一種燃料電池電堆穩定排氣控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種燃料電池電堆穩定排氣控制系統，高壓氧氣源與燃料電池電堆的陰極連接通入氧氣，高壓氫氣源與燃料電池電堆的陽極連接通入氫氣，包括：設置在陽極側的第一進氣電磁閥、第一過濾器、第一壓力傳感器；以及設置在陰極側的第二進氣電磁閥、第二過濾器、第二壓力傳感器；本實用新型的系統根據燃料電池電堆的工作氣壓，通過對電磁閥的控制，由高速進氣氣流的作用，沉積在電堆導流板內的多余的液態積水被氣流吹到過濾器中，疏通了氣體擴散通道；同時，脈動式供氣方式，可以將板內微量雜質氣體，置換到水過濾器內，雜質氣體隨排水一起排出系統，還能夠輔助氫氣氧氣的擴散，帶動水的主動分布。
【專利說明】一種燃料電池電堆穩定排氣控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及燃料電池設備領域，特別是指一種燃料電池電堆穩定排氣控制系統。
【背景技術】
[0002]質子交換膜氫燃料電池(PEMFC)是燃料電池一種,在與外電路形成回路時,氫氣和氧氣在催化劑(Pt)作用下，氫氣轉化成氫質子，并與水結合形成水合質子，在陰陽極電位差作用下，水合氫質子定向從陽極遷徙到陰極，與陰極形成氧離子結合生成水，外電路形成電流。從而將反應氣蘊含的化學能直接轉換為電能。燃料電池電堆的基本單元是單電池，就PEMFC電堆而言，其單電池由膜電極、擴散層、導流板構成，氫側為陽極，氧側為陰極。
[0003]隨著燃料電池進入實用化階段，針對燃料電池穩定性、壽命、低成本的研究越來越深入。其中，穩定性是評價燃料電池成熟度的重要指標，氫氧燃料電池也不例外，影響燃料電池穩定工作的因素很多，膜電極的水管理是重要因素之一。
[0004]水管理的目的是維持電堆不同功率下生成水與排除水的平衡，排出水多于生成水會使電堆逐漸變干，以至于使電堆失效。排出水小于生成水使電堆逐漸變濕，以至于使電堆不能工作。在燃料電池中，質子交換膜的潤濕狀況直接影響著電池內部電化學反應速度，當質子膜潤濕良好時，電池內阻低，輸出電壓高，負載能力強；反之，若膜過于干燥時，電池內阻增加，輸出電壓下降，負載能力降低。因此，保持質子交換膜良好的潤濕狀態，不僅是確保質子交換膜燃料電池穩定運行的必要條件，而且對延長電池組工作壽命也有著重要影響，但是目前，現有的燃料電池缺少相應的設備來實現燃料電池電堆的水管理以提高其工作穩定性。
實用新型內容
[0005]有鑒于此，本實用新型的目的在于提出一種低自耗、高可靠的燃料電池電堆穩定排氣控制系統。
[0006]基于上述目的本實用新型提供的一種燃料電池電堆穩定排氣控制系統，高壓氧氣源與燃料電池電堆的陰極連接通入氧氣，高壓氫氣源與燃料電池電堆的陽極連接通入氫氣，包括:設置在陽極側的第一進氣電磁閥、第一過濾器、第一壓力傳感器；以及設置在陰極側的第二進氣電磁閥、第二過濾器、第二壓力傳感器；
[0007]在陽極側，所述第一進氣電磁閥設置在電堆陽極入口端前方且常閉，電堆陽極出口端依次連接所述第一過濾器和第一壓力傳感器；所述第一壓力傳感器用于檢測電堆陽極側的工作氣壓，當工作氣壓低于預設范圍時，所述第一進氣電磁閥打開，高壓氫氣經過電堆并將電堆內的液態積水帶到所述第一過濾器內進行氣液分離；當工作氣壓高于預設范圍時，所述第一進氣電磁閥關閉；
[0008]在陰極側，所述第二進氣電磁閥設置在電堆陰極入口端前方且常閉，電堆陰極出口端依次連接所述第二過濾器和第二壓力傳感器；所述第二壓力傳感器用于檢測電堆的陰極側工作氣壓，當工作氣壓低于預設范圍時，所述第二進氣電磁閥打開，高壓氧氣經過電堆并將電堆內的液態積水帶到所述第二過濾器內進行氣液分離；當工作氣壓高于預設范圍時，所述第二進氣電磁閥關閉。
