專利名稱：燃料電池燃料供應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池燃料供應(yīng)裝置，尤其涉及可以將純甲醇快速稀釋為指定濃度溶液的燃料供應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
下面的現(xiàn)有技術(shù)說(shuō)明涉及本申請(qǐng)的應(yīng)用領(lǐng)域之一，即直接甲醇燃料電池(DMFC)。DMFC的最大特點(diǎn)是利用純甲醇作為燃料，即使按照21%的綜合能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，輸出功率為400W的DMFC持續(xù)工作一小時(shí)僅需要424毫升的純甲醇，因此使用較高能量密度比的純甲醇作為燃料可以大大提高DMFC的實(shí)用性。但DMFC的質(zhì)子交換膜在高濃度的溶液環(huán)境中根本無(wú)法正常工作，研究證實(shí)DMFC比較適合的燃料濃度為I 2M，這意味著燃料在進(jìn)入DMFC電堆前必須進(jìn)行稀釋。 DMFC實(shí)用的一大障礙是其較慢的響應(yīng)速度，相關(guān)研究文獻(xiàn)[1-4]中均有提到燃料電池輸出電壓有滯后于負(fù)載電流變化的情形，但文獻(xiàn)提供的滯后時(shí)間從幾秒到幾十秒不等，但上述文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是恒定濃度溶液條件下獲得的，因此響應(yīng)的延遲應(yīng)是所用電堆結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件不同導(dǎo)致的燃料在DMFC陽(yáng)極室中擴(kuò)散速度不同所致)。文獻(xiàn)[5]注意到了因燃料加注導(dǎo)致的響應(yīng)滯后，并指出因燃料加注產(chǎn)生延遲時(shí)間和進(jìn)料管的容積成正比，和溶液的流速成反比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示電堆正常運(yùn)行時(shí)該延遲時(shí)間可達(dá)數(shù)百秒，遠(yuǎn)大于因甲醇擴(kuò)散引發(fā)的延遲。另外，在DMFC驅(qū)動(dòng)的負(fù)載功率發(fā)生變化時(shí)，往往需要根據(jù)輸出功率的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)燃料的濃度，這個(gè)過(guò)程也需要一定的時(shí)間。因此甲醇較慢的氧化反應(yīng)速度雖然對(duì)DMFC的響應(yīng)速度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但決不是主要原因，低速的進(jìn)料模式產(chǎn)生的數(shù)百秒的死區(qū)時(shí)間才是影響DMFC性能的主要因素。雖然提高燃料流速可以降低因加注燃料產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間，但流速的增加不僅會(huì)因附屬設(shè)備功耗的增加而降低DMFC的效率，還會(huì)對(duì)DMFC的輸出性能產(chǎn)生不利的影響，因此僅僅通過(guò)增加流速以提高DMFC的響應(yīng)速度的方法并不可行。比較可行的方法是改變傳統(tǒng)的燃料稀釋和加注模式，以減少燃料稀釋時(shí)間和加注時(shí)間，從而提高DMFC的響應(yīng)速度。目前通用的稀釋方法是將冷凝水和純甲醇混合后導(dǎo)入一容積較大的容器中，利用主動(dòng)攪拌裝置將其混合均勻，通過(guò)控制純甲醇的加注量控制容器中甲醇溶液的濃度?；旌虾蟮募状既芤航?jīng)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入陽(yáng)極流道，此種方法雖然簡(jiǎn)單，但存在如下缺陷I)主動(dòng)攪拌裝置會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，不利于DMFC電源系統(tǒng)的小型化；2)主動(dòng)攪拌裝置需要能量驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致電源系統(tǒng)效率的降低；3)攪拌室較大的容積使得溶液濃度的改變需要較長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致DMFC響應(yīng)時(shí)間增加；4)主動(dòng)攪拌裝置會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，提供一種體積小、無(wú)需外部能量驅(qū)動(dòng)、稀釋速度快、無(wú)噪聲的燃料供應(yīng)裝置，對(duì)于提高DMFC的實(shí)用性無(wú)疑有著重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種燃料電池的燃料供應(yīng)裝置，包括混合管、循環(huán)泵配用泵管、燃料滴注泵配用泵管，混合管具有入口端和出口端，循環(huán)泵配用泵管和燃料滴注泵配用泵管之一的一端與入口端相連，循環(huán)泵配用泵管和燃料滴注泵配用泵管中的另一個(gè)的一端與側(cè)開(kāi)口相連，循環(huán)泵配用泵管的另一端與循環(huán)泵相連，燃料滴注泵配用泵管的另一端與燃料滴注泵相連，混合管在側(cè)開(kāi)口與出口端之間的管中安裝有至少兩個(gè)螺旋狀混合單體。優(yōu)選地，每?jī)蓚€(gè)相鄰的混合單體方向相反地交叉固定在管道內(nèi)。優(yōu)選地，混合管的容積為IOml 200ml。本發(fā)明還提供一種直接甲醇混合管靠近其入口端方向的側(cè)壁具有側(cè)開(kāi)口燃料電池，包括如上所述的燃料供應(yīng)裝置，及包括儲(chǔ)液室、甲醇供給源和燃料電池陽(yáng)極室，其中燃 料供應(yīng)裝置的循環(huán)泵與儲(chǔ)液室相連，燃料供應(yīng)裝置的燃料滴注泵與甲醇供給源相連，及燃料供應(yīng)裝置的混合管的出口端與燃料電池陽(yáng)極室相連。


