CN114335612A - 一种醇类燃料电池供液***及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种醇类燃料电池供液***及其工作方法。该***包括，包括：燃料电池堆、空气供给***、水罐和液体燃料供给***，所述空气供给***分别连接燃料电池堆和水罐，所述水罐连接液体燃料供给***，所述液体燃料供给***包括甲醇罐、燃料泵、燃料罐和水泵，所述甲醇罐经过燃料泵连接燃料罐，所述燃料罐经过水泵连接水罐；在燃料电池堆的外电路串联电流计，电流计连接控制电路，控制电路连接燃料泵；控制电路根据电流计测量的输出电流控制燃料泵的工作开始时间，使燃料罐中的甲醇浓度在设定的范围。
Description
技术领域
本发明属于醇类燃料电池领域，具体涉及一种醇类燃料电池供液***及其工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
直接醇类燃料电池(DAFC)与氢燃料电池(PEMFC)相近，只是不用氢作燃料，而是直接用醇类和其他有机分子作燃料。直接醇类燃料电池就是将有机小分子和氧气的化学能转化为电能的一种能量转化装置。
而目前的研究工作大都针对用甲醇作燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)。其工作原理如下：甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子(氢核或氢离子)和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜迁移到阴极，并在阴极与氧反应，而电子则通过外电路的负载到达阳极，并做功。其电极反应如下：
阳极反应：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- (1)
阴极反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O (2)
总反应：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O (3)
与二次电池不同，直接甲醇燃料电池只要保持连续的甲醇燃料和氧化剂供给，就会有源源不断的电子通过外部电路从阳极流向阴极产生电能，并对外供电。
如图1所示，直接甲醇燃料电池***主要包括三个部分：燃料电池电堆，空气供给***和液体燃料供给***。燃料电池电堆由多个燃料电池单元组成，每个燃料电池单元包括阳极，质子交换膜和阴极构成，是发生电化学反应的基本单元。空气供给***包括空气泵，过滤器和冷凝器。空气经过加压进入电堆中每个燃料电池单元的阴极，并进行阴极反应生成水(如上述方程式(2)所示)。多余的空气和水一起排出电堆，然后进入冷凝器，其中的水蒸气冷凝成液态水。液态水经回收管路流入水罐。直接甲醇燃料电池的阳极反应物为2-10％的甲醇水溶液。如果甲醇浓度太低会出现燃料供应不足的问题，影响电堆的功率输出；如果甲醇浓度过高，甲醇就会渗透到阴极和空气在阴极催化层接触发生化学反应生成热。可见过高的甲醇浓度会造成燃料浪费，并可能造成燃料电池的损坏。由此可见，保持燃料罐中的甲醇浓度在合理的范围是非常重要的。当前的直接甲醇燃料电池***一般使用甲醇浓度计控制燃料罐的甲醇浓度。当甲醇浓度低于设定值时，控制电路会启动燃料泵把甲醇罐里面的高浓度甲醇(50-100％)送入燃料罐，以保持燃料罐中的甲醇浓度在合理范围内(2-10％)。然而，目前市面上的甲醇浓度计存在以下问题：使用寿命短(小于2000小时)，价格昂贵和精度不高。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种醇类燃料电池供液***及其工作方法，本发明能够保证甲醇燃料罐中的甲醇浓度在合理区间。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一个方面本发明提供了一种醇类燃料电池供液***。
一种醇类燃料电池供液***，包括：燃料电池堆、空气供给***、水罐和液体燃料供给***，所述空气供给***分别连接燃料电池堆和水罐，所述水罐连接液体燃料供给***，所述液体燃料供给***包括甲醇罐、燃料泵、燃料罐和水泵，所述甲醇罐经过燃料泵连接燃料罐，所述燃料罐经过水泵连接水罐；
在燃料电池堆的外电路串联电流计，电流计连接控制电路，控制电路连接燃料泵；
控制电路根据电流计测量的输出电流控制燃料泵的工作开始时间，使燃料罐中的甲醇浓度在设定的范围。
