CN101764239A - 一种带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统 - Google Patents

一种带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统，包括储氢罐、减压阀、燃料电池堆、水汽分离器、氢气循环风机，所述的减压阀与燃料电池堆的氢气入口之间还设有多个并联的脉宽调制电磁阀和一个压力传感器，该压力传感器设置在燃料电池堆的氢气入口处，并与多个并联的脉宽调制电磁阀连接，压力传感器探测到进入燃料电池堆的氢气压力，并将该压力信号反馈到脉宽调制电磁阀，该脉宽调制电磁阀根据压力信号自动调节开启与关闭频率，使进入燃料电池堆的氢气压力恒定在预定值。与现有技术相比，本发明具有结构简单、能耗较低、安全可靠等优点。

Description

一种带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统
技术领域
本发明涉及燃料电池的辅助装置，尤其涉及一种带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/202+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式和固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池作为运载工具的动力系统，用作发电站时一般以纯氢为燃料，以空气为氧化剂。目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所设计的燃料电池堆一般在压力下运行。运行空气与氢气的相对压力一般在一个大气压以上；并且，燃料电池堆的设计一般也适合在压力下运行，其主要特点是燃料电池进口空气压力与出口空气压力，以及燃料电池进口氢气压力与出口氢气压力之间的压差ΔP较大，大约在0.2～0.4个大气压之间。
对于目前这种较高压力运行的燃料电池堆，燃料电池堆与流体之间一般是通过调节减压阀来使氢气压力符合工作压力的需要。而目前普遍采用的减压阀有以下缺点：
1.减压阀体积、重量往往较大，制造、连接都比较麻烦；
2.由于燃料电池的工作状态变化较大，例如较大功率输出或很小功率输出，减压阀往往较难实现自动调压，很难达到供气压力始终稳定的目的；
3.当减压阀无法给燃料电池稳压时，容易造成燃料电池中的气体流量变化，导致发电性能难以控制，如果减压阀失效，高压气体会冲破电极，严重时会引起火灾、爆炸。
4.高压氢气罐的压力一般为20个大气压，经过一个氢气减压阀减压后进入燃料电池堆，一旦该氢气减压阀发生毁损，20个大气压的氢气将会充入燃料电池堆，将燃料电池堆击穿。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可自动调压、性能可靠的带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统，包括储氢罐、减压阀、燃料电池堆、水汽分离器、氢气循环风机，氢气罐通过减压阀连接燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气出口通过水汽分离器和氢气循环风机连接燃料电池堆的氢气入口，其特征在于，所述的减压阀与燃料电池堆的氢气入口之间还设有多个并联的脉宽调制电磁阀和一个压力传感器，该压力传感器设置在燃料电池堆的氢气入口处，并与多个并联的脉宽调制电磁阀连接，压力传感器探测到进入燃料电池堆的氢气压力，并将该压力信号反馈到脉宽调制电磁阀，该脉宽调制电磁阀根据压力信号自动调节开启与关闭频率，使进入燃料电池堆的氢气压力恒定在预定值。
所述的脉宽调制电磁阀设有2～5个，各脉宽调制电磁阀并联连接，当大功率(＞50千瓦)燃料电池处于小负荷输出时，脉宽调制电磁阀有1～2个在工作，当处于满负荷或大负荷工作状态时，2个以上所有脉宽调制电磁阀都处于工作状态。
所述的脉宽调制电磁阀通过脉冲控制阀门高频率开关，根据进入燃料电池堆的氢气压力调节脉宽调制电磁阀的开关次数，使进入燃料电池堆的氢气压力恒定在预设值。
所述的氢气压力的预定值为0.1～5atm。
所述的脉宽调制电磁阀设有2个，所述的的氢气压力的预定值为0.5atm。
与现有技术相比，本发明采用多个脉宽调制电磁阀并联调节进入燃料电池堆的氢气压力，分散了控制氢气压力的阀的承受量，延长了阀的寿命，从而降低了成本，而且脉宽调制电磁阀是通过脉冲控制阀门高频率开关，根据进入燃料电池堆的氢气压力调节电磁比例阀的开关次数，使进入燃料电池堆的氢气和空气压力精确在预设值上，结构简单，稳定可靠。
当大功率(＞50千瓦)燃料电池处于小负荷输出时，一般脉宽调制电磁阀只有1～2个在工作，但是当处于满负荷或大负荷工作状态时，可以让2个以上所有脉宽调制电磁阀都处于工作状态，可以
1)连接每个脉宽调制电磁阀的管径可以减少，增加耐压等安全性；
2)每个脉宽调制电磁阀工作负荷减小；
3)某个脉宽调制电磁阀损坏，处于停止工作状态时，可以被隔离掉，其他电磁阀仍处于工作状态，不影响系统。
附图说明
图1为本发明燃料电池氢气循环系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种100KW的燃料电池的氢气循环系统，包括储氢罐2、减压阀3、燃料电池堆5、水汽分离器6、氢气循环风机7，氢气罐2通过减压阀3连接燃料电池堆5的氢气入口，燃料电池堆5的氢气出口通过水汽分离器6和氢气循环风机7连接燃料电池堆5的氢气入口，所述的减压阀3与燃料电池堆5的氢气入口之间还设有三个并联的脉宽调制电磁阀1(PWM)和一个压力传感器4，该压力传感器4设置在燃料电池堆5的氢气入口处，并与三个并联的脉宽调制电磁阀1连接，每根连接管路为内径5mm，外径10mm的不锈钢管路，进入燃料电池堆总氢气管路为内径20mm，外径25mm的不锈钢管；压力传感器4探测到进入燃料电池堆5的氢气压力，并将该压力信号反馈到脉宽调制电磁阀1，当燃料电池处于小负荷(＜10千瓦)输出时，一般脉宽调制电磁阀1只有1～2个在工作，但是当处于满负荷或大负荷(20～50千瓦)工作状态时，可以让2个以上所有脉宽调制电磁阀都处于工作状态，该脉宽调制电磁阀1根据压力信号，通过脉冲控制阀门高频率开关，自动调节脉宽调制电磁阀1的开关次数，使进入燃料电池堆的氢气压力恒定在预定值0.5atm。
所述的脉宽调制电磁阀可根据需要设置2～5个，氢气压力的预定值根据燃料电池堆的具体情况可为0.1～0.5atm。

