燃料电池供氧控制装置的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池供氧控制装置。

背景技术：

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，由于燃料电池是通过电化学反应把燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高，另外燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

甲醇重整制氢燃料电池发电过程中，由于制出的混合气体中氢气含量为 70％左右，二氧化碳为30％，所以混合气体通过燃料电池发电不能像纯氢低温燃料电池那样，加大空气流量促使氢气循环完全发电，而是通过氢气混合气体与空气在燃料电池中对流发电，这样就会有氢气利用率低的问题，同时现有技术也不能解决在不同海拔，不同气压情况下发电功率下降的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种燃料电池供氧控制装置，解决了现有燃料电池通过空气和氢气对流的方式来发电容易导致氢气和空气中的氧气利用率非常低和在不同海拔，不同气压情况下发电功率下降的问题。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种燃料电池供氧控制装置，包括：

电堆，所述电堆上设置有空气进气口、第二尾气出气口、重整氢气进气口和第一尾气出气口，所述空气进气口与所述第二尾气出气口相连通在所述电堆内形成第一流道，所述重整氢气进气口与第一尾气出气口相连通，在所述电堆内形成第二流道，所述第一流道与所述第二流道内形成对流，且之间设置有质子交换膜，所述质子交换膜两侧设置有催化剂层；

风机，所述风机的出气端口与所述空气进气口通过管路相连通，用于吸入空气；

进气压力温度传感器和流速传感器依次设置于所述空气进气口与所述风机的出气端口之间的管路上，所述进气压力温度传感器用于收集吸进空气的温度与压力，所述流速传感器用于监测吸气空气的流速，以监测进气量；

氢气自控阀门，设置于所述第一尾气出气口处；

空气自控阀门，设置于所述第二尾气出气口处；

氧传感器，设置于与所述第二尾气出气口相连通的管路上，用于监测第二尾气出气口处尾气的氧含量。

优选的，所述氧传感器包括氧敏芯片、引线、引线端子、以及由前往后依次连接的芯片罩组件、六角基座和外壳，所述引线端子位于外壳内，外壳的开口端设有一橡胶堵头，所述引线穿过橡胶堵头与引线端子连接，其特征在于：所述六角基座内部设置有前后两段沉孔，两段沉孔之间的过渡段设置成倒角锥面，两段沉孔内由前往后依次安装有弹性垫圈、前支撑块、密封块和后支撑块，且密封块的前端面与所述倒角锥面接触配合；后段沉孔的孔缘向内收口铆住后支撑块，后支撑块受铆压而产生一个压向密封块的轴向力；前段沉孔的孔底设有一个通向芯片罩组件内部的通孔，所述氧敏芯片依次穿过后支撑块、密封块、前支撑块、弹性垫圈、通孔并伸入到芯片罩组件内。

优选的，所述外壳内部设有一端子定位块，所述端子定位块由高热阻绝缘材料制成，所述引线端子设有支撑部，所述支撑部穿设于端子定位块上开设的安装孔内，所述支撑部的前端面抵靠在后支撑块的端面上，支撑部的后端面抵靠在橡胶堵头的端面上；所述端子定位块的前端面与后支撑块端面之间设有间隙，所述端子定位块的后端面与橡胶堵头端面之间设有间隙，所述端子定位块上的安装孔前后孔口处都设置有定位坑，所述引线端子的支撑部上设置有前限位片和后限位片，前限位片和后限位片分别扣在端子定位块上的相应定位坑内从而约束端子定位块的轴向位置。

优选的，所述电堆包括外壳，所述外壳包括主壳体和小型涡轮散热风扇，所述的主壳体包括用于放置氢燃料电池的底部罩壳和顶部罩壳，所述的底部罩壳上端边缘位置开设有复数个内螺纹安装盲孔，所述的底部罩壳内侧面下端对应内螺纹安装盲孔位置开设有与对应位置内螺纹安装盲孔相连通的装配插孔，所述的内螺纹安装盲孔内部设置有固定装卸杆，所述的固定装卸杆包括底部具有外螺纹固定杆的金属杆和一体注塑在金属杆外侧面的PVC材质绝缘保护管，所述的顶部罩壳下表面对应内螺纹安装盲孔位置均开设有顶部装配孔，所述的顶部装配孔内顶面上固定连接有顶部导电片，所述的顶部导电片下端通过金属挤压弹簧弹性连接有与金属杆相配合的底部金属挤压片，所述的顶部罩壳上端开设有圆形开孔，所述的圆形开孔内部活动连接有用于安装小型涡轮散热风扇的散热顶盒，所述的顶部罩壳内顶面位于散热顶盒外围具有向下凸起的一体结构连接架，所述的连接架内底面和散热顶盒下表面之间通过挤压弹簧弹性连接，所述的散热顶盒左侧面上开设有与小型涡轮散热风扇相配合的散热口，所述的散热顶盒右侧面上开设有内置充电口和放电口的连接平面。