[0009]優選的，所述第一過濾器和第二過濾器還分別設置有用于排出存儲的液態水的第一排水電磁閥和第二排水電磁閥。
[0010]優選的，所述第一過濾器和第二過濾器的容積大于200ml。
[0011]優選的，所述電堆的工作氣壓預設范圍為0.08MPa-0.18MPa。
[0012]從上面所述可以看出，本實用新型提供的燃料電池電堆穩定排氣控制系統，根據燃料電池電堆的工作氣壓，通過對電磁閥的控制，由高速進氣氣流的作用，沉積在電堆導流板內的多余的液態積水被氣流吹到過濾器中，疏通了氣體擴散通道；同時，脈動式供氣方式，可以將板內微量雜質氣體，置換到水過濾器內，雜質氣體隨排水一起排出系統，還能夠輔助氫氣氧氣的擴散，帶動水的主動分布。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型實施例的燃料電池電堆穩定排氣控制系統結構示意圖；
[0014]圖2為本實用新型實施例的電堆導流板結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。
[0016]影響質子交換膜燃料電池濕度的因素有很多。主要影響因素包括電堆運行溫度、氣體的流量比、氣體的流速等。
[0017]作為質子交換膜燃料電池電堆，其最佳工作溫度一般在70°C?80°C，運行溫度低散熱效率差，自耗會增加；運行溫度高會降低膜電極壽命。另外，系統設計時為提高電堆發電效率會盡量降低反應氣體的流量比，有的許多重要環境要求燃料利用率大于99%。這種情況下，利用氣體流速調節電堆的濕度是最佳選擇。本實用新型實施例便通過氣體流速的控制來對電堆的濕度進行控制。
[0018]參考圖1，為本實用新型實施例的燃料電池電堆穩定排氣控制系統結構示意圖。
[0019]本實用新型實施例提供了一種燃料電池電堆穩定排氣控制系統，高壓氧氣源與燃料電池電堆I的陰極連接通入氧氣，高壓氫氣源與燃料電池電堆I的陽極連接通入氫氣，包括:設置在陽極側的第一進氣電磁閥2、第一過濾器3、第一壓力傳感器4 ;以及設置在陰極側的第二進氣電磁閥2’、第二過濾器3’、第二壓力傳感器4’ ；
[0020]在陽極側，所述第一進氣電磁閥2設置在電堆I陽極入口端前方且常閉，電堆I陽極出口端依次連接所述第一過濾器3和第一壓力傳感器4 ;所述第一壓力傳感器4用于檢測電堆I陽極側的工作氣壓，當工作氣壓低于預設范圍時，所述第一進氣電磁閥2打開，高壓氫氣經過電堆I并將電堆I內的液態積水帶到所述第一過濾器3內進行氣液分離；當工作氣壓高于預設范圍時，所述第一進氣電磁閥2關閉；
[0021]在陰極側，所述第二進氣電磁閥2’設置在電堆I陰極入口端前方且常閉，電堆I陰極出口端依次連接所述第二過濾器3’和第二壓力傳感器4’ ；所述第二壓力傳感器4’用于檢測電堆I陰極側的工作氣壓，當工作氣壓低于預設范圍時，所述第二進氣電磁閥2’打開，高壓氧氣經過電堆I并將電堆內的液態積水帶到所述第二過濾器3’內進行氣液分離；當工作氣壓高于預設范圍時，所述第二進氣電磁閥2’關閉。
[0022]對于本實施例的電池電堆穩定排氣控制系統，在結構上，陰極側部分與陽極側部分的結構組成是相同對稱的，以下僅以陽極側結構作具體說明，即下面所述的陽極側結構中的各個裝置，在陰極側也相應的設置有，且工作方式相同。
