專利名稱：直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度自動檢測補給裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于清潔能源領域，特別涉及一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度自 動檢測補給裝置。
技術背景燃料電池是一種直接將化學能轉化為電能的裝置，發電過程不是燃料的直接 燃燒，且不受卡諾循環限制，因此其能量轉換效率較高于普通內燃機，是集能源、 化工、材料與自動化控制等技術為一體的，具有高效和清潔特色的新電源。直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,簡稱DMFC)是基于質子交 換膜燃料電池技術、直接用甲醇作燃料、無需重整的低溫燃料電池。其燃料甲醇 能量密度比氫還大，且價格便宜，易存儲和運輸，另外系統結構簡單、低噪音、 無污染等特點，被認為是面向21世紀最具研究和發展潛力的綠色能源之一。甲醇滲透是影響DMFC性能的最主要因素，受膜的滲透率和厚度，工作溫度， 陽極自身性能以及燃料供給時的甲醇濃度等因素的影響。對于已給定的燃料電池 堆則只能通過降低輸入甲醇濃度以減少甲醇滲透現象。而甲醇濃度低時，電池開 路電壓較高，但隨著電流密度的增加，電池性能降低。高濃度甲醇有利于陽極反 應，但甲醇向陰極的滲透率增加，電池性能也下降。 一般認為甲醇在水中的最佳 濃度為1-2mol/L (體積分數約為6%)時DMFC勝能最佳。然而目前DMFC燃料電 池甲醇濃度檢測面臨嚴峻的問題(1)性能差，如感應范圍小，反應速度慢，不 能長時間工作，可重復性差，且受溫度，二氧化碳和金屬離子等影響較大。(2) 體積大，為減小溫度等因素的影響常需要附加設備，如液泵、恒溫源等，使得系 統結構復雜，難以小型化。(3)成本高。甲醇濃度傳感器所面臨的問題使得DMFC 便攜式發展應用受到很大的影響。目前在甲醇濃度傳感器檢測技術不成熟的條件下，同時又要甲醇溶液濃度 穩定在最佳濃度范圍內，從而使得直接甲醇燃料電池達到最佳輸出效果，通常的 做法是采用體積較大的混合容器，根據電堆的運行狀態時開時斷的方式向混合容3器里補充甲醇，以穩定甲醇溶液濃度。該方法雖然使得甲醇溶液濃度在短時間內 變化不是很大，但是無形中卻增加了系統的體積，且具有嚴重的滯后性，不利于 系統持續穩定工作。 發明內容本發明的目的是提供一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度自動檢測補給裝置，該裝置混合容器12的一側面下部與液泵7相連，液泵7的輸出與電堆15相 通，混合容器12的上端面固定純甲醇溶液導管11，純甲醇溶液導管11上端經電 子閥6連接至純甲醇罐2，下端伸入混合容器12，純甲醇溶液導管ll連接甲醇 滲透裝置，電堆15負極輸出口通過甲醇溶液導管1通入稀甲醇溶液罐5中；其 特征在于，混合容器12設置帶孔擋板22，帶孔擋板22的一側為甲醇滲透裝置， 另一側放置甲醇溶液濃度自動檢測裝置，稀甲醇溶液罐5通過稀甲醇溶液導管4 和混合容器12相通。所述甲醇滲透裝置為在兩塊帯孔的玻璃夾板24之間夾一層聚四氟乙烯膜23。所述甲醇溶液濃度自動檢測裝置為在混合容器12內設置至少一根圓柱形網 筒18，圓柱形網筒18內放置一個注入標準甲醇濃度溶液的浮球19，光敏二極管 26通過平行支架32固定在距離圓柱形網筒18頂部半個浮球直徑距離的位置，發 光二極管25安裝在浮球19的光敏二極管26所在面的另一面的混合容器12外壁 上，光敏二極管引線31連接到單片機；光敏二極管26將檢測的浮球19表示甲 醇溶液濃度的位置信號通過光敏二極管引線31輸入到單片機，單片機根據此甲 醇溶液濃度的位置信號控制打開電子閥6的時長，從而調節混合容器12內甲醇 溶液濃度，使混合容器12內工作甲醇溶液20穩定1-1. 3mol/L的范圍內，即完 成甲醇燃料電池用甲醇溶液濃度自動檢測補給程序。本發明的有益效果本發明利用物質在不同密度中所受浮力不同的特性，設 計了一種適合于直接醇類電池的自動檢測補償裝置，能夠達到穩定甲醇溶液濃度 的目的，該方法同時補償了溫度對甲醇溶液濃度的影響，具有成本低，結構簡單， 制造方便和維護成本低等特點。
