专利名称：一种混合型直接甲醇燃料电池供电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于清洁能源领域，特别涉及一种提高直接甲醇燃料电池系统稳定性及延长 使用寿命的方法及装置。
背景技术：
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)直接以甲醇为阳极燃料， 无需将甲醇重整为富氢气体的甲醇重整器装置，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。直接甲醇燃料电池具有系统结构简单、体积能量 密度高、燃料补充方便等特点，是最适合用于家庭或办公用的备用电源、助力车和汽车电源、 笔记本和手机等电子产品的小型电源。同时，直接甲醇燃料电池也非常适合作为通信电源。 传统的蓄电池容量、比能量偏小、持续工作时间有限；以氢为动力的燃料电池没有完全解决 氢的存储和运输的问题；车载发电机组和背负式的小型汽油机发电机由于其电磁干扰严重， 会严重恶化通信发报的工作环境，同时因为工作温度高、噪音大等缺点使小型油机发电机的 隐蔽性很差。直接甲醇燃料电池技术由于工作温度低、寿命长、能量密度高，在通讯电源领 域也一定会大有作为。直接甲醇燃料电池被广泛认为是最具产业化前景的一种燃料电池，已 经成为了各国竞相开发的重点，有着巨大的市场潜力。
然而，直接甲醇燃料电池商业化之前还有许多的问题需要解决。例如传统的直接甲醇燃 料电池系统常用一个蓄电池配合电堆工作(如图一1)，这种结构中通常是用一个DC/DC变换 器对电堆放出的电压进行稳压，DC/DC模块放出的电压与蓄电池并联后在负载端给负载供电， 这种结构一定程度上起到抗负载扰动的作用，但是在实际运行当中，蓄电池会频繁的充放电， 我们知道任何一种蓄电池的充放电次数都是有一定限制的，所以这种结构会使蓄电池过早老 化，导致整个燃料电池系统的寿命受限制。同时这种系统中由于使用了 DC/DC变换器对电堆 的电压进行稳压，由于直接甲醇燃料电池电堆放电电压较低但是电流较大，所以用DC/DC对其进行稳压控制会产生的大量损耗并使得系统整体的效率大大降低。
此外电堆内部的甲醇渗透，电池辅助系统耗能大等也是甲醇甲醇燃料电池电源系统的问 题。在一定的浓度范围内甲醇浓度越高电堆的性能越好，但是甲醇渗透也会越严重，甲醇渗 透是指甲醇直接扩散到电池的阴极与氧气反应，渗透到阴极的甲醇没有参与发电过程，反而 会释放出大量的热系统过热，同时渗透到阴极的甲醇与氧气反应还会产生一个反电动势叠加 在电池的输出端，降低了电池的放电电压。目前大多数研究者都是将甲醇浓度控制在一个定 值(通常是lmol/L)，这种方法可以在电堆以额定功率工作时得到较高的电堆输出性能并可
以在一定程度上抑制甲醇渗透，但是并没有根据负载大小在线的调节甲醇浓度，例如当负载 小时，可以在保证电堆的输出电能可以满足负载要求的情况下能适当的降低甲醇浓度，这样 可以减少甲醇渗透。系统内耗大的主要原因是系统中使用了一系列的耗能大的设备，如气泵、 液泵和散热风扇和等，并且没有对这些耗能设备进行合理的动态控制。
针对上述问题设计了一种新型的直接甲醇燃料电池系统，该系统可以使(1)电池中的蓄
电池的充放电次数大大减少，延长了系统的使用寿命大大。(2)可以在一定程度上减少了DC/DC 变换器使用时间和传输功率，大大减少了由于使用DC/DC变换器造成的损耗；(3)可以很方 便的实现根据负载大小和电堆本身的工作状态动态调节甲醇浓度、阴阳极进料速度，具有低 内耗、高效率的特点，同时也在一定程度上抑制了甲醇渗透。
发明内容
本实用新型的目的是提供可延长直接甲醇燃料电池系统工作寿命和提高系统效率的一种 新型的直接甲醇燃料电池电堆一超级电容一蓄电池混合燃料电池装置。
