專利名稱：用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/
流管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,以下簡(jiǎn)稱DMFC)是直接利用甲醇水溶液作為燃料，氧或空氣作為氧化劑的一種燃料電池。DMFC的半電池反應(yīng)和總反應(yīng)可表示如下:陽(yáng)極反應(yīng)為CH30H+H20 — 6H++6e>C02陰極反應(yīng)為3/202+6H++6丨一3H20電池總反應(yīng)為 CH30H+3/202 — 2H20+C02DMFC由于具有較高的能量密度，燃料易得，使用便利，設(shè)備簡(jiǎn)單，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是最有潛力率先實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化的一類燃料電池?，F(xiàn)階段我國(guó)在DMFC研發(fā)方面雖然已經(jīng)取得一定的研究成果，但是都是利用液態(tài)甲醇溶液作為原料，這不可避免地會(huì)遇到以下問(wèn)題:(1)甲醇穿透現(xiàn)象嚴(yán)重，功率密度低，甲醇利用率低；(2)甲醇濃度低，到達(dá)陽(yáng)極的甲醇被稀釋；(3)反應(yīng)溫度低(< 90°C),電池活性低；(4)電池兩極均存在兩相傳質(zhì)受阻現(xiàn)象。以上因素共同作用，大大限制了 DMFC的性能，使得人們不得不繼續(xù)探索采用蒸汽供給的形式為DMFC提供燃料。以蒸汽形式為燃料電池供給燃料具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)能夠有效降低甲醇穿透，提高燃料的利用率。(2)有更高的工作溫度和壓力，提高氧化反應(yīng)的速率，提高能量的輸出量。(3)可以實(shí)現(xiàn)純甲醇供料，具有更高的能量密度。(4)能夠有較高的傳質(zhì)速率，提高燃料供給速率。上述論述表明，采用蒸汽形式供給燃料的蒸汽供給被動(dòng)式直接甲醇燃料電池具有更加優(yōu)異的輸出性能，對(duì)于直接甲醇燃料電池的發(fā)展具有重要意義。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種可以提高電池發(fā)電效率的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:本實(shí)用新型用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器、溫控系統(tǒng)、反應(yīng)物回收裝置、熱量平衡裝置；反應(yīng)物回收裝置包括蛇形管路和甲醇冷卻箱；蛇形管路一端與電池反應(yīng)體的反應(yīng)物排出口相接，另一端穿過(guò)甲醇冷卻箱下部，中間部分置于甲醇冷卻箱中；甲醇冷卻箱置于室溫環(huán)境中，內(nèi)部?jī)?chǔ)存液體甲醇，箱體下部通過(guò)閥門(mén)與蒸發(fā)器連通；熱量平衡裝置由熱管均勻排列組合而成。優(yōu)選的，所述溫控系統(tǒng)包括電熱絲、繼電器、開(kāi)關(guān)、溫控儀、熱電偶、以及電源，電源為溫控系統(tǒng)提供能量，并接到溫控儀的電源接線端，溫控儀采用智能溫控儀，溫控儀SSR輸出端接繼電器，繼電器輸出端接到電熱絲，K型熱電偶正負(fù)極分別接到溫控儀的熱電偶接線“ +，，“_，，端。優(yōu)選的，還包括保溫層，所述保溫層設(shè)置在整個(gè)電池反應(yīng)體的外部。優(yōu)選的，所述蒸發(fā)器與電池反應(yīng)體之間置有多孔金屬纖維板，所述多孔金屬纖維板由不銹鋼纖維燒結(jié)而成。優(yōu)選的，多孔金屬纖維板由直徑為20-200 μ m的不銹鋼金屬纖維燒結(jié)而成，孔隙率為 70%-90%，滲透率為 l(T12-l(T9m2，孔徑為 50 μ m-500 μ m,厚度為 2mm-4mm。 優(yōu)選的，所述蒸發(fā)器采用透明材料制成。優(yōu)選的，所述電熱絲通過(guò)燃料腔壁上的通孔置于燃料腔內(nèi)部，并且表面涂有導(dǎo)熱性能良好且耐甲醇腐蝕的絕緣導(dǎo)熱硅膠。優(yōu)選的，所述熱管呈“U”型，蒸發(fā)段嵌入蒸發(fā)器內(nèi)部，用導(dǎo)熱硅膠固定，冷凝段嵌入電池反應(yīng)體內(nèi)部，用導(dǎo)熱硅膠固定，絕熱段置于外部空氣中。優(yōu)選的，所述蛇形管路通過(guò)流量閥與電池反應(yīng)體相接，所述蛇形管路由導(dǎo)熱性能良好且耐甲醇溶液腐蝕的金屬材料制成。優(yōu)選的，所述蛇形管路內(nèi)部填充有不銹鋼纖維，并經(jīng)過(guò)燒結(jié)處理，孔隙率為70%-90%，滲透率為 l(T12-l(T9m2，孔徑為 50 μ m-500 μ m。