CN201112486Y - 一种用于燃料电池的气体流量控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池(1)的气体流量控制装置，其特征在于，该装置包括控制器(2)、第一调节器(3)、第二调节器(4)和信号采集器(5)，所述第一、第二调节器(3、4)都包括气阀，所述信号采集器(5)跨接于燃料电池(1)的正极和负极，信号输出端接所述控制器(2)的输入端，控制器(2)的两个控制输出端分别接第一调节器(3)和第二调节器(4)的控制端，所述第一调节器(3)的气阀连接到燃料电池(1)的燃料气体进气口，所述第二调节器(4)的气阀连接到燃料电池(1)的氧化剂气体进气口。该装置能根据信号采集器采集的燃料电池输出电压的变化自动调整第一调节器和第二调节器中的气阀的开度，从而控制进入燃料电池的气体流量。

Description

一种用于燃料电池的气体流量控制装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于燃料电池的气体流量控制装置。
背景技术
燃料电池按电化学原理将化学能转化为电能，例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)，它是一种以固体聚合物作为电解质膜，空气或纯氧作为氧化剂，氢气或者净化重整气作为燃料气体，带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板的一种发电装置。在采用氢气为燃料气体，含有氧气的空气为氧化剂的质子交换膜燃料电池中，在阳极，氢气在催化剂作用下生成氢正离子(或叫质子)，质子交换膜帮助氢正离子从阳极迁移到阴极。在阴极，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，生成产物水，生成的产物水通过气体扩散层随反应尾气排出。燃料电池在工作时，必须不断地按比例向电池内部送入燃料气体(H2)与氧化剂气体(O2)，与此同时，还要排出等摩尔的反应产物水，此外，当燃料电池负载变化时，需求燃料气体和氧化剂气体的量也会随之变化。为此，需要在燃料电池的进气口(也可以设置在出气口)设置流量调节阀。
现有的调节阀根据控制方式可分为气动调节阀、电动调节阀、电磁式调节阀等，但用在燃料电池上并不合适，这些阀门一般最低承压在6bar，而目前燃料电池系统的操作压力可分为常压操作与加压操作，即便加压操作压力一般也仅为2bar左右，而且现有电磁阀会增加系统的质量。
CN2741200Y公开了一种燃料电池系统燃料气体与氧化剂气体流量自动调节装置，通过弹簧的伸缩自动控制燃料气体与氧化剂气体阀门开度的大小，但是该装置无法精确控制气体的流量；此外，该装置在变载时根据橡胶膜片两侧承受气体压差与弹簧力的组合变化分别控制燃料气体与氧化剂气体阀门开关大小，从而控制燃料气体与氧化剂气体流量变化，采用这种方式，容易造成累计偏差，无法保证流量控制精确度。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种用于燃料电池的气体流量控制装置，它可以精确控制进入燃料电池的气体流量。
为实现上述目的，本实用新型提供一种用于燃料电池的气体流量控制装置，该装置包括控制器、第一调节器、第二调节器和信号采集器，所述第一、第二调节器都包括气阀，所述信号采集器跨接于燃料电池的正极和负极，所述信号采集器的信号输出端接所述控制器的输入端，控制器的两个控制输出端分别接第一调节器和第二调节器的控制端，所述第一调节器的气阀连接到燃料电池的燃料气体进气口，所述第二调节器的气阀连接到燃料电池的氧化剂气体进气口。
本实用新型提供的用于燃料电池的气体流量控制装置中的控制器根据信号采集器采集的燃料电池输出电压的变化自动调整第一调节器和第二调节器中的气阀的开度，从而控制进入燃料电池的气体流量，采用的是实时控制，因此能够实现流量的精确控制；该气体流量控制装置直接与燃料电池相连，相对于常用控制阀，减少不必要的压力损失，降低了燃料电池的内耗，而且本实用新型装置结构简单，操作容易，成本低。
附图说明
图1是本实用新型的燃料电池气体流量控制装置与燃料电池之间的连接示意图；
图2是本实用新型的第一或第二调节器的立体结构图；
图3是本实用新型的第一或第二调节器立体结构图的主视图；