本發(fā)明將在下面參考附圖、結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行更完全地說(shuō)明。圖I為根據(jù)本發(fā)明的燃料供應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為多個(gè)混合單體連接在一起的構(gòu)造示意圖。圖3為單一混合單體的示意圖。圖4為包括根據(jù)本發(fā)明的燃料供應(yīng)裝置的燃料電池陽(yáng)極溶液循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。為清晰起見(jiàn)，這些附圖均為示意性及簡(jiǎn)化的圖，它們只給出了對(duì)于理解本發(fā)明所必要的細(xì)節(jié)，而省略其他細(xì)節(jié)。在所有附圖中，同樣的附圖標(biāo)記用于同樣或?qū)?yīng)的部分。通過(guò)下面給出的詳細(xì)描述，本發(fā)明進(jìn)一步的適用范圍將顯而易見(jiàn)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在詳細(xì)描述和具體例子表明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的同時(shí)，它們僅為說(shuō)明目的給出。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，從下面的詳細(xì)描述可顯而易見(jiàn)地得出其它實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料供應(yīng)裝置的實(shí)施例。該燃料供應(yīng)裝置包括混合管10、循環(huán)泵配用泵管11、燃料滴注泵配用泵管12，混合管具有入口端14和出口端15，混合管靠近其入口端方向的側(cè)壁具有側(cè)開(kāi)口 16，循環(huán)泵配用泵管的一端與入口端相連，燃料滴注泵配用泵管的一端與側(cè)開(kāi)口相連。循環(huán)泵配用泵管的另一端與循環(huán)泵相連，燃料滴注泵配用泵管的另一端與燃料滴注泵相連，在該實(shí)施例中，循環(huán)泵和燃料滴注泵均為蠕動(dòng)泵?；旌瞎茉趥?cè)開(kāi)口與出口端之間的管中安裝有至少兩個(gè)螺旋狀混合單體13，每?jī)蓚€(gè)相鄰的混合單體方向相反地交叉固定在管道內(nèi)，即多個(gè)左、右旋混合單體依序相互垂直緊密排列在管道內(nèi)，如圖2中所示。為清楚起見(jiàn)，圖3示出了單一螺旋狀混合單體的結(jié)構(gòu)示意圖。液體混合過(guò)程中混合單體本身不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，混合管內(nèi)也無(wú)任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，混合的能量來(lái)自于水流的動(dòng)能。流體在混合管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，每一混合單體將液流一分為二，混合管內(nèi)總分流數(shù)以混合單體數(shù)量的幾何級(jí)數(shù)遞增。由于相鄰的混合單體方向相反，使水流不斷產(chǎn)生方向相反的旋紊流狀態(tài)，從而在每個(gè)單體的兩端產(chǎn)生旋渦，這種旋渦、反旋渦增強(qiáng)了混合效率。如此在混合管內(nèi)時(shí)發(fā)生多種混合作用，使不同液體在短時(shí)間完成有效混合。圖I中所示的混合管的容積為IOml 200ml，較小容積可以保證較高的響應(yīng)速度；而較大容積雖然響應(yīng)速度相對(duì)較慢，但混合效果更好。在優(yōu)選實(shí)施例中，混合管的容積為50ml，及其中包括5個(gè)混合單體。通過(guò)在直接甲醇燃料電池的陽(yáng)極進(jìn)料端加裝本發(fā)明燃料供應(yīng)裝置，該裝置的兩個(gè)進(jìn)料端分別和兩個(gè)蠕動(dòng)泵連接，蠕動(dòng)泵受控制系統(tǒng)的控制，并根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)定流速向混合管內(nèi)注入純甲醇和純凈水(或低濃度甲醇溶液)，根據(jù)對(duì)燃料的供應(yīng)量的不同要求，混合管內(nèi)的溶液的流速為lml/min"100ml/min?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)兩個(gè)螺動(dòng)泵控制甲醇注入速度和低濃度溶液速度進(jìn)而控制混合后溶液的濃度?