CN112993326A - 一种燃料电池及质子交换膜保护方法 - Google Patents

一种燃料电池及质子交换膜保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种燃料电池和质子交换膜保护方法，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的阳极接入氢气燃料，阴极接入空气；其中，所述阳极和所述阴极之间通过电解质构成的质子交换膜分隔；连接所述燃料电池电堆的阳极的氢气回路，所述氢气回路为燃料电池电堆提供氢气；连接所述燃料电池电堆的阴极的空气回路，所述空气回路为燃料电池电堆提供氧气；其中，所述空气回路上并联设置有压力平衡装置，所述压力平衡装置构成能够控制所述空气回路的压力，使燃料电池电堆中阴极侧和阳极侧的压力平衡，使所述质子交换膜的两侧的压力处于平衡的状态。

Description

一种燃料电池及质子交换膜保护方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池及质子交换膜保护方法，尤其是氢氧燃料电池及其中的质子交换膜的保护方法。
背景技术
质子交换膜是燃料电池的核心部件之一，它和电极一起决定了燃料电池的性能、寿命和价格。目前国内常用的质子交换膜为全氟磺酸质子交换膜，具有较高的化学稳定性，但是在质子交换膜两侧压力差较大的时候容易穿孔损坏，严重时导致整车燃料电池报废；当前国内外燃料电池质子交换膜两侧压力基本控制在20kpa以内，一般阳极压力高于阴极压力。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池及质子交换膜保护方法，能够控制质子交换膜两侧压差较大时防进一步扩大，同时迅速降低两侧的压力差，保护质子交换膜安全可靠不被损坏或减少质子交换膜损坏的概率。
为了实现以上发明目的，本发明的一个方面提出了一种燃料电池，包括：
燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的阳极接入氢气燃料，阴极接入空气；其中，所述阳极和所述阴极之间通过电解质构成的质子交换膜分隔；
连接所述燃料电池电堆的阳极的氢气回路，所述氢气回路为燃料电池电堆提供氢气；
连接所述燃料电池电堆的阴极的空气回路，所述空气回路为燃料电池电堆提供氧气；
其中，所述空气回路上并联设置有压力平衡装置，所述压力平衡装置构成能够控制所述空气回路的压力，使燃料电池电堆中阴极侧和阳极侧的压力平衡，使所述质子交换膜的两侧的压力处于平衡的状态。
本发明的进一步改进在于，所述空气回路包括提供空气的空压机，所述空压机通过并联设置的主管道和支管道连接所述燃料电池电堆的阴极入口；其中，所述支流管道上设置所述压力平衡装置。
本发明的进一步改进在于，所述压力平衡装置包括储气装置和控制装置，所述储气装置和控制装置的上游设置有第一电磁阀，其下游设置有第二电磁阀；
其中，所述储气装置造成能够存储空气并保持一定的气压，所述控制装置构造成能够根据燃料电池电堆的阴极和阳极的压差控制所述第一电磁阀和所述第二电磁阀的工作状态。
本发明的进一步改进在于，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均为单向阀，单向阀的方向是从所述空压机到所述阴极入口。
本发明的进一步改进在于，所述主管道上设置有调节空气湿度的增湿器，所述燃料电池电堆的阴极出口设置有冷凝器，所述冷凝管凝结的水导入所述增湿器。
本发明的进一步改进在于，所述燃料电池电堆连接有散热回路，所述散热回路包括散热装置，散热装置的两端分别连接燃料电池电堆的冷却水入口和冷却水出口，散热装置连接冷却水入口的管线上设置有电子水泵。
本发明的进一步改进在于，所述氢气回路包括高压氢气瓶，所述高压氢气瓶通过氢气管线连接燃料电池电堆的阳极入口；所述燃料电池电堆的阳极出口设置有氢气尾排电磁阀，并通过氢气再循环装置连接氢气管线。
根据本发明的另一个方面还提出了一种质子交换膜保护方法，包括：
在燃料电池电堆正常运行的情况下，空气回路中的部分气体进入到压力平衡装置中，压力平衡装置存储一定量的空气；