优选的，所述的顶部罩壳上表面位于圆形开孔外围通过纵置转轴活动连接有用于固定散热顶盒位置的手控旋转式锁块。

优选的，所述的顶部罩壳对应顶部装配孔位置内侧壁上开设有与顶部装配孔内部相连通的顶部连接孔，所述的充电口和放电口内部的导电片通过散热顶盒内部的外接电源连接线插入对应位置顶部连接孔和对应位置顶部装配孔内部的顶部导电片电连接。

优选的，所述的底部罩壳和顶部罩壳之间通过外侧壁上的螺栓固定连接。

本实用新型提供了一种燃料电池供氧控制装置，解决了现有燃料电池通过空气和氢气对流的方式来发电容易导致氢气和空气中的氧气利用率非常低和在不同海拔，不同气压情况下发电功率下降的问题。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型一个实施例中燃料电池供氧控制装置结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例中燃料电池供氧控制装置工作原理示意图；

图3为本实用新型一个实施例中氧传感器剖视结构示意图；

图4为本实用新型一个实施例中端子定位块的立体结构放大示意图；

图5为本实用新型一个实施例中引线端子的立体结构放大示意图；

图6为本实用新型一个实施例中电堆的外壳闭合状态下的结构示意图；

图7为本实用新型一个实施例中电堆的外壳展开状态下的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1至图2所示，本实用新型提供一种燃料电池供氧控制装置，包括：电堆1，所述电堆1上设置有空气进气口2、第二尾气出气口3、重整氢气进气口4和第一尾气出气口5，所述空气进气口2与所述第二尾气出气口3相连通在所述电堆1内形成第一流道，所述重整氢气进气口4与第一尾气出气口5相连通，在所述电堆1内形成第二流道，所述第一流道与所述第二流道在所述电堆1 内形成对流，且之间设置有质子交换膜6，所述质子交换膜6两侧设置有催化剂层7；

风机8，所述风机8的出气端口与所述空气进气口2通过管路相连通，用于吸入空气；

进气压力温度传感器9和流速传感器10依次设置于所述空气进气口2与所述风机8的出气端口之间的管路上，所述进气压力温度传感器9用于收集吸进空气的温度与压力，所述流速传感器10用于监测吸气空气的流速，以监测进气量；

氢气自控阀门11，设置于所述第一尾气出气口5处；

空气自控阀门12，设置于所述第二尾气出气口3处；

氧传感器13，设置于与所述第二尾气出气口3相连通的管路上，用于第二尾气出气口3处尾气的氧含量。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

在本实施例中，风机将空气(主要成分为21％氧气，78％氮气)从空气进气口送入电堆中，与从重整氢气进气口送入的甲醇重整氢气(成分为70％氢气， 30％二氧化碳)在电堆内形成对流，通过质子交换膜发电(电堆在正常工作的状态下，内部温度为110℃)，然后从第一尾气出气口排除尾气一(成分为氢气和二氧化碳)，从第二尾气出口排出尾气二(主要成分为氧气，氮气和水蒸气)。

发电的工作原理为，在催化剂层的作用下，氢气分解为带电离子状态，因为氢分子体积小，携带电子的氢可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在携带电子的氢穿越这层薄膜孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢离子通过薄膜到达另一端，氢质子被吸引到薄膜的另一侧与氧分子结合生成水，电子在电极板之间形成电流。

在本实施例中，通过在空气进气口与所述风机的出气端口之间的管路上依次设置进气压力温度传感器和流速传感器，在第一尾气出气口处设置氢气自控阀门，在第二尾气出气口处设置空气自控阀门，在与所述第二尾气出气口相连通的管路上设置氧传感器，使得本实施例相较于现有技术的开环控制，变为闭环控制，在空气流动的过程中，进气压力温度传感器可检测重整氢气的进气压力和温度，流速传感器可检测重整氢气的送入量，氧传感器可检测第二尾气出气口处尾气二中的氧含量，当进气压小于一个大气压时，通过控制器控制器风机增加转速，以提高进气压力，以及通过控制器调节空气自控阀门与氢气自控阀门的开度调节，使得电堆再适合的压力下工作，使氢气与氧气反映更加充分，是尾气一中的氢气含量尽可能的减少，提高氢气利用率。

