一种燃料电池堆水管理控制系统论文和设计-姚宇希

全文摘要

本实用新型公开的一种燃料电池堆水管理控制系统，包括阴极端、阳极端、两侧气体流路、燃料气体、氧化剂气体，所述阳极端设有电磁阀组合，通过控制所述电磁阀组合使所述燃料气体以上端进气下端出气和下端进气上端出气交替的方式通过阳极端气体流路，从而燃料电池堆内部的水分均匀分布，本实用新型的有益效果为，系统功耗小；成本低，只需要更换电磁阀；控制策略简单；减少体积，节省空间，提高了燃料电池堆系统功率密度；电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，本方案不仅适用于阴极敞开式电堆，同样适用于阴极封闭式电堆。

主设计要求

1.一种燃料电池堆水管理控制系统，包括阴极端（1）、阳极端（2）、两侧气体流路、燃料气体、氧化剂气体，其特征在于，所述阳极端（2）设有电磁阀组合（3），阳极端（2）上部设有第一通气口（4）、阳极端（2）下部设有第二通气口（5），通过控制所述电磁阀组合（3）使燃料气体从第一通气口（4）进气从第二通气口（5）出气，或使燃料气体从第二通气口（5）进气从第一通气口（4）出气，所述阴极端（1）设有仅供氧化剂气体的出气口（6）和进气口（7）。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆水管理控制系统，其特征在于，所述电磁阀组合（3）包括第一电磁阀组合（31）、第二电磁阀组合（32）、第三电磁阀组合（33）中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池堆水管理控制系统，其特征在于，所述第一电磁阀组合（31）包括第一单向电磁阀（311）、第二单向电磁阀（312）、第三单向电磁阀（313）、第四单向电磁阀（314）、第一三通电磁阀（315）、第二三通电磁阀（316），第一单向电磁阀（311）和第二单向电磁阀（312）与燃料供气设备相连，第一三通电磁阀（315）一端与第二三通电磁阀（316）一端并联于阳极端上部，第一三通电磁阀（315）一端与第二三通电磁阀（316）的另一端并联于阳极端（2）下部，打开第一三通电磁阀（315）一端与第二三通电磁阀（316）一端，燃料气体经阳极端（2）第一通气口（4）进气第二通气口（5）出气；打开第一三通电磁阀（315）一端与第二三通电磁阀（316）的另一端，燃料气体经第二通气口（5）进气第一通气口（4）出气。

4.根据权利要求2所述的一种燃料电池堆水管理控制系统，其特征在于，所述第二电磁阀组合（32）包括第一三进两出电磁阀（321）、第五单向电磁阀（322）、第六单向电磁阀（323），所述第一三进两出电磁阀（321）设有第一进气阀口（34）、第二进气阀口（35）、第三吹扫阀口（36），所述第一进气阀口（34）一端与燃料供气设备连接，第五单向电磁阀（322）与第一进气阀口（34）的另一端并联于阳极端（2）上部，第二进气阀口（35）一端与燃料供气设备连接，第六单向电磁阀（323）与第二进气阀口（35）的另一端并联于阳极端（2）下部，打开第一进气阀口（34）关闭第二进气阀口（35），燃料气体经阳极端（2）第一通气口（4）进气第二通气口（5）出气；打开第二进气阀口（35）关闭第一进气阀口（34），燃料气体经阳极端第二通气口（5）进气第一通气口（4）出气。

5.根据权利要求2所述的一种燃料电池堆水管理控制系统，其特征在于，所述第三电磁阀组合（33）包括第七单向电磁阀（331），第一三位五通电磁阀（332）、第二三位五通电磁阀（333），第七单向电磁阀为吹扫阀（334），第一三位五通电磁阀（332）的阀口分别连接第一通气口（4）、第二通气口（5），燃气气体经第一三位五通电磁阀（332）控制第一通气口（4）进气或第二通气口（5）进气，第二三位五通电磁阀（333）的右端和上部分别连接阳极端（2）上部和下部，由第二三位五通电磁阀（333）控制排气方向，打开第一三位五通电磁阀（332）右端和第二三位五通电磁阀（333）右端，燃料气体经第一通气口（4）进气第二通气口（5）出气；打开第一三位五通电磁阀（332）上部和第二三位五通电磁阀（333）的下部，燃料气体经第二通气口（5）进气第一通气口（4）出气。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池堆水管理控制系统。

