[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)及其工作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010565900.2
• 申請(qǐng)日: 2010-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN102035001A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王仁芳;侯中軍;于長(zhǎng)云;戚朋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 新源動(dòng)力股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(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)及其工作方法。

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℃，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(duì)濕度小于1，即反應(yīng)氣中水蒸氣分壓未達(dá)到相應(yīng)電池工作溫度下水蒸氣分壓時(shí)，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(shí)反應(yīng)氣的相對(duì)濕度已達(dá)到1，在電極催化層生成的液態(tài)水靠毛細(xì)力和壓差推動(dòng)，傳遞到擴(kuò)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(duì)燃料電池內(nèi)部水進(jìn)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(shí)排放陽極側(cè)雜質(zhì)。采用該方法控制比較簡(jiǎn)單，但在脈沖排放瞬間，如控制目標(biāo)為壓力控制，此時(shí)入堆氫氣流量會(huì)出現(xiàn)峰值，因流量波動(dòng)區(qū)間較大，壓力沒有穩(wěn)定控制，會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)；如控制目標(biāo)為流量控制，脈沖排放瞬間壓力也會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)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)及其工作方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(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(chǔ)罐、一級(jí)減壓閥、二級(jí)減壓閥、進(jìn)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(chǔ)罐，經(jīng)一級(jí)減壓閥進(jìn)入二級(jí)減壓閥和輔助電磁閥，所述的輔助電磁閥與二級(jí)減壓閥并聯(lián)；氫氣經(jīng)二級(jí)減壓閥和輔助電磁閥后合并進(jìn)入進(jìn)氣電磁閥，再進(jìn)入燃料電池電堆，最后進(jìn)入尾排電磁閥，將尾氣排放至外界。

本發(fā)明所述的二級(jí)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。

一種質(zhì)子交換膜燃料電池陽極脈沖排水系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：

A、燃料氫氣由氫氣儲(chǔ)罐提供，經(jīng)一級(jí)減壓閥減壓，再進(jìn)入二級(jí)減壓閥減壓至燃料電池系統(tǒng)所需壓力，輔助電磁閥與二級(jí)減壓閥并聯(lián)使用，氫氣同時(shí)進(jìn)入輔助電磁閥與二級(jí)減壓閥，為燃料電池電堆供氣；

B、燃料氫氣同時(shí)通過并聯(lián)的輔助電磁閥與二級(jí)減壓閥后，再經(jīng)進(jìn)氣電磁閥進(jìn)入電堆，最后通過尾排電磁閥進(jìn)行排放；尾排電磁閥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(chǎng)內(nèi)流動(dòng)線速度達(dá)到一定值，依靠反應(yīng)氣吹掃出電堆反應(yīng)生成水。

本發(fā)明所述的反應(yīng)氣在流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)線速度達(dá)到一定值是指反應(yīng)氣在流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)線速度大于或等于5m/s。

本發(fā)明所述的尾排電磁閥進(jìn)行脈沖排放時(shí)，與輔助電磁閥采用與尾排電磁閥同步同脈沖排放周期的控制方法，實(shí)行同流量控制；即尾排電磁閥與輔助電磁閥的開關(guān)周期相同、控制占空比相同。

本發(fā)明所述的尾排電磁閥與輔助電磁閥通過采用流量系數(shù)Cv值匹配的方法，實(shí)現(xiàn)流量同步控制；

所述的流量系數(shù)Cv值是尾排電磁閥與輔助電磁閥的重要參數(shù)，它反映調(diào)節(jié)閥的能力或容量，通過已知尾排電磁閥的流量系數(shù)Cv值，確定輔助電磁閥的流量系數(shù)Cv值，具體步驟如下：

B1、參照流量系數(shù)Cv值理論計(jì)算式，初步確定輔助電磁閥流量系數(shù)Cv值參考值理論計(jì)算值Cthv；

B2、根據(jù)試驗(yàn)條件，理論計(jì)算得出輔助電磁閥的流量系數(shù)Cv值Cthv，選取流量系數(shù)Cv值接近Cthv但不小于Cthv的輔助電磁閥進(jìn)行試驗(yàn)修正；

B3、將尾排電磁閥與輔助電磁閥進(jìn)行連接：試驗(yàn)中為對(duì)電堆進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電堆壓力達(dá)到80kPa時(shí)，尾排電磁閥常開，關(guān)閉輔助電磁閥，電堆降載；在測(cè)試過程中，如壓力傳感器顯示值呈上升狀態(tài)，表明輔助電磁閥的Cthv理論計(jì)算值偏大，采用不同孔徑的孔板對(duì)其進(jìn)行修正，直至壓力傳感器顯示值恒定；如壓力傳感器顯示值呈下降狀態(tài)，表明輔助電磁閥的Cthv理論計(jì)算值偏小，此時(shí)微調(diào)一級(jí)減壓閥，使其開度緩慢增大，直至壓力傳感器顯示值恒定，記錄一級(jí)減壓閥出口壓力，重新計(jì)算流量系數(shù)Cv值；重復(fù)上述步驟，直至壓力傳感器顯示值恒定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、由于本發(fā)明通過尾排電磁閥和輔助電磁閥的組合使用，實(shí)現(xiàn)輔助進(jìn)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、由于本發(fā)明通過尾排電磁閥和輔助電磁閥的組合使用，實(shí)現(xiàn)輔助進(jìn)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(shí)現(xiàn)燃料氣的利用率精確調(diào)節(jié)；