被动式直接甲醇燃料电池系统及优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种被动式直接甲醇燃料电池系统及优化方法，所述电池系统包括保温壳体，设置在保温壳体内的被动式直接甲醇燃料电池和加热部，所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔内设有均匀分布有若干通孔的传质阻挡层，用于使与电池反应部的阳极板反应的甲醇浓度适应电池输出功率。根据本发明专利技术提出的电池系统，提高了被动式直接甲醇燃料电池系统的输出性能和动态响应特性。

【技术实现步骤摘要】
被动式直接甲醇燃料电池系统及优化方法
本专利技术涉及甲醇燃料电池，尤其涉及一种被动式直接甲醇燃料电池系统及优化方法。
技术介绍
能源是国民经济发展的动力，也是国防建设必不可少的战略物质。人类社会持续快速发展离不开有力的能源保障和先进新能源技术的创新与开发。每一次能源结构的变迁与革命，都会伴随生产力的迅速发展，并推动人类军事与民用科技的进步。随着社会生产力水平的不断提高，人们逐渐认识到效率低下与严重的污染影响着传统化石能源的利用，寻找具有高能源利用效率，又不会污染环境的能源利用方式是大势所趋。在此背景下，燃料电池技术因其高体积能量密度，不受卡诺循环限制,理论上只要燃料无限供应，便可以实现电池的无限放电，属于能量转化装置的电池容量，越来越受到人们的重视。近年来，集成电子技术、微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)技术得到广泛应用，微型武器装备系统与便携式电子产品向集成化、多功能化方向上发展，同时对其所配备电源提出了更高的要求。传统大尺寸能源系统已经无法满足科技发展的需要，而具有微小尺寸与高能量密度的微能源技术日益受到各国研究机构的更多关注。近年来MEMS技术的迅速发展为微能源器件的加工与制作提供了新的实现途径。MEMS技术与燃料电池技术结合而成的微型燃料电池相比于其他类型微能源，具有能量转化效率高、大功率持续供电能力强、环境友好、低温快速启动、可靠性高以及便于集成化等优点，是具有广阔应用前景的新型微能源。微型直接甲醇燃料电池(MicroDirectMethanolFuelCell,μDMFC)与其它类型相比，具有燃料来源丰富、便于携带、结构简单和操作条件简易等特点，更适宜成为小型与移动型电源的供应系统。按进料方式不同，将μDMFC分为主动式和被动式两种，与主动式直接甲醇燃料电池相比，被动式直接甲醇燃料电池系统利用甲醇与空气的自然对流实现原料供给，无需辅助系统的支持，舍弃了大量的附加装置，消除了寄生功率的损失，理论上具有更高的系统效率；又因其结构简单，操作方便，材料和运行成本低，运行状态最符合微型便携式移动电源的要求。由于被动式μDMFC运行条件简单，其工作环境大多为常温常压，正因为如此其输出功率面临着很大的制约，例如：首先自发进行的传质传热达不到最优的工作条件，其次常温常压下催化剂的活性会受到很大的抑制，最后甲醇穿透现象等造成燃料利用率不高，这些均是造成电池极化严重的主要因素。忽略被动式μDMFC的结构因素，μDMFC最终输出功率密度还受甲醇溶液浓度、工作温度以及电流密度的影响，例如：甲醇浓度对甲醇穿透的影响最为显著，浓度越高，甲醇的穿透速率也越高；温度是最优工作条件以及影响催化剂活性的主要指标；电流密度与电化学反应生成热有着密切关系，电流密度越大，反应越剧烈，反应生成热越多，电池体内温度也就越高。而这三者之间与输出功率密度之间的关系又是十分复杂的，一方面提高电池工作温度可以提高电池的性能，例如：(1)提高阳极的催化活性，加快电化学反应速度；(2)加快反应物传质，提高甲醇扩散系数；(3)降低质子交换膜内阻。但是随着工作温度的升高，甲醇穿透速率会随之增加，会逐渐扩大甲醇穿透对甲醇电池的影响。而另一方面，甲醇浓度对甲醇穿透影响显著，甲醇浓度过高会导致过分的甲醇穿从而使致电池性能严重降低，在较高的甲醇浓度条件下，电池得益于甲醇在阴极的放热反应，反应放出的热量又会提高电池的工作温度，促进电池性能的提高。另外，随着电流密度的增大，甲醇的穿透速率会随之降低。在不同的电流密度工作时，对电池输出功率密度起主导作用的因素也不尽相同，使得电池可以获得最佳性能的温度与甲醇浓度也不相同。因此，目前的被动式μDMFC常温下输出性能在20mW/cm2左右，效率不足30％。实际工作参数(甲醇溶液浓度、温度等)对被动式μDMFC输出效能的影响也较为明显。同时，μDMFC结构形式单一，不能以纯甲醇作为燃料注入。能量密度较低，被动式μDMFC工作时最佳甲醇浓度一般为2M左右，并且甲醇浓度及电池系统温度的控制大多由外加设备完成，无法实现电池的自主控制。
技术实现思路
