CN1225052C - 一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，包括至少一个单电池所构成的燃料电池、氢源、微型稳压阀、电磁阀、中心控制器、空气输送泵，所述的微型稳压阀为弹簧活塞型或弹性膜片型稳压阀，它设在氢源与燃料电池的进气端之间，所述的电磁阀为微型常闭型电磁阀，它设在燃料电池的出气端，所述的中心控制器为单片机，它与燃料电池的至少一个单电池连接，同时也分别与电磁阀以及空气输送泵连接。本发明采用了微型稳压阀技术以及采用了中心控制器对微型常闭型电磁阀进行自动控制，无论燃料电池的工作状态怎样变化，都能达到始终稳压的目的，使燃料电池的运行安全可靠。

Description

一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置

技术领域

本发明涉及燃料电池的控制装置，尤其涉及一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能够将氢燃料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反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：

阴极反应：

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。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导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极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极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、甲醇或由甲醇、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后进行散热；(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。

小功率(一般0～200瓦之间)的质子交换膜燃料电池用途很广，可用作便携式的电源，如手机电源、笔记本电脑电源、摄像机或数码相机的电源等。

质子交换膜燃料电池电源整个系统工作原理如图1所示：它主要由两部分所组成，即质子交换膜燃料电池R部分与储氢器氢源Q部分，其中储氢器氢源部分可以由储氢材料储氢充当氢源，当然也可以用高压储氢器充当氢源。目前，质子交换膜燃料电池与氢源之间的连接一般通过图2所示工作流程实现：调压稳压阀J的作用是将氢源Q中较高的氢气压力调整减低到符合燃料电池R工作压力的需要，而燃料氢气需要有一个循环使用装置或放掉一些未反应完的氢气。这种燃料电池有以下缺点：

1.调压减压阀体积、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，很难达到始终稳压之目的。

3.当减压阀无法给燃料电池稳压时，容易造成燃料电源中的氢气泄漏，严重时会引起火灾、爆炸。

4氢气循环使用增加了系统的复杂性，若持续放掉是不安全的。

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稳压、性能可靠的能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其特征在于，包括至少一个单电池所构成的燃料电池、氢源、微型稳压阀、电磁阀、中心控制器、空气输送泵，所述的微型稳压阀为弹簧活塞型或弹性膜片型稳压阀，它设在氢源与燃料电池的进气端之间，所述的电磁阀为微型常闭型电磁阀，它设在燃料电池的出气端，所述的中心控制器为单片机，它与燃料电池的至少一个单电池连接，同时也分别与电磁阀以及空气输送泵连接；装置运行时，氢源通过微型稳压阀将氢气输入燃料电池，燃料电池得到燃料氢气供应的瞬间，通过中心控制器启动空气输送泵向燃料电池输入空气，当单电池的工作电压低于某个数值时，微型稳压阀将自动开启并向燃料电池补充氢气，同时中心控制器发出信号打开电磁阀，让杂质水排出，一旦单电池工作电压回升至高于某个设定值时，微型稳压阀就自动关闭，同时中心控制器不再发出信号，电磁阀也自动关闭，微型稳压阀与电磁阀可调整电池工作压力，并保证电池中氢气纯度。

所述的弹簧活塞型稳压阀包括壳体、活塞、弹簧、支架以及连通管，所述的壳体底端和顶端分别设有氢气进、出口，所述的活塞向下延伸一锥形堵塞器，所述的弹簧套设于该锥形堵塞器，所述的支架框设于锥形堵塞器下部，所述的连通管将活塞上下的两个壳体空间连通。当氢源中的氢气压力高时，见锥形堵塞器顶开，氢气沿连通管向燃料电池供氢，当燃料电池中的氢气压力高于一定值时，活塞受到较大压力将锥形堵塞器往下压，阻止氢气继续供应，当燃料电池不断将氢气消耗时，内部压力下降，氢源中的氢气又重新将堵塞器顶开供应氢气；通过设定活塞大小、弹簧力度及氢源进气口大小，可以永久性地设定稳压阀的工作压力。

