以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了属于清洁能源领域的一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。该方法是将纯甲醇容器与甲醇溶液容器之间用隔板连通；调节纯甲醇容器中活塞的高度，以控制甲醇容器中的甲醇分子从隔板扩散到甲醇溶液容器中的速度来调节甲醇溶液的浓度；使维持在电堆正常工作时所需甲醇溶液的预定浓度值；输送给电池的电堆使用。所述两种装置总体结构基本相同，一种是利用弹簧材料体积与甲醇溶液浓度的线性关系，通过杠杆作用调节活塞高度来控制甲醇的扩散量；另一种是由控制器对电机的控制，调节活塞高度来控制甲醇的扩散量。该发明专利技术具有体积小，结构简单，甲醇溶液浓度控制灵活，同时也在工作时不消耗能量的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于清洁能源领域，特别涉及一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。
技术介绍
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)以直接甲醇为阳极燃料，无需将甲醇重整为富氢气体的甲醇重整器装置，具有系统结构简单、体积能量密度高、燃料易于贮存和运输、燃料补充方便等特点，是最适合用于小型电源、车用电源等的燃料电池。它直接用甲醇溶液作为“燃料”发电，反应后的产物只有水，是一种绿色的环保电池。所以直接甲醇燃料电池的研究具有十分重要的意义。直接甲醇燃料电池中的甲醇浓度值的大小对直接甲醇燃料电池的工作有着非常重要的作用，当使用较低浓度的甲醇时电池电堆的输出的功率较低，当使用的甲醇浓度增加时，电池电堆的输出的功率会有变大，但是当甲醇的浓度增加也会导致甲醇渗透作用得增加，甲醇渗透不仅会使甲醇利用率降低，而且会使电堆温度过高，使电池的寿命缩短；当甲醇浓度升高到一定的值时，渗透作用产生的渗透超电势反而使电池性能下降，所以甲醇浓度的大小对直接甲醇燃料电池的正常工作有非常重要的意义。通常DMFC最适宜的甲醇浓度为1.0mol/L。现有的控制直接甲醇燃料电池中甲醇浓度的方法有事先将甲醇溶液配好，然后供给电池使用，如果使用这种方法那么电池本身不能补给甲醇，一段时间后甲醇溶液的浓度会变的过分小，导致电池不能正常工作，并且由于所需要的甲醇溶液的浓度很低，所以使用这种方法通常需要一个很大的液罐，使电池的体积增大。还有一种方法是通过控制微型泵抽取甲醇与水混合以得到一定浓度的甲醇溶液，但是微型泵的使用不仅会导致制造成本的增加，而且由于在直接甲醇燃料电池中所需要的甲醇量很小，会给甲醇的流量控制和浓度控制带来很大的困难，例如10W的电池一秒只需要几微升的甲醇，通常的办法就是每隔一定时间开启甲醇泵一下，这样虽然可以把甲醇浓度控制在一定范围，仍然会使甲醇浓度出现极大的波动，通常会使用一个较大的容器抑制甲醇浓度出现较大的波动，但是这样又会使系统的体积变大。泵的使用还会消耗电池的能量，是系统的发电效率降低，同时也使电池的结构更加复杂，使制造和维护的成本增大。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足提出了一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。包括两个专利技术目的，第一个目的是提供一种调节隔板扩散率的直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的控制方法。第二个目的是提供以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的装置。实现上述目的的技术方案实现第一个目的方法是1)将纯甲醇容器2与甲醇溶液容器3之间用隔板17连通；2)调节纯甲醇容器2中活塞4的高度，以控制纯甲醇容器2中的纯甲醇16的甲醇分子从隔板17扩散到甲醇溶液容器3中的速度来调节甲醇溶液的浓度r；3)调节甲醇溶液容器3中存放的甲醇溶液的浓度r，使维持在电堆9正常工作时所需甲醇溶液的预定浓度值r0mol/L；4)然后由输送泵12送入电堆9，供给电池的电堆9使用，甲醇溶液14在电堆9内反应，反应后较低浓度的甲醇溶液14又从输送管8送回到甲醇溶液容器3中，供电堆循环使用以提高甲醇利用率。所述活塞4的高度调节是通过甲醇溶液容器3底部的弹簧材料13，弹簧材料13随甲醇浓度的改变而改变自身的体积，由此通过杠杆调节活塞4在纯甲醇容器2中的高度。所述弹簧材料13在甲醇溶液中随甲醇浓度增大，其体积也越大，从而在杠杆6的作用下使活塞4在纯甲醇容器2中的高度降低，反之，则上升。所述活塞4的高度调节还通过电机21带动齿轮22旋转，齿轮22的转动又驱动活塞4的高度控制柄5带动活塞4上下运动而调节活塞4在纯甲醇容器2中的高度。