[發明專利]一種直接醇類燃料電池系統

有效

• 申請號: 200810229322.8
• 申請日: 2008-12-05
• 公開（公告）號: CN101752583A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發明（設計）人: 孫公權;耿江濤;李相一;邢廣磊
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及燃料電池系統，尤其涉及燃料電池系統中的直接醇類燃料 電池系統。

背景技術

燃料電池是一種能夠通過電化學反應產生電能的裝置。根據燃料電池 原理的不同，燃料電池可劃分為很多類型，如質子交換膜燃料電池，固體 氧化物燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，堿性燃料電池等。本發明涉及質 子交換膜燃料電池中以甲醇、乙醇等液態有機烴類作為燃料的直接醇類燃 料電池。涉及本發明的甲醇、乙醇等液態有機烴類燃料，具有來源廣泛、 能量密度高、使用安全、易于存儲及運輸方便等優點。因此，直接醇類燃 料電池特別適合作為筆記本、手機等可移動便攜設備的電源使用，被認為 是最有應用潛力的移動電源之一。

對于以甲醇、乙醇等液態有機烴類作為燃料的燃料電池來說，從提高 系統能量/體積比功率考慮，攜帶高濃度甚至純燃料無疑最為理想。但是由 于燃料電池不能直接使用濃度為100％的純燃料(即只能使用低濃度的水溶 液)，故中間需要一個濃度調節環節。這就需要一個根據燃料電池的燃料消 耗情況，及時準確地補充純凈燃料的環節，以保證反應體系的介質(燃料) 濃度維持在工藝所需的恒定的值上。通常所普遍采用的方法是使用電驅動 的微型燃料泵來完成高濃度燃料的定量補給工作。即，系統監控系統根據 燃料濃度監控結果計算出燃料需求量，而后給燃料泵發出指令將燃料罐中 的燃料按需求量注入反應體系中，以維持反應介質的燃料濃度。然而，使 用微型電驅動泵完成上述使命，在現階段尚存如下問題：

(1)燃料泵以燃料電池所產生自身電力作電源，具有一定功耗，會降 低系統的凈輸出功率；

(2)燃料泵運行時產生的噪音，可限制燃料電池系統在某些設備上的 使用；

(3)燃料泵及其控制環節的存在，導致燃料電池系統發生故障的幾率 增加；

(4)在一些對體積比能量要求較高的系統中，需要用到體積足夠小的 微型燃料泵，而微型燃料泵制作屬于高技術領域(目前尚無本國產品)，成 本較高，導致燃料電池系統的總成本的提高，不利于燃料電池推廣應用。

目前直接醇類燃料電池系統燃料罐內高濃度燃料的補給方法中，除了 應用燃料泵之外，還有一些文獻提出比較新穎的燃料補給方法。專利CN 101034752中使用某特殊材料(如聚四氟乙烯、尼龍、聚乙烯等)，這種材 料的體積變化與甲醇燃料的濃度呈線性關系，利用此關系通過機械裝置控 制高濃度甲醇燃料(純甲醇)穿過隔板的擴散量大小，可達到調節電池燃 料中甲醇濃度的目的。世界專利WO?2006/010012中公開了一種燃料進料 增壓系統。燃料罐中有可壓縮的彈性內膽，內膽內儲存有高濃度燃料。可 通過使用螺桿、泵等機械裝置對燃料罐施加外力或者加入某些室溫下的蒸 汽壓大于大氣壓的液體等手段，使罐中與內膽之外空間中的氣體處于較高 壓力狀態，從而壓縮內膽，驅動高濃度燃料進入燃料電池。上述兩種燃料 補給方法的直接醇類燃料電池系統結構均較復雜，對設計、制備的要求比 較高，對于作為便攜式設備電源的燃料電池來說，不能滿足降低成本和簡 化工藝的需要。

發明內容

本發明旨在克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種直接醇類燃料 電池系統。它利用燃料電池陰極氧化劑進料子系統中的陰極氣路對密閉的 燃料罐進行充氣，使燃料罐內氣體具有相對高壓，此相對高壓與陽極燃料 混合子系統內的壓力形成一定的壓力差，對罐內高濃度燃料產生推動力。 當燃料電池需要補給燃料時，控制器輸出信號控制閥進行動作，于是在上 述推動力的作用下，適量的高濃度燃料就從燃料罐被補給到陽極燃料混合 子系統之中，然后進入燃料電池，滿足電池輸出能量的需求。

本發明與世界專利WO?2006/010012的區別是，本發明中的燃料罐不需 內膽，高濃度燃料直接貯存在燃料罐內，并且采用簡單有效的系統工藝結 構來使燃料罐內氣體具有較高的壓力，即，直接將燃料罐與燃料電池陰極 氧化劑進料子系統的陰極氣路相連。采用這種連接方法完全不需要額外添 加增壓裝置，可以充分利用陰極氣路較高的壓力，對陰極氣體的流量和氣 泵的功耗影響較小，從而達到簡化燃料電池系統設計、優化工藝的目的。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：直接醇類燃料電池系統所 用主要部件包括燃料罐、陰極氧化劑進料子系統、陽極燃料循環子系統及 電堆。