本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:(I)本實(shí)用新型采用蒸汽形式提供電池反應(yīng)的燃料，有效地解決了甲醇的穿透問(wèn)題，提高了被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池的阻醇性能，可以在高甲醇濃度的條件下工作，提聞了燃料利用率；由于陽(yáng)極反應(yīng)物溫度的提聞和壓強(qiáng)的提聞，提聞了電池反應(yīng)的速率，從而提高了放電速率。(2)本實(shí)用新型采用多孔微結(jié)構(gòu)金屬纖維板，增大了傳質(zhì)傳熱的比表面積，提高了傳質(zhì)阻力和傳熱速率，提高了燃料的利用效率，從而提高了電池的輸出性能。(3)本實(shí)用新型利用熱管技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱量在不同單元之間的快速傳導(dǎo)，提高了能量的利用效率，解決了直接甲醇燃料電池反應(yīng)速率偏慢的問(wèn)題，提高了電池性能。(4)本實(shí)用新型利用蛇形管路過(guò)濾反應(yīng)產(chǎn)物CO2,同時(shí)回收未反應(yīng)甲醇，并充分利用反應(yīng)產(chǎn)物CO2和未反應(yīng)燃料的熱量預(yù)熱待用甲醇溶液，提高了電池整體的能量利用率，并在蛇形管路內(nèi)部填充不銹鋼金屬纖維，提高運(yùn)動(dòng)阻力，保證冷凝充分。(5)本實(shí)用新型通過(guò)溫控設(shè)備控制燃料蒸發(fā)的速率，從而控制電池反應(yīng)的速率，實(shí)現(xiàn)電池電量輸出的可控性，方便快捷，提高了燃料的利用效率。(6)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，生產(chǎn)成本低，特別是具有良好的阻醇性能，適合高濃度甲醇供給，能夠有效提高電池能量密度，延長(zhǎng)工作時(shí)間，具有良好的應(yīng)用前景。

圖1是本實(shí)用新型的應(yīng)用裝配示意圖。圖2是圖1的結(jié)構(gòu)分解圖圖3是本實(shí)用新型中蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型中溫控裝置電路圖。[0037]圖5是本實(shí)用新型中蛇形管路結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本實(shí)用新型中甲醇冷卻箱結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例為進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明，但是需要說(shuō)明的是，本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器3、溫控系統(tǒng)、反應(yīng)物回收裝置、熱量平衡裝置、保溫層；反應(yīng)物回收裝置包括蛇形管路4和甲醇冷卻箱5 ;蛇形管路4 一端與電池反應(yīng)體I的反應(yīng)物出口相接，另一端穿過(guò)甲醇冷卻箱5下部的通孔20，中間部分置于甲醇冷卻箱5的甲醇腔21中；甲醇冷卻箱5置于室溫環(huán)境中，內(nèi)部?jī)?chǔ)存液體甲醇，箱體下部通過(guò)閥門(mén)與蒸發(fā)器3連通；熱量平衡裝置由熱管2均勻排列組合而成，熱管蒸發(fā)段嵌入蒸發(fā)器內(nèi)部，冷凝段嵌入電池反應(yīng)體內(nèi)部，絕熱段置于外部空氣中；溫控系統(tǒng)包括電熱絲16、繼電器、開(kāi)關(guān)、溫控儀14、熱電偶15、電源；保溫層位于整個(gè)電池反應(yīng)體的外部，防止熱量散失；蒸發(fā)器3與電池反應(yīng)體I之間置有多孔金屬纖維板7，多孔金屬纖維板7由直徑為20-200 μ m的不銹鋼金屬纖維燒結(jié)而成，孔隙率為70%-90%，滲透率為10_12_10_9m2，孔徑為50 μ m-500 μ m,厚度為能夠有效提高傳質(zhì)阻力，實(shí)現(xiàn)均勻傳質(zhì)。如圖3所示，蒸發(fā)器燃料腔9與多孔金屬纖維板7形成燃料儲(chǔ)存空間，用于儲(chǔ)存液體燃料甲醇溶液；燃料腔9的截面形狀和有效面積與電池反應(yīng)的有效面積相同；在蒸發(fā)器3器壁上有第二螺孔13，用于連接閥門(mén)6，繼而連接甲醇冷卻箱5，便于向燃料腔9內(nèi)補(bǔ)充液態(tài)燃料；在腔的內(nèi)部通過(guò)孔12安置電熱絲16，將電熱絲16與外部溫控儀14、開(kāi)關(guān)、電源連接；蒸發(fā)器3器壁上設(shè)有第一螺孔10以安裝熱電偶15 ;蒸發(fā)器3外側(cè)有保溫層，防止熱量散失；蒸發(fā)器3燃料腔9壁上設(shè)有熱管插孔11，用于安放熱管2。