一种质子交换膜燃料电池压力控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池压力控制系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池的h2作为电堆阳极燃料需要消耗，同时阴极的o2也需要在电堆发电过程中源源不断地消耗。因此为了保证电化学反应的正常运行，需要在h2与空气入口端施加适当的压力。传统的电堆压力基本保持为满足电堆额定功率的额定压力值。由于负载功率多是随时间而变化，很多时间内未能达到电堆额定功率，此时电化学反应不需要达到额定压力值即可维持，如果还是保持额定压力，对电堆反而有不利的影响，同时电堆功率较小而空气端压力相对较大，对保持电堆一定的湿度也不好。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种延长电堆寿命的质子交换膜燃料电池压力控制系统。
4.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种质子交换膜燃料电池压力控制系统，包括电堆、压力调节组件、控制器以及分别与电堆连接的氢气通路和空气通路，所述的空气通路上设置空气压力传感器，所述的压力调节组件安装于氢气通路上，所述的控制器分别与空气压力传感器、氢气通路和压力调节组件连接，用于控制氢气通路的电堆氢气进口端压力。
6.进一步地，所述的压力调节组件包括第一氢气压力传感器、氢气回收泵以及分别与氢气通路连接的氢气入口缓冲罐和氢气出口回收罐，所述的氢气回收泵设置于氢气入口缓冲罐和氢气出口回收罐之间，所述的第一氢气压力传感器安装于氢气入口缓冲罐上。
7.进一步地，所述的氢气通路包括压力调节阀和排氢阀，所述的压力调节阀与电堆的氢气入口端连接，所述的排氢阀与电堆的氢气出口端连接。
8.进一步地，所述的氢气入口缓冲罐设置于压力调节阀与电堆之间，所述的氢气出口回收罐设置于排氢阀之后。
9.进一步地，所述的控制器分别与空气压力传感器、压力调节阀和第一氢气压力传感器。
10.更进一步地，所述的压力调节组件还包括第二氢气压力传感器，所述的第二氢气压力传感器安装于氢气出口回收罐上，所述的第二氢气压力传感器和氢气回收泵分别与控制器连接。
11.进一步地，所述的空气通路包括堆空压机和空气背压阀，所述的堆空压机与电堆的空气入口端连接，所述的空气背压阀与电堆的空气出口口端连接。
12.进一步地，所述的空气压力传感器设置于堆空压机与电堆之间。
13.更进一步地，所述的压力调节组件还包括排水阀，所述的排水阀与氢气出口回收
罐连接，并与控制器连接。
14.更进一步地，所述的空气通路还包括空气流量传感器，所述的空气流量传感器设置于堆空压机与电堆之间。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
16.1)本实用新型设置氢气压力调节组件，将控制器分别与空气通路的空气压力传感器、氢气通路和压力调节组件连接，能够根据空气通路的空气压力传感器获取空气通路压力大小，从而调整氢气通路压力大小，可以保证电堆氢气入口端的压力与空气通路的空气压力传感器的数值相近，改进了常规质子交换膜燃料电池系统的压力控制方法，由恒定压力模式改为变压力调节模式，消除了前者的缺点，既保证了电堆阳极与阴极两端压力的平衡，也不致在功率较小时让电堆承受相对较大的压力，延长了电堆运行寿命；
17.2)本实用新型氢气压力调节组件设置氢气出口回收罐并添加第二氢气压力传感器，将控制器分别与第二氢气压力传感器、排水阀和氢气回收泵连接，能够根据第二氢气压力传感器检测到的氢气出口回收罐压力，调节氢气回收泵和排水阀的开闭，增强了h2回收的效果；
18.3)本实用新型对电堆氢气与空气端的压差实时监测，可以检测其差值是否达到限定值，从而作为控制程序的报警依据，提高燃料电池使用的安全性。
附图说明
19.图1为本实用新型的结构示意图。
20.其中：1、压力调节阀，2、电堆，3、排氢阀，11、空气背压阀，18、第一氢气压力传感器，19、空气流量传感器，20、空气压力传感器，49、第二氢气压力传感器，50、排水阀，51、氢气入口缓冲罐，52、氢气回收泵，53、氢气出口回收罐。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