图4是本实用新型的第一或第二调节器立体结构图的左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型提供一种用于燃料电池1的气体流量控制装置，该装置包括控制器2、第一调节器3、第二调节器4和信号采集器5，所述第一、第二调节器3、4都包括气阀(图1中未示出)，所述信号采集器5跨接于燃料电池1的正极和负极，所述信号采集器5的信号输出端接所述控制器2的输入端，控制器2的两个控制输出端分别接第一调节器3和第二调节器4的控制端，所述第一调节器3的气阀连接到燃料电池1的燃料气体进气口，所述第二调节器4的气阀连接到燃料电池1的氧化剂气体进气口。
所述信号采集器5为本领域技术人员公知的具有分压功能的电阻，例如滑动电阻、变阻箱等，优选为滑动电阻。所述信号采集器5用于采集燃料电池1的输出电压并输入到控制器2中。
所述控制器2为本领域技术人员公知的可编程的控制器，例如PLC、单片机等，优选为单片机，这种控制器能对其预先设置程序并能发出脉冲信号。控制器2接收通过信号采集器5采集到的燃料电池1的输出电压信号，根据预先设置的查表程序得到对应的燃料电池1所需的燃料气体进气量和氧化剂气体进气量，输出相应的控制信号以控制第一调节器3和第二调节器4中的气阀。如下文所述，如果第一调节器3和第二调节器4中的气阀由电机驱动，则控制器2输出相应的脉冲数来控制电机。
所述查表程序是根据气体流量控制装置中参数的对应关系而编写的，不同的电池会有不同的输出电压、气体流量、气阀开度的一一对应关系，这种一一对应关系可以测量不同输出电压下的气体流量而获得。
例如，对于功率为1000W，额定电压为14V的，燃料气体为氢气，氧化剂气体为氧气的燃料电池来说，存在如表1所示的输出电压、气体流量、气阀开度的一一对应关系。
其中，对于一个特定的气阀33，气阀33的开度与开度调节旋钮331的旋转量也存在一一对应的关系，而开度调节旋钮331的旋转量是通过电机31的转数来实现的，电机31转数与其接收到脉冲的数量存在一一对应的关系，如表1所示。因此，控制器2可以通过给电机31输出相应的脉冲数，控制电机31的转数，从而控制气阀33的开度。
因此，对于此种电池，可以根据表1所示的关系，编写查表程序。
表1
  燃料电池输出电压(V)   12.5   13   13.5   14   14.5   15   15.5
  对应脉冲数(负号表示对应电机反转)   -1200   -800   -400   0   400   800   1200
  对应气阀开度(％)   35   40   45   50   55   60   65
  燃料气体流量(L/min)   2.6   4.6   6.5   7.8   10   11.8   14
  氧化剂气体流量(L/min)   5.9   10.3   14.7   17.6   22.8   26.8   31.8
所述第一调节器3和第二调节器4结构相同，图2中以第一调节器3为例说明其结构，所述第一调节器3或第二调节器4包括电机31、固定架32、气阀33、气阀固定块34和连接轴35。电机31固定在固定架32的外部，电机31的转轴311穿过固定架32延伸到固定架32的内部，气阀固定块34将气阀33固定在固定架32的内部，气阀33具有开度调节旋钮331，连接轴35的两端分别固定连接电机31的转轴311和气阀33的开度调节旋钮331。
如图3、4所示，所述固定架32包括第一端板321、第二端板322和至少一个支撑杆323，支撑杆323位于第一端板321和第二端板322之间，每个支撑杆323的两端分别与第一端板321和第二端板322固定连接，电机31和气阀33被分别固定在第一端板321和第二端板322上，电机的转轴311穿过第一端板321向第二端板322延伸。
所述电机31的控制端即为所述第一调节器3(或第二调节器4)的控制端，气阀固定块34将气阀33固定在第二端板322上。
所述支撑杆323与第一端板321、第二端板322的连接方式可以是焊接、铆接或螺接，优选为以螺接的方式固定连接。
所述电机31与第一端板321的连接方式可以是焊接、铆接或螺接，优选为以螺接的方式固定连接。
所述电机31为本领域技术人员公知的带有控制端的电机，例如伺服电机、步进电机等，优选为步进电机，这种电机能接收脉冲信号，并输出正比于所接收脉冲数量的转数，控制更为精确。
