專利名稱：一種帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的輔助裝置，尤其涉及一種帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池
氫氣循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置 的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly,簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一 張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面 上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電 物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑 表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá) 膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過(guò) 滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離 子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜 燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交 換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與 含氧的氣流分隔開來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。 在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫
正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極
反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá) 陽(yáng)極反應(yīng)H2 — 2H++2e 陰極反應(yīng)l/202+2H++2e — H20 在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA) —般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中 間，每塊導(dǎo)膜電極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的 導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)膜電極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)膜電 極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一 個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料 的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī) 械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃 料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。 為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通常可通 過(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一 塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又 可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。 一連串的單電池通過(guò)一定
3方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
—個(gè)典型電池組通常包括(l)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃
料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣
或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)
流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱
反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通
道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所
有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。 質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動(dòng)
式和固定式的發(fā)電裝置。 質(zhì)子交換膜燃料電池作為運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，用作發(fā)電站時(shí)一般以純氫為燃料，以空氣為氧化劑。目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所設(shè)計(jì)的燃料電池堆一般在壓力下運(yùn)行。運(yùn)行空氣與氫氣的相對(duì)壓力一般在一個(gè)大氣壓以上；并且，燃料電池堆的設(shè)計(jì)一般也適合在壓力下運(yùn)行，其主要特點(diǎn)是燃料電池進(jìn)口空氣壓力與出口空氣壓力，以及燃料電池進(jìn)口氫氣壓力與出口氫氣壓力之間的壓差A(yù) P較大，大約在0. 2 0. 4個(gè)大氣壓之間。 對(duì)于目前這種較高壓力運(yùn)行的燃料電池堆，燃料電池堆與流體之間一般是通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥來(lái)使氫氣壓力符合工作壓力的需要。而目前普遍采用的減壓閥有以下缺點(diǎn)
1.減壓閥體積、重量往往較大，制造、連接都比較麻煩； 2.由于燃料電池的工作狀態(tài)變化較大，例如較大功率輸出或很小功率輸出，減壓閥往往較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓，很難達(dá)到供氣壓力始終穩(wěn)定的目的； 3.當(dāng)減壓閥無(wú)法給燃料電池穩(wěn)壓時(shí)，容易造成燃料電池中的氣體流量變化，導(dǎo)致發(fā)電性能難以控制，如果減壓閥失效，高壓氣體會(huì)沖破電極，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起火災(zāi)、爆炸。
4.高壓氫氣罐的壓力一般為20個(gè)大氣壓，經(jīng)過(guò)一個(gè)氫氣減壓閥減壓后進(jìn)入燃料電池堆， 一旦該氫氣減壓閥發(fā)生毀損，20個(gè)大氣壓的氫氣將會(huì)充入燃料電池堆，將燃料電池堆擊穿。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可自動(dòng)調(diào)壓、性能可靠的帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)。 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)，包括儲(chǔ)氫罐、減壓閥、燃料電池堆、水汽分離器、氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，氫氣罐通過(guò)減壓閥連接燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口通過(guò)水汽分離器和氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)連接燃料電池堆的氫氣入口，其特征在于，所述的減壓閥與燃料電池堆的氫氣入口之間還設(shè)有多個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥和一個(gè)壓力傳感器，該壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣入口處，并與多個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥連接，壓力傳感器探測(cè)到進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力，并將該壓力信號(hào)反饋到脈寬調(diào)制電磁閥，該脈寬調(diào)制電磁閥根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟與關(guān)閉頻率，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在預(yù)定值。
所述的脈寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2 5個(gè)，各脈寬調(diào)制電磁閥并聯(lián)連接，當(dāng)大功率(> 50千瓦)燃料電池處于小負(fù)荷輸出時(shí)，脈寬調(diào)制電磁閥有1 2個(gè)在工作，當(dāng)處于滿負(fù)荷或 大負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)，2個(gè)以上所有脈寬調(diào)制電磁閥都處于工作狀態(tài)。 所述的脈寬調(diào)制電磁閥通過(guò)脈沖控制閥門高頻率開關(guān)，根據(jù)進(jìn)入燃料電池堆的氫 氣壓力調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制電磁閥的開關(guān)次數(shù)，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在預(yù)設(shè)值。
