專利名稱：用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及-種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，尤其 適用于使用高濃度或者純甲醇進料的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以液體燃料進料的燃料電池是將儲存于燃料(甲醇、乙醇等)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn) 化為電能的一種電化學(xué)反應(yīng)裝置。與氣體燃料相比，小分子液體燃料易于儲備和運輸，具有 較高的能量轉(zhuǎn)換效率，氧化反應(yīng)產(chǎn)物主要為水和二氧化碳，是環(huán)境友好的綠色能源。直接甲醇燃料電池(DMFC)是目前以液體燃料進料的燃料電池中研究最為廣泛的 一種。DMFC具有結(jié)構(gòu)簡單、燃料不需要重整等優(yōu)點，被認(rèn)為是十分理想的小型化可移動電源 之一，在交通、通訊、軍事、航天等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。甲醇溶液的進料濃度對DMFC的性能有很大的影響，隨甲醇進料濃度的增加，甲醇 滲透增強，滲透的甲醇在陰極發(fā)生反應(yīng)與陰極的氧還原反應(yīng)形成混合電位，陰極電勢降低， 電池性能下降。因此，為了使DMFC系統(tǒng)以良好而穩(wěn)定的性能持續(xù)放電，必須以低濃度甲醇 溶液進料，而低濃度甲醇溶液的存儲會使得DMFC系統(tǒng)的體積增大，不利于DMFC系統(tǒng)的應(yīng)用。解決上述問題的方法通常是持續(xù)的給系統(tǒng)補充高濃度甲醇溶液或者純甲醇，通過 攜帶少量的高濃度甲醇溶液或者純甲醇來減小系統(tǒng)的重量和體積，同時使系統(tǒng)獲得較長的 穩(wěn)定運行時間。[美國專利6761988B1]介紹了當(dāng)DMFC輸出功率較小時加熱位于充有控制液體的 密封腔內(nèi)的元件，液體膨脹產(chǎn)生的壓力施加在極板、氣體擴散層以及電極上，減小了流往陽 極的甲醇，反之則密封腔產(chǎn)生的壓力減小，增加了流往陽極的甲醇。通過上述辦法調(diào)節(jié)了甲 醇濃度，使?jié)B透到陰極甲醇最少化。該專利所述的微結(jié)構(gòu)需要利用MEMS技術(shù)加工而成，不 易實現(xiàn)。而且若是電池組中的每片電池都采用這種方法控制甲醇濃度會使系統(tǒng)非常復(fù)雜， 成本很高。[中國專利200710064632.4]介紹了根據(jù)負(fù)載的大小和儲能設(shè)備的剩余電量的大 小控制甲醇濃度。實時檢測負(fù)載的大小、儲能設(shè)備的剩余電量以及混合后的甲醇濃度，控制 器根據(jù)上述信息進行運算，通過控制輸送泵的轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)了輸送泵的流量，當(dāng)甲醇濃 度大于預(yù)設(shè)值時減少輸送泵的流量，當(dāng)甲醇濃度小于預(yù)設(shè)值時增大輸送泵的流量，將濃度 控制到預(yù)設(shè)值。該專利所述的甲醇溶液濃度控制方法及裝置在燃料電池系統(tǒng)中實現(xiàn)起來比 較復(fù)雜，對輸送泵的要求較高，需要選擇流量可調(diào)的輸送泵。需要檢測的量較多，控制器軟 件復(fù)雜，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利影響。[中國專利CN100433435C]介紹了用在定電壓下工作的第二組膜電極作為濃度檢 測元件來檢測第一組膜電極陽極側(cè)燃料的濃度，第一組膜電極產(chǎn)生的電流供給負(fù)載。當(dāng)燃 料濃度<設(shè)定值+ε (ε為一濃度容忍值)時，將進入第一組膜電極陽極液體燃料的濃度調(diào) 高。該專利所述的燃料濃度控制方法對燃料添加的執(zhí)行機構(gòu)如輸送泵的動作未做具體說明，而且檢測濃度時要保持溫度相同，需要加溫度控制機構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制 方法，在系統(tǒng)啟動階段，將電堆陽極入口的燃料濃度控制在較高的狀態(tài)，主動利用滲透的燃 料在陰極反應(yīng)放出的熱量升高電堆的溫度，當(dāng)電堆溫度達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的設(shè)定值時， 將電堆陽極入口的燃料濃度控制在較低的狀態(tài)，抑制燃料滲透，降低燃料滲透給電堆性能 帶來的不利影響。