22.实施例：
23.如图1所示，一种质子交换膜燃料电池压力控制系统，包括电堆2、压力调节组件、控制器以及分别与电堆2连接的氢气通路和空气通路，空气通路上设置空气压力传感器20，压力调节组件安装于氢气通路上，控制器分别与空气压力传感器20、氢气通路和压力调节组件连接，用于控制氢气通路的电堆氢气进口端压力。
24.氢气通路包括压力调节阀1和排氢阀3，压力调节阀1与电堆2的氢气入口端连接，排氢阀3与电堆2的氢气出口端连接。
25.压力调节组件包括排水阀50、第二氢气压力传感器49、第一氢气压力传感器18、氢气回收泵52、氢气入口缓冲罐51和氢气出口回收罐53，氢气入口缓冲罐51设置于压力调节阀1与电堆2之间，氢气出口回收罐53设置于排氢阀3之后，氢气回收泵52设置于氢气入口缓冲罐51和氢气出口回收罐53之间，第一氢气压力传感器18安装于氢气入口缓冲罐51上，第二氢气压力传感器49安装于氢气出口回收罐53上，排水阀50与氢气出口回收罐53连接。
26.空气通路包括堆空压机7和空气背压阀11，堆空压机7与电堆2的空气入口端连接，空气背压阀11与电堆2的空气出口口端连接，空气压力传感器20设置于堆空压机7与电堆2
之间。空气通路还包括空气流量传感器19，空气流量传感器19设置于堆空压机7与电堆2之间。
27.控制器分别与空气压力传感器20、压力调节阀1和第一氢气压力传感器18，用于根据空气压力传感器20和第一氢气压力传感器18的差值调节压力调节阀1，从而控制氢气入口端的压力；控制器还与第二氢气压力传感器49、氢气回收泵52和排水阀50连接，用于根据第二氢气压力传感器49的数值调节氢气回收泵52和排水阀50，从而调节氢气出口回收罐53内的氢气压力，控制氢气回收效率。
28.传统的燃料电池压力控制系统采用恒定压力输出的减压阀，现改用压力调节阀1，堆空压机7的转速根据电堆2的负载功率调节，堆空压机7的转速不同，控制空气通路内的空气压力大小改变，控制器将安装在电堆2空气入口端的空气压力传感器20的读数值作为设定值，对压力阀1进行调节，以保证电堆氢气入口端的第一氢气压力传感器18的读数与设定值相近，从而调节氢气入口端的压力。第二氢气压力传感器49监测氢气出口端出口氢气回收罐53的压力值，由此确定氢气回收泵52的开启与关闭动作，以及排水阀50的动作。
29.本实用新型的工作原理为：
30.燃料电池系统运行时，需求功率会不断发生改变。根据电堆功率与供给的air流量之间的相关特性，可以预先确定堆空压机7转速与电堆2功率的对应关系，实际运行时再根据电堆2的输出功率实时设定堆空压机7的转速，进而通过调节压力调节阀1确定电堆氢气入口端的压力。同时根据氢气出口回收罐53内部的压力变化情况，实时控制氢气回收泵52的动作以实现h2回收；并根据电堆2出口排氢阀3与氢气回收泵52的状态控制排水阀50的动作，实现h2端排水。
31.空气压力传感器20用于实时测量电堆2空气入口端的压力变化，并作为氢气通路压力调节的目标设定值，以保证电堆阳极与阴极压力的基本平衡。
32.压力调节阀1、氢气入口端缓冲罐51与第一氢气压力传感器18组成氢气入端口的压力调节单元，其目标是使第一氢气压力传感器18的读数值跟踪空气压力传感器20的读数值，控制器快速采集第一氢气压力传感器18和空气压力传感器20的压力值，并根据两者的压差值快速调节压力调节阀1的开度，从而实现压力的动态平衡，这样既保证了电堆阳极与阴极两端压力的平衡，也不致在功率较小时让电堆承受相对较大的压力，延长了电堆寿命。
33.排氢阀3会在一定周期内短暂开启，将阳极反应生成的水分与少量h2排到氢气出口回收罐53内部。第二氢气压力传感器49监测氢气出口回收罐53内部的压力值，当高于设定上限值时，控制器开启氢气回收泵52，将h2回收至电堆2氢气入口端的氢气入口端缓冲罐51内，当压力低于设定下限值时，控制器关闭氢气回收泵52。在排氢阀3与氢气回收泵52关闭的时间内，控制器控制排水阀50开启，将氢气出口回收罐53内部积存的水排除。
34.如果电堆入口第一压力传感器18与空气压力传感器20之间的压差过大，超过限定值，控制器会及时发出报警信息。
35.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。