圖1為直接甲醇燃料電池系統原理2為甲醇溶液濃度自動檢測補給裝置示意圖，其中a為甲醇滲透裝置，b 為甲醇溶液濃度自動檢測補給裝置c為光敏二極管、發光二極管與.浮球的相對 位置示意圖。圖3為甲醇溶液濃度檢測裝置示意圖。圖4多浮球檢測示意圖。 圖中1.甲醇溶液導管2.純曱醇罐3.純甲醇4.稀甲醇溶液導管 5. 稀甲醇溶液6.電子閥7.液泵，8.低濃度甲醇溶液ll.純甲醇液體導管12. 混合容器15.電堆18.圓柱形網筒19.浮球20.工作甲醇溶液。22.帶孔擋 板23.聚四氟乙烯膜24.帶孔的夾板；25發光二極管26.光敏二極管28. 浮球I29.浮球11 30.浮球111 31.連接光敏二極管導線 32.平行支架。圖3為甲醇溶液濃度檢測裝置示意圖。圖4多浮球檢測示意圖。 圖中1.甲醇溶液導管2.純甲醇罐3.純甲醇4.稀甲醇溶液導管 5. 稀甲醇溶液6.電子閥7.液泵，8.低濃度甲醇溶液ll.純甲醇液體導管12. 混合容器15.電堆18.圓柱形網筒19.浮球20.工作甲醇溶液。21.甲醇溶 液濃度檢測裝置22.帶孔擋板23.聚四氟乙烯膜24.帶孔的夾板。26.光敏 二極管27.光線28.浮球I29.浮球11 30.浮球IH具體實施方式
本發明提出一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度自動檢測補給裝置。下面結 合附圖，例舉具體實施方案對本發明予以說明。在圖1所示直接甲醇燃料電池系統原理圖中，該裝置混合容器12的一側面 下部與液泵7相連，液泵7的輸出與電堆15相通，混合容器12的上端面固定純 甲醇溶液導管ll，純甲醇溶液導管11上端經電子閥6連接至純甲醇罐2，下端 伸入混合容器12，純甲醇溶液導管11連接甲醇滲透裝置，電堆15負極輸出口的. 低濃度甲醇溶液8通過甲醇溶液導管1通入稀甲醇溶液罐5中；混合容器12內 設置帶孔擋板22，帶孔擋板22的一側為甲醇滲透裝置，另一側放置甲醇溶液濃 度自動檢測裝置，稀甲醇溶液罐5通過稀甲醇溶液導管4和混合容器12相通。圖2a所示為甲醇滲透裝置為在兩塊帯孔的玻璃夾板24之間夾一層聚四氟乙 烯膜23。圖2b所示為甲醇溶液濃度自動檢測裝置為在混合容器12內設置至少兩 根圓柱形網筒18，圓柱形網筒18內放置一個注入標準甲醇濃度溶液的浮球19(根 據需求可注入不同標準)，根據阿基米德原理隨著甲醇溶液濃度的變化，浮球位 置發生改變，浮到溶液頂層或降到溶液底層，浮球處于溶液頂層則表示混合容器 中的甲醇溶液濃度低于標準甲醇濃度溶液，若處于溶液底層則反之(如圖3、 4 所示)。為了能夠使得甲醇溶液濃度穩定在燃料電池堆最佳工作性能范圍內，圖 2c所示為光敏二極管、發光二極管與.浮球的相對位置示意圖，圖中光敏二極管 26通過平行支架32固定在距離圓柱形網筒18頂部半個浮球直徑距離的位置。發 光二極管25安裝在浮球19的光敏二極管26所在面的另"7面的混合容器12外壁 上，光敏二極管引線31連接到單片機；光敏二極管26將檢測的浮球19表示甲 醇溶液濃度的位置信號輸入到單片機，單片機根據此甲醇溶液濃度的位置信號控 制打開電子閥6的時長，從而調節混合容器12內甲醇溶液濃度，使混合容器12 內工作甲醇溶液20穩定3mol/L的范圍內，可分別向兩個浮球注入標準甲醇 濃度溶液，在浮球I28內注入濃度lmol/L甲醇溶液，在浮球II29內注入濃度 1. 