CN201498553U - 车用燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种车用燃料电池系统，所述系统包括：膜电极；板，具有与所述膜电极相邻的表面，所述表面具有形成在所述表面中的流场，所述流场用于将流体输送到所述膜电极；致动器，与所述板可操作地连接，所述致动器被配置为以机械方式激励所述板，以驱散流场中的液态水。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种车用燃料电池系统。
背景技术
电解质燃料电池通过使燃料气体(如氢气)和氧化剂气体(如氧气)进行电化学反应来发电。
一些电解质燃料电池包括隔膜，隔膜包括电解质膜和形成在电解质膜的相对的表面上的催化层。透气导电的电极层设置在每个催化层的外表面上。导电的双极板设置在每个电极层的外表面上。双极板以机械方式将电极层和电解质膜夹在一起。
流场或流道形成在每个双极板的面对相应电极层的表面上。流场将气体引导到电极层。燃料气体被引导到电极层中的一个电极层上。氧化剂气体被引导到另一个电极层上。
在操作过程中，氢气在经过氢气供应侧的电极层(例如，阳极)的表面时附着到该电极层上。氢气扩散并穿过电极层到达阳极侧催化层。当催化层内的氢气到达特定区域时，在氢气和电解质之间发生电化学反应。氢气由于所述反应而被离子化。氢离子被附着到电解质膜中。
氧气在经过氧气供应侧的电极层(例如，阴极)的表面时附着到该电极层上。氧气扩散并穿过电极层到达阴极侧催化层。氧气与从阳极通过电解质膜迁移的与氢离子反应而产生水。在该反应过程中，电子通过连接到燃料电池的阳极和阴极的外部负载从阳极移到阴极，从而产生电力。
实用新型内容
车用燃料电池系统包括膜电极以及具有与膜电极相邻的表面的板。所述表面具有形成在其中的流场，用于将流体输送到膜电极。所述系统还包括与所述板可操作地连接的致动器。所述致动器被配置为机械地激励所述板以驱散流场中的液态水。
车用燃料电池系统包括多个燃料电池和多个致动器。每个致动器被配置为以机械方式激励多个燃料电池之一，以驱散所述多个燃料电池之一中的液态水。
驱散车用燃料电池系统中的液态水的方法包括：为多个致动器中的至少一个提供电能；将所述电能转换为机械能并将所述机械能传送到多个燃料电池中的至少一个上，以机械激励所述多个燃料电池中的至少一个，从而将所述多个燃料电池中的至少一个中的液态水驱散。
尽管举例说明和公开了根据本实用新型的示例性实施例，但是，这种公开不应该被解释为限制权利要求。应该理解的是，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以作出各种变形和替换设计。
附图说明
图1是根据本实用新型实施例的车用燃料电池系统的一部分的局部分解透视图。
图2是根据本实用新型另一实施例的用于图1的燃料电池系统的控制方法的流程图。
图3是根据本实用新型又一实施例的车用燃料电池系统的一部分的示意图。
具体实施方式
由燃料电池的阴极侧催化层的电化学反应产生的水蒸气会冷凝并积存在阴极侧催化层和流场周围。冷凝水存留在阴极侧催化层周围以及流场内，这会妨碍氧气到达反应区。这会影响燃料电池的性能。
来自阴极侧催化层的冷凝水会透过电解质膜并渗入燃料电池的阳极侧催化层。使得电解质膜水化的该冷凝水以及与燃料气体混合的水蒸气会冷凝并积存在阳极侧催化层和流场周围。存留在阳极侧催化层周围以及存留在流场中的冷凝水会妨碍氢气到达反应区。这也会影响燃料电池的性能。
现在参照图1，车用燃料电池系统10的一部分的实施例包括燃料电池堆11。燃料电池堆11包括多个燃料电池12。每个燃料电池12包括设置在一对板(例如，石墨、金属或复合板)15和16之间的膜电极14。
如本领域所公知的，每个膜电极14包括允许流体(例如，氢气、空气等)穿过膜电极14的开孔17。板15和16中的每一个包括氢气流入通道18、氢气流出通道19、空气流入通道20和空气流出通道21。每个板16包括形成在与膜电极14相邻的表面24上的流场22(例如，沟道)。流场22与板16的氢气流入通道18以及氢气流出通道19流体连通。每个板15包括流场25。流场25与板15的空气流入通道20和空气流出通道21流体连通。
来自氢气供应管线(未示出)的氢气穿过氢气流入通道18。板16的流场22在整个膜电极14上引导氢气，经氢气流出通道19至氢气排出管线(未示出)。类似地，来自空气供应管线(未示出)的空气穿过空气流入通道20。板15的流场25在整个膜电极14上引导空气，经空气流出通道21至空气排出管线(未示出)。
在图1的实施例中，多个致动器26(例如，压电陶瓷换能器)粘附到每个板15、16的相应外表面28上。在其它实施例中，可通过任何合适的方式来附着致动器26(例如，机械方式紧固致动器26)。如下面所讨论的，致动器26以机械方式激励板15、16，从而防止液态水限制或阻塞流场22、25。
燃料电池12和致动器26中每一个都与电子控制模块30电连接。在图1的实施例中，控制模块30包括函数发生器、功率放大电路和电池电压监控阵列。当然，也可使用其它配置。
控制模块30的电池电压监控阵列测量与每个燃料电池12相关的各个电池工作电压。如本领域普通技术人员所了解的，燃料电池12中任何一个的电池工作电压的降低都可以表明与所述燃料电池12相关的流场被水限制/阻塞。
控制模块30选择性地提供电功率以驱动致动器26。函数发生器电路产生由放大电路放大的正弦波。该放大的正弦波被选择性地提供给致动器26。致动器26将该电能转换为机械能，所述机械能激励(例如，振动)板15、16。根据板激励的频率，限制或阻塞流场22、25的水会散开，例如，移动、蒸发等。