如圖4所示，溫控裝置包括電熱絲16、繼電器、開(kāi)關(guān)、溫控儀14、熱電偶15、電源，控制蒸發(fā)器的工作溫度；電熱絲16置于蒸發(fā)器燃料腔9內(nèi)，通電發(fā)熱后加熱甲醇溶液獲得蒸汽燃料；熱電偶15的工作端通過(guò)蒸發(fā)器器壁置于燃料腔9，與燃料接觸后探測(cè)燃料溫度，熱電偶15導(dǎo)線端接在溫控儀14的端口上；電源為電熱絲16、溫控儀14提供電能。反應(yīng)物回收裝置是反應(yīng)產(chǎn)物CO2和未反應(yīng)的甲醇蒸汽以及水的處理回收裝置，將未反應(yīng)的甲醇蒸汽冷凝后回收利用，將反應(yīng)產(chǎn)物CO2過(guò)濾后排出，同時(shí)用甲醇蒸汽、水蒸氣以及CO2的熱量預(yù)熱待利用甲醇溶液，提高電池體系的能量利用率，節(jié)能環(huán)保。蛇形管路4一端通過(guò)流量閥與電池反應(yīng)體I相連，流量閥在控制反應(yīng)物的排出速率，繼而控制電池體系的物質(zhì)交換速率，使反應(yīng)充分進(jìn)行，并保證冷凝充分；蛇形管路4彎曲部分置于甲醇冷卻箱5內(nèi)部；蛇形管路4內(nèi)部填充燒結(jié)不銹鋼纖維17，孔隙率在70%-90%，可以增大蒸汽冷凝面積，增大運(yùn)動(dòng)阻力，保證冷凝充分；蛇形管路4的下端由甲醇冷卻箱5上的通孔20穿出，兩者用橡膠管套連接保證密封；蛇形管路4下端暴露在空氣中，將CO2排出電池系統(tǒng)，并將冷凝后的甲醇收集。如圖1和圖2所示，熱管平衡裝置由熱管2均勻并聯(lián)組合而成，熱管2蒸發(fā)段嵌入蒸發(fā)器3的燃料腔9內(nèi)部，用導(dǎo)熱膠固定，冷凝段嵌入電池反應(yīng)體I內(nèi)部，用導(dǎo)熱膠固定，絕熱段置于外部空氣中。結(jié)合具體的數(shù)據(jù)對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，如圖1所示，蒸發(fā)器3加工成60mmX60mmX27mm，材料為有機(jī)玻璃；燃料腔9與電池反應(yīng)面積相同為32mmX32mm，深度為23mm ;多孔金屬纖維板7為不銹鋼纖維在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)燒結(jié)爐內(nèi)，900°C燒結(jié)30min而成，燒結(jié)后便可制備具有80%孔隙率的多孔金屬纖維板，由氣泡法測(cè)得多孔金屬纖維板的平均孔徑為580 μ m,滲透率為3.4 X 10 9m2。多孔金屬纖維板7面積與電池反應(yīng)面積相同為32mmX 32mm,厚度為3mm,用K-5203導(dǎo)熱娃膠固定于蒸發(fā)器燃料腔9上部的梯形槽內(nèi)；熱管2采用銅作管殼，水為工作介質(zhì)，吸液芯為燒結(jié)粉末管芯，功率為5W，加工成圖1中所示形狀，數(shù)目在2-6之間，如圖1所示，均勻排列在蒸發(fā)器上側(cè)面、下側(cè)面與左側(cè)面，將熱管蒸發(fā)段與甲醇溶液接觸，用橡膠管套密封，將冷凝段固定于電池反應(yīng)體I的通孔11，用橡膠管套密封。在蒸發(fā)器3與電池反應(yīng)體I之間墊有娃膠墊圈8。如圖4所示，電熱絲16功率為100W，通過(guò)導(dǎo)線將電池集電板與電池相連可以完成充電；熱電偶15為K型熱電偶，用螺紋安裝入蒸發(fā)器3的螺孔10中；溫控儀14、繼電器均為市場(chǎng)所售產(chǎn)品。如圖6所示，甲醇冷卻箱5加工成36mmX 36mmX 23mm，材料為有機(jī)玻璃；甲醇腔21為30mmX 30mmX 20mm,下端通孔20直徑為5mm。甲醇冷卻箱5通過(guò)第三螺孔19與閥門(mén)相接，閥門(mén)6為市場(chǎng)上所售G1/16球閥，閥門(mén)6另一端與蒸發(fā)器3相連。如圖5所示,蛇形管路4為不銹鋼管,外徑為4mm,內(nèi)徑為3mm ;在管內(nèi)填充不銹鋼金屬纖維17，不銹鋼金屬纖維17的長(zhǎng)度在20-200 μ m，然后放到氮?dú)夥諊Ｗo(hù)的燒結(jié)爐內(nèi)，800°C燒結(jié)30分鐘，使得不銹鋼金屬纖維17與管壁18充分粘接，孔隙率為70%_90% ;蛇形管路4 一端連接流量閥，繼而與電池反應(yīng)體I的反應(yīng)產(chǎn)物排出口相接，流量閥可采用愛(ài)克斯SLA-6節(jié)流閥，另一端從甲醇冷卻箱5的通孔20穿出，通孔20與蛇形管路4通過(guò)橡膠管套密封；管口下端回收甲醇。整個(gè)電池系統(tǒng)外部用電木及石棉保溫。