专利名称：一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及质子交换膜燃料电池的制造技术，特别是一种质子交换膜燃料电 池阳极脉冲排水系统。
背景技术：
质子交换膜燃料电池是一种高效和环境友好的发电装置，它直接将贮存在燃料与 氧化剂中的化学能转化为电能，其工作温度一般低于100°c，氧的电化学还原反应生成的水 为液态水。生成的水可以两种方式排出，一种为气态，若反应气的相对湿度小于1，即反应气 中水蒸气分压未达到相应电池工作温度下水蒸气分压时，水可汽化，随电池排放的尾气离 开电池；另一种方式为液态排水，此时反应气的相对湿度已达到1，在电极催化层生成的液 态水靠毛细力和压差推动，传递到扩散层气相侧，液态水滴由反应气吹扫出电池。为有效排 放液态水滴，有效地对燃料电池内部水进行管理，提高系统可靠性，阳极侧大多采用脉冲排 放的方式排放液态水滴，同时排放阳极侧杂质。采用该方法控制比较简单，但在脉冲排放瞬 间，如控制目标为压力控制，此时入堆氢气流量会出现峰值，因流量波动区间较大，压力没 有稳定控制，会出现一定程度的波动；如控制目标为流量控制，脉冲排放瞬间压力也会出现 大幅波动。
发明内容为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型要设计一种可以精确的控制入堆燃 料气的压力或流量，燃料气的利用率可精确调节的质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系 统。为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统，包括氢气储罐、一级减压阀、二级减 压阀、进气电磁阀和燃料电池电堆，还包括尾排电磁阀和辅助电磁阀；氢气来源于氢气储 罐，经一级减压阀进入二级减压阀和辅助电磁阀，所述的辅助电磁阀与二级减压阀并联；氢 气经二级减压阀和辅助电磁阀后合并进入进气电磁阀，再进入燃料电池电堆，最后进入尾 排电磁阀，将尾气排放至外界。本实用新型所述的二级减压阀可以更换为流量控制器或压力控制器或位置开度 可调阀。与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果1、由于本实用新型通过尾排电磁阀和辅助电磁阀的组合使用，实现辅助进气和尾 排排气气量一致，精确地控制了入堆燃料气的压力或流量。2、由于本实用新型通过尾排电磁阀和辅助电磁阀的组合使用，实现辅助进气和尾 排排气气量一致，精确的控制了入堆燃料气的压力或流量，可通过尾排电磁阀的脉冲排放 频率精确调节实现燃料气的利用率精确调节；3、由于本实用新型的技术方案是通过附加辅助电磁阀实现，该辅助电磁阀为常用部件，控制简单，成本低，安全可靠，因此该系统简单，安全可靠，成本较低，适用性强。
本实用新型共有附图4幅，其中图1质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统流程图I ；图2质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统流程图II ；图3未引入辅助电磁阀测试结果曲线图；图4引入辅助电磁阀测试结果曲线图。图中，1、氢气储罐，2、一级减压阀，3、二级减压阀，4、流量控制器，5、压力控制器， 6、位置开度可调阀，7、辅助电磁阀，8、进气电磁阀，9、电堆，10、尾排电磁阀，11、压力传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步描述，如图1-2所示，一种质子交换膜燃料 电池阳极脉冲排水系统，包括氢气储罐1、一级减压阀2、二级减压阀3、进气电磁阀8和燃料 电池电堆9，还包括尾排电磁阀10和辅助电磁阀7 ；氢气来源于氢气储罐1，经一级减压阀2 进入二级减压阀3和辅助电磁阀7，所述的辅助电磁阀7与二级减压阀3并联；氢气经二级 减压阀3和辅助电磁阀7后合并进入进气电磁阀8，再进入燃料电池电堆9，最后进入尾排 电磁阀10，将尾气排放至外界。所述的二级减压阀3可以更换为流量控制器4或压力控制 器5或位置开度可调阀6。本实用新型的工作方法，包括以下步骤A、燃料氢气由氢气储罐1提供，经一级减压阀2减压，再进入二级减压阀3减压至 燃料电池系统所需压力，辅助电磁阀7与二级减压阀3并联使用，氢气同时进入辅助电磁阀 7与二级减压阀3，为燃料电池电堆供气；B、燃料氢气同时通过并联的辅助电磁阀7与二级减压阀3后，再经进气电磁阀8 进入电堆9，最后通过尾排电磁阀10进行排放；尾排电磁阀10的排放采用脉冲排放方式， 在脉冲排放瞬间，反应气在流场内流动线速度达到一定值，依靠反应气吹扫出电堆反应生 成水。所述的反应气在流场内流动线速度达到一定值是指反应气在流场内流动线速度 大于或等于5m/s。所述的尾排电磁阀10进行脉冲排放时，与辅助电磁阀7采用与尾排电磁阀10同 步同脉冲排放周期的控制方法，实行同流量控制；即尾排电磁阀10与辅助电磁阀7的开关 周期相同、控制占空比相同。