控制模块30的电池电压监控阵列指示当与燃料电池12中的一个相关的电池工作电压小于其它燃料电池12的工作电压时该燃料电池12被水浸泡了。在图1的实施例中，电池电压监控阵列向控制模块30的函数发生器电路发送信号，以启动致动器26。启动致动器26使得被浸泡的燃料电池12中截留的水蒸发或被充分搅动。随着截留的水减少，氢气和/或氧气能够到达反应区。结果，被浸泡的燃料电池12的电池工作电压上升。
输入到致动器26的电信号的频率可依赖于设计方面的考虑(例如，板15、16的尺寸以及致动器26的尺寸)。
图1的实施例的致动器26是在厚度方向上被极化的PZT陶瓷。每个致动器26的厚度为0.1英寸、宽度为0.5英寸、长度为4.0英寸。这种尺寸和形状的致动器通常具有三种主振动模式：在大约1.0MHz的厚度膨胀模式、在大约50KHz的宽度-纵向模式以及在大约10KHz的长度-纵向模式。在图1的实施例中使用的振动的模式是宽度-纵向模式。该模式有助于板波动的传播，所述板波动能够驱赶积聚在板15、16上的水。
纵向波动关于板15、16的中心面对称。当在最佳条件下工作时，长度-纵向模式是由板15、16所支持的传播的最低纵向模式，并且频率为使得振动具有垂直于板15、16的表面(流场22、25形成在该表面上，例如，表面24)的位移分量。
用具有与宽度-纵向谐振频率接近的频率的激励正弦波驱动致动器26，有助于将机械能从致动器26传送到板15、16中最低纵向模式的波传播。在最佳激励频率下，板15、16中的纵向波动可以被分解为在板15、16的主面之间前后传播并相对于板15、16的长度方向成45度角的两个分量切变波。板15、16的主面的简正振动有助于板15、16中的波动的机械能的传送到板15、16以及流场22、25中积聚的液体。
现在参照图1和图2，在步骤36，电池电压监控阵列测量电池工作电压。在步骤38，电池电压监控阵列确定电池工作电压中的任何一个是否小于阈值(例如，15秒300mV)。如果是，则在步骤40中启动适当的致动器26。如果不是，则电池电压监控阵列返回步骤36。
在其它实施例中，可以将电功率同时或者顺次提供给每个致动器26，或者按照电池电压监控阵列的指示提供给特定的燃料电池12。
现在参照图3，车用燃料电池系统110的一部分的另一实施例包括燃料电池堆111。燃料电池堆111包括多个燃料电池112。图3中的标号的元件(相对于图1中标号的元件，标号相差100)具有与图1中的标号的元件类似的描述(尽管不是必须相同)。每个燃料电池112包括设置在一对板115、116之间的膜电极114。板115、116中的每一个包括与参照图1描述的流场相似的流场(未示出)。燃料电池系统110还包括氢气管线132和氧气管线134等，以将氢气和氧气提供到燃料电池堆111。
在图3的实施例中，致动器126以机械方式在紧固点152被紧固到最外侧的一对板115、116上。在其它实施例中，致动器126可以粘到或者附着到一部分或全部燃料电池112上。致动器126与板115、116中的每一个的相应边缘面128接触，并与电子控制模块130电连接。控制模块130基于是否有电池工作电压小于期望电压来选择性地提供电功率以驱动致动器126。在其它实施例中，尤其是缺少电池电压监控阵列的实施例中，控制模块130可周期性地提供电功率以驱动致动器126。例如，控制模块130可以每隔15分钟启动致动器126。也可采用其它配置和控制方法。例如，可以监控整个燃料电池堆111的电压。整个燃料电池堆111的压力的降低可表示至少一个燃料电池112被浸泡了。然后，致动器126会被相应地启动。
尽管已经举例说明和描述了本实用新型的实施例，但是，并不表示这些实施例要举例说明和描述本实用新型的所有可能的形式。相反，在说明书中使用的语言是描述性的而非限制性的，应该理解为，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以作出各种改变。
Claims (8)
1.一种车用燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括：
膜电极；
板，具有与所述膜电极相邻的表面，所述表面具有形成在所述表面中的流场，所述流场用于将流体输送到所述膜电极；
致动器，与所述板可操作地连接，所述致动器被配置为以机械方式激励所述板。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电子控制模块，所述电子控制模块被配置为监控与所述燃料电池系统相关的工作电压，其中，所述致动器基于所述工作电压以机械方式激励所述板。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述致动器附着到所述板上。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述致动器粘附到所述板上。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，以机械方式激励所述板包括使所述板振动。
6.一种车用燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括：
多个燃料电池；
多个致动器，每个致动器被配置为以机械方式激励所述多个燃料电池中的一个电池。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电子控制模块，所述电子控制模块被配置为监控所述多个燃料电池中的每一个燃料电池的工作电压。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电子控制模块还被配置为基于所述工作电压选择性地启动所述多个致动器。
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