專利名稱：極板流道分堆并接式電堆構(gòu)成的直接甲醇燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于清潔能源領(lǐng)域，特別涉及一種提高直接甲醇燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法及裝置。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡(jiǎn)稱DMFC)直接以甲醇為陽極燃料，無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，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)重要原因是燃料電池的電堆在長時(shí)間工作時(shí)，電堆的性能會(huì)下降，電堆性能下降具體表現(xiàn)為在相同的放電電流下其放電電壓會(huì)逐漸的下降。但是如果此時(shí)讓休息數(shù)分鐘后，電堆又可以像以前一樣正常工作，已有研究表明造成電堆性能下降的可能原因是一氧化碳中毒。同時(shí)如果讓電堆長時(shí)間不間斷的發(fā)電對(duì)電堆的壽命也會(huì)有很大的影響。
此外，直接甲醇燃料電池的電堆是由一片一片的極板串聯(lián)起來的，構(gòu)成電堆的任意兩個(gè)極板中間都有一片質(zhì)子交換膜，電堆工作時(shí)甲醇溶液和空氣分別在交換膜兩側(cè)的極板中的流道里流動(dòng)，陽極側(cè)極板流過甲醇溶液，陰極側(cè)流過空氣。由于在陽極的流道里會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，而二氧化碳?xì)馀萦謺?huì)吸附在流道里造成流道的堵塞，使甲醇溶液流通受到阻礙；同樣在陰極側(cè)的流道里會(huì)反應(yīng)生成水，水也會(huì)使陰極側(cè)的空氣流道堵塞，無論陰極側(cè)還是陽極側(cè)的流道的堵塞，都有可能使這兩片電極組成的單電池形成反極現(xiàn)象，也就是說這兩片極板不但沒有發(fā)電，還消耗了電堆的電量，現(xiàn)在克服流道堵塞的方法只是加大甲醇溶液和空氣在電堆中的流速，這種方法有一定的效果，但所需要的液泵和氣泵的功率也較大。同時(shí)，如果在極板和交換膜的面積都不變的情況下如果要增加電堆的功率，那么只能增加極板和質(zhì)子交換膜的片數(shù)，但是電堆中極板數(shù)量增多同時(shí)也意味著在系統(tǒng)中出現(xiàn)流道堵塞的概率加大。
針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)了一種新型的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以使電池中的電堆在有性能衰減的情況下長時(shí)間發(fā)電，而且還可以在一定程度上克服流道堵塞的現(xiàn)象。同時(shí)也有一定的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可延長電堆工作壽命的一種極板中流道分段并接式的電堆構(gòu)成的甲醇燃料電池。
本發(fā)明的特征在于，含有多個(gè)電堆，甲醇混合液容器，該容器的出口端與一個(gè)液泵的入口端通過液管連接，而該液泵的出口端通過液管連接著與所述電堆數(shù)量相等的液流控制閥，而所述各個(gè)液流控制閥的另一端分別與各個(gè)電堆的陽極極板中甲醇混合液流道的液流入口端相連，所述各陽極極板中甲醇混合液流道的出口端經(jīng)液管并聯(lián)后與所述甲醇混合容器的入口端相連；氣泵，空氣輸出端通過氣管與所述電堆數(shù)量相等的氣流控制閥相連，而所述各個(gè)氣流控制閥的另一端分別與各個(gè)電堆的陰極極板中空氣通道的氣流輸入端相連，所述各陰極極板中空氣通道的氣流出口端的反應(yīng)后的氣體經(jīng)氣管排向大氣。
當(dāng)某個(gè)電堆中流道堵塞時(shí)，1～2秒內(nèi)其余電堆的所有控制閥是關(guān)閉的，而流道堵塞電堆的所有控制閥是開啟到最大的。
