一种燃料电池堆阳极水管理装置论文和设计-侯向理

全文摘要

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池堆阳极水管理装置。用于燃料电池堆，燃料电池堆的阳极分别设有第一氢气口和第二氢气口，第一氢气口和第二氢气口分别与氢气循环泵连接以使得第一氢气口进气时第二氢气口排气、第一氢气口排气时第二氢气口进气，并通过调节结构交替改变第一氢气口和第二氢气口的进、排气方向。该实用新型通过改变氢气的进、排气方向，解决了燃料电池堆阳极靠近入口部分电极容易失水干燥，靠近出口部分电极容易水淹的问题，使得燃料电池阳极流道内的水分布趋于平衡，从而增加燃料电池的可靠性和寿命。

主设计要求

1.一种燃料电池堆阳极水管理装置，用于燃料电池堆（10），其特征在于：所述燃料电池堆（10）的阳极分别设有第一氢气口（11）和第二氢气口（12），所述第一氢气口（11）和第二氢气口（12）分别与氢气循环泵（20）连接以使得第一氢气口（11）进气时第二氢气口（12）排气、使得第一氢气口（11）排气时第二氢气口（12）进气，并通过调节结构交替改变第一氢气口（11）和第二氢气口（12）的进、排气方向。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆阳极水管理装置，其特征在于：所述调节结构包括分别用于连接第一氢气口（11）和氢气循环泵（20）、第二氢气口（12）和氢气循环泵（20）的气管（21）以及分别设置于气管（21）的排空管（22），所述气管（21）和排空管（22）均设有气阀。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆阳极水管理装置，其特征在于：所述调节结构包括第一三通电磁阀（30）和第二三通电磁阀（40）；所述第一三通电磁阀（30）包括第一单向进口（31）、第一单向出口（32）以及第一通用口（33）；所述第二三通电磁阀（40）包括第二单向进口（41）、第二单向出口（42）以及第二通用口（43）；所述第一单向进口（31）、第一单向出口（32）、第二单向进口（41）以及第二单向出口（42）分别与所述氢气循环泵（20）连接，所述第一通用口（33）与第一氢气口（11）连接、第二通用口（43）与第二氢气口（12）连接。

4.根据权利要求2所述的一种燃料电池堆阳极水管理装置，其特征在于：所述调节结构还包括联动控制器，联动控制器控制第一氢气口（11）气管（21）气阀开启时，第一氢气口（11）排空管（22）气阀关闭、第二氢气口（12）气管（21）气阀关闭、第二氢气口（12）排空管（22）气阀开启；联动控制器控制第一氢气口（11）气管（21）气阀关闭时，第一氢气口（11）排空管（22）气阀开启、第二氢气口（12）气管（21）气阀开启、第二氢气口（12）排空管（22）气阀关闭。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池堆阳极水管理装置，其特征在于：所述调节结构还包括联动控制器，联动控制器控制第一单向进口（31）开启时，第一单向出口（32）关闭、第二单向进口（41）关闭、第二单向出口（42）开启；联动控制器控制第一单向进口（31）关闭时，第一单向出口（32）开启、第二单向进口（41）关开启、第二单向出口（42）关闭。

6.根据权利要求4或5所述的一种燃料电池堆阳极水管理装置，其特征在于：所述联动控制器设有定时单元。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池堆阳极水管理装置。

背景技术

燃料电池堆是由多个单体电池组合而成，每个单体电池主要由膜电极组件，燃料电池流场板，密封结构，电流收集装置以及气体供给装置组成。燃料电池堆作为一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有反应气体来源广，转化效率高，无污染，噪声低等优点，在军用以及民用领域都有广阔的应用前景。

燃料电池堆工作时，氢气进入阳极，在催化剂的作用下分解为质子和电子。质子可穿过质子交换膜到达阴极而电子则经过外部电路进入阴极，再通过与阴极侧的氧气在催化剂的作用下反应生成水。在此过程中，燃料电池堆工作时的内部环境是不均匀的，其阳极存在着靠近氢气入口部分的电极容易失水干燥，而靠近氢气出口部分的电极容易水淹的问题，尤其是水淹问题，会造成燃料电池堆稳定性不好、性能降低。

为了解决此类问题，现有技术中大多采用水淹检测装置解决，如申请号CN201310430137.6的专利文件公开的这样一种燃料电池防水淹控制方法，其通过流场参数计算或实验测试得知待控制燃料电池正常运行条件下氢气压力降的理论计算值，通过水淹实验或流道参数得到防止待控制燃料电池发生水淹的氢气压力降控制上限，并划定待控制燃料电池的“微湿未淹”区间；通过氢气压力降的检测，对待控制燃料电池的水状态进行评价，并通过对反应温度和稳定时间的调节实现防止水淹的控制过程。又如申请号为CN201710742977.4的专利文件公开的这样一种燃料电池水淹检测及故障排除装置及其工作方法，其在燃料电池反应过程中，通过数据采集与处理装置检测到电子负载两端的电压下降，即判定燃料电池内部发生了水淹故障；然后采取吹扫干氮气来排除燃料电池反应区内的残留氢气和空气以及多余的积水，以此停止燃料电池继续发生反应并缓解电池水淹故障。

