CN106711476B - 一种用于燃料电池的控压设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的控压设备，属于燃料电池的配套设备领域，具体为新能源汽车领域使用的燃料电池提供辅助均压的设备，包括管状的壳体，可体内设有第一隔离部和第二隔离部，壳体内分为燃气腔、空气腔、调压腔，燃气腔与调压腔通过活动的第一隔离部密封隔离，空气腔与调压腔通过活动的第二隔离部密封隔离；燃气腔用于连通燃气源，空气腔用于连通空气源，调压腔用于连通充放气装置。该结构通过第一隔离部和第二隔离部可在压差下活动的原理，使燃气腔和空气腔之间的压差能够实时均衡，此外，通过调压腔，使燃气腔和空气腔内的气压能够实时的调节至需要的气压范围内，将其连接到燃料电池的两侧，从而实现燃料电池内的保压和均压。

Description

一种用于燃料电池的控压设备
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的控压设备，属于燃料电池的配套设备领域，具体为新能源汽车领域使用的燃料电池提供辅助均压的设备。
背景技术
燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。早期燃料电池发展焦点集中在军事空间等专业应用以及千瓦级以上分散式发电上。电动车领域成为燃料电池应用的主要方向，市场已有多种采用燃料电池发电的自动车出现。另外，透过小型化的技术将燃料电池运用于一般消费型电子产品也是应用发展方向之一，在技术的进步下，未来小型化的燃料电池将可用以取代现有的锂电池或镍氢电池等高价值产品，作为用于笔记本电脑、无线电电话、录像机、照相机等携带型电子产品的电源。由于燃料电池内的氢气和氧气必须充分加湿并进行保压，若压力不够或者湿度不够，容易造成燃料浪费会燃烧不从分的情况，影响电池的使用和输出功率。
在现有的氢燃料电池使用时，往往需要对进入燃料电池的气压，温度，湿度进行调节，从而保证燃气能够使用，由于进入燃料电池中的气压经过较长一段控制和配比，造成气压的波动加大，容易在电池的两极之间形成压差，造成电池的损害，因此燃料电池的使用寿命。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于燃料电池的控压设备,利用可活动的活塞，实时调整燃料电池两侧的气压差，避免燃料电池两侧的气压差对电池的影响，同时，通过调压腔的设计，实现燃气腔和空气腔内气体的调压，从而保证供气源发生气压波动时，燃料电池内任然能够保压和均压，保证燃料电池内化学反应的稳定性和供电稳定性。
本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种用于燃料电池的控压设备，包括管状的壳体，可体内设有第一隔离部和第二隔离部，壳体内分为燃气腔、空气腔、调压腔，燃气腔与调压腔通过活动的第一隔离部密封隔离，空气腔与调压腔通过活动的第二隔离部密封隔离；燃气腔用于连通燃气源，空气腔用于连通空气源，调压腔用于连通充放气装置。该结构通过第一隔离部和第二隔离部可在压差下活动的原理，使燃气腔和空气腔之间的压差能够实时均衡，此外，通过调压腔，使燃气腔和空气腔内的气压能够实时的调节至需要的气压范围内，将其连接到燃料电池的两侧，从而实现燃料电池内的保压和均压。
进一步，第一隔离部和第二隔离部均为弹性膜，第一隔离部与第二隔离部分别与壳体的内侧壁固定连接。该结构通过弹性膜的设计，提高隔离部的密封性，实现结构的简化，方便于压力的快速均衡。