當(dāng)所述甲醇燃料電池欠負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，部分電堆的所有控制閥是分批分堆地輪流關(guān)閉的。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明針對(duì)甲醇燃料電池電堆的工作特性設(shè)計(jì)了一種新型的直接甲醇燃料電池的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅可以使電池中的電堆在有性能衰減的情況下長時(shí)間發(fā)電，，而且還可以在一定程度上克服流道堵塞的現(xiàn)象。同時(shí)也有一定的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。


圖-1為實(shí)施方案原理圖 1.電堆陰極，2.電堆陽極，3.液體導(dǎo)管及甲醇混合液的流向，41～48.閥，5.甲醇混合液，6存放甲醇混合液的容器，7液泵，8.氣泵，9.氣體導(dǎo)管及氣體的流向，10.電堆。
圖-2為電堆切換的順序示意圖。
具體實(shí)施例方式
是本發(fā)明針對(duì)直接甲醇燃料電池的運(yùn)行特性提出了將燃料電池的電堆分為許多段，使其成為許多小電堆，在工作時(shí)讓其中的一個(gè)或兩個(gè)小電堆輪流停止工作以克服電堆長時(shí)間發(fā)電使電堆性能下降的缺點(diǎn)；如果檢測(cè)到其中某個(gè)電堆性能明顯下降時(shí)則繼續(xù)保持該電堆上的控制甲醇溶液和空氣流通的閥門在全開狀態(tài)，而瞬間關(guān)閉其它堆上的閥門，使這個(gè)性能下降的堆中的甲醇流速和空氣流速都迅速加大以克服流道堵塞，如果該堆的性能沒有回升的話，說明引起電堆性能下降的原因不是流道堵塞，那么此時(shí)就關(guān)閉該堆并啟動(dòng)其它的一個(gè)休息時(shí)間最長的電堆。因?yàn)殡姸褧r(shí)工作時(shí)也需要泵等附件配合工作，所以堆開啟的越少，系統(tǒng)內(nèi)部耗電就越少，該系統(tǒng)還可以跟據(jù)負(fù)載的大小確定所需開啟的電堆的數(shù)目，不多開也不少開，可以在一定程度上達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目的。
如圖-1所示有四個(gè)功率為50瓦的電堆(從左到右分別編號(hào)為A、B、C、D)，向電堆的陽極2都通入一定濃度的甲醇溶液，陰極1通入空氣，這樣電堆就會(huì)輸出電能。每個(gè)電堆的陽極都有管道連通到液泵7，工作時(shí)液泵7會(huì)從混合容器5中抽取甲醇溶液供電堆10使用，使用完的較低濃度的甲醇溶液又被輸送到混合容器10中繼續(xù)循環(huán)使用以提高系統(tǒng)效率，閥41～44的開閉分別控制甲醇溶液是否能流向電堆A、B、C、D；每個(gè)電堆的陰極都用管道連同至氣泵8，電池工作時(shí)由氣泵抽取空氣到電堆陰極供電堆使用，反應(yīng)后連同二氧化碳?xì)怏w一起排放到空氣中，閥45～48的開閉分別控制空氣是否能流向電堆A、B、C、D。
當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)先檢測(cè)出負(fù)載的大小，根據(jù)負(fù)載的大小來決定需要啟動(dòng)電堆的數(shù)量，例如如果此時(shí)負(fù)載平均功率為100～150瓦，那么只需要開啟三個(gè)電堆就可以了，因?yàn)殡姸巡荒芎荛L時(shí)間運(yùn)行，所以我們采用了切換的方法給輪流的讓電堆工作，每次切換的間隔為30分鐘，具體的是如果先讓A、B、C號(hào)堆工作，30分鐘后轉(zhuǎn)到B、C、D號(hào)堆同時(shí)工作，再隔30分鐘轉(zhuǎn)到、C、D、A號(hào)堆同時(shí)工作，再隔30分鐘轉(zhuǎn)到D、A、B堆同時(shí)工作，再隔30分鐘轉(zhuǎn)到A、B、C號(hào)堆同時(shí)工作，這樣循環(huán)不止。
如果此時(shí)負(fù)載平均功率為50～100瓦，那么只需要開啟兩個(gè)電堆就可以了，具體的切換方式為如果先讓A、B號(hào)堆工作，30分鐘后轉(zhuǎn)到C、D號(hào)堆同時(shí)工作，再隔30分鐘轉(zhuǎn)到A、B號(hào)堆同時(shí)工作，這樣循環(huán)不止。
如果此時(shí)負(fù)載平均功率為0～50瓦，那么只需要開啟一個(gè)電堆就可以了，具體的切換方式為如果先讓A號(hào)堆工作，30分鐘后轉(zhuǎn)到B號(hào)堆工作，再隔30分鐘轉(zhuǎn)到C號(hào)堆同時(shí)工作，30分鐘后轉(zhuǎn)到D號(hào)堆工作，這樣循環(huán)不止。