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)直接甲醇燃料電池驅(qū)動(dòng)負(fù)載功率確定注入陽(yáng)極流道內(nèi)溶液的濃度，并進(jìn)一步確定控制用于加注甲醇和純凈水(或低濃度甲醇溶液)蠕動(dòng)泵的控制電壓，從而控制純甲醇和純凈水(或低濃度甲醇溶液)的加注速度，達(dá)到控制進(jìn)入直接甲醇燃料電池陽(yáng)極流道內(nèi)溶液的流速和濃度的目的。在蠕動(dòng)泵的壓 力下，純甲醇在混合管內(nèi)快速稀釋為指定濃度的甲醇溶液后注入直接甲醇燃料電池陽(yáng)極流道內(nèi)。具體地，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載功率增加時(shí)，直接甲醇燃料電池輸出電壓會(huì)快速下降，控制系統(tǒng)根據(jù)算法增加甲醇的加注速度和(或)循環(huán)溶液的流動(dòng)速度，通過(guò)快速補(bǔ)充甲醇燃料，保證DMFC足夠的燃料供應(yīng)，從而維持輸出電壓穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)的負(fù)載功率減小時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)控制算法降低甲醇的加注速度和(或)循環(huán)溶液的流動(dòng)速度，通過(guò)快速降低DMFC陽(yáng)極流道內(nèi)的甲醇濃度，降低甲醇穿透。上述燃料供應(yīng)裝置實(shí)施例具有如下優(yōu)點(diǎn)體積小，利于DMFC電源系統(tǒng)的小型化；無(wú)需外部能量驅(qū)動(dòng)，可以減少附屬設(shè)備的功率消耗，利于提高電源系統(tǒng)的整體效率；在溶液流動(dòng)過(guò)程中完成甲醇的稀釋，可以大大減少因甲醇稀釋造成的時(shí)間滯后，大幅度提高直接甲醇燃料電源系統(tǒng)的響應(yīng)速度。也就是說(shuō)，本發(fā)明燃料供應(yīng)裝置將溶液流動(dòng)和稀釋兩個(gè)過(guò)程合二為一，大幅縮短了燃料進(jìn)入陽(yáng)極流道的時(shí)間，從而最大限度地因降低甲醇稀釋和溶液流動(dòng)造成的死區(qū)時(shí)間。圖4示出了包括上述燃料供應(yīng)裝置的直接甲醇燃料電池的陽(yáng)極溶液循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。上述燃料供應(yīng)裝置的循環(huán)泵與儲(chǔ)液室相連，燃料供應(yīng)裝置的燃料滴注泵與純甲醇供給源相連，及燃料供應(yīng)裝置的混合管的出口端與燃料電池陽(yáng)極室相連。燃料電池陽(yáng)極室經(jīng)冷凝器將陽(yáng)極流道溶液送入儲(chǔ)液室中，燃料電池陰極室經(jīng)冷凝器將陰極冷凝水送入儲(chǔ)液室中，因而儲(chǔ)液室中為純水或低濃度甲醇溶液。具有本發(fā)明燃料供應(yīng)裝置的燃料電池輸出的滯后時(shí)間遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)燃料電池。一些優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)在前面進(jìn)行了說(shuō)明，但是應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明不受這些實(shí)施例的限制，而是可以權(quán)利要求限定的主題內(nèi)的其它方式實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[I]. Argyropoulos, P. , K. Scott and ff. M. Taama, Dynamic response of thedirect methanol fuel cell under variable load conditions. Journal of PowerSources, 2000. 87 (1-2) :p. 153-161.[2]. Sundmacher, K. , et al.，Dynamics of the direct methanol fuel cell (DMFC) : experiments and model-based analysis.Chemical EngineeringScience, 2001. 56(2) :p. 333-341.[3]. Argyropoulos, P. , K. Scott and W. M. Taama, The effect of operatingconditions on the dynamic response of the direct methanol fuel cell.Electrochimica Acta, 2000. 45(12):p. 1983-1998.[4].Krewer, U. and K.Sundmacher, Transfer function analysis of thedynamic behaviour of DMFCs:Response to step changes in cell current. Journal ofPower Sources, 2006. 154(1) :p. 153-170.