进一步，弹性膜呈波纹状，第一隔离部可压缩燃气腔或调压腔，第二隔离部可压缩调压腔或空气腔，燃气腔的侧壁上设有燃气进出口，空气腔的侧壁上设有空气进出口，调压腔的侧壁上设有通气口。进而提高装置的可用性和通用性，并且能够降低均压装置的成本，其波纹状的结构能够增大弹性膜的弹性和可移动范围，提高压差之间的可控性，降低弹性膜的弹性对气压均衡的影响。
进一步，弹性膜呈环形，且其外侧镶嵌有钢圈；弹性膜沿厚度方向分为塑料薄膜层、硅胶层、编织层、橡胶层、及绒毛层；使用时绒毛层面向燃气腔或空气腔并用于吸收空气或燃气的局部波动。该结构的弹性膜利用钢圈稳定其结构，其薄膜层能够有效防止气体渗透，从而保护弹性膜，硅胶层能够提高弹性和密封性，增加结构的稳定性和还原性，编织层能够增加弹性膜结构的稳定性，提高弹性膜的结构稳定性和结构强度，其橡胶层被硫化，从而提高弹性膜的弹性，此外与编织层融为一体，提高密封性和还原性，其绒毛层能够吸附周围产生的涡流，提高燃气腔或空气腔内气压的均衡性，避免气体涡流对整体气压均衡效果的影响。
进一步，第一隔离部和第二隔离部呈活塞状；活塞可沿管体的侧壁滑动，活塞的两侧分别设有限位部使活塞始终不覆盖壳体的对外连接口。通过活塞的设置加大气压差的可调节范围，其限位部能够保证其最大流量小于与其相连的管道中气体流量，从而实现燃气腔或阻燃气腔中气压的可调。
进一步，活塞内设有控湿腔，控湿腔背向调压腔的一侧具有开口并在开口处设有拦网，控湿腔内设有用于吸附湿气的若干玻璃珠，拦网将玻璃珠拦截于控湿腔内且其网孔使气体或液体穿过。通过控湿腔的设计，能够有效的控制燃气腔和空气腔中气体的湿度，过湿的气体在玻璃珠的表面被吸湿至饱和，湿度不够的气体在在控湿腔增湿，此外，该结构的设计，合理有效的利用空间，从而提高装置的合理性。
进一步，在燃气腔和空气腔的上部设有水雾喷头，水雾喷头对准玻璃珠；在水雾喷头的下侧设有对准控湿腔的燃气进口或空气进口；在燃气腔和空气腔的下部分别设有出水口，出水口上侧设有燃气出口或空气出口。将水雾喷头和气体喷头对准控湿腔，能够保证燃气或空气在第一时间被加湿，并且，气流位于喷雾流的下方，能够在喷出后产生预混合，提高加湿效率，并且可以降低水雾喷头处的水压，实现节能降耗。
进一步，第一隔离部两侧的限位部分别为第一限位部和第二限位部；第二隔离部两侧的限位部分别为第一限位部和第三限位部；第一限位部使燃气腔的气体流量不小于燃气腔进/出口通道的一半；第二限位部位于助燃气腔一侧的壳体上，第二限位部使燃气腔的气体流量大于助燃气腔进/出口通道的一半；第二限位部和第三限位部呈梳齿状用于水流过；在调压腔的侧壁上设有氮气进口和出口，氮气出口上连接有泄压阀。该结构能够保证第一限位部和第二限位部能够预留出燃气或助燃气的通道，防止通道堵塞，影响燃料电池的正常使用。
进一步，壳体的侧壁内由内至外分别为玻璃层、加热灯层、反光层、真空层、及外侧壁，加热灯层具有加热灯；壳体下部连有水箱，水箱内设有两喷雾泵，管道依次连接水箱、喷雾泵、水雾喷头、燃气腔、水箱构成燃气加湿环路；管道依次连接水箱、喷雾泵、水雾喷头、空气腔、水箱构成空气加湿环路；两喷雾泵分别由MCU控制，MCU连有用于燃气腔或空气腔检测的温度传感器和用于调压腔检测的气压传感器；在氮气出口处设有调压阀，氮气进口通过减压阀连通氮气瓶，加热灯、调压阀和减压阀电连接MCU。该结构通过增设MCU及各个传感器，能够实现温度智能控制、简化控制，简化燃料电池的供气管路，提高装置的自动化程度，其加热、加湿方便简单，能够实现各个功能之间的相互独立，实现壳体内的密封性和加热可靠性及可控性。
进一步，其用于氢燃料电池的方法：