在上述兩個不同階段，電堆陽極入口處燃料濃度的控制是通過比較濃度傳感器采 集到的燃料濃度與不同階段燃料進料濃度的設(shè)定值，并通過控制電路判斷是否向控制高濃 度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補充控制部件發(fā)出補充燃料的脈沖信號來實 現(xiàn)的。該方法的具體控制過程如下 通過溫度傳感器和電堆陽極入口處的燃料濃度傳感器實時檢測電堆溫度T和電 堆陽極入口處的燃料實際進料濃度C，并通過控制電路首先判斷電堆溫度T與系統(tǒng)穩(wěn)定運 行溫度設(shè)定值TS的關(guān)系，有如下A和B兩種情況。A情況在系統(tǒng)啟動階段，即T < TS時，將電堆陽極入口處的燃料濃度控制在設(shè)定 值CS1，具體的說，是通過控制電路判斷電堆陽極入口處的燃料實際進料濃度C與電堆陽極 入口處的燃料濃度設(shè)定值CS 1的關(guān)系，也分為Al和A2兩種具體情況。Al情況當(dāng)C < CSl時，控制電路向控制高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合 罐的燃料補充控制部件發(fā)出脈沖信號，燃料補充控制部件按照脈沖信號動作，先開啟后關(guān) 閉，這樣高濃度燃料(純?nèi)剂?便間歇式的通入到燃料混合罐中。間歇式通入燃料是指每 一個脈沖周期都包括燃料補充控制部件開啟和燃料補充控制部件關(guān)閉兩個過程，在燃料補 充控制部件開啟過程中，高濃度燃料(純?nèi)剂?注入到燃料混合罐中，在燃料補充控制部件 關(guān)閉過程中，已經(jīng)注入的高濃度燃料(純?nèi)剂?在燃料混合罐中與原燃料混合罐中的溶液 均勻混合，避免了因燃料混合不均勻造成的濃度傳感器得到的濃度信號不準(zhǔn)確的問題。在 一個脈沖周期結(jié)束后，根據(jù)此時控制電路對C與CSl關(guān)系的判斷結(jié)果，控制電路決定是否繼 續(xù)向上述燃料補充控制部件發(fā)出下一個脈沖信號，如果C <CS1，則繼續(xù)發(fā)出脈沖信號，燃 料補充控制部件間歇式動作，如果C ^ CS1，則停止發(fā)出脈沖信號，燃料補充控制部件不動 作。如此實時判斷C與CSl的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上述條件實時選擇是否發(fā)出脈沖 信號，燃料補充控制部件也相應(yīng)的按照脈沖信號周期性間歇式動作。A2情況當(dāng)OCSl時，控制電路不發(fā)出信號，控制高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通 向燃料混合罐的燃料補充控制部件不動作，但隨電堆中反應(yīng)的不斷進行，燃料混合罐中的 燃料濃度不斷降低，當(dāng)濃度傳感器的實時濃度檢測值C < CSl時，控制電路向燃料補充控制 部件發(fā)出脈沖信號，脈沖信號控制燃料補充控制部件先開啟后關(guān)閉，高濃度燃料(純?nèi)剂? 便間歇式的通入到燃料混合罐中，如此實時判斷C與CSl的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上 述結(jié)果判斷是否發(fā)出脈沖信號，燃料補充控制部件也相應(yīng)的按照脈沖信號周期性間歇式動 作。B情況在系統(tǒng)啟動階段完成后，即電堆溫度T > TS時，將電堆陽極入口處的燃料 濃度控制在設(shè)定值CS2，具體的說，是通過控制電路判斷電堆陽極入口處的燃料實際進料濃度C與電堆陽極入口處的燃料濃度設(shè)定值CS2的關(guān)系，也分為Bl和B2兩種具體情況。Bl情況當(dāng)C < CS2時，控制電路向燃料補充控制部件發(fā)出脈沖信號，燃料補充控 制部件按照脈沖信號先開啟后關(guān)閉，這樣高濃度燃料(純?nèi)剂?便間歇式的通入到燃料混 合罐中，在一個脈沖周期結(jié)束后，根據(jù)此時控制電路對C與CS2關(guān)系的判斷結(jié)果，控制電路 決定是否繼續(xù)向上述燃料補充控制部件發(fā)出下一個脈沖信號，如果C < CS2，則繼續(xù)發(fā)出脈 沖信號，燃料補充控制部件間歇式動作，如果C > CS2，則停止發(fā)出脈沖信號，燃料補充控制 部件不動作。如此實時判斷C與CS2的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上述條件實時選擇是否 發(fā)出脈沖信號，燃料補充控制部件也相應(yīng)的按照脈沖信號周期性間歇式動作。B2情況當(dāng)C > CS2時，控制電路不發(fā)出信號，燃料補充控制部件不動作，但隨電 堆中反應(yīng)的不斷進行，燃料混合罐中的燃料濃度不斷降低，當(dāng)濃度傳感器的實時濃度檢測 值(< CS2時，控制電路向燃料補充控制部件發(fā)出脈沖信號，脈沖信號控制燃料補充控制部 件先開啟后關(guān)閉，高濃度燃料(純?nèi)剂?