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權(quán)利要求
1.一種燃料電池燃料供應(yīng)裝置，包括混合管(10)、循環(huán)泵配用泵管(11)、燃料滴注泵配用泵管(12)，所述混合管具有入口端(14)和出口端(15)，所述混合管靠近其入口端方向的側(cè)壁具有側(cè)開(kāi)口( 16)，所述循環(huán)泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管之一的一端與所述入口端相連，所述循環(huán)泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管中的另一個(gè)的一端與所述側(cè)開(kāi)口相連，所述循環(huán)泵配用泵管的另一端與循環(huán)泵相連，所述燃料滴注泵配用泵管的另一端與燃料滴注泵相連，所述混合管在所述側(cè)開(kāi)口與所述出口端之間的管中安裝有至少兩個(gè)螺旋狀混合單體(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的燃料供應(yīng)裝置，其中每?jī)蓚€(gè)相鄰的混合單體方向相反地交叉固定在管道內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的燃料供應(yīng)裝置，其中所述混合管的容積為IOml 200ml。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2的燃料供應(yīng)裝置，其中所述混合管內(nèi)的溶液的流速為Iml/min 100ml/mino
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2的燃料供應(yīng)裝置，其中混合管、循環(huán)泵配用泵管和燃料滴注泵配用泵管可一體形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2的燃料供應(yīng)裝置，其中所述出口端朝向出口的方向逐漸變細(xì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2的燃料供應(yīng)裝置，還包括出口管，所述出口管與所述出口端相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2的燃料供應(yīng)裝置，其中所述混合單體的材料為金屬、塑料、陶瓷或玻璃。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料供應(yīng)裝置，其中所述混合管的容積為50ml，及所述混合管內(nèi)包括5個(gè)混合單體。
10.一種直接甲醇燃料電池，包括根據(jù)權(quán)利要求1-9任一所述的燃料供應(yīng)裝置、儲(chǔ)液室、甲醇供給源和燃料電池陽(yáng)極室，其中燃料供應(yīng)裝置的循環(huán)泵與儲(chǔ)液室相連，燃料供應(yīng)裝置的燃料滴注泵與甲醇供給源相連，及燃料供應(yīng)裝置的混合管的出口端與燃料電池陽(yáng)極室相連。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池燃料供應(yīng)裝置，包括混合管(10)、循環(huán)泵配用泵管(11)、燃料滴注泵配用泵管(12)，所述混合管具有入口端(14)和出口端(15)，所述混合管靠近其入口端方向的側(cè)壁具有側(cè)開(kāi)口(16)，所述循環(huán)泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管之一的一端與所述入口端相連，所述循環(huán)泵配用泵管和所述燃料滴注泵配用泵管中的另一個(gè)的一端與所述側(cè)開(kāi)口相連，所述循環(huán)泵配用泵管的另一端與循環(huán)泵相連，所述燃料滴注泵配用泵管的另一端與燃料滴注泵相連，所述混合管在所述側(cè)開(kāi)口與所述出口端之間的管中安裝有至少兩個(gè)螺旋狀混合單體(13)。本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)具有體積小、無(wú)需外部能量驅(qū)動(dòng)、稀釋速度快、無(wú)噪聲的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102683729SQ20121017393
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者張明波 申請(qǐng)人:張明波