一種直接甲醇燃料電池供給系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種直接甲醇燃料電池供給系統和方法。
【背景技術】
[0002]燃料電池具有高效能、低噪聲、無污染、可靠性高等優點，因而受到了人們的廣泛關注。其中，質子交換膜燃料電池由于可在室溫時快速啟動，并可按負載要求改變輸出功率，因而一直是人們研究的熱點。直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種，由于其具有能量密度高、燃料來源廣等優點因而被期望用于各種便攜式電子設備中。然而，由于陽極的甲醇會通過質子交換膜到達電池的陰極(甲醇滲透)，在陰極發生電化學氧化，與氧氣的電化學還原形成短路，產生混合電位，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]微流控技術是近十幾年來各學科領域研究的重點課題，該技術能夠精確控制和操控微尺度流體，主要具有以下特點:第一，微加工技術制作的微流控芯片的微小尺度使多個部件和功能集中在數平方厘米的芯片上，因而體積小，便于攜帶;第二，操作簡便，液體流動可控，通過控制液體的進口流速，就能精確控制物質的濃度;第三，微流控芯片將液體控制在微小的體積中，傳質速率尚，因而具有極尚的混合效率。微流控技術的這些優點，使其在社會各領域尤其是化學、生物、醫藥等領域得到了廣泛的應用。
[0004]目前直接甲醇燃料電池領域中甲醇溶液的配置多采用人工或機械的方式事先進行大劑量的混合，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，而傳統的燃料配制方式由于諸多操作及設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法得到充分發揮，另一方面使得電池的輸出性能與期望的輸出之間產生較大的誤差。而燃料混合不均勻也將帶來一系列問題:濃度高時甲醇滲透加劇，降低電池的開路電壓;濃度較低時甲醇滲透問題又有所緩解，這將導致電池的動態性能不穩定。傳統的燃料配制方式限制了直接甲醇燃料電池性能的進一步提高;利用人工進行燃料的配制則加大了人工勞動強度、增加了整體的成本，而且使電池的操作也更為復雜。
【發明內容】
[0005]本發明目的在于提供一種直接甲醇燃料電池半循環裝置和方法，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，同時實現對陰極反應中產物水的回收利用。
[0006]為達到上述目的，采用技術方案如下:
[0007]—種直接甲醇燃料電池供給系統，包括超聲霧化器、微流控芯片、燃料儲存箱、純甲醇儲存箱、水儲存箱、微栗、供給管道；
[0008]所述純甲醇儲存箱和水儲存箱通過供給管道分別與微流控芯片的兩個進口相連，且用微栗對兩者的流量進行控制;微流控芯片的出口與燃料儲存箱相連;燃料儲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極流場板。
[0009]按上述方案，燃料電池的陰極流場板與水儲存箱相連實現陰極反應產物的回收。
[0010]按上述方案，燃料電池的陽極流場板與燃料儲存箱相連實現陽極多余甲醇溶液的回收。
[0011]—種直接甲醇燃料電池半循環系統，包括直接甲醇燃料電池、超聲霧化器、微流控芯片、燃料儲存箱、純甲醇儲存箱、水儲存箱、微栗、供給管道;所述直接甲醇燃料電池包括封裝外殼、陽極流場板、膜電極組件、陰極流場板、密封圈；
[0012]所述純甲醇儲存箱和水儲存箱通過供給管道分別與微流控芯片的兩個進口相連，且用微栗對兩者的流量進行控制;微流控芯片的出口與燃料儲存箱相連;燃料儲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極流場板;燃料電池的陰極流場板與水儲存箱相連實現陰極反應產物的回收;燃料電池的陽極流場板與燃料儲存箱相連實現陽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通道為非對稱式方形循環腔、圓弧通道、擴張腔依次相連;方形循環腔擴張比為1:8，擴張腔擴張比為1:5。
[0014]上述直接甲醇燃料電池供給方法，包括以下步驟:
[0015]當電池開始工作時，在直接甲醇燃料電池自身電能的驅動下，通過微栗分別控制純甲醇儲存箱和水儲存箱中甲醇和水的出口流量實現甲醇溶液濃度的控制，進入微流控芯片的甲醇和水快速均勻混合得到甲醇溶液，進入燃料儲存箱中。
[0016]燃料儲存箱中甲醇溶液由供給管道進入到超聲霧化器中，在超聲作用下被霧化，以液滴的形式進入所述燃料電池的陽極流場板進行發電。
[0017]按上述方案，還包括經陰極流場板還原反應產生的水進入水儲存箱回收，陽極流場板多余的甲醇溶液進入燃料儲存箱回收。
[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]本發明微流控芯片的特有結構能夠實現兩種物質的快速混合，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。微流控技術的引進能夠把人們從燃料配制的工作中解放出來，實現燃料的自動混合、供給，得到的混合溶液的濃度也更為均勻、準確。微流控技術和霧化供給方式的結合有望緩解陽極甲醇滲透的問題，使電池的動態性能更為穩定。
[0022]微流控技術能夠操控微小尺度的流體進行混合，具有體積小、響應迅速、控制精確等優點。采用微流控芯片能實現溶液之間的自動混合，通過控制兩者進入芯片的流量比例就能操控芯片出口處的燃料濃度，精巧的通道結構則能夠實現甲醇與水的快速、均勻混合。微流控技術與霧化供給方式的結合，進一步提高了電池的穩定性和使用性能。此外，陰極的水的回收利用，陽極甲醇溶液的回收利用，形成了一個半循環系統。
[0023]本發明的有益效果:
[0024]本發明的優點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定性;溶液的混合實現了自動化，減輕了人工勞動強度，降低了系統誤差和整體成本;該燃料電池系統實現了陰極產物水的回收利用，節約了原料。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行物質混合的場合;不僅適用于微小型的單個電池，而且對大型的多個電池組成的電池堆也同樣適用。
【附圖說明】
[0025]圖1:本發明直接甲醇燃料電池供給系統示意圖；
[0026]圖2:微流控芯片通道結構示意圖；
[0027]圖3:微流控芯片用于甲醇與水混合的效率圖；
[0028]其中，1-電池負載，2-超聲霧化器，3-微栗，4-燃料儲存箱，5-微流控芯片，6_純甲醇儲存箱，7-微栗，8-微栗，9-水儲存箱，I O-直接甲醇燃料電池，11-通道入口 I，12-流場通道，13-通道出口，14-通道入口 2; 121-方形循環腔；122-圓弧通道;123-擴張腔。
【具體實施方式】
[0029]以下實施例用于進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本發明保護范圍的限制。
[0030]參照附圖1所示直接甲醇燃料電池供給系統示意圖，包括超聲霧化器2、微流控芯片5、燃料儲存箱4、純甲醇儲存箱6、水儲存箱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、陽極流場板、膜電極組件、陰極流場板、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