步骤1：MCU控制喷雾泵以0.8-1.2L/min的速度输出水流，水雾喷头呈扁平的扇形将水雾喷向玻璃珠，MCU控制加热灯对燃气腔和空气腔加热，氢气/空气以10-16m/s的速度喷入控湿腔中并在玻璃珠之间的缝隙处加湿至饱和湿度，其部分过湿的气体被玻璃珠吸湿至饱和湿度，流出至燃气腔/空气腔中被加热至80-85℃，然后从燃气出口/空气出口输出；燃气腔和空气腔的气体流量与水流量的体积比为（15-20）：1；
步骤2：燃气腔与调压腔之间的压差控制第一隔离部移动，调压腔和空气腔之间的压差控制第二隔离部移动，使燃气腔、调压腔、及空气腔三者的压力相同；
步骤3：MCU控制减压阀使氮气罐中的氮气流出，氮气预热后进入调压腔中，当调压腔中的压力升压至80-120kpa时，关闭减压阀；当活塞移动使调压腔中的气压变化时，MCU控制调压阀或减压阀使调压腔中的气压始终保持在80-120kpa范围内。
该方法不仅实现了燃气和助燃气的气压均衡，实现了温度、湿度的模糊控制，有利于提高控制的速度，保证供气的及时性，其模糊控制的方式，即保证了燃气和助燃气的温度和湿度，其控制速度相较于精确控制速度提高了50%以上，舍弃燃气或阻燃气的利用率，获得更快的反应速度，提高电池的输出功率。此外，通过调压腔的设计，能够在一定范围内对燃气腔和空气腔进行增压和减压，从而实现一定范围内的保压效果，进而提高装置的供气的稳压性和均压性。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.该结构通过第一隔离部和第二隔离部可在压差下活动的原理，使燃气腔和空气腔之间的压差能够实时均衡，此外，通过调压腔，使燃气腔和空气腔内的气压能够实时的调节至需要的气压范围内，将其连接到燃料电池的两侧，从而实现燃料电池内的保压和均压；
2.该方法不仅实现了燃气和助燃气的气压均衡，实现了温度、湿度的模糊控制，其模糊控制的方式，即保证了燃气和助燃气的温度和湿度，其控制速度相较于精确控制速度提高了50%以上。此外，通过调压腔的设计，能够在一定范围内对燃气腔和空气腔进行增压和减压，从而实现一定范围内的保压效果，进而提高装置的供气的稳压性和均压性。
附图说明
图1是弹性膜式控压设备的透视图；
图2是活塞式控压设备的透视图；
图3是活塞式控压设备的使用状态图；。
图中标记：1-第一限位部，2-壳体，3-第一隔离部，4-第二隔离部，5-第二限位部，6-第三限位部，7-泄压阀，8-氮气罐，9-燃料电池。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种用于燃料电池的控压设备，包括管状的壳体2，可体内设有第一隔离部3和第二隔离部4，壳体2内分为燃气腔、空气腔、调压腔，燃气腔与调压腔通过活动的第一隔离部3密封隔离，空气腔与调压腔通过活动的第二隔离部4密封隔离；燃气腔用于连通燃气源，空气腔用于连通空气源，调压腔用于连通充放气装置。
第一隔离部3和第二隔离部4均为弹性膜，第一隔离部3与第二隔离部4分别与壳体2的内侧壁固定连接。该结构通过弹性膜的设计，提高隔离部的密封性，实现结构的简化，方便于压力的快速均衡。弹性膜呈波纹状，第一隔离部3可压缩燃气腔或调压腔，第二隔离部4可压缩调压腔或空气腔，燃气腔的侧壁上设有燃气进出口，空气腔的侧壁上设有空气进出口，调压腔的侧壁上设有通气口。弹性膜呈环形，且其外侧镶嵌有钢圈；弹性膜沿厚度方向分为塑料薄膜层、硅胶层、编织层、橡胶层、及绒毛层；使用时绒毛层面向燃气腔或空气腔并用于吸收空气或燃气的局部波动。
实施例2
