一种燃料电池电堆稳定排气控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种燃料电池电堆稳定排气控制系统，高压氧气源与燃料电池电堆的阴极连接通入氧气，高压氢气源与燃料电池电堆的阳极连接通入氢气，包括：设置在阳极侧的第一进气电磁阀、第一过滤器、第一压力传感器；以及设置在阴极侧的第二进气电磁阀、第二过滤器、第二压力传感器；本实用新型的系统根据燃料电池电堆的工作气压，通过对电磁阀的控制，由高速进气气流的作用，沉积在电堆导流板内的多余的液态积水被气流吹到过滤器中，疏通了气体扩散通道；同时，脉动式供气方式，可以将板内微量杂质气体，置换到水过滤器内，杂质气体随排水一起排出系统，还能够辅助氢气氧气的扩散，带动水的主动分布。
【专利说明】一种燃料电池电堆稳定排气控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及燃料电池设备领域，特别是指一种燃料电池电堆稳定排气控制系统。
【背景技术】
[0002]质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)是燃料电池一种,在与外电路形成回路时,氢气和氧气在催化剂(Pt)作用下，氢气转化成氢质子，并与水结合形成水合质子，在阴阳极电位差作用下，水合氢质子定向从阳极迁徙到阴极，与阴极形成氧离子结合生成水，外电路形成电流。从而将反应气蕴含的化学能直接转换为电能。燃料电池电堆的基本单元是单电池，就PEMFC电堆而言，其单电池由膜电极、扩散层、导流板构成，氢侧为阳极，氧侧为阴极。
[0003]随着燃料电池进入实用化阶段，针对燃料电池稳定性、寿命、低成本的研究越来越深入。其中，稳定性是评价燃料电池成熟度的重要指标，氢氧燃料电池也不例外，影响燃料电池稳定工作的因素很多，膜电极的水管理是重要因素之一。
[0004]水管理的目的是维持电堆不同功率下生成水与排除水的平衡，排出水多于生成水会使电堆逐渐变干，以至于使电堆失效。排出水小于生成水使电堆逐渐变湿，以至于使电堆不能工作。在燃料电池中，质子交换膜的润湿状况直接影响着电池内部电化学反应速度，当质子膜润湿良好时，电池内阻低，输出电压高，负载能力强；反之，若膜过于干燥时，电池内阻增加，输出电压下降，负载能力降低。因此，保持质子交换膜良好的润湿状态，不仅是确保质子交换膜燃料电池稳定运行的必要条件，而且对延长电池组工作寿命也有着重要影响，但是目前，现有的燃料电池缺少相应的设备来实现燃料电池电堆的水管理以提高其工作稳定性。
实用新型内容
[0005]有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种低自耗、高可靠的燃料电池电堆稳定排气控制系统。
[0006]基于上述目的本实用新型提供的一种燃料电池电堆稳定排气控制系统，高压氧气源与燃料电池电堆的阴极连接通入氧气，高压氢气源与燃料电池电堆的阳极连接通入氢气，包括:设置在阳极侧的第一进气电磁阀、第一过滤器、第一压力传感器；以及设置在阴极侧的第二进气电磁阀、第二过滤器、第二压力传感器；
[0007]在阳极侧，所述第一进气电磁阀设置在电堆阳极入口端前方且常闭，电堆阳极出口端依次连接所述第一过滤器和第一压力传感器；所述第一压力传感器用于检测电堆阳极侧的工作气压，当工作气压低于预设范围时，所述第一进气电磁阀打开，高压氢气经过电堆并将电堆内的液态积水带到所述第一过滤器内进行气液分离；当工作气压高于预设范围时，所述第一进气电磁阀关闭；
[0008]在阴极侧，所述第二进气电磁阀设置在电堆阴极入口端前方且常闭，电堆阴极出口端依次连接所述第二过滤器和第二压力传感器；所述第二压力传感器用于检测电堆的阴极侧工作气压，当工作气压低于预设范围时，所述第二进气电磁阀打开，高压氧气经过电堆并将电堆内的液态积水带到所述第二过滤器内进行气液分离；当工作气压高于预设范围时，所述第二进气电磁阀关闭。
