CN101188300A - 直接液体燃料电池电源系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种直接液体燃料电池电源系统，它包括燃料供应单元，其中的高浓度液体燃料储罐为高浓度液体燃料盒，高浓度液体燃料盒有一快速自闭式密封插头，它与微型计量泵进口管的快速自闭式密封插口相匹配，当燃料盒拔出电源系统时，燃料盒的密封插头的弹簧密封塞封闭燃料盒的出口、微型计量泵进口管的密封插口的弹簧密封塞封闭微型计量泵进口管；当燃料盒插入电源系统时，微型计量泵进口管的密封插口的密封顶杆顶开密封插头和密封插口的弹簧密封塞，使燃料盒与微型计量泵连通。采用本发明的高浓度液体燃料盒装置的直接液体燃料电池电源系统，可以快速地更换高浓度液体燃料盒，而不会泄漏高浓度液体燃料盒中的有毒的液体燃料。
Description
技术领域
本发明涉及直接液体燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转变为电能的电化学装置。发电时无污染、无噪音，而且发电效率高、使用寿命长，因此在航天，交通，移动电源等领域有着广泛的应用前景。单个燃料电池由阳极、电解质隔膜和阴极构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电化学反应产生的电子在外电路的定向移动产生电能。燃料电池单池的电压较低，通常要将几个、几十个甚至上百个单池组合成电池组对外供电。除此之外，电池组还要和燃料单元以及空气单元等辅助机构有机结合起来，这就需要一套合理的控制策略。最后这些模块结合在一起构成一个电源系统，供外界使用。
近些年来，各种电子产品体积越来越小，这就要求电源系统的集成度提出了更高的要求。传统的二次电池例如镍氢电池和锂离子电池逐渐不能满足新一代电池产品的需求步伐，人们把目光投向了燃料电池的小型化。虽然使用氢气作为燃料的燃料电池近些年来获得了广泛的关注，尤其是在车载动力方面的研究获得了长足进展。但在小型便携式电源方面，由于氢气的携带和储存不是很方便，导致无法进一步降低燃料电池系统的体积。而采用能量密度比氢气高的甲醇、甲酸、硼氢化钠溶液等液体作为燃料，可以进一步提高便携式燃料电池的比能量密度，缩小电池系统的体积。
专利3[CN200610071075.4]提出了一种直接甲醇燃料电池系统。主要创新点在于能够根据外界不同的需求和电池状态随时调整电池进料的浓度，即利用目标温度和目前温度的差值来动态调整甲醇的浓度，温度相差越大时甲醇进料浓度越高。随着电池的运行，电池温度随着产生的热量逐渐上升，离目标温度越近的时候甲醇浓度逐渐趋于一个定值，最后电池温度达到一个稳定值。通过这种方法可以缩短电池的启动时间，尽快达到电池稳定运行的状态。不过这种方法有可能导致初始进料的甲醇浓度过高，尤其是当电池环境温度过低而目标温度设定比较高时，容易造成开始时的一瞬间几乎是纯甲醇直接接触电极催化剂。这种情况将损害燃料电池，不仅可能导致电池整体中毒失效，而且非常不利于膜电极集合体的长时间稳定工作。
专利4[US2006/0222923A1]介绍了一种集成的直接甲醇燃料电池系统。这种系统整体组装在一个密闭的箱体内，避免了外部因素如温度、振动等条件对电池系统的影响。纯甲醇和稀释的甲醇置于电池组的上方位于同一个平面上，可以充分利用重力的作用来进料，并且在各个部位都设置了传感器，系统非常复杂。因此这种设计适合功率为百瓦级以上例如电动车等的电源系统。