所述气阀33为本领域技术人员公知的常用气阀，这种气阀具有开度调节旋钮331，通过旋转所述开度调节旋钮331能调节气阀33的开度。两个气阀33分别连接到燃料电池1的燃料气体进气口和氧化剂气体进气口，在燃料电池系统还具有燃料气体储备装置7和氧化剂气体储备装置6的情况下，第一调节器3的气阀33可以控制燃料气体储备装置7的出气口与燃料电池1的燃料气体进气口之间的气体流通；第二调节器4的气阀33可以控制氧化剂气体储备装置6的出气口与燃料电池1的氧化剂气体进气口之间的气体流通。
所述气阀固定块34包括底座341和卡块342，底座341与所述第二端板322固定连接，连接方式可以是焊接、铆接或螺接，优选为螺接。所述底座341具有导向槽，卡块342将气阀33固定于导向槽内。所述卡块342和底座341以螺接方式固定连接。
所述连接轴35包括一对连接件351、353，该对连接件351、353的相接端分别为沿轴线方向的多边形槽和与所述多边形槽配合的多边形轴，多边形轴伸入多边形槽中。
所述一对连接件351、353包括第一连接件351和第二连接件353，第一连接件351的一端与所述电机31的转轴311固定连接，连接方式可以是焊接、铆接或螺接，优选为螺接，即用固定螺钉352沿垂直转轴311轴向方向将转轴311和第一连接件351固定，所述第一连接件351的另一端沿其轴线方向开一多边形槽。所述第二连接件353的一端与所述气阀33的开度调节旋钮331固定连接，连接方式可以是焊接、铆接或螺接，优选为螺接，即用固定螺钉354沿垂直第二连接件353的轴向方向将所述旋钮331和第二连接件353固定，第二连接件353的另一端为与所述多边形槽配合的多边形轴，多边形槽的深度略大于多边形轴的长度，多边形轴伸入多边形槽中，使第一连接件351与第二连接件353能沿轴向相对移动但不能相对转动。所述多边形优选为正六边形。
下面阐述本实用新型的工作原理。
信号采集器5采集到燃料电池1的输出电压，将采集到的燃料电池1的输出电压发送给控制器2，控制器2根据预先设置的查表程序，给电机31输出输出相应的脉冲数，以控制电机31的转数，从而控制气阀33开度的大小，达到控制燃料气体、氧化剂气体的进气量的目的。

Claims (7)

1、一种用于燃料电池(1)的气体流量控制装置，其特征在于，该装置包括控制器(2)、第一调节器(3)、第二调节器(4)和信号采集器(5)，所述第一、第二调节器(3、4)都包括气阀，所述信号采集器(5)跨接于燃料电池(1)的正极和负极，所述信号采集器(5)的信号输出端接所述控制器(2)的输入端，控制器(2)的两个控制输出端分别接第一调节器(3)和第二调节器(4)的控制端，所述第一调节器(3)的气阀连接到燃料电池(1)的燃料气体进气口，所述第二调节器(4)的气阀连接到燃料电池(1)的氧化剂气体进气口。
2、根据权利要求1所述的气体流量控制装置，其特征在于，信号采集器(5)为滑动电阻或变阻箱。
3、根据权利要求1所述的气体流量控制装置，其特征在于，所述第一调节器(3)或第二调节器(4)分别包括电机(31)、固定架(32)、气阀(33)、气阀固定块(34)和连接轴(35)，电机(31)固定在固定架(32)的外部，电机(31)的转轴(311)穿过固定架(32)延伸到固定架(32)的内部，气阀固定块(34)将气阀(33)固定在固定架(32)的内部，气阀(33)具有开度调节旋钮(331)，连接轴(35)的两端分别固定连接电机(31)的转轴(311)和气阀(33)的开度调节旋钮(331)。
4、根据权利要求3所述的气体流量控制装置，其特征在于，所述固定架(32)包括第一端板(321)、第二端板(322)和至少一个支撑杆(323)，支撑杆(323)位于第一端板(321)和第二端板(322)之间，每个支撑杆(323)的两端分别与第一端板(321)和第二端板(322)固定连接，电机(31)和气阀(33)被分别固定在第一端板(321)和第二端板(322)上，电机的转轴(311)穿过第一端板(321)向第二端板(322)延伸。
5、根据权利要求3所述的气体流量控制装置，其特征在于，所述连接轴(35)包括一对连接件(351、353)，该对连接件(351、353)的相接端分别为沿轴线方向的多边形槽和与所述多边形槽配合的多边形轴，多边形轴伸入多边形槽中。
6、根据权利要求5所述的气体流量控制装置，其特征在于，所述多边形槽的深度大于多边形轴的长度。
7、根据权利要求5或6所述的气体流量控制装置，其特征在于，所述多边形为正六边形。
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