一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置的製作方法

2023-05-22 20:41:31

專利名稱：一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池的控制裝置，尤其涉及一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置。
背景技術：
質子交換膜燃料電池是一種能夠將氫燃料及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在採用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，並與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在採用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、衝壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，並作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收並帶出電池組後進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
小功率(一般0～200瓦之間)的質子交換膜燃料電池用途很廣，可用作可攜式的電源，如手機電源、筆記本電腦電源、攝像機或數位相機的電源等。
質子交換膜燃料電池電源整個系統結構示意如圖1所示它主要由兩部分所組成，即質子交換膜燃料電池R部分與儲氫器氫源Q部分，其中儲氫器氫源部分可以由儲氫材料儲氫充當氫源，當然也可以用高壓儲氫器充當氫源。目前，質子交換膜燃料電池與氫源之間的連接一般通過圖2所示工作流程實現調壓穩壓閥J的作用是將氫源Q中較高的氫氣壓力調整減低到符合燃料電池R工作壓力的需要，而燃料氫氣需要有一個循環使用裝置或放掉一些未反應完的氫氣。這種燃料電池有以下缺點1.調壓減壓閥體積、重量往往較大，製造、連接都比較麻煩。
2.由於燃料電池工作狀態變化較大，例如較大功率輸出或很小功率輸出，減壓閥往往較難實現自動調壓，很難達到始終穩壓之目的。
3.當減壓閥無法給燃料電池穩壓時，容易造成燃料電源中的氫氣洩漏，嚴重時會引起火災、爆炸。
4 氫氣循環使用增加了系統的複雜性，若持續放掉是不安全的。

發明內容
本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可自動調壓穩壓、性能可靠的能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置，包括至少一個單電池所構成的燃料電池、氫源、電磁閥、中心控制器、空氣輸送泵，所述的電磁閥為微型常閉型電磁閥，它設在燃料電池的出氣端，所述的中心控制器為單片機，它與燃料電池的至少一個單電池連接，同時也分別與電磁閥以及空氣輸送泵連接，其特徵在於，還包括微型穩壓閥，該微型穩壓閥為彈簧活塞型或彈性膜片型穩壓閥，它設在氫源與燃料電池的進氣端之間。
所述的彈簧活塞型穩壓閥包括殼體、活塞、彈簧、支架以及連通管，所述的殼體底端和頂端分別設有氫氣進、出口，所述的活塞向下延伸一錐形堵塞器，所述的彈簧套設於該錐形堵塞器，所述的支架框設於錐形堵塞器下部，所述的連通管將活塞上下的兩個殼體空間連通。
所述的彈性膜片型穩壓閥包括殼體、彈性膜片、堵塞器、固定閥，所述的殼體側下部和上部分別設有氫氣進、出口，所述的彈性膜片設在殼體的頂端，所述的堵塞器與彈性膜片連成一體並向下延伸，所述的固定閥與堵塞器配合構成一進氣控制裝置。
所述的電磁閥可以是手動閥。
與現有技術相比，本實用新型由於採用了以上技術方案，即採用了微型穩壓閥技術以及採用了中心控制器對微型常閉型電磁閥進行自動控制，無論燃料電池的工作狀態怎樣變化，都能達到始終穩壓的目的，使燃料電池的運行更加安全可靠。