上述系統(tǒng)切換時(shí)，啟動(dòng)電堆的方法是開啟連接該電堆的控制甲醇溶液和空氣進(jìn)料的閥門，并連接上負(fù)載開關(guān)；關(guān)閉不需要工作的電堆的方法是關(guān)閉連接該電堆的控制甲醇溶液和空氣進(jìn)料的閥門，并斷開連接到負(fù)載開關(guān)。系統(tǒng)工作時(shí)控制器根據(jù)開啟的電堆得數(shù)量和負(fù)載的大小確定泵7、8的轉(zhuǎn)速。
假設(shè)檢測(cè)到某時(shí)負(fù)載突然變的很大，三個(gè)堆同時(shí)工作也不能滿足要求，那么可以同時(shí)啟動(dòng)四個(gè)堆。
假設(shè)此時(shí)檢測(cè)到某個(gè)正在工作的電堆發(fā)生有明顯的性能下降(表現(xiàn)為在相同的放電電流下，輸出電壓下降)，那么可能是電堆中流道堵塞造成的，解決的方法是立刻閉合所有連接至其它堆的閥門，并把泵7、8開啟到最大轉(zhuǎn)速1～2秒，然后再恢復(fù)原來的工作狀態(tài)，看該電堆得性能是否有回升，如果性能可以恢復(fù)那么讓該電堆繼續(xù)工作，如果性能不能回升，說明此時(shí)電堆性能下降不是流道堵塞造成的，此時(shí)電堆需要休息，那么立刻關(guān)閉該電堆并啟動(dòng)其它電堆。
權(quán)利要求
1.極板流道分段并接式電堆構(gòu)成的直接甲醇燃料電池。其特征在于含有多個(gè)電堆，甲醇混合液容器，該容器的出口端與一個(gè)液泵的入口端通過液管連接，而該液泵的出口端通過液管連接著與所述電堆數(shù)量相等的液流控制閥，而所述各個(gè)液流控制閥的另一端分別與各個(gè)電堆的陽極極板中甲醇混合液流道的液流入口端相連，所述各陽極極板中甲醇混合液流道的出口端經(jīng)液管并聯(lián)后與所述甲醇混合容器的入口端相連；氣泵，空氣輸出端通過氣管與所述電堆數(shù)量相等的氣流控制閥相連，而所述各個(gè)氣流控制閥的另一端分別與各個(gè)電堆的陰極極板中空氣通道的氣流輸入端相連，所述各陰極極板中空氣通道的氣流出口端的反應(yīng)后的氣體經(jīng)氣管排向大氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極極板流道分堆并接式電堆構(gòu)成的直接甲醇燃料電池，其特征在于，當(dāng)某個(gè)電堆中流道堵塞時(shí)，1～2秒內(nèi)其余電堆的所有控制閥是關(guān)閉的，而流道堵塞電堆的所有控制閥是開啟到最大的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極極板流道分堆并接式電堆構(gòu)成的直接甲醇燃料電池，其特征在于，當(dāng)所述甲醇燃料電池欠負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，部分電堆的所有控制閥是分批分堆地輪流關(guān)閉的。
全文摘要
本發(fā)明涉及直接甲醇燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，各個(gè)電堆中，各陽極極板中甲醇混合液流道的液流進(jìn)口端經(jīng)過各自的液流控制閥，共同經(jīng)過一個(gè)液泵接入甲醇混合液容器的液流出口端，而各甲醇混合液流道的液流出口端并聯(lián)后把出口液流回流到甲醇混合液容器中；各陰極極板中空氣流道的氣流進(jìn)口端并聯(lián)后與一個(gè)氣泵的出氣端相連，而各個(gè)空氣流道的出氣端并聯(lián)后與大氣相通。當(dāng)某個(gè)電堆流道堵塞時(shí)，其余電堆的所有控制閥關(guān)閉，流道堵塞電堆的所有控制閥全部開啟到最大。當(dāng)電堆欠負(fù)荷運(yùn)行時(shí)要分批分堆地關(guān)閉一部分電堆上的控制閥。同時(shí)，本發(fā)明可以在解決電堆流道堵塞的同時(shí)延長電池的工作壽命。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101034755SQ200710098779
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者王榮蓉, 李春文, 謝曉峰, 丁青青 申請(qǐng)人:清華大學(xué)