Claims (5)

1.一种带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统，包括储氢罐、减压阀、燃料电池堆、水汽分离器、氢气循环风机，氢气罐通过减压阀连接燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气出口通过水汽分离器和氢气循环风机连接燃料电池堆的氢气入口，其特征在于，所述的减压阀与燃料电池堆的氢气入口之间还设有多个并联的脉宽调制电磁阀和一个压力传感器，该压力传感器设置在燃料电池堆的氢气入口处，并与多个并联的脉宽调制电磁阀连接，压力传感器探测到进入燃料电池堆的氢气压力，并将该压力信号反馈到脉宽调制电磁阀，该脉宽调制电磁阀根据压力信号自动调节开启与关闭频率，使进入燃料电池堆的氢气压力恒定在预定值。
2.根据权利要求1所述的带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述的脉宽调制电磁阀设有2～5个，各脉宽调制电磁阀并联连接，当大功率(＞50千瓦)燃料电池处于小负荷输出时，脉宽调制电磁阀有1～2个在工作，当处于满负荷或大负荷工作状态时，2个以上所有脉宽调制电磁阀都处于工作状态。
3.根据权利要求1所述的带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述的脉宽调制电磁阀通过脉冲控制阀门高频率开关，根据进入燃料电池堆的氢气压力调节脉宽调制电磁阀的开关次数，使进入燃料电池堆的氢气压力恒定在预设值。
4.根据权利要求1所述的带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述的氢气压力的预定值为0.1～5atm。
5.根据权利要求1所述的带有脉宽调制电磁阀的燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述的脉宽调制电磁阀设有2个，所述的的氢气压力的预定值为0.5atm。
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