一種直接甲醇燃料電池供給系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種直接甲醇燃料電池供給系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池具有高效能、低噪聲、無(wú)污染、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池由于可在室溫時(shí)快速啟動(dòng)，并可按負(fù)載要求改變輸出功率，因而一直是人們研究的熱點(diǎn)。直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，由于其具有能量密度高、燃料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)因而被期望用于各種便攜式電子設(shè)備中。然而，由于陽(yáng)極的甲醇會(huì)通過質(zhì)子交換膜到達(dá)電池的陰極(甲醇滲透)，在陰極發(fā)生電化學(xué)氧化，與氧氣的電化學(xué)還原形成短路，產(chǎn)生混合電位，降低開路電壓，從而降低了燃料電池的性能。為了解決這一問題，許多的技術(shù)方案被提出，其中超聲霧化供給方式能夠有效緩解甲醇滲透問題而不降低電池的能量密度、適用范圍廣。
[0003]微流控技術(shù)是近十幾年來(lái)各學(xué)科領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題，該技術(shù)能夠精確控制和操控微尺度流體，主要具有以下特點(diǎn):第一，微加工技術(shù)制作的微流控芯片的微小尺度使多個(gè)部件和功能集中在數(shù)平方厘米的芯片上，因而體積小，便于攜帶;第二，操作簡(jiǎn)便，液體流動(dòng)可控，通過控制液體的進(jìn)口流速，就能精確控制物質(zhì)的濃度;第三，微流控芯片將液體控制在微小的體積中，傳質(zhì)速率尚，因而具有極尚的混合效率。微流控技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在社會(huì)各領(lǐng)域尤其是化學(xué)、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]目前直接甲醇燃料電池領(lǐng)域中甲醇溶液的配置多采用人工或機(jī)械的方式事先進(jìn)行大劑量的混合，然后再將其直接用于電池的供給。由于霧化供給方式受溶液濃度影響較大，而傳統(tǒng)的燃料配制方式由于諸多操作及設(shè)備的誤差則容易存在濃度控制不精確、混合不均等問題。濃度控制不精確一方面使電池的性能無(wú)法得到充分發(fā)揮，另一方面使得電池的輸出性能與期望的輸出之間產(chǎn)生較大的誤差。而燃料混合不均勻也將帶來(lái)一系列問題:濃度高時(shí)甲醇滲透加劇，降低電池的開路電壓;濃度較低時(shí)甲醇滲透問題又有所緩解，這將導(dǎo)致電池的動(dòng)態(tài)性能不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的燃料配制方式限制了直接甲醇燃料電池性能的進(jìn)一步提高;利用人工進(jìn)行燃料的配制則加大了人工勞動(dòng)強(qiáng)度、增加了整體的成本，而且使電池的操作也更為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種直接甲醇燃料電池半循環(huán)裝置和方法，采用超聲霧化供給的方式減少甲醇滲透，利用微流控技術(shù)為霧化供給方式提供濃度精確、混合均勻的燃料從而提高直接甲醇燃料電池的性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極反應(yīng)中產(chǎn)物水的回收利用。
[0006]為達(dá)到上述目的，采用技術(shù)方案如下:
[0007]—種直接甲醇燃料電池供給系統(tǒng)，包括超聲霧化器、微流控芯片、燃料儲(chǔ)存箱、純甲醇儲(chǔ)存箱、水儲(chǔ)存箱、微栗、供給管道；
[0008]所述純甲醇儲(chǔ)存箱和水儲(chǔ)存箱通過供給管道分別與微流控芯片的兩個(gè)進(jìn)口相連，且用微栗對(duì)兩者的流量進(jìn)行控制;微流控芯片的出口與燃料儲(chǔ)存箱相連;燃料儲(chǔ)存箱的出口通過微栗連接超聲霧化器;所述超聲霧化器安裝在直接甲醇燃料電池的封裝外殼上使其成為一體，且連通甲醇燃料電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板。
[0009]按上述方案，燃料電池的陰極流場(chǎng)板與水儲(chǔ)存箱相連實(shí)現(xiàn)陰極反應(yīng)產(chǎn)物的回收。
[0010]按上述方案，燃料電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板與燃料儲(chǔ)存箱相連實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極多余甲醇溶液的回收。
[0011]—種直接甲醇燃料電池半循環(huán)系統(tǒng)，包括直接甲醇燃料電池、超聲霧化器、微流控芯片、燃料儲(chǔ)存箱、純甲醇儲(chǔ)存箱、水儲(chǔ)存箱、微栗、供給管道;所述直接甲醇燃料電池包括封裝外殼、陽(yáng)極流場(chǎng)板、膜電極組件、陰極流場(chǎng)板、密封圈；
