本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜電池，尤其涉及一種新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加速，不可再生能源日漸枯竭，加之全球氣候變化和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，世界各國(guó)迫切需要尋找清潔、高效的替代能源；在這一背景下，氫能作為一種清潔能源被廣泛關(guān)注，而質(zhì)子交換膜燃料電池因其高效、環(huán)保的特性，成為氫能利用的重要方式之一；質(zhì)子交換膜燃料電池在運(yùn)輸、便攜式電源和固定電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；

2、質(zhì)子交換膜燃料電池的性能和效率在很大程度上依賴于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；尤其是陰極流道的設(shè)計(jì)，對(duì)于電池性能的提升至關(guān)重要；陰極流道不僅負(fù)責(zé)提供反應(yīng)所需的氧氣，還需要有效地排出生成的水，避免水淹現(xiàn)象，從而確保電極反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行和電池的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行；研究人員不斷探索更優(yōu)的流道設(shè)計(jì)，以提高電池的整體性能；在這過程中，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法被廣泛采用，推動(dòng)了流道設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展；

3、陰極流道設(shè)計(jì)的不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，是推動(dòng)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)進(jìn)步的重要方向；隨著材料科學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和制造工藝的發(fā)展，未來的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極流道設(shè)計(jì)將更加高效、穩(wěn)定，助力氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源體系提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障；

4、現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極流道設(shè)計(jì)存在氧氣分布不均、水管理困難等問題，導(dǎo)致電池性能不穩(wěn)定、效率降低。

5、因此，發(fā)明一種新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)顯得非常必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極流道設(shè)計(jì)存在氧氣分布不均、水管理困難等問題，導(dǎo)致電池性能不穩(wěn)定、效率降低的問題。一種新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，包括電池本體、控制器和驅(qū)動(dòng)器，所述控制器和驅(qū)動(dòng)器安裝在電池本體的上方；

2、所述電池本體包括固定夾板、電堆、氫氣接口、陰極產(chǎn)物出口和控制平臺(tái)，所述固定夾板采用多個(gè)，且固定夾板設(shè)置在電堆的兩側(cè)；所述控制平臺(tái)安裝在固定夾板的上端，且控制平臺(tái)位于電堆的上側(cè)；所述氫氣接口安裝在控制平臺(tái)上方的前側(cè)，且氫氣接口與電堆的陽極相連通；所述陰極產(chǎn)物出口開設(shè)在固定夾板后側(cè)的下方，且陰極產(chǎn)物出口與電堆的陰極相連通；

3、該新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)還包括溫度探頭、鼓風(fēng)機(jī)、濕度傳感器和凹槽結(jié)構(gòu)，所述溫度探頭內(nèi)嵌在電堆的內(nèi)部；所述濕度傳感器安裝在陰極產(chǎn)物出口的內(nèi)側(cè)；所述鼓風(fēng)機(jī)與固定夾板的一側(cè)相連，且鼓風(fēng)機(jī)的出氣端與電堆的陰極相連通；所述凹槽結(jié)構(gòu)采用多個(gè)，且凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)置在電堆的內(nèi)部。

4、進(jìn)一步，所述凹槽結(jié)構(gòu)包括殼體、流道和渦流槽，所述殼體采用多個(gè)，且殼體設(shè)置在電堆的內(nèi)部；所述流道開設(shè)在殼體的內(nèi)部；所述渦流槽采用多個(gè)，且渦流槽開設(shè)在殼體的內(nèi)側(cè)，該渦流槽位于流道的下側(cè)；

5、通過采取上述技術(shù)方案，在電堆內(nèi)部設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，使流經(jīng)流道的氣流在流道的內(nèi)部產(chǎn)生渦流，由于較冷的空氣和水蒸氣密度相對(duì)較大，使得較冷的空氣和水蒸氣附在陰極附近流動(dòng)，而溫度較高的空氣因?yàn)槊芏容^小而遠(yuǎn)離陰極，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極的溫度抑制和水管理。

6、進(jìn)一步，所述固定夾板的內(nèi)部設(shè)置有氧化劑流通的通道，且固定夾板的通道與電堆的陰極區(qū)相連通，該固定夾板的通道與鼓風(fēng)機(jī)的出氣端相連通；所述控制器和驅(qū)動(dòng)器通過導(dǎo)線分別與市電相連，且控制器通過導(dǎo)線與驅(qū)動(dòng)器相連，該控制器采用模糊pid算法。

7、進(jìn)一步，所述控制平臺(tái)的尺寸與固定夾板的尺寸匹配，且控制平臺(tái)采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)；所述固定夾板對(duì)稱設(shè)置，且固定夾板采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)；所述溫度探頭通過導(dǎo)線與控制器相連，且溫度探頭用于檢測(cè)電堆內(nèi)部的溫度；所述鼓風(fēng)機(jī)通過導(dǎo)線分別與控制器和驅(qū)動(dòng)器相連；所述濕度傳感器通過導(dǎo)線分別與控制器和驅(qū)動(dòng)器相連，且濕度傳感器用于檢測(cè)電堆的濕度；

8、通過采取上述技術(shù)方案，在電堆內(nèi)部設(shè)置溫度探頭，溫度探頭用于檢測(cè)電堆內(nèi)部的溫度，配合控制器進(jìn)而精確地計(jì)算出電堆所需的散熱量，控制器采用模糊pid算法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置相應(yīng)的模糊規(guī)則，根據(jù)電堆的溫度、外部的環(huán)境溫度和電堆的濕度計(jì)算散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)機(jī)的供氣量，進(jìn)而提高系統(tǒng)的魯棒性，保證系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運(yùn)行；在陰極產(chǎn)物出口內(nèi)部設(shè)置濕度傳感器，濕度傳感器檢測(cè)電堆的濕度，防止因濕度過低而造成膜脫水和因濕度過低而造成水淹問題，保證電堆的穩(wěn)定性，提高質(zhì)子交換膜電池的使用壽命。