背景技术

燃料电池堆是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有功率密度高，无污染，噪声低等优点，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池等。

燃料电池堆工作时，其内部发生了电化学反应。以质子交换膜燃料电池PEMFC为例。以氢气做为燃料，PEMFC的电极反应如下所示：

阳极： H _{2<\/sub>→2H^{+<\/sup>+2e^-<\/sup>}}

阴极：½O_{2<\/sub>+2H^{+<\/sup>+2e^{-<\/sup>→H_2<\/sub>O}}}

从电极反应可以看出，在PEMFC中阳极反应气体氢气通入阳极流道。反应气体通入电池后，在催化剂的作用下解离为质子和电子，质子通过质子交换膜到达电池的阴极，电子则经过集流板收集，对外电路做功；氧气通过气体扩散层到达阴极催化侧表面，在催化剂的作用下，氧气与通过质子交换膜的质子、外电路电子，结合生成水，放出大量热。

在此过程中为了保持电池堆的性能、可靠性以及寿命，电堆内部尤其是膜电极需要有一定的含水量，以保证膜良好的质子传导性，否则膜易脱水，皱缩严重，影响质子传导；同时水也不能太多，膜的含水量过多，水就会淹没电极，造成电极水淹。同时，燃料电池工作时其内部环境的水分布的不均匀性导致了燃料电池靠近入口部分电极容易失水干燥，导致局部内阻升高，靠近出口部分电极容易水淹，使得燃料电池电堆的性能、可靠性、寿命都受到影响。

为了解决此类问题，在系统结构上采用增加氢气循环泵的方式，其有体积重量大、功耗大、成本高的缺点，并且只能单向循环，并未从根本上解决燃料电池电堆内部水分布不均的问题，对稳定性以及可靠性有较大影响，现有技术中，专利201720491876.X所述的一种自增湿燃料电池堆的水管理控制系统此方案中阳极进气口和排气口各增加一个，并没有阴极进气口和排气口，这样只能适合于阴极敞开式电堆，不适用于阴极封闭式电堆。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种燃料电池堆水管理控制系统，氢气的上进下出和下进上出的方式可相互转换，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，本方案不仅适用于阴极敞开式电堆，同样适用于阴极封闭式电堆。

本实用新型解决的技术方案是提供一种燃料电池堆水管理控制系统，包括阴极端、阳极端、两侧气体流路、燃料气体、氧化剂气体，其特征在于，所述阳极端设有电磁阀组合，阳极端上部设有第一通气口、阳极端下部设有第二通气口，通过控制所述电磁阀组合使燃料气体从第一通气口进气从第二通气口出气，或使燃料气体从第二通气口进气从第一通气口出气，所述阴极端设有仅供氧化剂气体的出气口和进气口。

优选地，所述电磁阀组合包括第一电磁阀组合、第二电磁阀组合、第三电磁阀组合中的一种。

优选地，所述第一电磁阀组合包括第一单向电磁阀、第二单向电磁阀、第三单向电磁阀313、第四单向电磁阀、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀，所述的第一单向电磁阀为第一进气阀口，第二单向电磁阀为第二进气阀口，第三单项电磁阀为吹扫阀口，第四进气阀口为排气阀口，第一单向电磁阀和第二单向电磁阀与燃料供气设备相连，第一三通电磁阀一端与第二三通电磁阀一端并联于阳极上端，第一三通电磁阀一端与第二三通电磁阀的另一端并联于阳极下端。打开第一三通电磁阀一端与第二三通电磁阀一端，燃料气体经阳极上端进气阳极下端出气；打开第一三通电磁阀一端与第二三通电磁阀的另一端，燃料气体经阳极下端进气阳极上端出气。

优选地，所述第二电磁阀组合包括第一三进两出电磁阀、第五单向电磁阀、第六单向电磁阀323，所述第一三进两出电磁阀设有第一进气阀口、第二进气阀口、第三吹扫阀口，所述第一进气阀口一端与燃料供气设备连接，第五单向电磁阀与第一进气阀口的另一端并联于阳极上端，第二进气阀口一端与燃料供气设备连接，第六单向电磁阀323与第二进气阀口的另一端并联于阳极下端，打开第一进气阀口关闭第二进气阀口，燃料气体经阳极上端进气阳极下端出气；打开第二进气阀口关闭第一进气阀口，燃料气体经阳极下端进气阳极上端出气。