本实用新型所述的尾排电磁阀10与辅助电磁阀7通过采用流量系数Cv值匹配的 方法，实现流量同步控制；所述的流量系数Cv值是尾排电磁阀10与辅助电磁阀7的重要参数，它反映调节 阀的能力或容量，通过已知尾排电磁阀10的流量系数Cv值，确定辅助电磁阀7的流量系数 Cv值，具体步骤如下Bi、参照流量系数Cv值理论计算式，初步确定辅助电磁阀7流量系数Cv值参考值理论计算值Cthv ；B2、根据试验条件，理论计算得出辅助电磁阀7的流量系数Cv值Cthv，选取流量系 数Cv值接近Cthv但不小于Cthv的辅助电磁阀7进行试验修正；B3、将尾排电磁阀10与辅助电磁阀7进行连接试验中为对电堆9进行保护，当电 堆9压力达到电堆保护极限压力时，尾排电磁阀10常开，关闭辅助电磁阀7，电堆降载；在 测试过程中，如压力传感器11显示值呈上升状态，表明辅助电磁阀7的Cthv理论计算值偏 大，采用不同孔径的孔板对其进行修正，直至压力传感器11显示值恒定；如压力传感器11 显示值呈下降状态，表明辅助电磁阀7的Cthv理论计算值偏小，此时微调一级减压阀2，使 其开度缓慢增大，直至压力传感器11显示值恒定，记录一级减压阀2出口压力，重新计算流 量系数Cv值；重复上述步骤，直至压力传感器11显示值恒定。下面用一个具体实施例来对本实用新型的结构及有益效果作进一步的说明。如图 1-2所示，氢气储罐1压力35MPa，一级减压阀2减压至7bar，系统采用二级减压阀3减压， 减压压力为55kPa，尾排电磁阀10的流量系数Cv= 1. 10，燃料电池电堆9氢气侧阻力较小， 按2kPa进行计算，尾排电磁阀10阀前压力53kPa，阀门动作压力差为53kPa ；辅助电磁阀7 阀前压力为7bar = 700kPa,阀后压力为55kPa，辅助电磁阀7动作压力差为645kPa。流量系数Cv值是调节阀的重要参数，它反映调节阀的能力或容量，根据流量系数 Cv值的大小来确定调节阀的公称通径。根据以上条件，理论计算得辅助电磁阀7流量系数 Cv值=0.沈，选取流量系数Cv值接近0. 26但不小于0. 26的电磁阀，试验修正，将两阀按 图2所示方式进行连接，试验中为对电堆9进行保护，当电堆9压力达到SOkPa时，尾排电 磁阀10常开，关闭辅助电磁阀7，电堆9降载。在测试过程中，如压力传感器11显示值呈上 升状态，表明辅助电磁阀7流量系数Cv值理论计算值偏大，采用不同孔径的孔板对其进行 修正，直至压力传感器11显示值恒定；如压力传感器11显示值呈下降状态，表明辅助电磁 阀7流量系数Cv值理论计算值偏小，此时微调一级减压阀2，使其开度缓慢增大，直至压力 传感器11显示值恒定，记录一级减压阀2出口压力，重新计算流量系数Cv值，重复上述步 骤。直至压力传感器11显示值恒定。附图3所示为试验中测试了未引入辅助电磁阀7的测试结果，图中■表示电堆9 运行电流值，▲表示氢气入堆压力值、即压力传感器11的显示值；附图4所示为试验中测试 了弓丨入辅助电磁阀7的测试结果，图中■表示电堆运行电流值，▲表示氢气入堆压力值、即 压力传感器11的显示值。图3和图4试验中，尾排电磁阀10控制策略一致，从测试结果可以看出未引入辅 助电磁阀7时，压力传感器11显示值在脉冲排放瞬间有大幅波动，即燃料电池电堆9工作 压力在脉冲排放瞬间有大幅波动，非稳态操作，且尾排电磁阀10阀前压力大幅波动，排放 推动力即尾排电磁阀10两侧压差或吹扫气体流速不及引入辅助电磁阀7系统。
权利要求1.一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统，包括氢气储罐(1)、一级减压阀O)、 二级减压阀⑶、进气电磁阀⑶和燃料电池电堆(9)，其特征在于该系统还包括尾排电磁 阀(10)和辅助电磁阀(7)；氢气来源于氢气储罐(1)，经一级减压阀( 进入二级减压阀 (3)和辅助电磁阀(7)，所述的辅助电磁阀(7)与二级减压阀(3)并联；氢气经二级减压阀 (3)和辅助电磁阀(7)后合并进入进气电磁阀(8)，再进入燃料电池电堆(9)，最后进入尾排 电磁阀(10)，将尾气排放至外界。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统，其特征在于 所述的二级减压阀(3)可以更换为流量控制器(4)或压力控制器( 或位置开度可调阀 (6)。
专利摘要本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统，所述的系统包括氢气储罐、一级减压阀、二级减压阀、进气电磁阀和燃料电池电堆，还包括尾排电磁阀和辅助电磁阀；所述的辅助电磁阀与二级减压阀并联；氢气经二级减压阀和辅助电磁阀后合并进入进气电磁阀，再进入燃料电池电堆，最后进入尾排电磁阀，将尾气排放至外界。由于本实用新型通过尾排电磁阀和辅助电磁阀的组合使用，实现辅助进气和尾排排气气量一致，精确地控制了入堆燃料气的压力或流量，并可通过尾排电磁阀的脉冲排放频率精确调节实现燃料气的利用率精确调节。本实用新型系统简单，安全可靠，成本较低，适用性强。
文档编号H01M8/04GK201868513SQ20102063060
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者于长云, 侯中军, 戚朋, 王仁芳 申请人:新源动力股份有限公司