所述的弹性膜片型稳压阀包括壳体、弹性膜片、堵塞器、固定阀，所述的壳体侧下部和上部分别设有氢气进、出口，所述的弹性膜片设在壳体的顶端，所述的堵塞器与弹性膜片连成一体并向下延伸，所述的固定阀与堵塞器配合构成一进气控制装置。当氢源中的氢气压力高时，将向燃料电池供氢，随着供氢加快，燃料电池内部压力升高，将弹性膜片向外鼓起，此时堵塞器往上移将氢源供氢阻止；当燃料电池不断将氢气消耗时，内部压力下降，膜片又重新鼓起，氢源中的氢又重新通过堵塞器进入燃料电池。

所述的电磁阀可以是手动阀。当某电池电压低于某一数值时警告信号灯亮，用手动阀打开排出水及少量氢气。

所述的单电池的工作电压低于某个数值是指低于0.5V～0.6V。

所述的单电池工作电压回升至高于某个设定值是指高于0.8V～0.3V。

与现有技术相比，本发明由于采用了以上技术方案，即采用了微型稳压阀技术以及采用了中心控制器对微型常闭型电磁阀进行自动控制，无论燃料电池的工作状态怎样变化，都能达到始终稳压的目的，使燃料电池的运行更加安全可靠。

附图说明

图1为现有的质子交换膜燃料电池系统的工作原理图；

图2为现有的质子交换膜燃料电池与减压阀、氢源的连接关系图；

图3为本发明实施例1的工作原理图；

图4为本发明实施例2的工作原理图；

图5为本发明弹簧活塞型稳压阀的结构示意图；

图6为本发明弹性膜片型稳压阀的结构示意图。

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。

实施例1

一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其工作原理如图3所示，燃料电池R由10个单电池串联组成，每个单电池工作性能为0.7伏，1安(输出0.7瓦)，总输出为7瓦，整个燃料电池R电源系统还包括氢源Q、微型稳压阀A、电磁阀B、中心控制器C、空气输送泵(图未示)，所述的微型稳压阀A为弹簧活塞型或弹性膜片型稳压阀，它设在氢源Q与燃料电池R的进气端之间，所述的电磁阀B为微型常闭型电磁阀，它设在燃料电池R的出气端，所述的中心控制器C为一单片机，它与燃料电池R的第10个单电池连接，同时也分别与电磁阀B以及空气输送泵连接；所述的空气输送泵为零压力微型空气输送泵，空气流量为0.45升/分，消耗功率小于1瓦。

装置运行时，氢源Q通过微型稳压阀A将氢气输入燃料电池R，燃料电池R得到燃料氢气供应的瞬间，通过中心控制器启动空气输送泵向燃料电池R输入空气，当单电池的工作电压低于0.5V～0.6V时，微型稳压阀A将自动开启并向燃料电池R补充氢气，同时中心控制器发出信号打开电磁阀B，让杂质水排出，一旦单电池工作电压回升至高于0.8V～0.3V时，微型稳压阀A就自动关闭，同时中心控制器不再发出信号，电磁阀B也自动关闭，微型稳压阀A与电磁阀B可调整电池工作压力，并保证电池中氢气纯度。

所述的弹簧活塞型稳压阀包括壳体1、活塞2、弹簧3、支架4以及连通管5，其结构如图5所示，所述的壳体1底端和顶端分别设有氢气进、出口，所述的活塞2向下延伸一锥形堵塞器6，所述的弹簧3套设于该锥形堵塞器6，所述的支架4框设于锥形堵塞器6下部，所述的连通管5将活塞2上下的两个壳体空间连通。

所述的弹性膜片型稳压阀包括壳体7、弹性膜片8、堵塞器9、固定阀10，其结构如图6所示，所述的壳体7侧下部和上部分别设有氢气进、出口，所述的弹性膜片8设在壳体7的顶端，所述的堵塞器9与弹性膜片8连成一体并向下延伸，所述的固定阀10与堵塞器9配合构成一进气控制装置。