3mol/L的甲醇溶液濃度，通過光敏二極管26感應浮球位置判斷混合容器中甲 醇溶液濃度是否在濃度范圍內，若浮球I與浮球II都浮在溶液頂層，則表示混合 容器中甲醇溶液濃度低于imol/L，若浮球I降到溶液底層.浮球II在溶液頂層，則表示溶液濃度在1-1. 3mol/L。若浮球I與浮球II都降到溶液底層則表示溶液濃度 高于1. 3mol/L。在溶液低于濃度范圍時光敏二極管26則向單片機等控制元件發 出信號同時打開電子闊6,使純甲醇罐5中的純甲醇3能夠通過純甲醇液體導管 11經聚四氟乙烯膜23流向混合容器，增加混合容器12中工作甲醇溶液20的濃 度，降低溶液密度，同時檢測浮球I是否下降到溶液底層而浮球II仍在溶液頂層， 若否重復以上過程繼續注入純甲醇，直到濃度到達穩定范圍為止，完成甲醇燃料 電池用甲醇溶液濃度自動檢測補給程序，實現自動檢測補給功能。權利要求
1.一種直接甲醇燃料電池用甲醇溶液濃度自動檢測補給裝置，混合容器(12)的一側面下部與液泵(7)相連，液泵(7)的輸出與電堆(15)相通，混合容器(12)的上端面固定純甲醇溶液導管(11)，純甲醇溶液導管(11)上端經電子閥(6)連接至純甲醇罐2，下端伸入混合容器(12)，純甲醇溶液導管(11)連接甲醇滲透裝置，電堆(15)負極輸出口通過甲醇溶液導管(1)通入稀甲醇溶液罐5中；其特征在于，混合容器(12)設置帶孔擋板(22)，帶孔擋板(22)的一側為甲醇滲透裝置，另一側放置甲醇溶液濃度自動檢測裝置，稀甲醇溶液罐(5)通過稀甲醇溶液導管(4)和混合容器(12)相通。
2. 根據權利要求1所述直接甲醇燃料電池用甲醇溶液濃度自動檢測補給裝 置，其特征在于，所述甲醇滲透奪置為在兩塊帯孔的玻璃夾板(24)之間夾一層 聚四氟乙烯膜(23)。
3.根據權利要求1所述直接甲醇燃料電池用甲醇溶液濃度自動檢測補給裝 置，其特征在于，所述甲醇溶液濃度自動檢測裝置為在混合容器(12)內設置至 少一根圓柱形網筒(18)，圓柱形網筒(18)內放置一個注入標準甲醇濃度溶液 的浮球(19),光敏二極管(26)通過平行支架(32)固定在距離圓柱形網筒(18) 頂部半個浮球直徑距離的位置，發光二極管(25)安裝在浮球(19)的光敏二極 管(26)所在面的另一面的混合容器(12)外壁上，光敏二極管引線(31)連接 到單片機；光敏二極管(26)將檢測的浮球(19)表示甲醇溶液濃度的位置信號 通過光敏二極管引線(31)輸入到單片機，單片機根據此甲醇溶液濃度的位置信 號控制打開電子閥(6)的時長，從而調節混合容器(12)內甲醇溶液濃度，使 混合容器(12)內工作甲醇溶液(20)穩定在1-1.3mol/L的范圍內，即完成甲 醇燃料電池用甲醇溶液濃度自動檢測補給程序。
全文摘要
本發明公開了屬于清潔能源領域的一種直接甲醇燃料電池甲醇溶液濃度自動檢測補給裝置。該裝置的混合容器內設置帶孔擋板，帶孔擋板的一側為甲醇滲透裝置，另一側放置甲醇溶液濃度自動檢測裝置，稀甲醇溶液罐通過稀甲醇溶液導管和混合容器相通，其中甲醇滲透裝置為在兩塊帶孔的玻璃夾板之間夾一層聚四氟乙烯膜、甲醇溶液濃度自動檢測裝置為在混合容器內設置至少兩根注入標準甲醇濃度溶液的浮球的圓柱形網筒，光敏二極管感應浮球的位置，通過檢測浮球位置，確定甲醇溶液濃度，通過單片機控制打開電子閥向混合容器里注入純甲醇，使得燃料電池在使用過程中甲醇濃度保持穩定，補償了溫度對甲醇溶液濃度的影響，具有結構簡單、成本低、維護方便等優點。
文檔編號G01N9/00GK101644651SQ20091008937
公開日2010年2月10日 申請日期2009年7月17日 優先權日2009年7月17日
發明者劉樂鋒, 姜素霞, 曹玲芝, 李春文, 王榮蓉 申請人:鄭州輕工業學院