便間歇式的通入到燃料混合罐中，如此實時判斷C 與CS2的關(guān)系，相應(yīng)的，控制電路按照上述結(jié)果判斷是否發(fā)出脈沖信號，燃料補充控制部件 也相應(yīng)的按照脈沖信號周期性間歇式動作。如上所述系統(tǒng)穩(wěn)定運行溫度設(shè)定值TS，其范圍是50°C彡TS ( 70°C。這主要是由 于電堆工作溫度低于50°C時，電堆中陰陽極電催化劑活性過低，影響電堆的放電性能，不能 滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需要；而電堆工作溫度高于70°C時，一方面，隨溫度升高而加劇的甲醇滲 透會影響電堆的陰極性能，另一方面，隨溫度升高整個系統(tǒng)正常運行所需要的功耗也隨之 增大，不利于系統(tǒng)的應(yīng)用。如上所述在系統(tǒng)運行的不同階段，電堆陽極入口處燃料濃度設(shè)定值CSl和CS2，其 范圍分別是lmol/L < CSl彡2mol/L,0. 5mol/L彡CS2彡lmol/L。在系統(tǒng)啟動階段電堆使 用較高濃度的燃料，利用滲透的燃料在陰極反應(yīng)放出的熱量升高電堆溫度，使電堆溫度在 不加其他輔助設(shè)備的條件下快速升高到穩(wěn)定運行時的工作溫度，但此時燃料進料的濃度也 不易過高，當(dāng)燃料進料濃度超過2mol/L時，由于滲透的燃料在陰極反應(yīng)可能會毒化電堆陰 極的電催化劑，導(dǎo)致電堆放電性能不易于穩(wěn)定，不能滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需要。而當(dāng)電堆的溫度 升高到電堆穩(wěn)定運行時需要的溫度后，降低電堆使用燃料的濃度，提高電堆的放電性能，使 其滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需要。此時，若燃料進料濃度過高會因燃料滲透率過高而導(dǎo)致電堆陰極 性能降低，若燃料進料濃度過低會因陽極傳質(zhì)極化而導(dǎo)致電堆陽極性能降低。因此，將系統(tǒng) 運行不同階段的燃料進料濃度分別控制在上述范圍較為適宜。如上所述控制電路發(fā)出的脈沖信號，至少包括一個周期，相應(yīng)的控制高濃度燃料 罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補充控制部件至少動作一次，即至少包括一個開啟 過程和關(guān)閉過程。所述以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)，液體燃料為甲醇、乙醇、甲酸、乙二醇等小 分子燃料或者上述燃料中的兩種或兩種以上的混合燃料。本發(fā)明的有益效果是提出了一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃 度控制方法，在系統(tǒng)啟動階段，電堆使用較高濃度的燃料，主動利用滲透的燃料在陰極反應(yīng) 放出的熱量，快速升高電堆溫度，縮短了系統(tǒng)啟動時間，省略了在系統(tǒng)啟動階段為系統(tǒng)升溫 的輔助設(shè)備；在系統(tǒng)啟動完成之后的正常運行階段，電堆使用較低濃度的燃料，抑制燃料滲 透，降低燃料滲透給電堆性能帶來的不利影響；燃料進料濃度的控制是通過燃料濃度傳感器，控制電路和由高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補充控制部件共同實 現(xiàn)的，控制電路輸出的信號為脈沖式信號，相應(yīng)的燃料補充控制部件的動作方式為周期性 間歇式的動作方式。這樣在電磁閥開啟時，高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?可以為系統(tǒng)補充少 量的高濃度燃料(純?nèi)剂?，而在燃料補充控制部件關(guān)閉時，高濃度燃料(純?nèi)剂?可以有 時間在系統(tǒng)內(nèi)混合均勻，這種燃料濃度控制方式避免了因濃度傳感器測量延遲而造成的濃 度控制不準(zhǔn)，可以提高燃料進料濃度控制的精確度，改善了燃料進料濃度的控制效果，保證 了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。本發(fā)明方法特別適用于使用高濃度甲醇或者純甲醇進料的直接甲 醇燃料電池系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明提供的一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制 方法的原理示意圖。圖2為本發(fā)明提供的一種以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制電路 圖示意圖。