专利名称：一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于清洁能源领域，特别涉及一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制实用 新型装置。
背景技术：
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,简称DMFC)是PEMFC的一种，以直接 甲醇为阳极燃料，无需将甲醇重整为富氢气体的甲醇重整器装置，具有系统结构简单、体积 能量密度高、燃料补充方便等特点，是最适合用于小型电源、车用电源等的燃料电池。它直 接用甲醇溶液作为"燃料"发电，反应后的产物只有水，是一种绿色的环保电池。所以直接 甲醇燃料电池的研究具有十分重要的意义。限制直接甲醇燃料电池商业化的一个重要原因是没有完全解决电池中的甲醇渗透问题。 甲醇渗透就是甲醇从直接甲醇燃料电池的阳极通过膜扩散到阴极直接与氧气发生反应，甲醇 渗透与甲醇的浓度有直接的联系， 一般甲醇浓度越高，渗透现象越严重，相反适当的降低甲 醇的浓度可以在一定程度上抑制甲醇的渗透。甲醇渗透不仅使甲醇的利用率降低，也使电堆 的电压输出不稳定，同时渗透到阴极的甲醇在电堆的阴极产生了大量的热量，使电堆的温度 升高，缩短了电池的寿命。现有的克服甲醇渗透问题的一个方法就是将较低浓度的甲醇溶液供给电堆使用，并将甲 醇溶液的浓度维持在一个定值(通常是0.5 2mol/L，浓度依电堆的不同而不同)。甲醇浓度 越大，电堆的发电能力越强，控制甲醇浓度在定值没有完全考虑到提高甲醇的利用率，因为 例如负载消耗的功率是5-8W，由于浓度不可变，所以甲醇浓度要维持在至少可以使电堆提供 8W的值上。我们知道，在一点的浓度范围内，甲醇浓度越高输出功率也会越高，但浓度高不 仅会使甲醇渗透现象加重，造成甲醇的浪费，而且也会使电堆过热，导致电堆寿命縮短。那 么如果同一个电堆在其它条件都相同的条件下，输出5W时电堆中的浓度一定比输出8W时的 浓度要低，所以我们在负载低的时候调低甲醇浓度是一个很好的选择，这样不仅可以降低堆 温，还可节省一定的甲醇。现在一般调节直接甲醇燃料电池系统中输入电堆的甲醇的浓度的方法是给电堆配备一个 混合罐，然后通过调节混合罐中的甲醇浓度来实现调节输入电堆的甲醇浓度。输入电堆的甲 醇在电堆中反应浓度逐渐降低，同时为了充分利用甲醇以提高系统的甲醇使用效率，反应后 的浓度较低的甲醇溶液又被输入混合罐以供继续使用，但是如果没有向这个混合罐中注入纯甲醇，那么混合罐中的甲醇浓度就会逐渐降低，所以必须用一个微型泵向混合罐输入纯甲醇 来控制混合罐中的甲醇浓度，由于电堆的消耗的甲醇速率很小(以东芝开发的一款笔记本用 的直接甲醇燃料电池为例，lOOmL的甲醇可以用IO小时，也就是说平均每分钟的纯甲醇消耗 量不足0.2mL)，所以所选用的微型泵的流量和精度必须很高，但是通常微型泵的最小流量和 精度越高，价格也就越贵，所以通常是使用一个最低流量不是很小的微型泵以时开时关的方 式向混合罐中输入甲醇。但是以时开时断的方式向混合罐补充甲醇的缺点是要求所使用的甲 醇混合罐体积要足够的大，而且也不容易及时地跟据负载大小以及电堆的运行状态调节输入 电堆的甲醇的浓度，例如当负载变小时，需要的甲醇浓度变低，那只能停止向混合罐中供应 甲醇，但是由于混合罐的体积一般较大，甲醇的浓度不可能降的很快。发明内容本实用新型的目的提供一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制装置。 本实用新型的特征在于上筒和下筒，两者轴向平行且桶壁上下相互嵌接，在该嵌接处开有若干个细孔，在细孔 中填充聚四氟乙烯16，上筒的外筒壁15从导管14输入纯甲醇3，下筒的一端与外部的一个 液泵7相连；传动机构，含有齿轮20、 一端上方带有齿条的传动杆22、电机21和活塞17，其中，齿 轮20和传动杆22啮合，活塞17与所述传动杆22中的另一端相连，电机21带动齿轮20通 过传动杆22引导活塞17在外筒内沿桶壁作水平方向的往复运动，电机21的转向、转述与位 于甲醇流向上的甲醇传感器9检测到的甲醇浓度、电堆期望的输入甲醇浓度两者相比较的值 相关；固定套19,通过固定杆18固定在下桶的外筒壁24上，所述传动杆22轴相地从固定套 19中滑动穿过。本实用新型的有益效果本发明利用物质对不同液体具有不同吸收能力的特性，设计了 一种适合于直接醇类电池的可以及时的跟据负载大小和电堆运行状态的浓度控制系统，该方 法具有不需要使用昂贵的高精度的液泵的特点，成本低，结构简单，制造和维护成本低。