优选地，所述第三电磁阀组合包括第七单向电磁阀，第八单向电磁阀，第一三位五通电磁阀、第二三位五通电磁阀，第七单项电磁阀为吹扫阀，第一三位五通电磁阀的右端和下端分别连接阳极上端和下端，由第一三位五通阀控制进气方向。第二三位五通电磁阀的右端和上端分别连接阳极端的上端和下端，由第二三位五通阀控制排气方向。打开一三位五通电磁阀右端和第二三位五通电磁阀右端，燃料气体经阳极上端进气阳极下端出气；打开一三位五通电磁阀上端和第二三位五通电磁阀的下端，燃料气体经阳极下端进气阳极上端出气。

本实用新型的有益效果为，系统功耗小；成本低，只需要更换电磁阀；控制策略简单；减少体积，节省空间，提高了燃料电池堆系统功率密度；电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，本方案不仅适用于阴极敞开式电堆，同样适用于阴极封闭式电堆。

附图说明

图1为现有技术燃料电池堆内部水分分布图；

图2为实施例2中燃料电池堆进气示意图；

图3为实施例3中燃料电池堆进气示意图；

图4为实施例4中燃料电池堆进气示意图；

图中：1、阴极端；2、阳极端；3、电磁阀组合；4、第一通气口；5、第二通气口；6、出气口；7、进气口；311、第一单向电磁阀；312、第二单向电磁阀；313、第三单向电磁阀；314、第四单向电磁阀；315、第一三通电磁阀；316、第二三通电磁阀；321、第一三进两出电磁阀；322、第五单向电磁阀；323、第六单向电磁阀；331、第七单向电磁阀；332、第一三位五通电磁阀；333、第二三位五通电磁阀。

具体实施方式

为了使本实用新型所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本实用新型所述的技术方案做进一步的说明，但是本实用新型不仅限于此。

实施例1

如图1所示，为现有技术的燃料电池堆内部水分分布图，具体为阴极封闭式电堆，氢气在氢气入口到氢气出口的路径上，流道中内的含量不断升高，同时，由于阳极并未增湿，因此氢气入口湿度随着氢气的不断进入逐渐降低，而氢气出口湿度随着流道内水含量的升高而升高，所以出现了图中所示的干区及湿区，燃料电池工作时其内部环境的水分布的不均匀性导致了燃料电池靠近入口部分电极容易失水干燥，导致局部内阻升高，靠近出口部分电极容易水淹，使得燃料电池电堆的性能、可靠性、寿命都受到影响。

实施例2

如图2所示，一种燃料电池堆水管理控制系统，包括阴极端1、阳极端2、两侧气体流路、燃料气体、氧化剂气体，所述阳极端2设有电磁阀组合3，通过控制所述电磁阀组合3使所述燃料气体以上端进气下端出气（以下简称上进下出）和下端进气上端出气（以下简称下进上出）交替的方式通过阳极端2气体流路，从而燃料电池堆内部的水分均匀分布，所述燃料气体为氢气，氧化剂气体为空气。

所述电磁阀组合3包括第一电磁阀组合3、第二电磁阀组合3、第三电磁阀组合3中的一种，本实施例优选第一电磁阀组合3，具体结构和操作如下：

所述第一电磁阀组合3包括第一单向电磁阀311、第二单向电磁阀312、第三单向电磁阀313、第四单向电磁阀314、第一三通电磁阀315、第二三通电磁阀316，所述的第一单向电磁阀311为第一进气阀口，第二单向电磁阀312为第二进气阀口，第三单向电磁阀313为吹扫阀口，第四单向电磁阀314为排气阀口，第一单向电磁阀311和第二单向电磁阀312与燃料供气设备相连，第一三通电磁阀315一端与第二三通电磁阀316一端并联于阳极上端，第一三通电磁阀315一端与第二三通电磁阀316的另一端并联于阳极下端。打开第一三通电磁阀315一端与第二三通电磁阀316一端，燃料气体经阳极上端进气阳极下端出气；打开第一三通电磁阀315一端与第二三通电磁阀316的另一端，燃料气体经阳极下端进气阳极上端出气。

本方案所采用的方法通过电磁阀控制氢气从阳极上端或阳极下端进气实现氢气上进下出及下进上出的转变，阳极侧只需要一个进气口7和一个排气口，并不需要额外增加进气口7和排气口，这样给阴极进气口7和排气口留出了空间，所述阴极端1仅供氧化剂气体进气和出气，不仅适用于阴极敞开式电堆，同样适用于阴极封闭式电堆。