圖3為本發(fā)明的一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法 中燃料補充控制部件的動作情況和高濃度燃料或者純?nèi)剂涎a充的實際過程示意圖。圖4為實施例1中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動和運行過程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測試結(jié)果。圖5為實施例2中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動和運行過程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測試結(jié)果。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，以 下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述，但是本發(fā)明不僅限于以下實施例。如圖1所示，其為本發(fā)明提供的一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料 濃度控制方法的原理示意圖。包括電堆(1)，在電堆(1)上設(shè)置有溫度傳感器(2)，一燃料混合器(9)進料口分別與燃料補充控制部件(10)的出料口和電堆陽極出 口管路相連，燃料混合器(9)出料口通過燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽極入口相連，在燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽極入口相連的管路上設(shè)有燃料濃度傳感器(6)，燃料 濃度傳感器(6)和溫度傳感器(2)與控制電路(8)輸入端信號連接，控制電路(8)的輸出 端與燃料補充控制部件(10)電性連接；在電堆陽極與燃料混合器(9)連接管路上設(shè)置有二氧化碳分離器(11)，電堆陰極入口通過管路與空氣泵(12)的輸出端相連，在電堆陰極出口處依次設(shè) 置有冷凝器(4)和水分離器(5)，水分離器(5)的水出口與燃料混合器(9)相連通。在冷凝 器⑷的外側(cè)設(shè)置有風(fēng)扇⑶。如圖2所示，其為本發(fā)明提供的一種以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度 控制電路示意圖。該電路以單片機為核心，其中，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量電堆溫 度，溫度傳感器信號直接輸入到控制電路內(nèi)部的單片機。燃料濃度傳感器輸出的信號大多是模擬量，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后輸入到控制電路內(nèi)部的單片機，如AT89C51 ；也可以直接 輸入到本身具有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機，如ATmega8、ATmega16。單片機輸出的控制信號通 過三極管、繼電器等元件控制由高濃度燃料罐(純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補充控 制部件的開啟和關(guān)閉，從而控制燃料混合罐中的燃料濃度及電堆陽極入口處燃料的進料濃度。圖3為本發(fā)明的一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法 中燃料補充控制部件的動作情況和高濃度燃料或者純?nèi)剂涎a充的實際過程示意圖。在系統(tǒng) 啟動階段，當(dāng)實時檢測得到的燃料進料濃度C小于設(shè)定值CSl時，控制電路向高濃度燃料罐 (純?nèi)剂瞎?通向燃料混合罐的燃料補充控制部件輸出脈沖信號，燃料補充控制部件相應(yīng) 的先開啟后關(guān)閉。燃料補充控制部件開啟時，高濃度燃料(純?nèi)剂?添加到燃料混合器中； 燃料補充控制部件關(guān)閉時，停止向燃料混合罐添加高濃度燃料(純?nèi)剂?，此時，已經(jīng)添加 的高濃度燃料(純?nèi)剂?在燃料循環(huán)泵的作用下與燃料混合器中原有燃料進行充分混合。 采用這種方式向燃料混合器中補充高濃度燃料或者純?nèi)剂希粌H有利于燃料在短時間內(nèi)混 合均勻，同時也可以避免由于濃度檢測信號的滯后造成的燃料補充過量，從而進一步使電 堆陽極入口處的燃料濃度更接近設(shè)定值，提高了系統(tǒng)中燃料進料濃度的控制精度，改善了 濃度控制效果，更有利于以液體進料的燃料電池系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。