专利5[CN200710001822.1]报道了一种直接甲醇燃料电池系统及其操作方法。它的特点主要在于当电池系统即将停止工作的时候，排除电池组内的甲醇燃料，并通过自身的放电消耗电极上残留吸附的甲醇，降低电池组内残留甲醇的量。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携的直接液体燃料电池电源系统，该系统可以在线更换燃料盒、电池组在较高温度运转，实现电池组高性能输出以及该系统可以使燃料电池间歇操作，延长电池组的寿命。
本发明的技术方案如下：
一种直接液体燃料电池电源系统，它包括：
发电单元：电堆，包括至少一个具有电解质膜的膜电极组件以及位于电解膜两侧的阳极和阴极；
燃料供应单元：包括混合槽，通过燃料循环泵连接到上述发电单元，用于混合、稀释液体燃料、容纳稀释后的第一液体燃料；高浓度液体燃料储罐，通过微型计量泵连接到混合槽，用于容纳混合槽稀释前的高浓度的第二液体燃料；
氧化剂供应单元：包括气泵(或鼓风机)，用于给电堆提供氧化剂，空气；
控制单元：包括电路模块：包括电源管理控制子电路，用于管理控制上述的燃料循环泵、微型计量泵及气泵；备用电源，用于启动燃料供应单元和氧化剂供应单元，储存发电单元发的电能和供给负载电能；温度传感器，用于测量电堆和进料燃料的温度；燃料浓度传感器，用于测量第一液体燃料的浓度，
所述的高浓度液体燃料储罐为高浓度液体燃料盒，高浓度液体燃料盒有一快速自闭式密封插头，它与微型计量泵进口管的快速自闭式密封插口相匹配，当高浓度液体燃料盒拔出直接液体燃料电池电源系统时，高浓度液体燃料盒的密封插头的弹簧密封塞封闭高浓度液体燃料盒的出口、微型计量泵进口管的密封插口的弹簧密封塞封闭微型计量泵进口管；当高浓度液体燃料盒插入直接液体燃料电池电源系统时，微型计量泵进口管的密封插口的密封顶杆顶开密封插头和密封插口的弹簧密封塞，使高浓度液体燃料盒与微型计量泵连通。采用本发明的高浓度液体燃料盒装置的直接液体燃料电池电源系统，可以快速地更换高浓度液体燃料盒，而不会泄漏高浓度液体燃料盒中的有毒的液体燃料。
上述的直接液体燃料电池电源系统，所述的燃料循环泵在连接到上述的发电单元前，先经过微流道热交换器，将第一液体燃料进行热交换加温，同时，微流道热交换器将发电单元流出的液体和气体冷却降温。
上述的直接液体燃料电池电源系统，所述的气泵给电堆提供的氧化剂经过微流道热交换器加温。
上述的直接液体燃料电池电源系统，所述的电路模块还包括电源变换电路。
上述的直接液体燃料电池电源系统，还包括冷凝器，冷凝器将电堆流出的气体冷凝以分离和回收电堆排出的水，并将部分的水返回到混合槽，用以稀释高浓度的液体燃料，气体作为尾气排放。
上述的直接液体燃料电池电源系统，还包括气体分离器，用以将电堆流出的燃料和产物中的气体分离，气体作为尾气排放，液体作为燃料返回混合槽。
上述的直接液体燃料电池电源系统，还包括尾气处理装置，用以将电堆排放的有害尾气处理成无害气体排放。
