[發(fā)明專利]一種具有雙極尾氣壓力聯動平衡功能的燃料電池系統

有效

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• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113690472B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設計）人: 鄧波;湯浩;宋亞婷
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/0662
• 分類號: H01M8/0662;H01M8/04089;H01M8/04746;H01M8/04228;H01M8/04303
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發(fā)明提供一種具有雙極尾氣壓力聯動平衡功能的燃料電池系統，屬于燃料電池技術領域，包括電堆模塊、氫氣子系統、空氣子系統、熱管理子系統、尾氣子系統和附屬控制系統，尾氣子系統包括雙極尾氣壓力聯動平衡裝置、陰陽極尾氣切斷閥、陰陽極尾氣背壓閥、陰陽極尾氣排液閥、系統陰陽極尾氣排出口、冷凝水排出口以及管路，雙極尾氣壓力聯動平衡裝置包括殼體、彈性隔膜、隔膜固定件、陰陽極尾氣腔體、陰陽極尾氣進口、陰陽極尾氣出口和陰陽極腔排液口。本發(fā)明利用雙極尾氣壓力聯動平衡裝置將陰陽極尾氣物理隔離，同時通過背壓調節(jié)過程實現陰陽極出堆壓力的平衡，提高燃料電池系統在全功率范圍內壓力穩(wěn)定性，適用于快速變載運行過程及緊急停機過程。

技術領域

本發(fā)明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種具有雙極尾氣壓力聯動平衡功能的燃料電池系統。

背景技術

燃料電池具有能量轉換效率高、工作溫度低、噪音小及零污染等特點，近些年呈現了爆發(fā)式發(fā)展趨勢。燃料電池為氫氣和氧氣經過電化學反應直接使化學能轉變成電能的電化學反應裝置，一般包括燃料電池電堆、氣體輸配與監(jiān)測系統、尾氣系統、散熱系統、控制系統、氫氣安全系統、輔助電源及電能輸出系統，可用于車輛、航空航天、固定式電站及水下裝置等場景。

近年來，燃料電池關鍵材料有了較大的突破，使燃料電池電堆的性能提升較快，電堆功率密度、壽命不斷出現新高。然而，很多系統集成廠商發(fā)現電堆集成于燃料電池系統后其性能和壽命會大打折扣，其中最重要的一個原因是電堆壓力管理問題直接或間接引發(fā)的電堆性能一致性問題及流場排水問題。為了降低質子傳導電阻和水擴散性能，作為電堆核心材料的質子交換膜的厚度越來越薄，在一定程度上為電堆性能提升帶來了明顯效果，但質子交換膜厚度的減薄也為電堆陰陽極壓力管理帶來了較大問題，一般要求膜兩側壓差不超過35kPa。尤其在電堆向高功率密度方向發(fā)展時，要求電堆的排水性能好、背壓能力強，這使電堆陰陽極單側流場壓差、陰陽極雙側膜壓差以及電堆背壓三方面問題交織于一體。當電堆陰陽極單側流場壓差較低時，相當于拓寬了陰陽極膜兩側壓差的操作窗口，降低膜兩側壓差的控制難度，但是陰陽極單側流場壓差較低時使得其流場排水性能變差，容易造成局部水淹；當電堆陰陽極單側流場壓差較高時，會極大增強電堆陰陽極兩側流場的排水能力，但是隨之帶來陰陽極膜兩側壓差的操作窗口變窄，電堆整體壓力管理難度加大。

電堆整體壓力管理問題對不同運行工況的影響不同，主要歸納為兩方面：一方面，燃料電池系統在穩(wěn)態(tài)運行和加減載過程的陰陽極壓力管理不到位，出現單極或雙極壓力波動，引起電堆內部反應不均衡，容易造成電堆性能下降、局部水淹或局部干燥等問題；另一方面，在系統緊急狀態(tài)下，系統對壓力管理的應急能力跟不上，導致系統瞬時出現陰陽極壓力過大，對膜材料產生損傷，降低燃料電池壽命。

發(fā)明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發(fā)明提出了一種具有雙極尾氣壓力聯動平衡功能的燃料電池系統，燃料電池運行過程的陽極尾氣和陰極尾氣通過雙極壓力聯動裝置改變其尾氣流動阻力，使得出堆陰陽極尾氣的壓力在各種系統運行狀態(tài)下均能相互關聯，出堆壓力保持相互平衡，增強系統在穩(wěn)態(tài)工況、動態(tài)加減載功率、故障狀況及緊急停機等情況下的壓力應對能力，并極大拓寬燃料電池系統壓力運行范圍。

本發(fā)明具體技術方案如下：

一種具有雙極尾氣壓力聯動平衡功能的燃料電池系統，包括電堆模塊100，及與電堆模塊100相連的氫氣子系統200、空氣子系統300、熱管理子系統400、尾氣子系統500和附屬控制系統600，其特征在于，所述尾氣子系統500包括雙極尾氣壓力聯動平衡裝置5、陽極尾氣切斷閥501、陽極尾氣背壓閥502、陰極尾氣切斷閥503、陰極尾氣背壓閥504、陽極尾氣排液閥508、陰極尾氣排液閥509、系統陽極尾氣排出口505、系統陰極尾氣排出口506、冷凝水排出口507以及用于連接的管路；

所述雙極尾氣壓力聯動平衡裝置5包括殼體520、彈性隔膜521、隔膜固定件522、陽極尾氣腔體523、陰極尾氣腔體524、陽極尾氣進口525、陽極尾氣出口526、陰極尾氣進口527、陰極尾氣出口528、陽極腔排液口529和陰極腔排液口530；