第二个方面本发明提供了一种醇类燃料电池供液***的工作方法。
一种醇类燃料电池供液***的工作方法，采用第一个方面所述的醇类燃料电池供液***，包括：
获取燃料电池堆的输出电流值；
控制电路根据所述输出电流值，结合燃料泵的工作时间比例以及燃料泵的工作时间，得到燃料泵的工作时间间隔，根据燃料泵的工作时间间隔和燃料泵的工作时间控制燃料泵的工作开始时间，使燃料罐中的甲醇浓度在设定的范围；
其中，燃料泵的工作时间比例＝燃料泵的工作时间/燃料电池总工作时间，燃料泵的工作时间＝燃料电池堆没有电流输出的情况下的燃料消耗量+燃料电池***相关系数×燃料电池堆的输出电流值的乘积。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在不使用甲醇浓度计的情况下，也可以保持甲醇罐中的甲醇浓度在燃料电池工作的合理范围内。
本发明可以保持甲醇罐里的甲醇浓度在设定值(2.2％)上下小幅波动，控制精度达到了燃料电池正常工作要求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明背景技术提到的现有的直接甲醇燃料电池***图；
图2是本发明实施例一示出的醇类燃料电池供液***的结构图；
图3是本发明实施例一示出的燃料电池***电流输出和燃料泵工作时间成正比的折线图；
图4是本发明实施例一示出的醇类燃料电池供液***的控制流程图；
图5是本发明实施例一示出的甲醇燃料电池***(1kW)工作时的甲醇罐浓度变化图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例一
本实施例提供了一种醇类燃料电池供液***。
如图2所示，一种醇类燃料电池供液***，包括：燃料电池堆、空气供给***、水罐和液体燃料供给***，所述空气供给***分别连接燃料电池堆和水罐，所述水罐连接液体燃料供给***，所述液体燃料供给***包括甲醇罐、燃料泵、燃料罐和水泵，所述甲醇罐经过燃料泵连接燃料罐，所述燃料罐经过水泵连接水罐；
在燃料电池堆的外电路串联电流计，电流计连接控制电路，控制电路连接燃料泵；
控制电路根据电流计测量的输出电流控制燃料泵的工作开始时间，使燃料罐中的甲醇浓度在设定的范围。
从电化学反应方程式(1)可以知道，甲醇的消耗量和产生的电流成正比。而为了补充甲醇的消耗量，燃料泵的工作时间必须相应的延长。如下面的方程式(4)所示：
燃料泵的工作时间比例Duty Ratio为：
Duty Ratio＝(C+A·I)/T (4)
其中，C是在燃料电池没有电流输出的情况下的燃料消耗量相关系数，因为甲醇会通过渗透到达阴极和空气进行化学反应，即使没有电流输出的情况下，也有部分甲醇被消耗了；A表示燃料电池***燃料消耗量和电流相关系数；I表示燃料电池堆的输出电流；T为燃料电池工作总时间。
图3是燃料电池***电流输出和燃料泵工作时间成正比的折线图，如图3所示，1kW的甲醇燃料电池***的实验结果，验证了方程式(4)的正确性。
根据图3可以看出，控制电路按照方程式(4)和图2确定的常数来控制燃料泵的工作时间。
为了简化设计，设定Ton为固定值，这样就可以得出燃料泵的工作时间间隔Toff为：
Toff＝((1/Duty Ratio)-1)*Ton (5)
其中，Duty Ratio表示燃料泵的工作时间比例；Ton表示燃料泵的工作时间，设定为固定值。
作为一种或多种实施方式，所述燃料泵采取间歇式工作，每次工作的时间是固定的(比如1s，2s等)。
作为一种或多种实施方式，所述燃料泵的工作时间间隔由控制电路决定。
作为一种或多种实施方式，所述燃料电池堆包括若干燃料电池单元。
作为一种或多种实施方式，所述空气供给***包括过滤器、控制泵和冷凝器，所述过滤波器连接空气泵，所述空气泵连接燃料电池堆，所述燃料电池堆连接冷凝器。
作为一种或多种实施方式，空气经过空气泵加压进入燃料电池堆中每个燃料电池单元的阴极，并进行阴极反应生成水，多余的空气和水一起排出燃料电池堆，然后进入冷凝器，其中的水蒸气冷凝成液态水，液态水经回收管路流入水罐。
作为一种或多种实施方式，所述在燃料电池堆与燃料罐之间连接有循环泵。
图4是燃料电池***控制流程图，控制步骤可按照图中所示的进行：当***启动后，燃料电池的电流输出值被传输到控制电路，燃料泵的工作时间比例Duty Ratio可按方程式(4)进行计算，燃料泵的工作时间间隔Toff可按方程式(5)进行计算，根据Toff就可以确定甲醇燃料泵工作开始时间，每次燃料泵工作的时间可以是一个确定的时间间隔Ton。