本专利技术提供一种被动式直接甲醇燃料电池系统及电池系统的优化方法，提高被动式直接甲醇燃料电池系统的输出性能和动态响应特性。依据本专利技术的一个方面，提供一种被动式直接甲醇燃料电池系统，包括保温壳体，设置在保温壳体内的被动式直接甲醇燃料电池和加热部，所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔内设有均匀分布有若干通孔的传质阻挡层，用于使与被动式直接甲醇燃料电池的阳极板反应的甲醇浓度适应电池输出功率。可选地，本专利技术所述电池系统中，所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔包括纯甲醇腔和缓冲腔，所述传质阻挡层位于纯甲醇腔和缓冲腔之间。可选地，本专利技术所述电池系统中，所述加热部采用催化燃烧加热系统，所述催化燃烧加热系统的催化燃烧室通过温控阀与所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔相连，所述温控阀用于控制甲醇腔内甲醇流向催化燃烧室的通断。可选地，本专利技术所述电池系统中，所述催化燃烧加热系统的催化燃烧室的进口还设有汽液交换装置。可选地，本专利技术所述电池系统中，所述温控阀包括阀体，以及设置在阀体内的形状记忆合金弹簧、阀芯和偏置弹簧，所述阀体内设有流道，阀体一端的侧壁上开设有与流道相通的进液口，所述阀芯设置在阀体的进液口端，所述形状记忆合金弹簧和偏置弹簧分别位于阀芯的两侧。可选地，本专利技术所述电池系统中，所述保温壳体采用相变材料制成。可选地，本专利技术所述电池系统中，所述保温壳体内设有第一热管，所述第一热管一端延伸至催化燃烧加热系统，并嵌入催化燃烧加热系统的催化燃烧室内；另一端延伸至所述被动式直接甲醇燃料电池的阴极板。可选地，本专利技术所述电池系统中，所述被动式直接甲醇燃料电池的阳极板和阴极板内均设置有第二热管，所述第二热管的管径T取值范围如下：0.4mm≤T≤1mm。依据本专利技术的另一个方面，提供一种被动式直接甲醇燃料电池系统的优化方法，应用于上述被动式直接甲醇燃料电池系统，包括如下步骤：基于所述被动式直接甲醇燃料电池系统的结构，并结合被动式直接甲醇燃料电池的多物理场，建立被动式直接甲醇燃料电池系统的动态仿真模型，所述被动式直接甲醇燃料电池系统的动态仿真模型包括：浓度仿真模型或/和温度仿真模型；根据预设条件，对所述被动式直接甲醇燃料电池系统的动态仿真模型进行分析，确定所述被动式直接甲醇燃料电池系统中各工作参数。可选地，本专利技术所述优化方法中，所述浓度仿真模型包括如下仿真模型中的一个或多个：传质阻挡层仿真模型、甲醇腔仿真模型、阳极板仿真模型、阴极板仿真模型及膜电极仿真模型；所述温度仿真模型包括如下仿真模型中的一个或多个：催化燃烧加热系统的催化燃烧室内部流场仿真模型、催化燃烧加热系统的自呼吸式仿真模型、温控阀仿真模型及保温壳体仿真模型。本专利技术的有益效果：本专利技术提出的被动式直接甲醇燃料电池系统及电池系统的优化方法，充分利用了被动式直接甲醇燃料电池系统工作时甲醇浓度、温度和电流密度三者之间的关系，达到被动式直接甲醇燃料电池系统浓度与温度的自适应的效果，使该电池在最佳的工作条件下，提高了电池的输出性能和动态响应特性。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种被动式直接甲醇燃料电池系统，其特征在于，包括保温壳体，设置在保温壳体内的被动式直接甲醇燃料电池和加热部，所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔内设有均匀分布有若干通孔的传质阻挡层，用于使与被动式直接甲醇燃料电池的阳极板反应的甲醇浓度适应电池输出功率。

【技术特征摘要】
1.一种被动式直接甲醇燃料电池系统，其特征在于，包括保温壳体，设置在保温壳体内的被动式直接甲醇燃料电池和加热部，所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔内设有均匀分布有若干通孔的传质阻挡层，用于使与被动式直接甲醇燃料电池的阳极板反应的甲醇浓度适应电池输出功率。2.如权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔包括纯甲醇腔和缓冲腔，所述传质阻挡层位于纯甲醇腔和缓冲腔之间。3.如权利要求1或2所述的电池系统，其特征在于，所述加热部采用催化燃烧加热系统，所述催化燃烧加热系统的催化燃烧室通过温控阀与所述被动式直接甲醇燃料电池的甲醇腔相连，所述温控阀用于控制甲醇腔内甲醇流向催化燃烧室的通断。4.如权利要求3所述的电池系统，其特征在于，所述催化燃烧加热系统的催化燃烧室的进口还设有汽液交换装置。5.如权利要求3所述的电池系统，其特征在于，所述温控阀包括阀体，以及设置在阀体内的形状记忆合金弹簧、阀芯和偏置弹簧，所述阀体内设有流道，阀体一端的侧壁上开设有与流道相通的进液口，所述阀芯设置在阀体的进液口端，所述形状记忆合金弹簧和偏置弹簧分别位于阀芯的两侧。6.如权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述保温壳体采用相变材料制成。7.如权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述保温...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博，焦栋，李慧波，张欣海，汪溁鹤，谷晓鹏，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司电子科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11