上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器、溫控系統(tǒng)、反應(yīng)物回收裝置、以及熱量平衡裝置，其特征在于，反應(yīng)物回收裝置包括蛇形管路和甲醇冷卻箱；蛇形管路一端與電池反應(yīng)體的反應(yīng)物排出口相接，另一端穿過(guò)甲醇冷卻箱下部，中間部分置于甲醇冷卻箱中；甲醇冷卻箱置于室溫環(huán)境中，內(nèi)部?jī)?chǔ)存液體甲醇，箱體下部通過(guò)閥門(mén)與蒸發(fā)器連通；熱量平衡裝置由熱管均勻排列組合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，所述溫控系統(tǒng)包括電熱絲、繼電器、開(kāi)關(guān)、溫控儀、熱電偶、以及電源，電源為溫控系統(tǒng)提供能量，并接到溫控儀的電源接線端，溫控儀采用智能溫控儀，溫控儀SSR輸出端接繼電器，繼電器輸出端接到電熱絲，K型熱電偶正負(fù)極分別接到溫控儀的熱電偶接線“ + 端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，還包括保溫層，所述保溫層設(shè)置在整個(gè)電池反應(yīng)體的外部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，所述蒸發(fā)器與電池反應(yīng)體之間置有多孔金屬纖維板，所述多孔金屬纖維板由不銹鋼纖維燒結(jié)而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，多孔金屬纖維板由直徑為20-200 μ m的不銹鋼金屬纖維燒結(jié)而成，孔隙率為70%-90%，滲透率為10 12-10 9m2,孔徑為50 μ m-500 μ m,厚度為2mm-4mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，所述蒸發(fā)器采用透明材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電熱絲通過(guò)燃料腔壁上的通孔置于燃料腔內(nèi)部，并且表面涂有導(dǎo)熱性能良好且耐甲醇腐蝕的絕緣導(dǎo)熱硅膠。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，所述熱管呈“U”型，蒸發(fā)段嵌入蒸發(fā)器內(nèi)部，用導(dǎo)熱硅膠固定，冷凝段嵌入電池反應(yīng)體內(nèi)部，用導(dǎo)熱硅膠固定，絕熱段置于外部空氣中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，所述蛇形管路通過(guò)流量閥與電池反應(yīng)體相接，所述蛇形管路由耐甲醇溶液腐蝕的金屬材料制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，其特征在于，所述蛇形管路內(nèi)部填充有不銹鋼纖維，并經(jīng)過(guò)燒結(jié)處理，孔隙率為70%-90%，滲透率為10 12-10 9m2，孔徑為 50 μ m-500 μ m。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種用于被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的熱/流管理系統(tǒng)，包括蒸發(fā)器、溫控系統(tǒng)、反應(yīng)物回收裝置、熱量平衡裝置；反應(yīng)物回收裝置包括蛇形管路和甲醇冷卻箱；蛇形管路一端與電池反應(yīng)體的反應(yīng)物排出口相接，另一端穿過(guò)甲醇冷卻箱下部，中間部分置于甲醇冷卻箱中；甲醇冷卻箱置于室溫環(huán)境中，內(nèi)部?jī)?chǔ)存液體甲醇，箱體下部通過(guò)閥門(mén)與蒸發(fā)器連通；熱量平衡裝置由熱管均勻排列組合而成。本實(shí)用新型采用蒸汽形式提供電池反應(yīng)的燃料，有效地解決了甲醇的穿透問(wèn)題，提高了被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池的阻醇性能，可以在高甲醇濃度的條件下工作，提高了燃料利用率；由于陽(yáng)極反應(yīng)物溫度的提高和壓強(qiáng)的提高，提高了電池反應(yīng)的速率，從而提高了放電速率。
文檔編號(hào)H01M8/06GK203166012SQ20122071138
公開(kāi)日2013年8月28日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者袁偉, 張兆春, 湯勇, 黃子洋 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)