图5是甲醇燃料电池***(1kW)工作时的甲醇罐浓度变化，如图5所示，在没有使用甲醇浓度计控制燃料泵的情况下，而是用本实施例所述的方法可以保持甲醇罐里甲醇浓度在设定值(2.2％)上下小幅波动，控制精度达到了燃料电池正常工作要求。
实施例二
本实施例提供了一种醇类燃料电池供液***的工作方法。
一种醇类燃料电池供液***的工作方法，其特征在于，采用实施例一所述的醇类燃料电池供液***，包括：
获取燃料电池堆的输出电流值；
控制电路根据所述输出电流值，结合燃料泵的工作时间比例以及燃料泵的工作时间，得到燃料泵的工作时间间隔，根据燃料泵的工作时间间隔和燃料泵的工作时间控制燃料泵的工作开始时间，使燃料罐中的甲醇浓度在设定的范围；
其中，燃料泵的工作时间比例＝燃料泵的工作时间/燃料电池总工作时间，燃料泵的工作时间＝燃料电池堆没有电流输出的情况下的燃料消耗量+燃料电池***相关系数×燃料电池堆的输出电流值的乘积。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种醇类燃料电池供液***，包括：燃料电池堆、空气供给***、水罐和液体燃料供给***，所述空气供给***分别连接燃料电池堆和水罐，所述水罐连接液体燃料供给***，所述液体燃料供给***包括甲醇罐、燃料泵、燃料罐和水泵，所述甲醇罐经过燃料泵连接燃料罐，所述燃料罐经过水泵连接水罐；其特征在于，
在燃料电池堆的外电路串联电流计，电流计连接控制电路，控制电路连接燃料泵；
控制电路根据电流计测量的输出电流控制燃料泵的工作开始时间，使燃料罐中的甲醇浓度在设定的范围。
2.根据权利要求1所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，所述燃料泵的工作时间间隔Toff为：
Toff＝((1/Duty Ratio)-1)*Ton
其中，Duty Ratio表示燃料泵的工作时间比例；Ton表示燃料泵的工作时间，设定为固定值。
3.根据权利要求2所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，所述燃料泵的工作时间比例Duty Ratio为：
Duty Ratio＝(C+A·I)/T
其中，C表示在燃料电池堆没有电流输出的情况下的燃料消耗量相关系数，A表示燃料电池***燃料消耗量和电流相关系数，I表示燃料电池堆的输出电流；T为燃料电池工作总时间。
4.根据权利要求1所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，所述燃料泵采取间歇式工作，每次工作的时间是固定的。
5.根据权利要求1所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，所述燃料泵的工作时间间隔由控制电路决定。
6.根据权利要求1所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，所述燃料电池堆包括若干燃料电池单元。
7.根据权利要求1所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，所述空气供给***包括过滤器、控制泵和冷凝器，所述过滤波器连接空气泵，所述空气泵连接燃料电池堆，所述燃料电池堆连接冷凝器。
8.根据权利要求7所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，空气经过空气泵加压进入燃料电池堆中每个燃料电池单元的阴极，并进行阴极反应生成水，多余的空气和水一起排出燃料电池堆，然后进入冷凝器，其中的水蒸气冷凝成液态水，液态水经回收管路流入水罐。
9.根据权利要求1所述的醇类燃料电池供液***，其特征在于，所述在燃料电池堆与燃料罐之间连接有循环泵。
10.一种醇类燃料电池供液***的工作方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的醇类燃料电池供液***，包括：
获取燃料电池堆的输出电流值；
控制电路根据所述输出电流值，结合燃料泵的工作时间比例以及燃料泵的工作时间，得到燃料泵的工作时间间隔，根据燃料泵的工作时间间隔和燃料泵的工作时间控制燃料泵的工作开始时间，使燃料罐中的甲醇浓度在设定的范围；
其中，燃料泵的工作时间比例＝燃料泵的工作时间/燃料电池总工作时间，燃料泵的工作时间＝燃料电池堆没有电流输出的情况下的燃料消耗量+燃料电池***相关系数×燃料电池堆的输出电流值的乘积。
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