專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及質(zhì)子交換膜燃料電池的制造技術(shù)，特別是一種質(zhì)子交換膜燃料電 池陽極脈沖排水系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種高效和環(huán)境友好的發(fā)電裝置，它直接將貯存在燃料與 氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其工作溫度一般低于100°c，氧的電化學(xué)還原反應(yīng)生成的水 為液態(tài)水。生成的水可以兩種方式排出，一種為氣態(tài)，若反應(yīng)氣的相對濕度小于1，即反應(yīng)氣 中水蒸氣分壓未達到相應(yīng)電池工作溫度下水蒸氣分壓時，水可汽化，隨電池排放的尾氣離 開電池；另一種方式為液態(tài)排水，此時反應(yīng)氣的相對濕度已達到1，在電極催化層生成的液 態(tài)水靠毛細力和壓差推動，傳遞到擴散層氣相側(cè)，液態(tài)水滴由反應(yīng)氣吹掃出電池。為有效排 放液態(tài)水滴，有效地對燃料電池內(nèi)部水進行管理，提高系統(tǒng)可靠性，陽極側(cè)大多采用脈沖排 放的方式排放液態(tài)水滴，同時排放陽極側(cè)雜質(zhì)。采用該方法控制比較簡單，但在脈沖排放瞬 間，如控制目標(biāo)為壓力控制，此時入堆氫氣流量會出現(xiàn)峰值，因流量波動區(qū)間較大，壓力沒 有穩(wěn)定控制，會出現(xiàn)一定程度的波動；如控制目標(biāo)為流量控制，脈沖排放瞬間壓力也會出現(xiàn) 大幅波動。
發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實用新型要設(shè)計一種可以精確的控制入堆燃 料氣的壓力或流量，燃料氣的利用率可精確調(diào)節(jié)的質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系 統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案為一種質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)，包括氫氣儲罐、一級減壓閥、二級減 壓閥、進氣電磁閥和燃料電池電堆，還包括尾排電磁閥和輔助電磁閥；氫氣來源于氫氣儲 罐，經(jīng)一級減壓閥進入二級減壓閥和輔助電磁閥，所述的輔助電磁閥與二級減壓閥并聯(lián)；氫 氣經(jīng)二級減壓閥和輔助電磁閥后合并進入進氣電磁閥，再進入燃料電池電堆，最后進入尾 排電磁閥，將尾氣排放至外界。本實用新型所述的二級減壓閥可以更換為流量控制器或壓力控制器或位置開度 可調(diào)閥。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果1、由于本實用新型通過尾排電磁閥和輔助電磁閥的組合使用，實現(xiàn)輔助進氣和尾 排排氣氣量一致，精確地控制了入堆燃料氣的壓力或流量。2、由于本實用新型通過尾排電磁閥和輔助電磁閥的組合使用，實現(xiàn)輔助進氣和尾 排排氣氣量一致，精確的控制了入堆燃料氣的壓力或流量，可通過尾排電磁閥的脈沖排放 頻率精確調(diào)節(jié)實現(xiàn)燃料氣的利用率精確調(diào)節(jié)；3、由于本實用新型的技術(shù)方案是通過附加輔助電磁閥實現(xiàn)，該輔助電磁閥為常用部件，控制簡單，成本低，安全可靠，因此該系統(tǒng)簡單，安全可靠，成本較低，適用性強。