[0009]优选的，所述第一过滤器和第二过滤器还分别设置有用于排出存储的液态水的第一排水电磁阀和第二排水电磁阀。
[0010]优选的，所述第一过滤器和第二过滤器的容积大于200ml。
[0011]优选的，所述电堆的工作气压预设范围为0.08MPa-0.18MPa。
[0012]从上面所述可以看出，本实用新型提供的燃料电池电堆稳定排气控制系统，根据燃料电池电堆的工作气压，通过对电磁阀的控制，由高速进气气流的作用，沉积在电堆导流板内的多余的液态积水被气流吹到过滤器中，疏通了气体扩散通道；同时，脉动式供气方式，可以将板内微量杂质气体，置换到水过滤器内，杂质气体随排水一起排出系统，还能够辅助氢气氧气的扩散，带动水的主动分布。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型实施例的燃料电池电堆稳定排气控制系统结构示意图；
[0014]图2为本实用新型实施例的电堆导流板结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
[0016]影响质子交换膜燃料电池湿度的因素有很多。主要影响因素包括电堆运行温度、气体的流量比、气体的流速等。
[0017]作为质子交换膜燃料电池电堆，其最佳工作温度一般在70°C?80°C，运行温度低散热效率差，自耗会增加；运行温度高会降低膜电极寿命。另外，系统设计时为提高电堆发电效率会尽量降低反应气体的流量比，有的许多重要环境要求燃料利用率大于99%。这种情况下，利用气体流速调节电堆的湿度是最佳选择。本实用新型实施例便通过气体流速的控制来对电堆的湿度进行控制。
[0018]参考图1，为本实用新型实施例的燃料电池电堆稳定排气控制系统结构示意图。
[0019]本实用新型实施例提供了一种燃料电池电堆稳定排气控制系统，高压氧气源与燃料电池电堆I的阴极连接通入氧气，高压氢气源与燃料电池电堆I的阳极连接通入氢气，包括:设置在阳极侧的第一进气电磁阀2、第一过滤器3、第一压力传感器4 ;以及设置在阴极侧的第二进气电磁阀2’、第二过滤器3’、第二压力传感器4’ ；
[0020]在阳极侧，所述第一进气电磁阀2设置在电堆I阳极入口端前方且常闭，电堆I阳极出口端依次连接所述第一过滤器3和第一压力传感器4 ;所述第一压力传感器4用于检测电堆I阳极侧的工作气压，当工作气压低于预设范围时，所述第一进气电磁阀2打开，高压氢气经过电堆I并将电堆I内的液态积水带到所述第一过滤器3内进行气液分离；当工作气压高于预设范围时，所述第一进气电磁阀2关闭；
[0021]在阴极侧，所述第二进气电磁阀2’设置在电堆I阴极入口端前方且常闭，电堆I阴极出口端依次连接所述第二过滤器3’和第二压力传感器4’ ；所述第二压力传感器4’用于检测电堆I阴极侧的工作气压，当工作气压低于预设范围时，所述第二进气电磁阀2’打开，高压氧气经过电堆I并将电堆内的液态积水带到所述第二过滤器3’内进行气液分离；当工作气压高于预设范围时，所述第二进气电磁阀2’关闭。
[0022]对于本实施例的电池电堆稳定排气控制系统，在结构上，阴极侧部分与阳极侧部分的结构组成是相同对称的，以下仅以阳极侧结构作具体说明，即下面所述的阳极侧结构中的各个装置，在阴极侧也相应的设置有，且工作方式相同。
[0023]本实施例中，第一进气电磁阀2用于控制氢气进入电堆I。高压氢气源通过管路连接至电堆I的阳极入口端，第一进气电磁阀2设置在电堆I的阳极入口端前方的进气管路上，并处于常闭状态。电堆I的阳极出口端通过管路连接第一过滤器3，并顺次连接第一压力传感器4。燃料电池电堆一般都具有适宜的工作气压范围，本实施例所采用的燃料电池的电堆I的适宜工作气压范围为0.08-0.18MPa。