的較低濃度的甲醇溶液又被輸送到存儲(chǔ)水溶液的罐中以便進(jìn)一步使用。甲醇濃度大小的確定方法與方案1相同，這里不再重復(fù)。但方案2中甲醇的控制方法與方案1有所不同，控制方法如下所述甲醇濃度具體的控制方法為檢測(cè)出通過(guò)泵-2的甲醇溶液的甲醇濃度以及流量，根據(jù)所需要的甲醇確定泵-1的流量，例如假設(shè)泵-2中甲醇溶液的甲醇濃度為0.6mol/L，流速為1L/min，并假設(shè)所需要的甲醇濃度為1.2mol/L，那么泵-1的應(yīng)平均每分鐘輸送0.6mol(約24ml)的甲醇。
對(duì)于圖3，純甲醇是在管道中被稀釋的，可以將管道增長(zhǎng)以增加混合作用；也可以在管道中增加一個(gè)混合容器以增強(qiáng)混合效果(如圖4所示)。
權(quán)利要求
1.一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法，其特征在于，所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法是在儲(chǔ)能設(shè)備與電堆混同使用條件下，依據(jù)負(fù)載的大小和儲(chǔ)能設(shè)備的剩余電量的大小控制甲醇的濃度，使電堆輸出穩(wěn)定、電池抗負(fù)載平凡干擾的能力增強(qiáng)，該方法具體控制過(guò)程如下(1)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的大小和蓄電池中的剩余電量，將檢測(cè)到的信息傳送給控制器；(2)甲醇在混合容器中與水進(jìn)行混合，檢測(cè)混合后的甲醇濃度值，并將檢測(cè)到的濃度值傳送給控制器。(3)控制器以上述信息參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，控制輸送泵的轉(zhuǎn)速，向電堆內(nèi)添加甲醇，以得到需要的甲醇濃度和流量，保證電堆能正常工作，甲醇溶液在電堆中進(jìn)行反應(yīng)；(4)反應(yīng)后甲醇溶液又被輸入到存放甲醇水溶液的罐中進(jìn)行循環(huán)利用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法，其特征在于，所述控制器控制輸送泵的流量或甲醇閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間，將甲醇濃度控制到預(yù)定的值r0mol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法，其特征在于，所述甲醇的濃度大于預(yù)定的值r0mol/L時(shí)，減少輸送泵中的甲醇流量；甲醇的濃度小于r0mol/L時(shí)，增大輸送泵中的甲醇流量，保證甲醇濃度到達(dá)預(yù)定的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法，其特征在于，所述甲醇濃度值可以在所示的管道中測(cè)量，或在混合容器中測(cè)量，或根據(jù)測(cè)量出和甲醇電量相關(guān)的電堆陰極的溫度或陰極二氧化碳的釋放量而間接得到甲醇濃度值間接得到甲醇濃度值。
5.一種權(quán)利要求1所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制裝置，其特征在于，所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制裝置是在甲醇容器和混合容器之間連接輸送泵，混合容器通過(guò)輸送泵連接至電堆，電堆和混合容器再用管道連通；電堆分別和蓄電池、負(fù)載連接、蓄電池與負(fù)載連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制裝置，其特征在于，所述控制器可以選用單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器或可編程控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制裝置，其特征在于，所述負(fù)載包括外接用電設(shè)備和本電池中的控制器、輸送泵、電池中的穩(wěn)壓電路及DC～AC變換器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制裝置，其特征在于，所述蓄電池可以用大電容代替。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于清潔能源領(lǐng)域的一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度控制方法及裝置。所述控制裝置在甲醇容器和混合容器之間連接泵－1，混合容器通過(guò)管道連接至電堆，電堆和混合容器再用管道連通；電堆分別和蓄電池、負(fù)載連接、蓄電池與負(fù)載連接，控制器分別和上述部件連接。所述甲醇溶液濃度控制方法是控制器根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的負(fù)載的大小和蓄電池中的剩余電量，同時(shí)檢測(cè)甲醇濃度及電堆內(nèi)現(xiàn)存的甲醇水溶液或水；控制器以這些信息參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，控制輸送泵的轉(zhuǎn)速，向電堆內(nèi)添加甲醇，以得到需要的甲醇濃度和流量，保證電堆能正常工作。這種方法既能夠滿足負(fù)載頻繁變動(dòng)的需要，同時(shí)也可以最大化的利用甲醇燃料。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101034751SQ20071006463
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者王榮蓉, 李春文, 謝曉峰, 丁青青, 戎袁杰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)