本實用新型共有附圖4幅，其中圖1質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)流程圖I ；圖2質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)流程圖II ；圖3未引入輔助電磁閥測試結(jié)果曲線圖；圖4引入輔助電磁閥測試結(jié)果曲線圖。圖中，1、氫氣儲罐，2、一級減壓閥，3、二級減壓閥，4、流量控制器，5、壓力控制器， 6、位置開度可調(diào)閥，7、輔助電磁閥，8、進氣電磁閥，9、電堆，10、尾排電磁閥，11、壓力傳感器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步描述，如圖1-2所示，一種質(zhì)子交換膜燃料 電池陽極脈沖排水系統(tǒng)，包括氫氣儲罐1、一級減壓閥2、二級減壓閥3、進氣電磁閥8和燃料 電池電堆9，還包括尾排電磁閥10和輔助電磁閥7 ；氫氣來源于氫氣儲罐1，經(jīng)一級減壓閥2 進入二級減壓閥3和輔助電磁閥7，所述的輔助電磁閥7與二級減壓閥3并聯(lián)；氫氣經(jīng)二級 減壓閥3和輔助電磁閥7后合并進入進氣電磁閥8，再進入燃料電池電堆9，最后進入尾排 電磁閥10，將尾氣排放至外界。所述的二級減壓閥3可以更換為流量控制器4或壓力控制 器5或位置開度可調(diào)閥6。本實用新型的工作方法，包括以下步驟A、燃料氫氣由氫氣儲罐1提供，經(jīng)一級減壓閥2減壓，再進入二級減壓閥3減壓至 燃料電池系統(tǒng)所需壓力，輔助電磁閥7與二級減壓閥3并聯(lián)使用，氫氣同時進入輔助電磁閥 7與二級減壓閥3，為燃料電池電堆供氣；B、燃料氫氣同時通過并聯(lián)的輔助電磁閥7與二級減壓閥3后，再經(jīng)進氣電磁閥8 進入電堆9，最后通過尾排電磁閥10進行排放；尾排電磁閥10的排放采用脈沖排放方式， 在脈沖排放瞬間，反應(yīng)氣在流場內(nèi)流動線速度達到一定值，依靠反應(yīng)氣吹掃出電堆反應(yīng)生 成水。所述的反應(yīng)氣在流場內(nèi)流動線速度達到一定值是指反應(yīng)氣在流場內(nèi)流動線速度 大于或等于5m/s。所述的尾排電磁閥10進行脈沖排放時，與輔助電磁閥7采用與尾排電磁閥10同 步同脈沖排放周期的控制方法，實行同流量控制；即尾排電磁閥10與輔助電磁閥7的開關(guān) 周期相同、控制占空比相同。本實用新型所述的尾排電磁閥10與輔助電磁閥7通過采用流量系數(shù)Cv值匹配的 方法，實現(xiàn)流量同步控制；所述的流量系數(shù)Cv值是尾排電磁閥10與輔助電磁閥7的重要參數(shù)，它反映調(diào)節(jié) 閥的能力或容量，通過已知尾排電磁閥10的流量系數(shù)Cv值，確定輔助電磁閥7的流量系數(shù) Cv值，具體步驟如下Bi、參照流量系數(shù)Cv值理論計算式，初步確定輔助電磁閥7流量系數(shù)Cv值參考值理論計算值Cthv ；B2、根據(jù)試驗條件，理論計算得出輔助電磁閥7的流量系數(shù)Cv值Cthv，選取流量系 數(shù)Cv值接近Cthv但不小于Cthv的輔助電磁閥7進行試驗修正；B3、將尾排電磁閥10與輔助電磁閥7進行連接試驗中為對電堆9進行保護，當(dāng)電 堆9壓力達到電堆保護極限壓力時，尾排電磁閥10常開，關(guān)閉輔助電磁閥7，電堆降載；在 測試過程中，如壓力傳感器11顯示值呈上升狀態(tài)，表明輔助電磁閥7的Cthv理論計算值偏 大，采用不同孔徑的孔板對其進行修正，直至壓力傳感器11顯示值恒定；如壓力傳感器11 顯示值呈下降狀態(tài)，表明輔助電磁閥7的Cthv理論計算值偏小，此時微調(diào)一級減壓閥2，使 其開度緩慢增大，直至壓力傳感器11顯示值恒定，記錄一級減壓閥2出口壓力，重新計算流 量系數(shù)Cv值；重復(fù)上述步驟，直至壓力傳感器11顯示值恒定。下面用一個具體實施例來對本實用新型的結(jié)構(gòu)及有益效果作進一步的說明。如圖 1-2所示，氫氣儲罐1壓力35MPa，一級減壓閥2減壓至7bar，系統(tǒng)采用二級減壓閥3減壓， 減壓壓力為55kPa，尾排電磁閥10的流量系數(shù)Cv= 1. 10，燃料電池電堆9氫氣側(cè)阻力較小， 按2kPa進行計算，尾排電磁閥10閥前壓力53kPa，閥門動作壓力差為53kPa ；輔助電磁閥7 閥前壓力為7bar = 700kPa,閥后壓力為55kPa，輔助電磁閥7動作壓力差為645kPa。