如图2所示，本发明公开了一种用于燃料电池的控压设备，包括管状的壳体2，可体内设有第一隔离部3和第二隔离部4，壳体2内分为燃气腔、空气腔、调压腔，燃气腔与调压腔通过活动的第一隔离部3密封隔离，空气腔与调压腔通过活动的第二隔离部4密封隔离；燃气腔用于连通燃气源，空气腔用于连通空气源，调压腔用于连通充放气装置。第一隔离部3和第二隔离部4呈活塞状；活塞可沿管体的侧壁滑动，活塞的两侧分别设有限位部使活塞始终不覆盖壳体2的对外连接口。活塞内设有控湿腔，控湿腔背向调压腔的一侧具有开口并在开口处设有拦网，控湿腔内设有用于吸附湿气的若干玻璃珠，拦网将玻璃珠拦截于控湿腔内且其网孔使气体或液体穿过。
在燃气腔和空气腔的上部设有水雾喷头，水雾喷头对准玻璃珠；在水雾喷头的下侧设有对准控湿腔的燃气进口或空气进口；在燃气腔和空气腔的下部分别设有出水口，出水口上侧设有燃气出口或空气出口。第一隔离部3两侧的限位部分别为第一限位部1和第二限位部5；第二隔离部4两侧的限位部分别为第一限位部1和第三限位部6；第一限位部1使燃气腔的气体流量不小于燃气腔进/出口通道的一半；第二限位部5位于助燃气腔一侧的壳体2上，第二限位部5使燃气腔的气体流量大于助燃气腔进/出口通道的一半；第二限位部5和第三限位部6呈梳齿状用于水流过；在调压腔的侧壁上设有氮气进口和出口，氮气出口上连接有泄压阀7，。
壳体2的侧壁内由内至外分别为玻璃层、加热灯层、反光层、真空层、及外侧壁，加热灯层具有加热灯；壳体2下部连有水箱，水箱内设有两喷雾泵，管道依次连接水箱、喷雾泵、水雾喷头、燃气腔、水箱构成燃气加湿环路；管道依次连接水箱、喷雾泵、水雾喷头、空气腔、水箱构成空气加湿环路；两喷雾泵分别由MCU控制，MCU连有用于燃气腔或空气腔检测的温度传感器和用于调压腔检测的气压传感器；在氮气出口处设有调压阀，氮气进口通过减压阀连通氮气瓶，加热灯、调压阀和减压阀电连接MCU。
实施例3
如图3所示，基于实施例1中的控压设备，其用于氢燃料电池9的方法：
步骤1：MCU控制喷雾泵以0.8-1.2L/min的速度输出水流，水雾喷头呈扁平的扇形将水雾喷向玻璃珠，MCU控制加热灯对燃气腔和空气腔加热，氢气/空气以10-16m/s的速度喷入控湿腔中并在玻璃珠之间的缝隙处加湿至饱和湿度，其部分过湿的气体被玻璃珠吸湿至饱和湿度，流出至燃气腔/空气腔中被加热至80-85℃，然后从燃气出口/空气出口输出；燃气腔和空气腔的气体流量与水流量的体积比为15-20：1；
步骤2：燃气腔与调压腔之间的压差控制第一隔离部3移动，调压腔和空气腔之间的压差控制第二隔离部4移动，使燃气腔、调压腔、及空气腔三者的压力相同；
步骤3：MCU控制减压阀使氮气罐8中的氮气流出，氮气预热后进入调压腔中，当调压腔中的压力升压至80-120kpa时，关闭减压阀；当活塞移动使调压腔中的气压变化时，MCU控制调压阀或减压阀使调压腔中的气压始终保持在80-120kpa范围内。
该方法不仅实现了燃气和助燃气的气压均衡，实现了温度、湿度的模糊控制，有利于提高控制的速度，保证供气的及时性，其模糊控制的方式，即保证了燃气和助燃气的温度和湿度，其控制速度相较于精确控制速度提高了50%以上，舍弃燃气或阻燃气的利用率，获得更快的反应速度，提高电池的输出功率。此外，通过调压腔的设计，能够在一定范围内对燃气腔和空气腔进行增压和减压，从而实现一定范围内的保压效果，进而提高装置的供气的稳压性和均压性。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的控压设备，其特征在于，包括壳体（2），壳体内设有第一隔离部（3）和第二隔离部（4），壳体（2）内分为燃气腔、空气腔、调压腔，燃气腔与调压腔通过活动的第一隔离部（3）密封隔离，空气腔与调压腔通过活动的第二隔离部（4）密封隔离；燃气腔用于连通燃气源，空气腔用于连通空气源，调压腔用于连通充放气装置；
第一隔离部（3）和第二隔离部（4）均为弹性膜，第一隔离部（3）与第二隔离部（4）分别与壳体（2）的内侧壁固定连接；