一种上述的直接液体燃料电池电源系统的操作方法，它是按图4所示的直接液体燃料电池电源系统总体控制策略流程图操作控制，当主电路被启动之后，系统利用备用电源启动燃料泵以及氧化剂的输送设备，燃料电池开始对外进行放电，控制单元首先通过浓度传感器测量稀释后的第一液体燃料浓度C(j)并与最初的设定值C(s)进行比较，然后通过微型计量泵将浓度提高到C(s)相当的值，之后监测到燃料电池端电压V(c)高于设定电压V(s)时将对备用电源进行充电，同时对外供电，控制单元还监测电堆温度Te(c)并与设定温度Te(s)进行比较，当电堆温度低于设定温度的时候，并不启动冷凝风扇，使得反应产生的热量全部用于系统温度的提升，当电池温度高于设定温度的时候启动冷凝风扇，回收阴极侧气体中的水，此外，在流程图中计时器设定了一个时间T，它的主要作用是系统间歇操作的时间，一个循环开始的时候T复位为0，然后经过时间T后，燃料电池瞬间停止放电进行休息，此时系统对外的电流输出由备用电源来完成，当休息时间达到T2时，系统重新启动燃料电池电池组对外放电，完成一个循环，电源系统在接收到卸载负荷的信号时，跳出上述的逻辑循环，断开燃料电池电堆与主电路的连接，然后停止燃料和氧化剂的供应和冷凝风扇的运转。
本发明的直接液体燃料电池电源系统，它是可以使用甲醇、甲酸、硼氢化钠等液体燃料的燃料电池电源系统。在这个系统内它可以实现燃料盒的在线更换，而无液体燃料的泄漏；利用电池阴极出口的尾气加热进料的液体燃料，实现电池组的热量储存，使得电池组工作在较高的温度，从而实现电池组高性能的输出；在控制方面，通过单片机有效协调控制燃料电池和备用电池，实现了燃料电池的间歇操作，防止燃料电池组内单节电池出现反电压。本发明的直接液体燃料电池电源系统便于携带。
附图说明
图1为本发明的直接液体燃料电池电源系统原理图。
图2为高浓度燃料盒内部连接示意图。
图3为高浓度燃料盒的快速自闭式接口局部放大图。
图4为燃料电池电源系统总体控制策略流程图。
图5为实施例一的直接甲醇电源系统的轮廓轴侧图，图5a为正面示意图，图5b为背面示意图。
图6为实施例二燃料电池电源系统与笔记本电脑联试示意图。
图7为图6中测试过程中功率变化图。
图8为实施例三燃料电池电源系统作为多功能供电电源示意图。
图9为图8中测试结果图，其中1为电堆断开瞬间；2为电堆电压；3为混合电源电压；4为电源系统输出电压。
具体实施方式
实施例1.
本发明的电源系统其原理如图1所示，包括：燃料电池主体，燃料供应部分，氧化剂供应部分和控制单元部分，机器实体如图5所示。
高浓度的第二液体燃料从高浓度液体燃料盒9出发经过微型计量泵10进入混合槽8与低浓度燃料进行混合形成第一液体燃料，然后在燃料循环泵11的作用下通过微流道热交换器3进行预热，然后再经过过滤器17(主要为阳离子交换树脂)进入电堆1；空气则首先经过过滤器13和气泵或者鼓风机14，也通过微流道热交换器3进行预热，也进入燃料电池电堆1。在燃料电池内燃料和氧化剂在膜电极组件上发生反应，产生电和热。电堆出口的燃料和氧化剂都流经微通道热交换器3，回收其中的热量。之后氧化剂流经冷凝器5凝结气体中的水，经过水分离器6后水回收到混合槽8；燃料则直接经过气体分离器7返回混合槽8。分离器6和7分离的气体都需要经过尾气处理池18分解气体中残留的燃料，再排出干净的尾气。
高浓度液体燃料盒9通过一个快速插拔的机构直接与微型计量泵相连接，其结构见图2、图3，当高浓度液体燃料盒9拔出的状态时，密封弹簧8c和9b分别处于压紧状态，通过密封O圈8a和密封活塞9c密封住两侧的燃料；而当插入高浓度燃料盒9时，前端的密封顶杆8b推开左右两侧的密封0圈8a和密封活塞9c，两侧液体相互连接，通过微型计量泵10将高浓度的燃料供应给电池系统。外侧的密封O圈9a则起到燃料到外界的密封。通过这种快速的插拔自闭密封系统，使得电源系统可以实现在线更新燃料。并且在更换的过程中时间短，而且无任何形式的泄漏。