[0012]所述純甲醇儲(chǔ)存箱和水儲(chǔ)存箱通過供給管道分別與微流控芯片的兩個(gè)進(jìn)口相連，且用微栗對(duì)兩者的流量進(jìn)行控制;微流控芯片的出口與燃料儲(chǔ)存箱相連;燃料儲(chǔ)存箱的出口通過微栗連接超聲霧化器;所述超聲霧化器安裝在直接甲醇燃料電池的封裝外殼上使其成為一體，且連通甲醇燃料電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板;燃料電池的陰極流場(chǎng)板與水儲(chǔ)存箱相連實(shí)現(xiàn)陰極反應(yīng)產(chǎn)物的回收;燃料電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板與燃料儲(chǔ)存箱相連實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極多余甲醇溶液的回收。
[0013]按上述方案，所述微流控芯片的流場(chǎng)通道為非對(duì)稱式方形循環(huán)腔、圓弧通道、擴(kuò)張腔依次相連;方形循環(huán)腔擴(kuò)張比為1:8，擴(kuò)張腔擴(kuò)張比為1:5。
[0014]上述直接甲醇燃料電池供給方法，包括以下步驟:
[0015]當(dāng)電池開始工作時(shí)，在直接甲醇燃料電池自身電能的驅(qū)動(dòng)下，通過微栗分別控制純甲醇儲(chǔ)存箱和水儲(chǔ)存箱中甲醇和水的出口流量實(shí)現(xiàn)甲醇溶液濃度的控制，進(jìn)入微流控芯片的甲醇和水快速均勻混合得到甲醇溶液，進(jìn)入燃料儲(chǔ)存箱中。
[0016]燃料儲(chǔ)存箱中甲醇溶液由供給管道進(jìn)入到超聲霧化器中，在超聲作用下被霧化，以液滴的形式進(jìn)入所述燃料電池的陽(yáng)極流場(chǎng)板進(jìn)行發(fā)電。
[0017]按上述方案，還包括經(jīng)陰極流場(chǎng)板還原反應(yīng)產(chǎn)生的水進(jìn)入水儲(chǔ)存箱回收，陽(yáng)極流場(chǎng)板多余的甲醇溶液進(jìn)入燃料儲(chǔ)存箱回收。
[0018]按上述方案，所述液滴粒徑在50微米以下。
[0019]按上述方案，所述甲醇溶液的濃度范圍0.5?12mol/L
[0020]按上述方案，所述超聲的頻率為50-55KHZ。
[0021]本發(fā)明微流控芯片的特有結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)兩種物質(zhì)的快速混合，在微流控芯片的出口處就能獲得濃度精確、混合均勻的甲醇溶液，結(jié)合超聲霧化燃料供給方式，得到一種高性能直接甲醇燃料電池供給系統(tǒng)。微流控技術(shù)的引進(jìn)能夠把人們從燃料配制的工作中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)燃料的自動(dòng)混合、供給，得到的混合溶液的濃度也更為均勻、準(zhǔn)確。微流控技術(shù)和霧化供給方式的結(jié)合有望緩解陽(yáng)極甲醇滲透的問題，使電池的動(dòng)態(tài)性能更為穩(wěn)定。
[0022]微流控技術(shù)能夠操控微小尺度的流體進(jìn)行混合，具有體積小、響應(yīng)迅速、控制精確等優(yōu)點(diǎn)。采用微流控芯片能實(shí)現(xiàn)溶液之間的自動(dòng)混合，通過控制兩者進(jìn)入芯片的流量比例就能操控芯片出口處的燃料濃度，精巧的通道結(jié)構(gòu)則能夠?qū)崿F(xiàn)甲醇與水的快速、均勻混合。微流控技術(shù)與霧化供給方式的結(jié)合，進(jìn)一步提高了電池的穩(wěn)定性和使用性能。此外，陰極的水的回收利用，陽(yáng)極甲醇溶液的回收利用，形成了一個(gè)半循環(huán)系統(tǒng)。
[0023]本發(fā)明的有益效果:
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使用該方式混合的甲醇溶液濃度可控，混合均勻，將為霧化供給方式提供良好的條件，從而進(jìn)一步提高燃料電池的性能；均勻的甲醇溶液提高了電池放電的穩(wěn)定性;溶液的混合實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了系統(tǒng)誤差和整體成本;該燃料電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了陰極產(chǎn)物水的回收利用，節(jié)約了原料。該混合方式不僅適用于直接甲醇燃料電池，而且適用于其他任何需要進(jìn)行物質(zhì)混合的場(chǎng)合;不僅適用于微小型的單個(gè)電池，而且對(duì)大型的多個(gè)電池組成的電池堆也同樣適用。
【附圖說明】
[0025]圖1:本發(fā)明直接甲醇燃料電池供給系統(tǒng)示意圖；
[0026]圖2:微流控芯片通道結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3:微流控芯片用于甲醇與水混合的效率圖；
[0028]其中，1-電池負(fù)載，2-超聲霧化器，3-微栗，4-燃料儲(chǔ)存箱，5-微流控芯片，6_純甲醇儲(chǔ)存箱，7-微栗，8-微栗，9-水儲(chǔ)存箱，I O-直接甲醇燃料電池，11-通道入口 I，12-流場(chǎng)通道，13-通道出口，14-通道入口 2; 121-方形循環(huán)腔；122-圓弧通道;123-擴(kuò)張腔。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下實(shí)施例用于進(jìn)一步闡釋本發(fā)明的技術(shù)方案，但不作為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0030]參照附圖1所示直接甲醇燃料電池供給系統(tǒng)示意圖，包括超聲霧化器2、微流控芯片5、燃料儲(chǔ)存箱4、純甲醇儲(chǔ)存箱6、水儲(chǔ)存箱9、微栗(3、7、8)、供給管道;所述直接甲醇燃料電池包括封裝外殼、陽(yáng)極流場(chǎng)板、膜電極組件、陰極流場(chǎng)板、密封圈;所述超聲霧化器安裝在直接甲醇燃料電池的封裝外殼上