[0023]本實施例中，第一進氣電磁閥2用于控制氫氣進入電堆I。高壓氫氣源通過管路連接至電堆I的陽極入口端，第一進氣電磁閥2設置在電堆I的陽極入口端前方的進氣管路上，并處于常閉狀態。電堆I的陽極出口端通過管路連接第一過濾器3，并順次連接第一壓力傳感器4。燃料電池電堆一般都具有適宜的工作氣壓范圍，本實施例所采用的燃料電池的電堆I的適宜工作氣壓范圍為0.08-0.18MPa。第一壓力傳感器4通過一控制器與第一進氣電磁閥2實現聯控，控制器的對于工作氣壓的預設范圍即為0.08-0.1SMPa0第一壓力傳感器4實時的檢測電堆I陽極側的工作氣壓，當第一壓力傳感器4檢測到電堆I工作氣壓低于0.0SMPa時，發出低壓信號，通過控制器打開第一進氣電磁閥2，高壓氫氣經管路迅速進入電堆1，在進氣氣流作用下，電堆I陽極側的陽極導流板內的液態積水以及反應完的尾氣被高速流動的氣體帶到第一過濾器3內。第一過濾器3具備氣液分離功能，將其內的尾氣和液態水進行氣液分離，并將分離后的液態水進行存儲。當第一壓力傳感器4檢測到電堆I工作氣壓達到0.08MPa時,控制器控制第一進氣電磁閥2關閉。根據第一壓力傳感器4的實時檢測值，上述過程將往復循環進行，實現了電堆I內多余液態水的排出，最終達到自動維持電堆I內部水的平衡的目的，起到了穩定電堆I工作的技術效果。
[0024]進一步的，在本實施例中，第一過濾器3還設置有第一排水電磁閥5 ;相應的，第二過濾器3’還設置有第二排水電磁閥5’。同樣的以陽極側為例，第一過濾器3內設置有水位計，當其內存儲的液態水達到一定量，即液態水的水位過高以觸發所述的水位計時，第一排水電磁閥5將打開，將存儲的液態水排凈，以保證后續的排水工作能夠正常進行。
[0025]對于本實用新型實施例的穩定排氣控制系統，排水效果與燃料電池膜電極活性面積及導流板形式有關，活性面積小于10cm2的膜電極，其流道為并列直流道，相應的，過濾器容積大于200cc即可實現板內排氣，即作為優選的，第一過濾器和5和第二過濾器5’的容積大于200ml。
[0026]參考圖2，為本實用新型實施例的電堆導流板結構示意圖。
[0027]對于本實施例中電堆內的導流板，上部設置氫氣進氣孔6和氧氣進氣孔7，下部設置氫氣排氣孔8和氧氣排氣孔9，上述排氣孔均通過板內擴孔解決排氣容積問題。
[0028]所屬領域的普通技術人員應當理解:以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種燃料電池電堆穩定排氣控制系統，高壓氧氣源與燃料電池電堆的陰極連接通入氧氣，高壓氫氣源與燃料電池電堆的陽極連接通入氫氣，其特征在于，包括:設置在陽極側的第一進氣電磁閥、第一過濾器、第一壓力傳感器；以及設置在陰極側的第二進氣電磁閥、第二過濾器、第二壓力傳感器； 在陽極側，所述第一進氣電磁閥設置在電堆陽極入口端前方且常閉，電堆陽極出口端依次連接所述第一過濾器和第一壓力傳感器；所述第一壓力傳感器用于檢測電堆陽極側的工作氣壓，當工作氣壓低于預設范圍時，所述第一進氣電磁閥打開，高壓氫氣經過電堆并將電堆內的液態積水帶到所述第一過濾器內進行氣液分離；當工作氣壓高于預設范圍時，所述第一進氣電磁閥關閉； 在陰極側，所述第二進氣電磁閥設置在電堆陰極入口端前方且常閉，電堆陰極出口端依次連接所述第二過濾器和第二壓力傳感器；所述第二壓力傳感器用于檢測電堆的陰極側工作氣壓，當工作氣壓低于預設范圍時，所述第二進氣電磁閥打開，高壓氧氣經過電堆并將電堆內的液態積水帶到所述第二過濾器內進行氣液分離；當工作氣壓高于預設范圍時，所述第二進氣電磁閥關閉。
2.根據權利要求1所述的燃料電池電堆穩定排氣控制系統，其特征在于，所述第一過濾器和第二過濾器還分別設置有用于排出存儲的液態水的第一排水電磁閥和第二排水電磁閥。
3.根據權利要求1所述的燃料電池電堆穩定排氣控制系統，其特征在于，所述第一過濾器和第二過濾器的容積大于200ml。
4.根據權利要求1所述的燃料電池電堆穩定排氣控制系統，其特征在于，所述電堆的工作氣壓預設范圍為0.08MPa-0.18MPa。
【文檔編號】H01M8/04GK204216143SQ201420635536
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】張寶春, 辛廷慧, 韓福江 申請人:航天新長征電動汽車技術有限公司