燃料电池发出的电并不直接输出到负载而是要经过电路单元16，通过其内置的单片机管理燃料电池和备用电源再进行输出。
电路单元还包括混合电源及其电路16a(其中包括备用电池)，以及电源变换电路16b，电源管理控制子电路16c。16c通过温度传感器2和15测量电池组和进料燃料的温度，以及燃料浓度传感器12测量燃料的浓度，通过一定的逻辑运算(参照图4)对电池系统进行控制。燃料浓度的传感器12可以采用微管传感器，超声波传感器，半导体吸附传感器或者电化学传感器等。
直接液体燃料电池电源系统总体控制策略流程见图4所示，当主电路被启动之后，系统利用备用电源启动燃料泵以及氧化剂的输送设备，燃料电池开始对外进行放电。控制单元首先通过浓度传感器测量稀释后的燃料浓度C(j)并与最初的设定值C(s)进行比较，然后通过燃料计量泵将浓度提高到C(s)相当的值。之后监测到燃料电池端电压V(c)高于设定电压V(s)时将对备用电源进行充电，同时对外供电。控制单元还需要监测电堆温度Te(c)并与设定温度Te(s)进行比较，当电堆温度低于设定温度的时候，并不启动冷凝风扇，使得反应产生的热量全部用于系统温度的提升。只有当电池温度高于设定温度的时候启动冷凝风扇，回收阴极侧气体中的水。此外，在流程图中计时器设定了一个时间T，它的主要作用是系统间歇操作的时间。一个循环开始的时候T复位为0，然后经过时间T后，燃料电池瞬间停止放电进行休息。此时系统对外的电流输出由备用电源来完成。当休息时间达到T2时，系统重新启动燃料电池电池组对外放电，完成一个循环。电源系统在接收到卸载负荷的信号时，跳出上述的逻辑循环，断开燃料电池电堆与主电路的连接，然后停止燃料和氧化剂的供应和冷凝风扇的运转。
它的第二液体燃料采用甲醇作为燃料，电堆1由30片单电池面积为25cm2构成，双极板采用高纯石墨板。备用电池为3节串联的1200mAh的锂电池。
电堆位于系统的顶部，高浓度液体燃料盒以及空气供给系统均在底部。高浓度液体燃料盒的第二液体燃料采用100％甲醇进料，通过微管技术的传感器控制甲醇的浓度进入电堆；过滤后的空气经过微通道换热器之后进入电堆。在本实施例中水分离器6和气体分离器7通过一个分离器实现。分离后的甲醇溶液返回混合槽8中，气体中的甲醇经过尾气处理器13集中处理后，排到系统外部。
第一液体燃料的甲醇浓度控制在0.25 M左右，电池温度设定在65℃。经过实际的测试电池系统对外的输出可以稳定达到20瓦。
实施例2.
本发明直接甲醇燃料电池电源系统与笔记本电脑联合测试，如图6所示。多个数字电压表23和电流表22被连接在燃料电池电源系统19中，分别测量燃料电池输出，备用电池输出以及笔记本电脑24消耗的功率。它们的数据通过一台记录计算机21随时进行监测。由于笔记本电脑24属于宽范围电压输入负载(9-22V)，所以本系统中电堆1和备用电池混合后没有经过电源变换电路，而是切换到直接对外输出档，减小了电路自身的功耗。
在第二个实施例中甲醇浓度控制在0.5M左右，电池温度设定在85℃，燃料电池的峰值功率可以达到35W以上。前端为启动阶段，笔记本电脑的耗电主要由备用电源供给，当燃料电池一旦启动之后则主要由燃料电池进行供电，并且给备用电源进行充电。经过将近12个小时的测试过程中，通过控制单元的协调控制各个部分，电源系统能够给出稳定的25W左右的输出保证笔记本电脑的供电。图7为测试过程中系统各个部件的功率随时间的变化图，其中1为电堆输出功率；2为笔记本电脑执行一般操作的功耗；3为混合电源输出功率。
实施例3.