所述的电磁阀B可以是手动阀。

当启动整个燃料电池R电源系统按钮时，由于氢源Q中的贮氢容器氢气压力高于外部大气压，氢气就通过微型稳压阀A流进燃料电池R，此时燃料电池R得到燃料氢气供应的瞬间，每个单电池已产生开路电压1.0伏左右，并同时驱动空气泵旋转工作，向燃料电池R输送空气，此时工作电压大约是0.7～0.9伏之间。当燃料电池R向外界负载放电工作时，燃料电池R长时间工作后内部可能积聚水或其他杂质。此时，燃料电池R组中最后一个单电池的工作电压将降低，从0.9～0.7伏降到0.6～0.5伏，若氢气补充不足时，单电池电压将降至0.5伏以下。中心控制器C在探测到第10号单电池降到设定值(0.5伏)时将再次打开电磁阀B。这样氢源Q中的氢又补充进来并排掉水与杂质，使第10号单电池的工作电压又回升至大于0.5伏。

当氢源Q中氢燃料用尽时，打开电磁阀B仍然无法使10号单电池工作电压回升至大于0.5伏，此时，中心控制器C将不再打开电磁阀B，而必须更换氢源Q。

实施例2

一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其工作原理如图4所示，其燃料电池R采用6个单电池串联组合而成，每个单电池工作性能为0.85伏，100～300MA左右，其他工作原理和控制步骤与实施例1相同。

Claims (6)

1、一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其特征在于，包括至少一个单电池所构成的燃料电池、氢源、微型稳压阀、电磁阀、中心控制器、空气输送泵，所述的微型稳压阀为弹簧活塞型或弹性膜片型稳压阀，它设在氢源与燃料电池的进气端之间，所述的电磁阀为微型常闭型电磁阀，它设在燃料电池的出气端，所述的中心控制器为单片机，它与燃料电池的至少一个单电池连接，同时也分别与电磁阀以及空气输送泵连接；装置运行时，氢源通过微型稳压阀将氢气输入燃料电池，燃料电池得到燃料氢气供应的瞬间，通过中心控制器启动空气输送泵向燃料电池输入空气，当单电池的工作电压低于设定值时，微型稳压阀将自动开启并向燃料电池补充氢气，同时中心控制器发出信号打开电磁阀，让杂质水排出，一旦单电池工作电压回升至高于设定值时，微型稳压阀就自动关闭，同时中心控制器不再发出信号，电磁阀也自动关闭，微型稳压阀与电磁阀可调整电池工作压力，并保证电池中氢气纯度。

2、根据权利要求1所述的一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其特征在于，所述的弹簧活塞型稳压阀包括壳体、活塞、弹簧、支架以及连通管，所述的壳体底端和顶端分别设有氢气进、出口，所述的活塞向下延伸一锥形堵塞器，所述的弹簧套设于该锥形堵塞器，所述的支架框设于锥形堵塞器下部，所述的连通管将活塞上下的两个壳体空间连通。

3、根据权利要求1所述的一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其特征在于，所述的弹性膜片型稳压阀包括壳体、弹性膜片、堵塞器、固定阀，所述的壳体侧下部和上部分别设有氢气进、出口，所述的弹性膜片设在壳体的顶端，所述的堵塞器与弹性膜片连成一体并向下延伸，所述的固定阀与堵塞器配合构成一进气控制装置。

4、根据权利要求1所述的一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其特征在于，所述的电磁阀可以是手动阀。

5、根据权利要求1所述的一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其特征在于，所述的单电池的工作电压低于设定值是指低于0.5V。

6、根据权利要求1所述的一种能使小功率质子交换膜燃料电池安全运行的控制装置，其特征在于，所述的单电池工作电压回升至高于设定值是指高于0.5V。