图1为直接甲醇燃料电池系统原理图1.甲醇溶液导管2.纯甲醇罐3.纯甲醇4. 甲醇溶液流向 5.溶液罐6甲醇溶液7液泵，8.甲醇溶液浓度控制装置9.甲醇浓度传 感器10.气泵11.电堆12.气体导管13.气体流向14.纯甲醇导管。图2为甲醇溶液浓度控制装置示意图。15.上筒筒壁16.聚四氟乙烯17.活塞18. 固定杆19.固定套20.齿轮21.齿轮转动方向22.传动杆23.传动杆运动方向24.下筒筒壁。图3为图2中所示虚线处的截面图具体实施方式
本发明提出一种直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度控制方法及装置。
以下结合附图，例举 具体实施方案对本发明予以说明。聚四氟乙烯16是一种容易吸附甲醇但是不容易吸附水的材料.如图-2所示在互相平行且连接的两个圆筒中，在彼此的连接处打有若干个细孔，细孔中填充聚四氟乙烯16，所以 纯甲醇3只能从上管道渗透到下管道，而下管道中的水不能渗透至上管道中的纯甲醇中。上 管道内充满甲醇3且与图-1中的纯甲醇罐通过纯甲醇导管-14相连通，上导管一端封闭，另 一端用活塞17封闭，活塞17通过一端上方带有齿条的传动杆22与齿轮20相连接，传动杆 22被固定套19固定，同时固定套19通过焊接在下管道外壁上的固定杆18固定，使传动杆 22只能在电机的带动下沿上管道平行移动。下圆筒一端通过导管与图一中的液泵7相连接， 并在液泵7的带动下输入甲醇溶液，另一端与连接至甲醇浓度传感器的导管相连接。电机带动齿轮20的正转或反转可以带动图-3中活塞17向左或向右移动。活塞向左移 动使与纯甲醇3接触的小孔数量减少，而与纯甲醇3接触的小孔数量减少就意味着渗透速度 减慢，相反活塞向右移动使渗透速度加快，通过甲醇浓度传感器9检测到的甲醇浓度值和电 堆期望的输入甲醇浓度值确定电机的转向就可以达到控制甲醇浓度的目的。
权利要求1. 直接甲醇燃料电池用甲醇溶液浓度控制装置，其特征在于，含有上筒和下筒，两者轴向平行且桶壁上下相互嵌接，在该嵌接处开有若干个细孔，在细孔中填充聚四氟乙烯(16)，上筒的外筒壁(15)从导管(14)输入纯甲醇(3)，下筒的一端与外部的一个液泵(7)相连；传动机构，含有齿轮(20)、一端上方带有齿条的传动杆(22)、电机(21)和活塞(17)，其中，齿轮(20)和传动杆(22)啮合，活塞(17)与所述传动杆(22)中的另一端相连，电机(21)带动齿轮(20)通过传动杆(22)引导活塞(17)在外筒内沿桶壁作水平方向的往复运动，电机(21)的转向、转述与位于甲醇流向上的甲醇传感器(9)检测到的甲醇浓度、电堆期望的输入甲醇浓度两者相比较的值相关；固定套(19)，通过固定杆(18)固定在下桶的外筒壁(24)上，所述传动杆(22)轴相地从固定套(19)中滑动穿过。
专利摘要直接甲醇燃料电池用的甲醇溶液浓度控制装置属于直接甲醇燃料电池技术领域，其特征在于，利用开在相互轴向平行且筒壁上下相互嵌接的两个圆筒的连接处的若干细孔中的聚四氟乙烯，使得上筒中的纯甲醇在传动机构所控制的活塞的作用下，通过活塞在外筒内沿筒壁作左、右方向的水平运动来实现上筒的纯甲醇向下筒中的甲醇溶液的浓度实现控制，用一个甲醇浓度传感器检测到的下筒输出的甲醇溶液浓度与设定值进行比较，即可实现对输入电堆的甲醇溶液的浓度进行控制，本实用新型可跟据电堆负载大小实现对甲醇浓度的控制，具有结构简单，维护方便的优点。
文档编号H01M8/04GK201117725SQ200720170049
公开日2008年9月17日 申请日期2007年8月3日 优先权日2007年8月3日
发明者丁青青, 李春文, 王荣蓉, 谢晓峰 申请人:清华大学