在阴极压力小于阳极压力时，压力平衡装置向燃料电池电堆的阴极输送空气，提高阴极的压力，使阴极和阳极压力平衡。
本发明的进一步改进在于，所述压力平衡装置向阴极输送空气时，所述控制装置根据燃料电池电堆的阴极和阳极的压力差实时控制第二电磁阀，根据阴极和阳极的压力差改变第二电磁阀的启动、停止及流量调节。
本发明的进一步改进在于，在第二电磁阀开启时，所述第一电磁阀处于关闭的状态；当阴极和阳极的压力平衡后，关闭第二电磁阀并开启第一电磁阀，向所述存储装置内存储空气。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种燃料电池及质子交换膜保护方法，能够控制质子交换膜两侧压差较大时防进一步扩大，同时迅速降低两侧的压力差，保护质子交换膜安全可靠不被损坏或减少质子交换膜损坏的概率。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1所示为本发明的一个实施例的燃料电池的结构示意图；
图2所示为本发明的一个实施例的燃料电池电堆的结构示意图。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1、燃料电池电堆，2、空气回路，3、氢气回路，4、散热回路，11、阴极入口，12、阴极出口，13、阳极入口，14、阳极出口，15、阳极多孔电极，16、阴极多孔电极，17、质子交换膜，21、空压机，22、压力平衡装置，23、散热器，24、增湿器，25、储气装置和控制装置，26、第一电磁阀，27、第二电磁阀，28、冷凝器，31、高压氢气瓶，32、氢气管线，33、氢气尾排电磁阀，34、氢气再循环装置，35、减压阀，41、散热装置，42、电子水泵，43、冷却水补水箱，44、冷却水入口，45、冷却水出口。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种燃料电池，其包括燃料电池电堆1，所述燃料电池电堆1包括阴极和阳极，阴极和阳极分别设置有多空电极，并通过电解质构成的质子交换膜17分隔。其中，的阳极接入氢气燃料，阴极接入空气，阳极的氢气和阴极的空气中的氧气发生反应，产生电能。所述燃料电池电堆1的阳极连接有氢气回路3，所述氢气回路3为燃料电池电堆1提供氢气。所述燃料电池电堆1连接有阴极的空气回路2，所述空气回路2为燃料电池电堆1提供氧气。其中，所述空气回路2上并联设置有压力平衡装置22，所述压力平衡装置22构成能够控制所述空气回路2的压力，在阴极的压力小于阳极压力时补充压力，阴极压力大于阳极压力时能够减小压力。从而使燃料电池电堆1中阴极侧和阳极侧的压力平衡，使所述质子交换膜17的两侧的压力处于平衡的状态。
使用根据本实施例所述的燃料电池能够平衡阴极和阳极的压力，保证电池的质子交换膜17的安全。当前解决方案为当膜两侧压差过大时对氢气侧压力进行卸放或者加大空气侧压力，但是均存在反应时间无法满足要求的情况。第一，使用阳极泄放氢气降低压力的方案，存在氢气泄放速度不满足要求，同时存在泄放氢气导致燃料电池出口氢气浓度瞬时升高，超过安全浓度的隐患。第二，通过阴极空压机21加大功率输出的方式增加阴极压力，由于空压机21响应时间为几秒，在这个增压过程中质子交换膜17有可能已经损坏穿孔。本实施例通过在阴极侧设置压力平衡装置22，可以在质子交换膜17两侧压差较大时防止压力差进一步扩大，同时迅速降低两侧的压力差，保护质子交换膜17不被损坏或减少质子交换膜17损坏的概率。其平衡压力的速度快，并且不需要释放阳极的氢气，保证了安全。
如图2所示的实施例中，氢气回路3连接燃料电池的阳极，氢气从阳极入口13进入到燃料电池电堆1的阳极内部，并移动到阳极多孔电极15内。空气回路2连接所述燃料电池电堆1的阴极，空气从阴极入口11进入到阴极内部，其中的氧气移动到阴极多孔电极16内。氢气和氧气经过阴极多孔电极15、阳极多孔电极15以及质子交换膜17发生化学反应，消耗氢气以及空气中的氧气，空气尾气从阴极出口12排出，反应产生的水与氢气的尾气通过阳极出口13排出。
和阳极，阴极和阳极分别设置有多空电极，并通过电解质构成的质子交换膜17分隔。
