CN106450383B - 一种质子交换膜燃料电池水管理系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池水管理系统，主要包括氢气罐、质子交换膜燃料电池模块、空气泵、信号处理模块。质子交换膜燃料电池模块内包含质子交换膜燃料电池、温度传感器、压力传感器、湿度传感器和水位监测装置。本发明还公开了上述管理系统工作方法。该信号处理模块根据水位状态判断结果来控制排水装置和加湿装置；产生水淹时，该信号处理模块控制排水装置开启，降低燃料电池内部水位；缺水时，该信号处理模块控制加湿装置，增加输入燃料电池内的气体的湿度，从而增加燃料电池内部含水量。通过以上方法实现燃料电池模块的水管理。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池水管理系统及其工作方法。
背景技术
燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的装置，只发生电化学反应，没有燃烧过程。
燃料电池可以是理想的全固态机械结构，即没有可移动的部件，这样的系统将潜在的具有高可靠性和长寿命,并且燃料电池以氢气和氧气为燃料时生成水，没有污染且可以循环利用。
燃料电池具有效率高、无污染、寿命长和高可靠性等优点，可作为汽车内燃机的替代产品，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统中。由于燃料电池直接把化学能转化成电能，因而其效率通常远远高于内燃机，是绿色环保能源，极具发展潜力和应用前景。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所。其发电过程不涉及氢氧燃烧，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。
由于质子交换膜燃料电池的电化学反应在水-气体-质子(电子)三相界面上进行，当催化层中水量过多时，过量的水会冲淡反应气体的浓度，同时阻塞反应区的气体通道，造成水淹电极从而影响电池性能；质子交换膜中水含量过少则会引起质子交换膜的质子传导能力下降，导致电池性能的下降。因此，保持PEMFC中的水管理是提高电池性能和寿命的一个关键问题。
因此，需要提出更具有可行性的对质子交换膜燃料电池的水进行系统管理的整体方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池水管理系统及其工作方法，主要利用装设的水位监测装置来测出燃料电池内部水位变化状况，并进行燃料电池的水管理。
为达到上述目的，本发明由如下技术方案来实现：
一种质子交换膜燃料电池水管理系统，主要包括氢气罐、质子交换膜燃料电池模块、空气泵、信号处理模块；其中，
质子交换膜燃料电池模块内包含质子交换膜燃料电池、温度传感器、压力传感器、湿度传感器和水位监测装置；
氢气罐依次经电控减压阀、压力传感器一、温度传感器一与湿度传感器一相连接；加湿装置一经电控开关阀一与湿度传感器一相连接；质子交换膜燃料电池模块经电控开关阀二与湿度传感器一相连接；加湿装置一与质子交换膜燃料电池模块连接；
空气泵依次经电控减压阀二、压力传感器二、温度传感器二与湿度传感器二相连接；加湿装置二经电控开关阀四与湿度传感器二相连接；质子交换膜燃料电池模块经电控开关阀三与湿度传感器二相连接；加湿装置二与质子交换膜燃料电池模块连接；
信号处理模块分别连接电控减压阀、压力传感器一、温度传感器一、湿度传感器一、电控开关阀一、电控开关阀二、加湿装置一、质子交换膜燃料电池模块、压力传感器二、温度传感器二、湿度传感器二、电控开关阀三、电控开关阀四、加湿装置二。
进一步地，质子交换膜燃料电池模块上设置有排水装置；质子交换膜燃料电池在其扩散层气体槽靠近阴极出口处设置若干小孔，排水装置连接在所述的若干小孔上。
作为进一步的优选手段，该若干小孔配置有电控阀门。
进一步地，排水装置与信号处理模块相连接。
本发明还提供了上述质子交换膜燃料电池水管理系统的工作方法：在质子交换膜燃料电池模块工作过程中，水位监测装置连接信号处理模块，水位监测装置会检测燃料电池模块的水位状态，将其转换为电气信号，并传输给信号处理模块，该信号处理模块通过比较实际值与两个预设的水位值判断燃料电池模块是否处于淹水或缺水状态；