所述的氫氣壓力的預(yù)定值為0. 1 5atm。 所述的脈寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2個(gè)，所述的的氫氣壓力的預(yù)定值為0. 5atm。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用多個(gè)脈寬調(diào)制電磁閥并聯(lián)調(diào)節(jié)進(jìn)入燃料電池堆的氫
氣壓力，分散了控制氫氣壓力的閥的承受量，延長(zhǎng)了閥的壽命，從而降低了成本，而且脈寬
調(diào)制電磁閥是通過(guò)脈沖控制閥門高頻率開關(guān)，根據(jù)進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力調(diào)節(jié)電磁比
例閥的開關(guān)次數(shù)，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣和空氣壓力精確在預(yù)設(shè)值上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可罪。 當(dāng)大功率(>50千瓦)燃料電池處于小負(fù)荷輸出時(shí)，一般脈寬調(diào)制電磁閥只有 1 2個(gè)在工作，但是當(dāng)處于滿負(fù)荷或大負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)，可以讓2個(gè)以上所有脈寬調(diào)制電 磁閥都處于工作狀態(tài)，可以 1)連接每個(gè)脈寬調(diào)制電磁閥的管徑可以減少，增加耐壓等安全性；
2)每個(gè)脈寬調(diào)制電磁閥工作負(fù)荷減?。?3)某個(gè)脈寬調(diào)制電磁閥損壞，處于停止工作狀態(tài)時(shí)，可以被隔離掉，其他電磁閥仍 處于工作狀態(tài)，不影響系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 如圖l所示，一種100KW的燃料電池的氫氣循環(huán)系統(tǒng)，包括儲(chǔ)氫罐2、減壓閥3、燃 料電池堆5、水汽分離器6、氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)7，氫氣罐2通過(guò)減壓閥3連接燃料電池堆5的氫 氣入口，燃料電池堆5的氫氣出口通過(guò)水汽分離器6和氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)7連接燃料電池堆5 的氫氣入口，所述的減壓閥3與燃料電池堆5的氫氣入口之間還設(shè)有三個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制 電磁閥1 (P麗)和一個(gè)壓力傳感器4，該壓力傳感器4設(shè)置在燃料電池堆5的氫氣入口處，并 與三個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥1連接，每根連接管路為內(nèi)徑5mm，外徑10mm的不銹鋼管路， 進(jìn)入燃料電池堆總氫氣管路為內(nèi)徑20mm，外徑25mm的不銹鋼管；壓力傳感器4探測(cè)到進(jìn)入 燃料電池堆5的氫氣壓力，并將該壓力信號(hào)反饋到脈寬調(diào)制電磁閥l，當(dāng)燃料電池處于小負(fù) 荷(< 10千瓦)輸出時(shí)， 一般脈寬調(diào)制電磁閥1只有1 2個(gè)在工作，但是當(dāng)處于滿負(fù)荷 或大負(fù)荷(20 50千瓦)工作狀態(tài)時(shí)，可以讓2個(gè)以上所有脈寬調(diào)制電磁閥都處于工作狀 態(tài)，該脈寬調(diào)制電磁閥l根據(jù)壓力信號(hào)，通過(guò)脈沖控制閥門高頻率開關(guān)，自動(dòng)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制 電磁閥1的開關(guān)次數(shù)，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在預(yù)定值0. 5atm。
所述的脈寬調(diào)制電磁閥可根據(jù)需要設(shè)置2 5個(gè)，氫氣壓力的預(yù)定值根據(jù)燃料電 池堆的具體情況可為0. 1 0. 5atm。
權(quán)利要求
一種帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)，包括儲(chǔ)氫罐、減壓閥、燃料電池堆、水汽分離器、氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，氫氣罐通過(guò)減壓閥連接燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口通過(guò)水汽分離器和氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)連接燃料電池堆的氫氣入口，其特征在于，所述的減壓閥與燃料電池堆的氫氣入口之間還設(shè)有多個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥和一個(gè)壓力傳感器，該壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣入口處，并與多個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥連接，壓力傳感器探測(cè)到進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力，并將該壓力信號(hào)反饋到脈寬調(diào)制電磁閥，該脈寬調(diào)制電磁閥根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟與關(guān)閉頻率，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在預(yù)定值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的脈寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2 5個(gè)，各脈寬調(diào)制電磁閥并聯(lián)連接，當(dāng)大功率(> 50千瓦)燃料電池處于小負(fù)荷輸出時(shí)，脈寬調(diào)制電磁閥有1 2個(gè)在工作，當(dāng)處于滿負(fù)荷或大負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)，2個(gè)以上所有脈寬調(diào)制電磁閥都處于工作狀態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的脈寬調(diào)制電磁閥通過(guò)脈沖控制閥門高頻率開關(guān)，根據(jù)進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制電磁閥的開關(guān)次數(shù)，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在預(yù)設(shè)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的氫氣壓力的預(yù)定值為0. 1 5atm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的脈寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2個(gè)，所述的的氫氣壓力的預(yù)定值為0. 5atm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有脈寬調(diào)制電磁閥的燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)，包括儲(chǔ)氫罐、減壓閥、燃料電池堆、水汽分離器、氫氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，所述的減壓閥與燃料電池堆的氫氣入口之間還設(shè)有多個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥和一個(gè)壓力傳感器，該壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣入口處，并與多個(gè)并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥連接，壓力傳感器探測(cè)到進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力，并將該壓力信號(hào)反饋到脈寬調(diào)制電磁閥，該脈寬調(diào)制電磁閥根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)開啟與關(guān)閉頻率，使進(jìn)入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在預(yù)定值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101764239SQ20081020799
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者付明竹, 林琦, 胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司