圖4為實施例1中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動和運行過程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測試結(jié)果。實施例1 提供一個輸出功率為25W的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。其中，燃料補充控 制部件采用一個流量為7mL/min的液泵和一個電磁閥。燃料補充機構(gòu)提供的是純甲醇液 體。系統(tǒng)正常運行時電堆溫度的設(shè)定值TS為62°C，當(dāng)電堆溫度T>62°C時，陽極入口處甲 醇溶液濃度設(shè)定值CSl為1. 8mol/L,當(dāng)陽極甲醇實際進料濃度C < 1. 8mol/L時，控制電路 輸出脈沖信號。每個信號周期的時間長度為8s，其中燃料補充控制部件先啟動2s而后關(guān)閉 6s，在燃料補充控制部件執(zhí)行完一次燃料補充命令后，如果甲醇進料濃度仍未達(dá)到1. Smol/ L，再次執(zhí)行這樣的命令。每執(zhí)行完一次命令，控制電路都會根據(jù)甲醇實際進料濃度進行判 斷，決定是否繼續(xù)補充燃料，直到甲醇實際進料濃度達(dá)到1.8mol/L為止。如果在電堆溫度 未超過62°C時，甲醇實際進料濃度再次低于1. 8mol/L，重復(fù)進行上述動作。當(dāng)電堆溫度T > 62°C時，陽極入口處甲醇溶液濃度設(shè)定值CSl為1. Omol/L,當(dāng)陽極甲醇實際進料濃度C < 1. Omol/L時，控制電路輸出脈沖信號。每個信號周期的時間長度仍為8s，其中燃料補充 控制部件先啟動2s而后關(guān)閉6s，添加完成后如果甲醇實際進料濃度仍低于1. Omol/L，則燃 料補充控制部件繼續(xù)重復(fù)之前的補充動作，反之則停止補充純甲醇。在上述實施例中，從系 統(tǒng)啟動開始到系統(tǒng)達(dá)到正常工作溫度的時間大約為17min。圖5為實施例2中25W直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動和運行過程中電堆溫度變化情 況和濃度變化情況測試結(jié)果。實施例2 提供一個輸出功率為25W的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。其中，燃料補充 控制部件采用一個流量為lOmL/min的液泵。系統(tǒng)正常運行時溫度的設(shè)定值TSl為60°C， 當(dāng)電堆溫度T ≤60°C時，甲醇進料濃度設(shè)定值CSl為1. 0mol/L,當(dāng)陽極甲醇實際進料濃度 低于1. Omol/L時，控制電路輸出脈沖信號。每個信號周期的時間長度為12s，其中燃料補 充控制部件先啟動2s而后關(guān)閉10s。純甲醇添加完成后，如果甲醇實際進料濃度仍未達(dá)到1. Omol/L，則燃料補充控制部件繼續(xù)重復(fù)之前的補充動作，反之則停止為電堆系統(tǒng)補充純 甲醇。當(dāng)電堆溫度T > 60°C時，甲醇進料濃度設(shè)定值CS2為0. 7mol/L,當(dāng)甲醇實際進料濃 度低于0. 7mol/L時，控制電路控制燃料補充控制部件先啟動2s而后關(guān)閉10s，純甲醇補充 完成后，如果甲醇實際進料濃度仍低于0. 7mol/L，則燃料補充控制部件繼續(xù)重復(fù)之前的添 加動作，反之則停止為電堆系統(tǒng)補充純甲醇燃料。在上述實施例中，從系統(tǒng)啟動開始到系統(tǒng) 達(dá)到正常工作溫度的時間大約為17min。
權(quán)利要求
一種用于以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括電堆(1)和燃料混合器(9)，在電堆(1)上設(shè)置有溫度傳感器(2)；其特征在于一燃料混合器(9)進料口分別與燃料補充控制部件(10)的出料口和電堆陽極出口管路相連，燃料混合器(9)出料口通過燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽極入口相連；在燃料循環(huán)泵(7)與電堆陽極入口相連的管路上設(shè)有燃料濃度傳感器(6)，燃料補充控制部件(10)設(shè)置于高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎薜某隹诠苈飞?；燃料濃度傳感?6)和溫度傳感器(2)的輸出信號接至控制電路(8)的輸入端，控制電路(8)的輸出端與燃料補充控制部件(10)電連接；利用溫度傳感器和濃度傳感器，通過控制電路輸出的脈沖信號控制高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎尥ㄏ蛉剂匣旌掀鞯娜剂涎a充控制部件的動作，從而控制以液體燃料進料的燃料電池系統(tǒng)中電堆陽極入口處的燃料進料濃度。