湿度传感器将检测到的质子交换膜燃料电池的湿度状态转化为电气信号，且传输给信号处理模块；
温度传感器将检测到的气体或燃料电池的温度状态转化为电气信号，且传输给信号处理模块；
该信号处理模块根据前述水位状态判断结果来控制排水装置和加湿装置；产生水淹时，该信号处理模块控制排水装置开启，降低质子交换膜燃料电池内部水位；缺水时，该信号处理模块控制加湿装置，增加输入燃料电池内的氢气和空气的湿度，从而增加燃料电池内部含水量。
采用本发明可以避免燃料电池产生水淹或严重缺水的情况，提高了工作效率，一定程度上保护了燃料电池，提高了电池的性能和寿命。
附图说明
图1是本发明的质子交换膜燃料电池水管理系统及其工作方法的总体方案流程图。
图中：1-氢气罐，2-电控减压阀，3-压力传感器一，4-温度传感器一，5-湿度传感器一，6-电控开关阀一，7-电控开关阀二，8-加湿装置一，9-质子交换膜燃料电池模块，10-空气泵，11-信号处理模块，12-压力传感器二，13-温度传感器二，14-湿度传感器二，15-电控开关阀三，16-电控开关阀四，17-排水装置，18-加湿装置二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如附图1所示，本发明的一种质子交换膜燃料电池水管理系统，主要包括氢气罐1、质子交换膜燃料电池模块9、空气泵10、信号处理模块11。其中，
质子交换膜燃料电池模块9内包含质子交换膜燃料电池、温度传感器、压力传感器、湿度传感器和水位监测装置。
氢气罐1依次经电控减压阀2、压力传感器一3、温度传感器一4与湿度传感器一5相连接。加湿装置一8经电控开关阀一6与湿度传感器一5相连接；质子交换膜燃料电池模块9经电控开关阀二7与湿度传感器一5相连接。加湿装置一8与质子交换膜燃料电池模块9连接。
空气泵10依次经电控减压阀二、压力传感器二12、温度传感器二13与湿度传感器二14相连接。加湿装置二18经电控开关阀四16与湿度传感器二14相连接；质子交换膜燃料电池模块9经电控开关阀三15与湿度传感器二14相连接。加湿装置二18与质子交换膜燃料电池模块9连接。
信号处理模块11分别连接电控减压阀2、压力传感器一3、温度传感器一4、湿度传感器一5、电控开关阀一6、电控开关阀二7、加湿装置一、质子交换膜燃料电池模块9、压力传感器二12、温度传感器二13、湿度传感器二14、电控开关阀三15、电控开关阀四16、加湿装置二18。
质子交换膜燃料电池模块9上设置有排水装置17。质子交换膜燃料电池在其扩散层气体槽靠近阴极出口处设置若干小孔，排水装置17连接在所述的若干小孔上。该若干小孔配置有电控阀门。排水装置17也可以为一电控开关阀。
排水装置17与信号处理模块11相连接。
本发明的工作方法与工作原理描述如下：
正常工作时，氢气由氢气罐供给，经电控减压阀2、压力传感器一3、温度传感器一4、湿度传感器一5等传输到燃料电池内部反应。氧气由空气泵供给，经压力传感器二12、温度传感器二13、湿度传感器二14等传输到燃料电池内部反应。电控开关阀一6与电控开关阀二7只会开启一个，电控开关阀三15与电控开关阀四16只会开启一个，都由信号处理模块11控制。
根据图1，在质子交换膜燃料电池模块工作过程中，水位监测装置连接信号处理模块，水位监测装置会检测燃料电池模块的水位状态，将其转换为电气信号，并传输给信号处理模块，该信号处理模块通过比较实际值与两个预设的水位值判断燃料电池模块是否处于淹水或缺水状态；
湿度传感器将检测到的质子交换膜燃料电池的湿度状态转化为电气信号，且传输给信号处理模块；
温度传感器将检测到的气体或燃料电池的温度状态转化为电气信号，且传输给信号处理模块；信号处理模块根据该温度传感器提供的温度状态的电气信号辅助湿度调节。
该信号处理模块根据前述水位状态判断结果来控制排水装置和加湿装置，直到该水位处于所预设的水位值；产生水淹时，该信号处理模块控制排水装置开启，降低质子交换膜燃料电池内部水位；缺水时，该信号处理模块控制加湿装置，增加输入燃料电池内的氢气和空气的湿度，从而增加燃料电池内部含水量。具体地，信号处理模块判断的水位状态高于预设水位值，开启排水装置17；低于预设水位值的状态，关闭电控开关阀二7和电控开关阀三15，开启电控开关阀一6和电控开关阀四16，开启加湿装置；等于预设水位值的状态，加湿装置不工作，即关闭电控开关阀一6和电控开关阀四16，开启电控开关阀二7和电控开关阀三15，排水装置也不工作。