这些发明均通过检测水淹状态以达到防水淹目的，未能从根本上解决燃料电池堆内部水分布不均的问题，且结构复杂。

实用新型内容

本实用新型要解决上述问题，提供一种能够简单有效地解决燃料电池堆内部由于水不均匀分布所带来的性能下降问题的水管理装置。

本实用新型解决问题的技术方案是，提供一种燃料电池堆阳极水管理装置，用于燃料电池堆，所述燃料电池堆的阳极分别设有第一氢气口和第二氢气口，所述第一氢气口和第二氢气口分别与氢气循环泵连接以使得第一氢气口进气时第二氢气口排气、使得第一氢气口排气时第二氢气口进气，并通过调节结构交替改变第一氢气口和第二氢气口的进、排气方向。

优选地，所述调节结构包括分别用于连接第一氢气口和氢气循环泵、第二氢气口和氢气循环泵的气管以及分别设置于气管的排空管，所述气管和排空管均设有气阀。

优选地，所述调节结构包括第一三通电磁阀和第二三通电磁阀；所述第一三通电磁阀包括第一单向进口、第一单向出口以及第一通用口；所述第二三通电磁阀包括第二单向进口、第二单向出口以及第二通用口；所述第一单向进口、第一单向出口、第二单向进口以及第二单向出口分别与所述氢气循环泵连接，所述第一通用口与第一氢气口连接、第二通用口与第二氢气口连接。

优选地，所述调节结构还包括联动控制器，联动控制器控制第一氢气口气管气阀开启时，第一氢气口排空管气阀关闭、第二氢气口气管气阀关闭、第二氢气口排空管气阀开启；联动控制器控制第一氢气口气管气阀关闭时，第一氢气口排空管气阀开启、第二氢气口气管气阀开启、第二氢气口排空管气阀关闭。

优选地，所述调节结构还包括联动控制器，联动控制器控制第一单向进口开启时，第一单向出口关闭、第二单向进口关闭、第二单向出口开启；联动控制器控制第一单向进口关闭时，第一单向出口开启、第二单向进口关开启、第二单向出口关闭。

优选地，所述联动控制器设有定时单元。

本实用新型的有益效果：

1.方法简单，只需要不断交替改变氢气的进气、排气方向即可，而改变氢气的进气、排气方向通过氢气循环泵或三通电磁阀即可简单实现。

2.可行性好，燃料电池堆内部阳极流道内的水双向循环，使得水分布更为均匀，解决了燃料电池堆阳极靠近入口部分电极容易失水干燥，靠近出口部分电极容易水淹的问题。

附图说明

图1是本申请实施例1中燃料电池堆双向氢气循环示意图；

图2是本申请实施例1中燃料电池堆双向氢气循环时的稳定性曲线；

图3是本申请实施例2中燃料电池堆双向氢气循环示意图；

图4是本申请实施例2中燃料电池堆双向氢气循环时的稳定性曲线；

图5是对比例1的现有技术中燃料电池堆正常工作时的氢气循环示意图；

图6是对比例1的现有技术中燃料电池堆正常工作时的稳定性曲线图：

图中：燃料电池堆10；第一氢气口11；第二氢气口12；氢气循环泵20；气管21；排空管22；第一三通电磁阀30；第一单向进口31；第一单向出口32；第一通用口33；第二三通电磁阀40；第二单向进口41；第二单向出口42；第二通用口43。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施方式，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

实施例1

如图1所示，一种燃料电池堆阳极水管理装置，用于燃料电池堆10，燃料电池堆10的阳极分别设有第一氢气口11和第二氢气口12，第一氢气口11和第二氢气口12分别与氢气循环泵20连接以使得第一氢气口11进气时第二氢气口12排气、使得第一氢气口11排气时第二氢气口12进气，并通过调节结构交替改变第一氢气口11和第二氢气口12的进、排气方向。

本实施例中，调节结构包括分别用于连接第一氢气口11和氢气循环泵20、第二氢气口12和氢气循环泵20的气管21以及分别设置于气管21的排空管22，气管21和排空管22均设有气阀。调节结构还包括控制气阀开启、关闭的联动控制器。联动控制器设有定时单元。

需要说明的是，图1中具有2个气管21、两个排空管22，4个气阀，为了便于后续介绍，将第一氢气口11处的气管标号为21a、排空管标号为22a；将第二氢气口12处的气管标号为21b、排空管标号为22b。并将气管21a的气阀标号为23a，排空管22a的气阀标号为23b，气管21b的气阀标号为23c，排空管22b的气阀标号为23d。