本发明的直接液体燃料电池电源系统作为多功能供电电源(见图8)。对于恒电压输入负载，系统中电堆1和备用电池混合后必须切换到经过电源变换电路16b再对外输出。电源系统19经过电压变换后可以设定作为12V或者3.3V恒电压负载20的可移动电源。
输出电压设定为12V，输出电流设定为0.5A。本实施例中甲醇浓度控制在0.25M近10个小时的测试过程中(见图8，其中21为记录计算机；22为电流表；23为电压表)，电堆1电压稳定在18.5V左右，由于输出功率较小，电堆输出电压较高，电堆1连通期间全部由电堆1供电；开路期间全部由备用电池16a供电，放电瞬间备用电池16a电压有所下降。测试过程中系统各个部件的电压随时间的变化见图9。
Claims (8)
1.一种直接液体燃料电池电源系统，它包括：
发电单元：电堆(1)，包括至少一个具有电解质膜的膜电极组件以及位于电解膜两侧的阳极和阴极；
燃料供应单元：包括混合槽(8)，通过燃料循环泵(11)连接到上述发电单元，用于混合、稀释液体燃料、容纳稀释后的第一液体燃料；高浓度液体燃料储罐，通过微型计量泵(10)连接到混合槽(8)，用于容纳混合槽稀释前的高浓度的第二液体燃料；
氧化剂供应单元：包括气泵(或鼓风机)(14)，用于给电堆(1)提供氧化剂，空气；
控制单元：包括电路模块(16)：包括电源管理控制子电路(16c)，用于管理控制上述的燃料循环泵(11)、微型计量泵(10)及气泵(14)；备用电源，用于启动燃料供应单元和氧化剂供应单元，储存发电单元发的电能和供给负载电能；温度传感器(2、15)，用于测量电堆和进料燃料的温度；燃料浓度传感器(12)，用于测量第一液体燃料的浓度，其特征是：
所述的高浓度液体燃料储罐为高浓度液体燃料盒(9)，高浓度液体燃料盒(9)有一快速自闭式密封插头，它与微型计量泵(10)进口管的快速自闭式密封插口相匹配，当高浓度液体燃料盒(9)拔出直接液体燃料电池电源系统时，高浓度液体燃料盒(9)的密封插头的弹簧密封塞封闭高浓度液体燃料盒(9)的出口、微型计量泵(10)进口管的密封插口的弹簧密封塞封闭微型计量泵(10)进口管；当高浓度液体燃料盒(9)插入直接液体燃料电池电源系统时，微型计量泵(10)进口管的密封插口的密封顶杆(8b)顶开密封插头和密封插口的弹簧密封塞，使高浓度液体燃料盒(9)与微型计量泵(10)连通。
2.根据权利要求1所述的直接液体燃料电池电源系统，其特征是：所述的燃料循环泵(11)在连接到所述的发电单元前，先经过微流道热交换器(3)，将第一液体燃料进行热交换加温，同时，微流道热交换器(3)将发电单元流出的液体和气体冷却降温。
3.根据权利要求1所述的直接液体燃料电池电源系统，其特征是：所述的气泵(14)给电堆(1)提供的氧化剂经过微流道热交换器(3)加温。
4.根据权利要求1所述的直接液体燃料电池电源系统，其特征是：所述的电路模块还包括电源变换电路。
5.根据权利要求1所述的直接液体燃料电池电源系统，其特征是：还包括冷凝器(5)，冷凝器(5)将电堆(1)流出的气体冷凝以分离和回收电堆(1)排出的水，并将部分的水返回到混合槽(8)，用以稀释高浓度的第二液体燃料，气体作为尾气排放。
6.根据权利要求1所述的直接液体燃料电池电源系统，其特征是：还包括气体分离器(7)，用以将电堆(1)流出的燃料和产物中的气体分离，气体作为尾气排放，液体作为燃料返回混合槽(8)。
7.根据权利要求1所述的直接液体燃料电池电源系统，其特征是：还包括尾气处理装置(18)，用以将电堆(1)排放的有害尾气处理成无害气体排放。
8.一种权利要求1所述的直接液体燃料电池电源系统的操作方法，其特征是：当主电路被启动之后，系统利用备用电源启动燃料泵以及氧化剂的输送设备，燃料电池开始对外进行放电，控制单元首先通过浓度传感器测量稀释后的第一液体燃料浓度C(j)并与最初的设定值C(s)进行比较，然后通过微型计量泵将浓度提高到C(s)相当的值，之后监测到燃料电池端电压V(c)高于设定电压V(s)时将对备用电源进行充电，同时对外供电，控制单元还监测电堆温度Te(c)并与设定温度Te(s)进行比较，当电堆温度低于设定温度的时候，并不启动冷凝风扇，使得反应产生的热量全部用于系统温度的提升，当电池温度高于设定温度的时候启动冷凝风扇，回收阴极侧气体中的水，此外，在流程图中计时器设定了一个时间T，它的主要作用是系统间歇操作的时间，一个循环开始的时候T复位为0，然后经过时间T后，燃料电池瞬间停止放电进行休息，此时系统对外的电流输出由备用电源来完成，当休息时间达到T2时，系统重新启动燃料电池电池组对外放电，完成一个循环，电源系统在接收到卸载负荷的信号时，跳出上述的逻辑循环，断开燃料电池电堆与主电路的连接，然后停止燃料和氧化剂的供应和冷凝风扇的运转。
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