在本实施例中，当氧传感器的设置，使得能对尾气二中的氧含量实时监测，通过计算，利用控制器调节风机转速，以调节进气量使得重整氢气与空气在电堆内能够尽可能的充分反映，提高氢气和氧气利用率，已达到合适的状态。本实例相较于现有技术，解决了氢气利用率非常低和在不同海拔，不同气压情况下发电功率下降的问题，可将氢气利用率从70％提高到90％。

如图3所示，在一个实施例中，

所述氧传感器13包括氧敏芯片13-3、引线13-12、引线端子13-15、以及由前往后依次连接的芯片罩组件、六角基座13-6和外壳13-9，引线端子13-15位于外壳13-9内，外壳13-9的开口端设有一橡胶堵头13-13，引线13-12穿过橡胶堵头13-13与引线端子13-15连接，六角基座13-6内部设置有前后两段沉孔，两段沉孔之间的过渡段设置成倒角锥面，两段沉孔内由前往后依次安装有弹性垫圈13-4、前支撑块13-5、密封块13-7和后支撑块13-8，且密封块13-7的前端面与倒角锥面接触配合；后段沉孔的孔缘向内收口铆住后支撑块13-8，后支撑块13-8受铆压而产生一个压向密封块13-7的轴向力，密封块13-7后端受后支撑块13-8轴向挤压，密封块13-7前端则受到六角基座13-6内部的倒角锥面和前支撑块13-5的轴向挤压，构成轴向密封，同时，六角基座13-6内部的倒角锥面在轴向上构成逐渐收小的截面，密封块13-7受到六角基座13-6内部的倒角锥面挤压而产生压向轴心的变形，使密封块13-7向处于轴线位置上的氧敏芯片 13-3变形挤压从而构成可靠的径向密封；前段沉孔的孔底设有一个通向芯片罩组件内部的通孔，氧敏芯片13-3依次穿过后支撑块13-8、密封块13-7、前支撑块、弹性垫圈13-4、通孔并伸入到芯片罩组件内。芯片罩组件由芯片外罩13-1 和芯片外罩13-2构成，芯片外罩13-1和芯片内罩13-2上设置有发动机排气流动经过的孔道，氧敏芯片13-3通过探测流动经过的发动机排气中的含氧量而产生电信号。

外壳13-9内部设有一端子定位块13-10，如图4、图5所示，端子定位块13-10 由高热阻绝缘材料制成，引线端子13-15设有支撑部，支撑部底面靠前端处都设置有易插倒角13-156，支撑部穿设于端子定位块13-10上开设的安装孔13-102 内，支撑部的前端面(前支撑面13-155)抵靠在后支撑块13-8的端面上，支撑部的后端面(后支撑面13-157)抵靠在橡胶堵头13-13的端面上；端子定位块13-10 的前端面与后支撑块13-8端面之间设有间隙，端子定位块13-10的后端面与橡胶堵头13-13端面之间设有间隙，间隙所形成的空腔，空气导热系数非常小，端子定位块13-10前后两端的空腔阻隔了由温度相对较高的后支撑块13-8传过来的热传导，同时，端子定位块13-10也阻隔了温度相对较高的后支撑块13-8对橡胶堵头的热辐射，橡胶堵头13-13以及装在橡胶堵头13-13里面的引线13-12 的温度被控制在最低水平，避免了橡胶堵头13-13高温老化，避免了引线13-12 高温电阻增大以及电阻随温度变化而产生的输出信号温度漂移问题，实现氧传感器耐高温工作的高可靠性。

如图4、图5所示，端子定位块13-10上的安装孔13-102前后孔口处都设置有定位坑13-101，引线端子的支撑部上设置有前限位片13-152和后限位片 13-151，前限位片13-152和后限位片13-151分别扣在端子定位块13-10上的相应定位坑13-101内从而约束端子定位块13-10的轴向位置。

后支撑块13-8后端中部设置有支撑引线端子13-15的安装槽，氧敏芯片13-3 尾部端面上设置有输出信号的电极，每个引线端子13-15上设置有两个触点突起 13-153，引线端子13-15触点突起13-153的延长段弯曲成簧片13-154，簧片13-154 在后支撑块13-8上的安装槽内弹性变形产生将引线端子13-15触点突起13-153 紧压在氧敏芯片13-3电极上的弹性张力，从而实现触点处的可靠接触。