利用本装置进行水管理的使用方法如下：

a. 以第一氢气口11作为进气口、第二氢气口12作为排气口，使得氢气通过燃料电池堆。具体操作为：打开气阀23a、关闭气阀23b、关闭气阀23c、打开气阀23d，由图可知，氢气即从氢气循环泵20沿气管21a、经第一氢气口11进入燃料电池堆10后，从第二氢气口12、经排空管22b排出。工作3-10s后，交替为步骤b。

b. 以第二氢气口12作为进气口、第一氢气口11作为排气口，使得氢气通过燃料电池堆。具体操作为：关闭气阀23a、打开气阀23b、打开气阀23c、关闭气阀23d，由图知道，氢气即从氢气循环泵20沿气管21b、经第二氢气口12进入燃料电池堆10后，从第一氢气看11、经排空管22a排出。工作0.3-1s后，交替为步骤a。

c. 不断依次重复步骤a、b直至工作结束。

此外，燃料电池堆10阴极设有用于排出水蒸气的排气口，实施步骤a时，排气口工作，且工作时间小于等于步骤a工作时间；实施步骤b时，排气口停止工作。以使得燃料电池堆10可以在进行步骤a时，通过阴极的排气口排气，从而使得燃料电池堆的性能稳定。因此也可以将排气口的阀门与上述气阀通过联动控制器连接，使得气阀23a开启时，排气口阀门开启；气阀23a关闭时，排气口阀门关闭。

如此双向循环，使得燃料电池堆中流道内的水分布始终处于平衡状态。

本实施例的燃料电池堆的工作稳定性曲线如图2所示，可知本实施例下的燃料电池堆稳定性较好，性能没有明显的下降。

实施例2

如图3所示，一种燃料电池堆阳极水管理装置，用于燃料电池堆10，燃料电池堆10的阳极分别设有第一氢气口11和第二氢气口12，第一氢气口11和第二氢气口12分别与氢气循环泵20连接以使得第一氢气口11进气时第二氢气口12排气、使得第一氢气口11排气时第二氢气口12进气，并通过调节结构交替改变第一氢气口11和第二氢气口12的进、排气方向。

本实施例中，调节结构包括第一三通电磁阀30和第二三通电磁阀40；第一三通电磁阀30包括第一单向进口31、第一单向出口32以及第一通用口33；第二三通电磁阀40包括第二单向进口41、第二单向出口42以及第二通用口43；第一单向进口31、第一单向出口32、第二单向进口41以及第二单向出口42分别与氢气循环泵20连接，第一通用口33与第一氢气口11连接、第二通用口43与第二氢气口12连接。

调节结构还包括当第一单向进口31开启时，用于控制第一单向出口32关闭、第二单向进口41关闭、第二单向出口42开启的联动控制器。联动控制器设有定时单元。

利用本装置进行水管理的使用方法如下：

a. 以第一氢气口11作为进气口、第二氢气口12作为排气口，使得氢气通过燃料电池堆。具体操作为：打开第一单向进口31、关闭第一单向出口32、关闭第二单向进口41、打开第二单向出口42。由图可知，氢气即从氢气循环泵20沿第一单向进口31、经第一通用口33从第一氢气口11进入燃料电池堆10后，从第二氢气口12、经第二通用口43、再经第二单向出口42流回氢气循环泵20。工作3-10s后，交替为步骤b。

b. 以第二氢气口12作为进气口、第一氢气口11作为排气口，使得氢气通过燃料电池堆。具体操作为：关闭第一单向进口41、打开第一单向出口32、打开第二单向进口41、关闭第二单向出口42。由图可知，氢气即从氢气循环泵20沿第二单向进口41、经第二通用口43从第二氢气口12进入燃料电池堆10后，从第一氢气口11、经第一通用口33、再经第一单向出口32流回氢气循环泵20。工作0.3-1s后，交替为步骤a。

c. 不断依次重复步骤a、b直至工作结束。

此外，燃料电池堆10阴极设有用于排出水蒸气的排气口，实施步骤a时，排气口工作，且工作时间小于等于步骤a工作时间；实施步骤b时，排气口停止工作。以使得燃料电池堆10可以在进行步骤a时，通过阴极的排气口排气，从而使得燃料电池堆的性能稳定。

如此双向循环，使得燃料电池堆中流道内的水分布始终处于平衡状态。

本实施例的燃料电池堆的工作稳定性曲线如图4所示，可知本实施例下的燃料电池堆稳定性较好，性能没有明显的下降。

对比例1

如图5所示，在燃料电池堆正常工作时，氢气从氢气循环泵20经第一氢气口11进入燃料电池堆10后，从第二氢气口12排出，为单向循环。因此燃料电池堆内的水分布存在浓度梯度，并没有分布均匀。在此状态下电堆稳定性测试数据如图6所示。在280min的测试过程中燃料电池堆性能有所下降。不及本实施例1、2的性能稳定程度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

设计图

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