此外，信号处理模块11通过控制排水装置17阀门大小，进而控制排水速率，进而调节燃料电池内部水位变化速率。信号处理模块11还可以控制排水孔处的电控开关阀的开闭，进而增大排水量。
水位检测、水位状态判断以及信号处理模块的水位状态控制同步进行。
综上所述，本发明的质子交换膜燃料电池水管理系统通过以上方法实现燃料电池模块的水管理。同时本发明也提高了燃料电池的性能和寿命
本发明系统的燃料电池可以作为便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源等使用。也可以工作在汽车、火车、船舶等交通工具上。同时，燃料电池生成的电还可供车载其它电器设备使用，用于驾驶室制冷、座椅加热、音响等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如燃料电池的类型、出水孔大小和数量、加湿装置的选择设置等，都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种质子交换膜燃料电池水管理系统，其特征在于：
主要包括氢气罐、质子交换膜燃料电池模块、空气泵、信号处理模块；
其中，
质子交换膜燃料电池模块内包含质子交换膜燃料电池、温度传感器、压力传感器、湿度传感器和水位监测装置；
氢气罐依次经电控减压阀、压力传感器一、温度传感器一与湿度传感器一相连接；加湿装置一经电控开关阀一与湿度传感器一相连接；质子交换膜燃料电池模块经电控开关阀二与湿度传感器一相连接；加湿装置一与质子交换膜燃料电池模块连接；
空气泵依次经电控减压阀二、压力传感器二、温度传感器二与湿度传感器二相连接；加湿装置二经电控开关阀四与湿度传感器二相连接；
质子交换膜燃料电池模块经电控开关阀三与湿度传感器二相连接；加湿装置二与质子交换膜燃料电池模块连接；
电控减压阀、压力传感器一、温度传感器一、湿度传感器一、电控开关阀一、电控开关阀二、加湿装置一、质子交换膜燃料电池模块、压力传感器二、温度传感器二、湿度传感器二、电控开关阀三、电控开关阀四、加湿装置二分别直接连接信号处理模块；
信号处理模块控制排水装置和加湿装置，直到燃料电池模块的水位处于所预设的水位值；
信号处理模块通过控制排水装置阀门大小，进而控制排水速率，进而调节燃料电池内部水位变化速率。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池水管理系统，其特征在于，质子交换膜燃料电池模块上设置有排水装置；质子交换膜燃料电池在其扩散层气体槽靠近阴极出口处设置若干小孔，排水装置连接在所述的若干小孔上。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池水管理系统，其特征在于，该若干小孔配置有电控阀门。
4.根据权利要求2或3所述的一种质子交换膜燃料电池水管理系统，其特征在于，排水装置与信号处理模块相连接。
5.基于权利要求1-4任一项所述的一种质子交换膜燃料电池水管理系统的工作方法，其特征在于：
在质子交换膜燃料电池模块工作过程中，水位监测装置连接信号处理模块，水位监测装置会检测燃料电池模块的水位状态，将其转换为电气信号，并传输给信号处理模块，该信号处理模块通过比较实际值与两个预设的水位值判断燃料电池模块是否处于淹水或缺水状态；
湿度传感器将检测到的质子交换膜燃料电池的湿度状态转化为电气信号，且传输给信号处理模块；
温度传感器将检测到的气体或燃料电池的温度状态转化为电气信号，且传输给信号处理模块；
该信号处理模块根据前述水位状态判断结果来控制排水装置和加湿装置；产生水淹时，该信号处理模块控制排水装置开启，降低质子交换膜燃料电池内部水位；缺水时，该信号处理模块控制加湿装置，增加输入燃料电池内的氢气和空气的湿度，从而增加燃料电池内部含水量。
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，水位检测、水位状态判断以及信号处理模块的水位状态控制同步进行。
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