在橡胶堵头13-13外圆上扣着隔膜支撑套13-11，隔膜支撑套13-11尾部外圆紧配合地套在外壳13-9的通孔内，隔膜支撑套13-11的前端设置成向外翻的翻边，隔膜支撑套13-11的翻边支撑在外壳13-9的孔壁上，在隔膜支撑套13-11 与外壳13-9之间设置有一个空腔，在空腔内安装有防水透气隔膜13-14，在隔膜支撑套13-11与外壳13-9上设置有透气孔，隔膜支撑套13-11上的透气孔与外壳13-9上的透气孔对齐，在外壳13-9上的透气孔前后外圆段上向轴心方向压出两条环槽，环槽的变形使透气隔膜被压紧，实现隔膜13-14内外之间的防水密封；外壳13-9前端紧扣到六角基座13-6尾部的外管壁上进行焊接固定，橡胶堵头 13-13被隔膜支撑套13-11挤压变形而实现橡胶堵头13-13处的密封，同时，橡胶堵头13-13的轴向变形产生了轴向弹性张力，橡胶堵头13-13的轴向弹性张力通过引线端子13-15和后支撑块13-8施加到密封块13-7上，使密封块13-7一直承受着一个夹紧力，避免密封块13-7因振动而产生松动，进一步提高了氧传感器内部密封的可靠性。

如图6至图7所示，在一个实施例中，

所述电堆1包括外壳，所述外壳包括主壳体和小型涡轮散热风扇1-1，主壳体包括用于放置氢燃料电池的底部罩壳1-2和顶部罩壳1-3，底部罩壳1-2上端边缘位置开设有2个内螺纹安装盲孔1-4，底部罩壳1-2内侧面下端对应内螺纹安装盲孔1-4位置开设有与对应位置内螺纹安装盲孔1-4相连通的装配插孔1-5，内螺纹安装盲孔1-4内部设置有固定装卸杆，固定装卸杆包括底部具有外螺纹固定杆的金属杆1-6和一体注塑在金属杆1-6外侧面的PVC材质绝缘保护管1-19，外螺纹固定杆也是金属机构，与金属杆1-6为一体结构，顶部罩壳1-3下表面对应内螺纹安装盲孔1-4位置均开设有顶部装配孔1-7，顶部装配孔1-7内顶面上固定连接有顶部导电片1-8，顶部导电片1-8下端通过金属挤压弹簧1-9弹性连接有与金属杆1-6相配合的底部金属挤压片1-10，顶部罩壳1-3上端开设有圆形开孔1-11，圆形开孔1-11内部活动连接有用于安装小型涡轮散热风扇1-1的散热顶盒1-12，顶部罩壳1-3内顶面位于散热顶盒1-12外围具有向下凸起的一体结构连接架1-13，连接架1-13内底面和散热顶盒1-12下表面之间通过挤压弹簧弹性连接，散热顶盒1-12左侧面上开设有与小型涡轮散热风扇1-1相配合的散热口，散热顶盒1-12右侧面上开设有内置充电口1-14和放电口1-15的连接平面1-16。充电口1-14用于给氢燃料电池充电，结构原理与市面上的传统充电口相同，放电口1-15与市面上传统的串联输电口相同。进一步地，顶部罩壳1-3 上表面位于圆形开孔1-11外围通过纵置转轴活动连接有用于固定散热顶盒1-12 位置的手控旋转式锁块1-17，进一步地，顶部罩壳1-3对应顶部装配孔1-7位置内侧壁上开设有与顶部装配孔1-7内部相连通的顶部连接孔1-18，充电口1-14 和放电口1-15内部的导电片通过散热顶盒1-12内部的外接电源连接线插入对应位置顶部连接孔1-18和对应位置顶部装配孔1-7内部的顶部导电片电连接，进一步地，底部罩壳1-2和顶部罩壳1-3之间通过外侧壁上的螺栓固定连接，本实例通过在分体式的底部罩壳1-2上通过螺栓连接氢燃料电池的充放电端，然后通过顶部罩壳1-3上的弹性底部金属挤压片1-10挤压金属杆1-6顶端来与散热顶盒1-12内部的充电口1-14和放电口1-15连接端电连接，从而可以在分离顶部和底部罩壳的同时将氢燃料电池与充放电口和散热装置断开，避免能量损耗，同时将充放电口和散热装置集成在可升降的散热顶盒1-12上，延长充放电口的使用寿命，装个外壳装卸通过螺栓和螺纹，装卸和调试十分简单。

本实用新型未详细说明的内容，均可采用现有技术，因此不在赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。