在一个实施例中，如图1所示，所述空气入口包括提供空气的空压机21，所述空压机21的下游通过两个管道连接所述燃料电池电堆1的阴极入口11。两个管道分别为主管道和支管道，所述主管道和支管道并联设置。支流管道上设置所述压力平衡装置22。主管道上设置有散热器23和增湿器24，对流入燃料电池电堆1的气体的温度和湿度进行调节。
在使用根据本实施例所述的燃料电池的过程中，在正常的情况下，空气是从主管道流入燃料电池电堆1的。在电池工作过程中，阳极的压力会逐渐高于阴极的压力，这时通过打开支管路能够平衡阳极和阴极的压力。
在一个实施例中，所述压力平衡装置22包括储气装置和控制装置25，所述储气装置和控制装置25设置成一个整体，其上游设置有第一电磁阀26，其下游设置有第二电磁阀27。其中，所述储气装置造成能够存储空气并保持一定的气压，所述控制装置构造成能够根据燃料电池电堆1的阴极和阳极的压差控制所述第一电磁阀26和所述第二电磁阀27的工作状态。
优选地，所述第一电磁阀26和所述第二电磁阀27均为单向阀，单向阀的方向是从所述空压机21到所述阴极入口11。
在一个优选的实施例中，所述主管道上设置有调节空气湿度的增湿器24，增湿器24的增湿系统内设置有一定量的水，通过将水喷洒在主管道的空气中，使管道中的气体增加湿度，便于反应的进行。燃料电池电堆1的阴极出口12设置有冷凝器28，所述冷凝管凝结的水导入所述增湿器24。
在一个实施例中，燃料电池电堆1连接有散热回路4，所述散热回路4包括散热装置41，散热装置41的两端分别连接燃料电池电堆1的冷却水入口44和冷却水出口45，散热装置41连接冷却水入口44的管线上设置有电子水泵42。在所述散热回路4内还连接有冷却水补水箱43，能够为散热回路4提供冷却水，当冷却水温度上升蒸发速度加快而造成水分流失后，冷却水补水箱43能够及时补充冷却水。
通过所述散热回路4能够将燃料电池电堆1中反应产生的热量通过冷却水带出燃料电池电堆1以外。冷却水入口44和冷却水出口45之间设置散热装置41，通过散热装置41将热量散发出去。电子水泵42能够控制散热回路4的启动和停止。
在一个实施例中，所述氢气回路3包括高压氢气瓶31，所述高压氢气瓶31通过氢气管线32连接燃料电池电堆1的阳极入口13；所述燃料电池电堆1的阳极出口14通过氢气尾排电磁阀33连接所述氢气尾气处理装置。氢气管线32上设置有若干减压阀35和若干电磁阀，通过减压阀35和电磁阀控制氢气管线32内氢气的流量。所述燃料电池电堆1上设置有氢气尾气排出口，氢气尾气排出口上设置有氢气尾排电磁阀33，并且所述氢气尾气排出口还通过氢气再循环装置34连接氢气管线32，使尾气中的氢气回收再利用。
根据本实施例所述的具有加热辅助功能的燃料电池中，高压氢气瓶31用于提供电池反应过程中的氢气燃料，氢气从高压氢气瓶31出来后通过氢气管线32进入到燃料电池电堆1中，通过减压阀35和电磁阀能够控制输送氢气的流量。反应后的氢气尾气首先通过氢气再循环装置34输送会氢气管线32，剩余的气体通过氢气尾排电磁阀33输送到氢气尾气处理装置内。
根据本发明的另一个方面，还提出了一种燃料电池的质子交换膜保护方法，包括以下步骤。
在燃料电池电堆1正常运行的情况下，空气回路2中的部分气体进入到压力平衡装置22中，压力平衡装置22存储一定量的空气。燃料电池大功率运行时，此时阴极压力需求处于整个系统运行过程最高值，可以保证在燃料电池工作各功率段装置内的气体压力满足要求。
在阴极压力小于阳极压力时，压力平衡装置22向燃料电池电堆1的阴极输送空气，提高阴极的压力，使阴极和阳极压力平衡。通过控制装置中的控制算法打开出口第二电磁阀27，联合空压机21增压方式共同对阴极压力进行提升，降低燃料电池电堆1阴阳极压力差，从而达到保护燃料电池质子交换膜17的目的。
本实施例所述方法相对单独的空压机21增压可以缩短时间，相对阳极氢气泄放更安全。甚至在燃料电池工作过程中，如果空压机21损坏导致压差异常时或关机过程中，也可以利用该装置中的气体进行缓冲，保护质子交换膜17；同时确保燃料电池功率不会瞬时大功率变化，延长使用寿命。
在一个优选的实施例中，在第二电磁阀27开启时，所述第一电磁阀26处于关闭的状态；当阴极和阳极的压力平衡后，关闭第二电磁阀27并开启第一电磁阀26，向所述存储装置内存储空气。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括：