圖1為現有的質子交換膜燃料電池系統的結構示意圖；圖2為現有的質子交換膜燃料電池與減壓閥、氫源的連接關係圖；圖3為本實用新型實施例1的結構示意圖；圖4為本實用新型實施例2的結構示意圖；圖5為本實用新型彈簧活塞型穩壓閥的結構示意圖；圖6為本實用新型彈性膜片型穩壓閥的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步說明。
實施例1一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置，其結構如圖3所示，燃料電池R由10個單電池串聯組成，每個單電池工作性能為0.7伏，1安(輸出0.7瓦)，總輸出為7瓦，整個燃料電池R電源系統還包括氫源Q、微型穩壓閥A、電磁閥B、中心控制器C、空氣輸送泵(圖未示)，所述的微型穩壓閥A為彈簧活塞型或彈性膜片型穩壓閥，它設在氫源Q與燃料電池R的進氣端之間，所述的電磁閥B為微型常閉型電磁閥，它設在燃料電池R的出氣端，所述的中心控制器C為一單片機，它與燃料電池R的第10個單電池連接，同時也分別與電磁閥B以及空氣輸送泵連接；所述的空氣輸送泵為零壓力微型空氣輸送泵，空氣流量為0.45升/分，消耗功率小於1瓦。
裝置運行時，氫源Q通過微型穩壓閥A將氫氣輸入燃料電池R，燃料電池R得到燃料氫氣供應的瞬間，通過中心控制器啟動空氣輸送泵向燃料電池R輸入空氣，當單電池的工作電壓低於0.5V～0.6V時，微型穩壓閥A將自動開啟並向燃料電池R補充氫氣，同時中心控制器發出信號打開電磁閥B，讓雜質水排出，一旦單電池工作電壓回升至高於0.8V～0.3V時，微型穩壓閥A就自動關閉，同時中心控制器不再發出信號，電磁閥B也自動關閉，微型穩壓閥A與電磁閥B可調整電池工作壓力，並保證電池中氫氣純度。
所述的彈簧活塞型穩壓閥包括殼體1、活塞2、彈簧3、支架4以及連通管5，其結構如圖5所示，所述的殼體1底端和頂端分別設有氫氣進、出口，所述的活塞2向下延伸一錐形堵塞器6，所述的彈簧3套設於該錐形堵塞器6，所述的支架4框設於錐形堵塞器6下部，所述的連通管5將活塞2上下的兩個殼體空間連通。
所述的彈性膜片型穩壓閥包括殼體7、彈性膜片8、堵塞器9、固定閥10，其結構如圖6所示，所述的殼體7側下部和上部分別設有氫氣進、出口，所述的彈性膜片8設在殼體7的頂端，所述的堵塞器9與彈性膜片8連成一體並向下延伸，所述的固定閥10與堵塞器9配合構成一進氣控制裝置。
所述的電磁閥B可以是手動閥。
當啟動整個燃料電池R電源系統按鈕時，由於氫源Q中的貯氫容器氫氣壓力高於外部大氣壓，氫氣就通過微型穩壓閥A流進燃料電池R，此時燃料電池R得到燃料氫氣供應的瞬間，每個單電池已產生開路電壓1.0伏左右，並同時驅動空氣泵旋轉工作，向燃料電池R輸送空氣，此時工作電壓大約是0.7～0.9伏之間。當燃料電池R向外界負載放電工作時，燃料電池R長時間工作後內部可能積聚水或其他雜質。此時，燃料電池R組中最後一個單電池的工作電壓將降低，從0.9～0.7伏降到0.6～0.5伏，若氫氣補充不足時，單電池電壓將降至0.5伏以下。中心控制器C在探測到第10號單電池降到設定值(0.5伏)時將再次打開電磁閥B。這樣氫源Q中的氫又補充進來並排掉水與雜質，使第10號單電池的工作電壓又回升至大於0.5伏。
當氫源Q中氫燃料用盡時，打開電磁閥B仍然無法使10號單電池工作電壓回升至大於0.5伏，此時，中心控制器C將不再打開電磁閥B，而必須更換氫源Q。
實施例2一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置，其結構如圖4所示，其燃料電池R採用6個單電池串聯組合而成，每個單電池工作性能為0.85伏，100～300MA左右，其他結構和控制步驟與實施例1相同。
權利要求1.一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置，包括至少一個單電池所構成的燃料電池、氫源、電磁閥、中心控制器、空氣輸送泵，所述的電磁閥為微型常閉型電磁閥，它設在燃料電池的出氣端，所述的中心控制器為單片機，它與燃料電池的至少一個單電池連接，同時也分別與電磁閥以及空氣輸送泵連接，其特徵在於，還包括微型穩壓閥，該微型穩壓閥為彈簧活塞型或彈性膜片型穩壓閥，它設在氫源與燃料電池的進氣端之間。
2.根據權利要求1所述的一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置，其特徵在於，所述的彈簧活塞型穩壓閥包括殼體、活塞、彈簧、支架以及連通管，所述的殼體底端和頂端分別設有氫氣進、出口，所述的活塞向下延伸一錐形堵塞器，所述的彈簧套設於該錐形堵塞器，所述的支架框設於錐形堵塞器下部，所述的連通管將活塞上下的兩個殼體空間連通。
3.根據權利要求1所述的一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置，其特徵在於，所述的彈性膜片型穩壓閥包括殼體、彈性膜片、堵塞器、固定閥，所述的殼體側下部和上部分別設有氫氣進、出口，所述的彈性膜片設在殼體的頂端，所述的堵塞器與彈性膜片連成一體並向下延伸，所述的固定閥與堵塞器配合構成一進氣控制裝置。
4.根據權利要求1所述的一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置，其特徵在於，所述的電磁閥可以是手動閥。
專利摘要本實用新型涉及一種能使小功率質子交換膜燃料電池安全運行的控制裝置,包括至少一個單電池所構成的燃料電池、氫源、微型穩壓閥、電磁閥、中心控制器、空氣輸送泵,所述的微型穩壓閥為彈簧活塞型或彈性膜片型穩壓閥,它設在氫源與燃料電池的進氣端之間,所述的電磁閥為微型常閉型電磁閥,它設在燃料電池的出氣端,所述的中心控制器為單片機,它與燃料電池的至少一個單電池連接,同時也分別與電磁閥以及空氣輸送泵連接。本實用新型採用了微型穩壓閥技術以及採用了中心控制器對微型常閉型電磁閥進行自動控制,無論燃料電池的工作狀態怎樣變化,都能達到始終穩壓的目的,使燃料電池的運行安全可靠。
文檔編號H01M8/04GK2503612SQ01254139
公開日2002年7月31日 申請日期2001年10月12日 優先權日2001年10月12日
發明者胡裡清 申請人:上海神力科技有限公司