流量系數(shù)Cv值是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)，它反映調(diào)節(jié)閥的能力或容量，根據(jù)流量系數(shù) Cv值的大小來確定調(diào)節(jié)閥的公稱通徑。根據(jù)以上條件，理論計算得輔助電磁閥7流量系數(shù) Cv值=0.沈，選取流量系數(shù)Cv值接近0. 26但不小于0. 26的電磁閥，試驗修正，將兩閥按 圖2所示方式進行連接，試驗中為對電堆9進行保護，當(dāng)電堆9壓力達到SOkPa時，尾排電 磁閥10常開，關(guān)閉輔助電磁閥7，電堆9降載。在測試過程中，如壓力傳感器11顯示值呈上 升狀態(tài)，表明輔助電磁閥7流量系數(shù)Cv值理論計算值偏大，采用不同孔徑的孔板對其進行 修正，直至壓力傳感器11顯示值恒定；如壓力傳感器11顯示值呈下降狀態(tài)，表明輔助電磁 閥7流量系數(shù)Cv值理論計算值偏小，此時微調(diào)一級減壓閥2，使其開度緩慢增大，直至壓力 傳感器11顯示值恒定，記錄一級減壓閥2出口壓力，重新計算流量系數(shù)Cv值，重復(fù)上述步 驟。直至壓力傳感器11顯示值恒定。附圖3所示為試驗中測試了未引入輔助電磁閥7的測試結(jié)果，圖中■表示電堆9 運行電流值，▲表示氫氣入堆壓力值、即壓力傳感器11的顯示值；附圖4所示為試驗中測試 了弓丨入輔助電磁閥7的測試結(jié)果，圖中■表示電堆運行電流值，▲表示氫氣入堆壓力值、即 壓力傳感器11的顯示值。圖3和圖4試驗中，尾排電磁閥10控制策略一致，從測試結(jié)果可以看出未引入輔 助電磁閥7時，壓力傳感器11顯示值在脈沖排放瞬間有大幅波動，即燃料電池電堆9工作 壓力在脈沖排放瞬間有大幅波動，非穩(wěn)態(tài)操作，且尾排電磁閥10閥前壓力大幅波動，排放 推動力即尾排電磁閥10兩側(cè)壓差或吹掃氣體流速不及引入輔助電磁閥7系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)，包括氫氣儲罐(1)、一級減壓閥O)、 二級減壓閥⑶、進氣電磁閥⑶和燃料電池電堆(9)，其特征在于該系統(tǒng)還包括尾排電磁 閥(10)和輔助電磁閥(7)；氫氣來源于氫氣儲罐(1)，經(jīng)一級減壓閥( 進入二級減壓閥 (3)和輔助電磁閥(7)，所述的輔助電磁閥(7)與二級減壓閥(3)并聯(lián)；氫氣經(jīng)二級減壓閥 (3)和輔助電磁閥(7)后合并進入進氣電磁閥(8)，再進入燃料電池電堆(9)，最后進入尾排 電磁閥(10)，將尾氣排放至外界。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)，其特征在于 所述的二級減壓閥(3)可以更換為流量控制器(4)或壓力控制器( 或位置開度可調(diào)閥 (6)。
專利摘要本實用新型公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)包括氫氣儲罐、一級減壓閥、二級減壓閥、進氣電磁閥和燃料電池電堆，還包括尾排電磁閥和輔助電磁閥；所述的輔助電磁閥與二級減壓閥并聯(lián)；氫氣經(jīng)二級減壓閥和輔助電磁閥后合并進入進氣電磁閥，再進入燃料電池電堆，最后進入尾排電磁閥，將尾氣排放至外界。由于本實用新型通過尾排電磁閥和輔助電磁閥的組合使用，實現(xiàn)輔助進氣和尾排排氣氣量一致，精確地控制了入堆燃料氣的壓力或流量，并可通過尾排電磁閥的脈沖排放頻率精確調(diào)節(jié)實現(xiàn)燃料氣的利用率精確調(diào)節(jié)。本實用新型系統(tǒng)簡單，安全可靠，成本較低，適用性強。
文檔編號H01M8/04GK201868513SQ20102063060
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者于長云, 侯中軍, 戚朋, 王仁芳 申請人:新源動力股份有限公司