弹性膜呈波纹状，第一隔离部（3）可压缩燃气腔或调压腔，第二隔离部（4）可压缩调压腔或空气腔，燃气腔的侧壁上设有燃气进出口，空气腔的侧壁上设有空气进出口，调压腔的侧壁上设有通气口；
弹性膜呈环形，且其外侧镶嵌有钢圈；弹性膜沿厚度方向分为塑料薄膜层、硅胶层、编织层、橡胶层、及绒毛层；使用时绒毛层面向燃气腔或空气腔并用于吸收空气或燃气的局部波动。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的控压设备，其特征在于，第一隔离部（3）和第二隔离部（4）呈活塞状；活塞可沿管体的侧壁滑动，活塞的两侧分别设有限位部使活塞始终不覆盖壳体（2）的对外连接口。
3.如权利要求2所述的用于燃料电池的控压设备，其特征在于，活塞内设有控湿腔，控湿腔背向调压腔的一侧具有开口并在开口处设有拦网，控湿腔内设有用于吸附湿气的若干玻璃珠，拦网将玻璃珠拦截于控湿腔内且其网孔使气体或液体穿过。
4.如权利要求3所述的用于燃料电池的控压设备，其特征在于，在燃气腔和空气腔的上部设有水雾喷头，水雾喷头对准玻璃珠；在水雾喷头的下侧设有对准控湿腔的燃气进口或空气进口；在燃气腔和空气腔的下部分别设有出水口，出水口上侧设有燃气出口或空气出口。
5.如权利要求4所述的用于燃料电池的控压设备，其特征在于，第一隔离部（3）两侧的限位部分别为第一限位部（1）和第二限位部（5）；第二隔离部（4）两侧的限位部分别为第一限位部（1）和第三限位部（6）；第一限位部（1）使燃气腔的气体流量不小于燃气腔进/出口通道的一半；第二限位部（5）位于助燃气腔一侧的壳体（2）上，第二限位部（5）使燃气腔的气体流量大于助燃气腔进/出口通道的一半；第二限位部（5）和第三限位部（6）呈梳齿状用于水流过；在调压腔的侧壁上设有氮气进口和出口，氮气出口上连接有泄压阀（7）。
6.如权利要求5所述的用于燃料电池的控压设备，其特征在于，壳体（2）的侧壁内由内至外分别为玻璃层、加热灯层、反光层、真空层、及外侧壁，加热灯层具有加热灯；壳体（2）下部连有水箱，水箱内设有两喷雾泵，管道依次连接水箱、喷雾泵、水雾喷头、燃气腔、水箱构成燃气加湿环路；管道依次连接水箱、喷雾泵、水雾喷头、空气腔、水箱构成空气加湿环路；两喷雾泵分别由MCU控制，MCU连有用于燃气腔或空气腔检测的温度传感器和用于调压腔检测的气压传感器；在氮气出口处设有调压阀，氮气进口通过减压阀连通氮气瓶，加热灯、调压阀和减压阀电连接MCU。
7.如权利要求6所述的用于燃料电池的控压设备，其特征在于，其用于氢燃料电池（9）的方法：
步骤1：MCU控制喷雾泵以0.8-1.2L/min的速度输出水流，水雾喷头呈扁平的扇形将水雾喷向玻璃珠，MCU控制加热灯对燃气腔和空气腔加热，氢气/空气以10-16m/s的速度喷入控湿腔中并在玻璃珠之间的缝隙处加湿至饱和湿度，其部分过湿的气体被玻璃珠吸湿至饱和湿度，流出至燃气腔/空气腔中被加热至80-85℃，然后从燃气出口/空气出口输出；燃气腔和空气腔的气体流量与水流量的体积比为（15-20）：1；
步骤2：燃气腔与调压腔之间的压差控制第一隔离部（3）移动，调压腔和空气腔之间的压差控制第二隔离部（4）移动，使燃气腔、调压腔、及空气腔三者的压力相同；
步骤3：MCU控制减压阀使氮气罐（8）中的氮气流出，氮气预热后进入调压腔中，当调压腔中的压力升压至80-120kpa时，关闭减压阀；当活塞移动使调压腔中的气压变化时，MCU控制调压阀或减压阀使调压腔中的气压始终保持在80-120kpa范围内。
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