9、進(jìn)一步，所述殼體在電堆的內(nèi)部均勻設(shè)置；所述流道貫穿殼體的前后兩側(cè)；所述渦流槽等間距設(shè)置，且渦流槽用于使流經(jīng)流道的氣流在流道的內(nèi)部產(chǎn)生渦流。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

11、1、本發(fā)明中，在電堆內(nèi)部設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，使流經(jīng)流道的氣流在流道的內(nèi)部產(chǎn)生渦流，由于較冷的空氣和水蒸氣密度相對(duì)較大，使得較冷的空氣和水蒸氣附在陰極附近流動(dòng)，而溫度較高的空氣因?yàn)槊芏容^小而遠(yuǎn)離陰極，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極的溫度抑制和水管理；

12、2、本發(fā)明中，在電堆內(nèi)部設(shè)置溫度探頭，溫度探頭用于檢測(cè)電堆內(nèi)部的溫度，配合控制器進(jìn)而精確地計(jì)算出電堆所需的散熱量，控制器采用模糊pid算法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置相應(yīng)的模糊規(guī)則，根據(jù)電堆的溫度、外部的環(huán)境溫度和電堆的濕度計(jì)算散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和鼓風(fēng)機(jī)的供氣量，進(jìn)而提高系統(tǒng)的魯棒性，保證系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運(yùn)行；

13、3、本發(fā)明中，在陰極產(chǎn)物出口內(nèi)部設(shè)置濕度傳感器，濕度傳感器檢測(cè)電堆的濕度，防止因濕度過低而造成膜脫水和因濕度過低而造成水淹問題，保證電堆的穩(wěn)定性，提高質(zhì)子交換膜電池的使用壽命；

技術(shù)特征：

1.一種新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：包括電池本體(1)、控制器(10)和驅(qū)動(dòng)器(11)，所述控制器(10)和驅(qū)動(dòng)器(11)安裝在電池本體(1)的上方；

2.如權(quán)利要求1所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述凹槽結(jié)構(gòu)(12)包括殼體(121)、流道(122)和渦流槽(123)，所述殼體(121)采用多個(gè)，且殼體(121)設(shè)置在電堆(3)的內(nèi)部；所述流道(122)開設(shè)在殼體(121)的內(nèi)部；所述渦流槽(123)采用多個(gè)，且渦流槽(123)開設(shè)在殼體(121)的內(nèi)側(cè)，該渦流槽(123)位于流道(122)的下側(cè)。

3.如權(quán)利要求1所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述固定夾板(2)的內(nèi)部設(shè)置有氧化劑流通的通道，且固定夾板(2)的通道與電堆(3)的陰極區(qū)相連通，該固定夾板(2)的通道與鼓風(fēng)機(jī)(5)的出氣端相連通。

4.如權(quán)利要求1所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述控制器(10)和驅(qū)動(dòng)器(11)通過導(dǎo)線分別與市電相連，且控制器(10)通過導(dǎo)線與驅(qū)動(dòng)器(11)相連，該控制器(10)采用模糊pid算法。

5.如權(quán)利要求1所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述控制平臺(tái)(9)的尺寸與固定夾板(2)的尺寸匹配，且控制平臺(tái)(9)采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)；所述固定夾板(2)對(duì)稱設(shè)置，且固定夾板(2)采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。

6.如權(quán)利要求1所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述溫度探頭(4)通過導(dǎo)線與控制器(10)相連，且溫度探頭(4)用于檢測(cè)電堆(3)內(nèi)部的溫度。

7.如權(quán)利要求1所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述鼓風(fēng)機(jī)(5)通過導(dǎo)線分別與控制器(10)和驅(qū)動(dòng)器(11)相連。

8.如權(quán)利要求1所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述濕度傳感器(8)通過導(dǎo)線分別與控制器(10)和驅(qū)動(dòng)器(11)相連，且濕度傳感器(8)用于檢測(cè)電堆(3)的濕度。

9.如權(quán)利要求2所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述殼體(121)在電堆(3)的內(nèi)部均勻設(shè)置；所述流道(122)貫穿殼體(121)的前后兩側(cè)。

10.如權(quán)利要求2所述的新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，其特征在于：所述渦流槽(123)等間距設(shè)置，且渦流槽(123)用于使流經(jīng)流道(122)的氣流在流道(122)的內(nèi)部產(chǎn)生渦流。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種新型陰極流道設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜電池系統(tǒng)，包括電池本體、控制器和驅(qū)動(dòng)器，所述控制器和驅(qū)動(dòng)器安裝在電池本體的上方；所述電池本體包括固定夾板、電堆、氫氣接口、陰極產(chǎn)物出口和控制平臺(tái)，所述固定夾板采用多個(gè)，且固定夾板設(shè)置在電堆的兩側(cè)；所述控制平臺(tái)安裝在固定夾板的上端，且控制平臺(tái)位于電堆的上側(cè)；所述氫氣接口安裝在控制平臺(tái)上方的前側(cè)，且氫氣接口與電堆的陽極相連通；本發(fā)明中，在電堆內(nèi)部設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，使流經(jīng)流道的氣流在流道的內(nèi)部產(chǎn)生渦流，由于較冷的空氣和水蒸氣密度相對(duì)較大，使得較冷的空氣和水蒸氣附在陰極附近流動(dòng)，而溫度較高的空氣因?yàn)槊芏容^小而遠(yuǎn)離陰極，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極的溫度抑制和水管理。

技術(shù)研發(fā)人員：徐潔,馬威龍飛,汪志鋒,金步宸
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海第二工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19