第一压力传感器4通过一控制器与第一进气电磁阀2实现联控，控制器的对于工作气压的预设范围即为0.08-0.1SMPa0第一压力传感器4实时的检测电堆I阳极侧的工作气压，当第一压力传感器4检测到电堆I工作气压低于0.0SMPa时，发出低压信号，通过控制器打开第一进气电磁阀2，高压氢气经管路迅速进入电堆1，在进气气流作用下，电堆I阳极侧的阳极导流板内的液态积水以及反应完的尾气被高速流动的气体带到第一过滤器3内。第一过滤器3具备气液分离功能，将其内的尾气和液态水进行气液分离，并将分离后的液态水进行存储。当第一压力传感器4检测到电堆I工作气压达到0.08MPa时,控制器控制第一进气电磁阀2关闭。根据第一压力传感器4的实时检测值，上述过程将往复循环进行，实现了电堆I内多余液态水的排出，最终达到自动维持电堆I内部水的平衡的目的，起到了稳定电堆I工作的技术效果。
[0024]进一步的，在本实施例中，第一过滤器3还设置有第一排水电磁阀5 ;相应的，第二过滤器3’还设置有第二排水电磁阀5’。同样的以阳极侧为例，第一过滤器3内设置有水位计，当其内存储的液态水达到一定量，即液态水的水位过高以触发所述的水位计时，第一排水电磁阀5将打开，将存储的液态水排净，以保证后续的排水工作能够正常进行。
[0025]对于本实用新型实施例的稳定排气控制系统，排水效果与燃料电池膜电极活性面积及导流板形式有关，活性面积小于10cm2的膜电极，其流道为并列直流道，相应的，过滤器容积大于200cc即可实现板内排气，即作为优选的，第一过滤器和5和第二过滤器5’的容积大于200ml。
[0026]参考图2，为本实用新型实施例的电堆导流板结构示意图。
[0027]对于本实施例中电堆内的导流板，上部设置氢气进气孔6和氧气进气孔7，下部设置氢气排气孔8和氧气排气孔9，上述排气孔均通过板内扩孔解决排气容积问题。
[0028]所属领域的普通技术人员应当理解:以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种燃料电池电堆稳定排气控制系统，高压氧气源与燃料电池电堆的阴极连接通入氧气，高压氢气源与燃料电池电堆的阳极连接通入氢气，其特征在于，包括:设置在阳极侧的第一进气电磁阀、第一过滤器、第一压力传感器；以及设置在阴极侧的第二进气电磁阀、第二过滤器、第二压力传感器； 在阳极侧，所述第一进气电磁阀设置在电堆阳极入口端前方且常闭，电堆阳极出口端依次连接所述第一过滤器和第一压力传感器；所述第一压力传感器用于检测电堆阳极侧的工作气压，当工作气压低于预设范围时，所述第一进气电磁阀打开，高压氢气经过电堆并将电堆内的液态积水带到所述第一过滤器内进行气液分离；当工作气压高于预设范围时，所述第一进气电磁阀关闭； 在阴极侧，所述第二进气电磁阀设置在电堆阴极入口端前方且常闭，电堆阴极出口端依次连接所述第二过滤器和第二压力传感器；所述第二压力传感器用于检测电堆的阴极侧工作气压，当工作气压低于预设范围时，所述第二进气电磁阀打开，高压氧气经过电堆并将电堆内的液态积水带到所述第二过滤器内进行气液分离；当工作气压高于预设范围时，所述第二进气电磁阀关闭。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆稳定排气控制系统，其特征在于，所述第一过滤器和第二过滤器还分别设置有用于排出存储的液态水的第一排水电磁阀和第二排水电磁阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆稳定排气控制系统，其特征在于，所述第一过滤器和第二过滤器的容积大于200ml。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆稳定排气控制系统，其特征在于，所述电堆的工作气压预设范围为0.08MPa-0.18MPa。
【文档编号】H01M8/04GK204216143SQ201420635536
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】张宝春, 辛廷慧, 韩福江 申请人:航天新长征电动汽车技术有限公司