燃料电池电堆(1)，所述燃料电池电堆(1)的阳极接入氢气燃料，阴极接入空气；其中，所述阳极和所述阴极之间通过电解质构成的质子交换膜(17)分隔；
连接所述燃料电池电堆(1)的阳极的氢气回路(3)，所述氢气回路(3)为燃料电池电堆(1)提供氢气；
连接所述燃料电池电堆(1)的阴极的空气回路(2)，所述空气回路(2)为燃料电池电堆(1)提供氧气；
其中，所述空气回路(2)上并联设置有压力平衡装置(22)，所述压力平衡装置(22)构成能够控制所述空气回路(2)的压力，使燃料电池电堆(1)中阴极侧和阳极侧的压力平衡，使所述质子交换膜(17)的两侧的压力处于平衡的状态。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述空气回路(2)包括提供空气的空压机(21)，所述空压机(21)通过并联设置的主管道和支管道连接所述燃料电池电堆(1)的阴极入口(11)；其中，所述支流管道上设置所述压力平衡装置(22)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述压力平衡装置(22)包括储气装置和控制装置(25)，所述储气装置和控制装置(25)的上游设置有第一电磁阀(26)，其下游设置有第二电磁阀(27)；
其中，所述储气装置造成能够存储空气并保持一定的气压，所述控制装置构造成能够根据燃料电池电堆(1)的阴极和阳极的压差控制所述第一电磁阀(26)和所述第二电磁阀(27)的工作状态。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述第一电磁阀(26)和所述第二电磁阀(27)均为单向阀，单向阀的方向是从所述空压机(21)到所述阴极入口(11)。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池，其特征在于，所述主管道上设置有调节空气湿度的增湿器(24)，所述燃料电池电堆(1)的阴极出口(12)设置有冷凝器(28)，所述冷凝管凝结的水导入所述增湿器(24)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池电堆(1)连接有散热回路(4)，所述散热回路(4)包括散热装置(41)，散热装置(41)的两端分别连接燃料电池电堆(1)的冷却水入口(44)和冷却水出口(45)，散热装置(41)连接冷却水入口(44)的管线上设置有电子水泵(42)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气回路(3)包括高压氢气瓶(31)，所述高压氢气瓶(31)通过氢气管线(32)连接燃料电池电堆(1)的阳极入口(13)；所述燃料电池电堆(1)的阳极出口(14)设置有氢气尾排电磁阀(33)，并通过氢气再循环装置(34)连接氢气管线(32)。
8.一种根据权利要求1至7中任一所述的燃料电池的质子交换膜保护方法，其特征在于，包括：
在燃料电池电堆(1)正常运行的情况下，空气回路(2)中的部分气体进入到压力平衡装置(22)中，压力平衡装置(22)存储一定量的空气；
在阴极压力小于阳极压力时，压力平衡装置(22)向燃料电池电堆(1)的阴极输送空气，提高阴极的压力，使阴极和阳极压力平衡。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜保护方法，其特征在于，所述压力平衡装置(22)向阴极输送空气时，所述控制装置根据燃料电池电堆(1)的阴极和阳极的压力差实时控制第二电磁阀(27)，根据阴极和阳极的压力差改变第二电磁阀(27)的启动、停止及流量调节。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜保护方法，其特征在于，在第二电磁阀(27)开启时，所述第一电磁阀(26)处于关闭的状态；当阴极和阳极的压力平衡后，关闭第二电磁阀(27)并开启第一电磁阀(26)，向所述存储装置内存储空气。
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