本实用新型的特征在于，含有
直接甲醇燃料电池电堆、超级电容、双向DC/DC变换器、蓄电池，其中 所述直接甲醇燃料电池与超级电容并联；
所述超级电容与双向DC/DC变换器一个输入/输出端并联，蓄电池与双向DC/DC变换器的 另一输入/输出端并联；
当超级电容的电压高于一设定电压阀值时所述双向DC/DC变换器向蓄电池充电，反之， 当超级电容的电压低于一设定电压阀值时所述双向DC/DC变换器由蓄电池向超级电容放电。
本实用新型的有益效果是针对甲醇燃料电池电堆的工作特性设计了一种新型的混合型直接甲醇燃料电池系统，该系统结构可以使(l)电池中的蓄电池的充放电次数大大减少，延长 了系统的使用寿命大大；(2)可以在一定程度上减少了 DC/DC变换器使用时间和传输功率， 大大减少了由于使用DC/DC变换器造成的损耗；(3)可以很方便的实现根据负载大小和电堆 本身的工作状态动态调节甲醇浓度、阴阳极进料速度，具有低内耗、高效率的特点，同时也 在一定程度上抑制了甲醇渗透。
图-l传统的直接甲醇燃料电池系统拓扑结构
图-2实施方案原理图1.电堆，2.导线，3.超级电容，4.负载，5.蓄电池，6 双向DC/DC变换器
具体实施方式
本实用新型针对直接甲醇燃料电池的运行特性提出了一种直接甲醇燃料电池电堆一超级 电容一蓄电池混合燃料电池发电装置。如图-2所示电堆1通过导线2与超级电容3并联， 超级电容3通过双向DC/DC变换器与蓄电池5连接。控制的目标是就是根据负载的大小和电 堆的运行状况来调节输入电堆的甲醇溶液的浓度、温度、阴极和阳极反应物的进料速度以使 超级电容3中的电压稳定。同时为了防止超级电容3的电压有大幅度的变化，可以给电压的 波动值设一个阈值，只有当超级电容的电压高于或低于这个设定值时才启动系统中的双向 DC/DC6，由超级电容3向蓄电池5充电或由蓄电池5向超级电容3放电，使超级电容电压稳 定。系统中超级电容3的使用使系统的效率的提高和寿命的延长成为了可能。
实际使用中，如果选择的超级电容3容量足够大，那么也可以不用双向DC/DC模块6和 蓄电池5，使用蓄电池5可以选择使用容量较小的超级电容3使成本和体积进一步减小。
权利要求1、一种混合型直接甲醇燃料电池供电装置，其特征在于该装置含有直接甲醇燃料电池电堆、超级电容、双向DC/DC变换器、蓄电池，其中所述直接甲醇燃料电池与超级电容并联；所述超级电容与双向DC/DC变换器一个输入/输出端并联，蓄电池与双向DC/DC变换器的另一个输入/输出端并联；当超级电容的电压高于一设定电压阀值时所述双向DC/DC变换器向蓄电池充电，反之，当超级电容的电压低于一设定电压阀值时所述双向DC/DC变换器由蓄电池向超级电容放电。
专利摘要一种混合型的直接甲醇燃料电池供电设备涉及直接甲醇燃料电池技术领域，其特征在于，系统中用电池电堆、超级电容、蓄电池相配合使用，电堆通过导线与超级电容并联，超级电容通过双向DC/DC变换器与蓄电池连接。该系统结构可以使电池中的蓄电池的充放电次数大大减少，大大延长了系统的使用寿命；可以在一定程度上减少了DC/DC变换器使用时间和传输功率，大大减少了由于使用DC/DC变换器造成的损耗；可以很方便的实现根据负载大小和电堆本身的工作状态动态调节甲醇浓度、阴阳极进料速度，具有低内耗、高效率的特点，同时也在一定程度上抑制了甲醇渗透。
文档编号H02J7/00GK201163724SQ20082007888
公开日2008年12月10日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者丁青青, 剑 宁, 李春文, 王荣蓉 申请人:清华大学