2.按照權(quán)利要求1所述的燃料濃度控制方法，其特征在于設(shè)定系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的電堆溫度設(shè)定值TS，其中，在系統(tǒng)啟動階段，控制電堆陽極入口 處的燃料濃度為設(shè)定值CS1，主動利用滲透的燃料在電堆陰極反應(yīng)放出的熱量，使電堆溫度 快速升高到系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的溫度；在系統(tǒng)啟動完成后，即電堆溫度達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運行時 的設(shè)定值TS時，控制電堆陽極入口處的燃料濃度為設(shè)定值CS2 ；該方法的具體控制過程如 下實時檢測電堆溫度和燃料進料濃度，在系統(tǒng)啟動階段，當(dāng)電堆溫度T < TS時，控制電路(8)將濃度控制在CS1，即當(dāng)燃料濃度低于濃度設(shè)定值CSl時，由控制電路(8)輸出脈沖式 信號，高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎尥ㄏ蛉剂匣旌掀鞯娜剂涎a充控制部件(10)在一個脈沖周 期內(nèi)先開啟后關(guān)閉，高濃度燃料或純?nèi)剂现芷谛蚤g歇式的補充到燃料混合器(9)中；當(dāng)燃 料濃度高于濃度設(shè)定值CSl時，控制電路⑶停止輸出信號，燃料補充控制部件(10)關(guān)閉， 無高濃度燃料或純?nèi)剂涎a充到燃料混合器(9)中；實時檢測電堆溫度和燃料進料濃度，在系統(tǒng)啟動階段完成后，當(dāng)電堆溫度T > TS時， 控制電路(8)將濃度控制在CS2，即當(dāng)燃料濃度低于濃度設(shè)定值CS2時，由控制電路(8)輸 出脈沖式信號，由高濃度燃料罐或純?nèi)剂瞎尥ㄏ蛉剂匣旌掀?9)的燃料補充控制部件(10) 在一個脈沖周期內(nèi)先開啟后關(guān)閉，高濃度燃料或純?nèi)剂现芷谛蚤g歇式的補充到燃料混合器(9)中；當(dāng)燃料濃度高于濃度設(shè)定值CS2時，控制電路(8)停止輸出信號，燃料補充控制部 件(10)關(guān)閉，無高濃度燃料(純?nèi)剂?補充到燃料混合器(9)中；兩個濃度設(shè)定值的關(guān)系 是 CSl > CS2。
3.按照權(quán)利要求2所述的燃料濃度控制方法，其特征在于電堆溫度為 TS < 70°C時，為所述的系統(tǒng)啟動階段，電堆陽極入口處的燃料濃度設(shè)定值為CS1，且lmol/L < CSl ≤ 2mol/L ；所述的系統(tǒng)啟動完成后，電堆陽極入口處的燃料濃度設(shè)定值為 CS2,且 0. 5mol/L ≤ CS2 ≤lmol/L。
4.按照權(quán)利要求3所述的燃料濃度控制方法，其特征在于所述由控制電路(8)輸出 的脈沖式信號，至少包括一個周期的動作。
5.按照權(quán)利要求1所述的燃料濃度控制方法，其特征在于所述燃料補充控制部件(10)為電磁閥、液泵或者由上述兩種部件共同組成。
6.按照權(quán)利要求1所述的燃料濃度控制方法，其特征在于所述燃料為甲醇、乙醇、甲 酸或乙二醇、或者上述燃料中的兩種或兩種以上的混合燃料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于以液體為燃料的燃料電池系統(tǒng)的燃料濃度控制方法，同時利用溫度和濃度傳感器，通過控制電路輸出的脈沖信號控制燃料補充控制部件的動作，從而控制系統(tǒng)中電堆陽極入口處的燃料進料濃度。在系統(tǒng)啟動階段和穩(wěn)定運行階段，控制電堆陽極入口處的燃料濃度設(shè)定值分別為CS1和CS2，且CS1＞CS2。該方法不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)的高濃度燃料(純?nèi)剂?進料，減小了系統(tǒng)的體積，縮短了系統(tǒng)的啟動時間。此外，控制電路采用脈沖信號控制燃料補充控制部件周期性間歇式的動作，解決了濃度傳感器響應(yīng)信號滯后以及高濃度燃料在系統(tǒng)內(nèi)稀釋不均勻的問題。本發(fā)明所述方法具有易于實現(xiàn)、精確度高、性能可靠等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/24GK101997126SQ20091001329
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者孫公權(quán), 孫海, 秦兵, 趙鋼, 陳利康 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所