所述电机21的转动由控制器23根据温度传感器18测定的电堆温度值和溶液浓度传感器19测定的甲醇浓度值通过电机控制信号线20控制电机21。所述第二个目的是以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的装置包括两种结构，一种是纯甲醇容器1和纯甲醇容器2以连通管15连通，在纯甲醇容器2与甲醇溶液容器3之间用隔板17连通，带高度控制柄5的活塞4放置在纯甲醇容器2内，高度控制柄5和杠杆6一端连接；在甲醇溶液容器3底部的弹簧材料13通过支杆和杠杆6另一端连接，杠杆6支持在固定支撑7；甲醇溶液容器3通过输送泵12与电堆9连接，电堆9的输送管8插入甲醇溶液容器3中，电堆9两边分别为阳极11和阴极10。所述弹簧材料13为吸收甲醇的能力大于吸收水的能力的材料，该材料可以选用美国杜邦公司生产的Nafion 117(聚四氟乙烯)。另一种结构是在第一种结构中的电堆9内安装温度传感器18和在甲醇溶液容器3中以溶液浓度传感器19代替弹簧材料13，二者再和控制器23连接；其次以电机21连接齿轮22，齿轮22再连接驱动活塞4的高度控制柄5代替第一种结构中的杠杆6，电机21通过通过电机控制信号线20和控制器23连接。所述隔板17上有均匀分布的小孔，孔中填充有聚四氟乙烯24，聚四氟乙烯24可以吸收甲醇16但是不能吸收水分子25。本专利技术的有益效果本专利技术利用物质对不同液体具有不同吸收能力和以定向扩散来控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的特性，同时利用某些材料体积会随甲醇溶液浓度变化的特性设计了一种适合于直接醇类电池的浓度控制系统，该装置具有体积小，结构简单，制造和维护成本低，同时也在工作时不消耗能量的优点。附图说明图1为实施方案-1示意图。图2为实施方案-2示意图。图3为隔板示意图。图4为聚四氟乙烯在各种物质中体积的变化示意图。图5为聚四氟乙烯对不同液体吸收能力示意图。图6方案-2中的控制原理图。具体实施例方式本专利技术针对现有技术的不足提出了一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度及装置。下面结合附图对本专利技术予以具体说明。实施方案-1图1所示为实施方案-1装置结构示意图。图中纯甲醇容器1和纯甲醇容器2以连通管15连通，在纯甲醇容器2与甲醇溶液容器3之间用隔板17连通，带高度控制柄5的活塞4放置在纯甲醇容器2内，高度控制柄5和杠杆6一端连接；在甲醇溶液容器3底部的弹簧材料13通过支杆和杠杆6另一端连接，杠杆6支持在固定支撑7；容器3通过输送泵12与电堆9连接，电堆9的输送管8插入甲醇溶液容器3中，电堆9两边分别为阳极11和阴极10。隔板的结构如图3所示，隔板17上有均匀分布的小孔，孔中填充有聚四氟乙烯24，聚四氟乙烯24可以吸收甲醇16但是不能吸收水分子25(如图5所示)。隔板的作用是甲醇分子可以由纯甲醇容器2扩散到甲醇溶液容器3中，但是甲醇溶液容器3中的水分子不能扩散到纯甲醇容器2中，起到隔水和隔甲醇的作用。甲醇溶液容器3底部的弹簧材料13为吸收甲醇的能力大于吸收水的能力的材料，可以选用美国杜邦公司生产的Nafion 117(聚四氟乙烯)。该材料放在甲醇溶液里可以随甲醇浓度的改变而改变自身的体积，一般甲醇浓度越大，其体积也越大，其体积随甲醇浓度的改变而改变的示意图如图4所示，可以看出Nafion 117在潮湿状态下的体积比在干燥状态下的体积大，但是在甲醇水溶液里其体积会进一步变大，并且在甲醇水溶液中该种材料的体积是和甲醇的浓度呈线性关系，本专利技术则利用弹簧材料13的这种特性通过杠杆6来调节活塞4在纯甲醇容器2中的高度，控制纯甲醇容器2中的纯甲醇16的甲醇分子从隔板17扩散到甲醇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以隔板扩散率控制直接甲醇燃料电池甲醇溶液浓度的方法，其特征在于，具体步骤为：１）将纯甲醇容器（２）与甲醇溶液容器（３）之间用隔板（１７）连通；２）调节纯甲醇容器（２）中活塞（４）的高度，以控制纯甲醇容器（２）中的纯甲醇（ １６）的甲醇分子从隔板（１７）扩散到甲醇溶液容器（３）中的速度来调节甲醇溶液的浓度ｒ；３）调节甲醇溶液容器（３）中存放的甲醇溶液的浓度ｒ，使维持在电堆（９）正常工作时所需甲醇溶液的预定浓度值ｒ↓［０］ｍｏｌ／Ｌ；４）然后由输 送泵（１２）送入电堆（９），供给电池的电堆（９）使用，甲醇溶液（１４）在电堆（９）内反应，反应后较低浓度的甲醇溶液（１４）又从输送管（８）送回到甲醇溶液容器（３）中，供电堆循环使用以提高甲醇利用率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣蓉，李春文，谢晓峰，丁青青，戎袁杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]