实施例2中还包括定时切换单元，更改燃料气体的流向，本单元为公知产品，用以定时调整氢气的上进下出和下进上出的方向，避免积水。

实施例3

如图3所示，一种燃料电池堆水管理控制系统，包括阴极端1、阳极端2、两侧气体流路、燃料气体、氧化剂气体，所述阳极端2设有电磁阀组合3，通过控制所述电磁阀组合3使所述燃料气体以上端进气下端出气（以下简称上进下出）和下端进气上端出气（以下简称下进上出）交替的方式通过阳极端2气体流路，从而燃料电池堆内部的水分均匀分布，所述燃料气体为氢气，氧化剂气体为空气。

所述电磁阀组合3包括第一电磁阀组合3、第二电磁阀组合3、第三电磁阀组合3中的一种，本实施例优选第二电磁阀组合3，具体结构和操作如下：

所述第二电磁阀组合3包括第一三进两出电磁阀321、第五单向电磁阀322、第六单向电磁阀323，所述第一三进两出电磁阀321设有第一进气阀口、第二进气阀口、第三吹扫阀口，所述第一进气阀口一端与燃料供气设备连接，第五单向电磁阀322与第一进气阀口的另一端并联于阳极上端，第二进气阀口一端与燃料供气设备连接，第六单向电磁阀323与第二进气阀口的另一端并联于阳极下端，在进气前先通过第三吹扫阀口对电堆阳极进行吹扫。吹扫完毕后，关闭第三吹扫阀口，燃料电池空气端正常运行，0-t_{1<\/sub>时间内，打开第一进气阀口关闭第二进气阀口，关闭第五单向电磁阀322后，氢气由供气设备通过第一进气阀口进入，途经阳极上端进入燃料电池堆反应后由阳极下端排出，此时阳极下端连接有第六电磁阀；通过定时切换单元，打开第二进气阀口关闭第一进气阀口并关闭第六单向阀后，氢气由供气设备通过第二进气阀口进入，途经阳极下端进入燃料电池堆反应后由阳极上端排出，此时阳极下端与第二进气阀口连接，以此实现氢气的上进下出和下进上出的转换。}

本方案所采用的方法通过电磁阀的控制实现氢气上进下出及下进上出的转变，阳极侧只需要一个进气口7和一个排气口，并不需要额外增加进气口7和排气口，这样给阴极进气口7和排气口留出了空间，所述阴极端1仅供氧化剂气体进气和出气。

实施例3中还包括定时切换单元，更改燃料气体的流向，本单元为公知产品，用以定时调整氢气的上进下出和下进上出的方向，避免积水。

实施例4

如图4所示，一种燃料电池堆水管理控制系统，包括阴极端1、阳极端2、两侧气体流路、燃料气体、氧化剂气体，所述阳极端2设有电磁阀组合3，通过控制所述电磁阀组合3使所述燃料气体以上端进气下端出气（以下简称上进下出）和下端进气上端出气（以下简称下进上出）交替的方式通过阳极端2气体流路，从而燃料电池堆内部的水分均匀分布，所述燃料气体为氢气，氧化剂气体为空气。

所述电磁阀组合3包括第一电磁阀组合3、第二电磁阀组合3、第三电磁阀组合3中的一种，本实施例优选第二电磁阀组合3，具体结构和操作如下：

所述第三电磁阀组合3包括第七单向电磁阀331，第一三位五通电磁阀332、第二三位五通电磁阀333，第七单项电磁阀为吹扫阀，第一三位五通电磁阀332的右端和下端分别连接阳极上端和下端，由第一三位五通阀控制进气方向。第二三位五通电磁阀333的右端和上端分别连接阳极端的上端和下端，由第二三位五通阀控制排气方向。打开第一三位五通电磁阀332右端和第二三位五通电磁阀333右端，燃料气体经阳极上端进气阳极下端出气；打开第一三位五通电磁阀332上端和第二三位五通电磁阀333的下端，燃料气体经阳极下端进气阳极上端出气。

实施例4中还包括定时切换单元，更改燃料气体的流向，本单元为公知产品，用以定时调整氢气的上进下出和下进上出的方向，避免积水。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

设计图

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