專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池水熱聯(lián)合控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，特別涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池水熱聯(lián)合控制的方法及裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)引射器使排熱腔中的水與電池堆進(jìn)行沸騰換熱，把作為冷卻介質(zhì)的水從排熱腔抽出，并作為加濕的工質(zhì)給電池加濕，產(chǎn)生的蒸汽與反應(yīng)氣體混合后擴(kuò)壓進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝之后，通過(guò)再熱器進(jìn)入電池。
本發(fā)明的裝置包括電池的陰極和陽(yáng)極，還包括與壓縮機(jī)及氫氣瓶相聯(lián)通的排熱腔，其特點(diǎn)是，壓縮機(jī)與排熱腔之間設(shè)置有調(diào)壓閥和引射器，壓縮機(jī)通過(guò)調(diào)壓閥與引射器的噴管入口相連，引射器的噴管出口與混和腔相連處通過(guò)單向閥與排熱腔相聯(lián)通，引射器的出口通過(guò)管道與陰極冷凝器的入口相聯(lián)通，陰極冷凝器的氣體出口通過(guò)再熱器與電池陰極的一端相聯(lián)通，電池陰極的另一端通過(guò)背壓閥與水罐的氣體入口相聯(lián)通，陰極冷凝器的液體出口通過(guò)管道與水罐的液體進(jìn)口相聯(lián)通，水罐的液體出口通過(guò)換熱器和節(jié)流閥與排熱腔相聯(lián)通，氫氣瓶通過(guò)管道與引射器的入口端相聯(lián)通，引射器的噴管出口與混和腔相連處通過(guò)單向閥與排熱腔相聯(lián)通，引射器的出口端通過(guò)管道與陽(yáng)極冷凝器的入口端相聯(lián)通，陽(yáng)極冷凝器的氣體出口通過(guò)再熱器與電池陽(yáng)極的一端相聯(lián)通，電池陽(yáng)極的另一端通過(guò)調(diào)壓閥、壓縮機(jī)與管道相聯(lián)通，陽(yáng)極冷凝器的液體出口端通過(guò)管道與水罐的液體入口相聯(lián)通。
本發(fā)明裝置的另一特點(diǎn)是陰極冷凝器和陽(yáng)極冷凝器與氣罐的進(jìn)口之間還分別設(shè)置有閥門(mén)；水罐上還設(shè)置有與大氣相聯(lián)通的排氣出口；水罐的底端還設(shè)置有控制閥。
由于本發(fā)明通過(guò)引射器把作為冷卻介質(zhì)的水從排熱腔中抽出，并作為加溫的工質(zhì)，給電池加濕，使電池的溫度得到調(diào)節(jié)，電池得到冷卻，從而使電池處于最佳工作狀態(tài)。
參見(jiàn)

圖1，本發(fā)明的壓縮機(jī)1通過(guò)調(diào)壓閥23與引射器2的噴管入口相連，引射器2的噴管出口與混和腔相連處通過(guò)單向閥5與排熱腔8相聯(lián)通，引射器2的出口通過(guò)管道與陰極冷凝器3的入口相聯(lián)通，陰極冷凝器3的氣體出口通過(guò)再熱器4與電池陰極6的一端相聯(lián)通，在電池陰極6反應(yīng)后通過(guò)與電池陰極6的另一端相聯(lián)通的背壓閥21進(jìn)入水罐10，由設(shè)置在水罐10上與大氣相聯(lián)通的排氣出口25排出，陰極冷凝器3的液體出口通過(guò)閥門(mén)9與水罐10的液體進(jìn)口相聯(lián)通，水罐10的液體出口通過(guò)換熱器11和節(jié)流閥12與排熱腔8相聯(lián)通，氫氣瓶17通過(guò)管道24與引射器16的入口端相聯(lián)通，引射器16的噴管出口與混和腔相連處通過(guò)單向閥20與排熱腔8相聯(lián)通，引射器16的出口端通過(guò)管道與陽(yáng)極冷凝器14的入口端相聯(lián)通，陽(yáng)極冷凝器14的氣體出口通過(guò)再熱器15與電池陽(yáng)極7的一端相聯(lián)通，電池陽(yáng)極7的另一端通過(guò)調(diào)壓閥19、壓縮機(jī)18與管道24相聯(lián)通，陽(yáng)極冷凝器14的液體出口端通過(guò)閥門(mén)與水罐10的液體入口相聯(lián)通，在水罐10的底端還設(shè)置有控制閥22。
本發(fā)明在工作原理如下空氣由壓縮機(jī)1壓縮經(jīng)調(diào)壓閥23進(jìn)入引射器2的噴管中，壓縮機(jī)1可以是定速的也可以是變速的?？諝庠谝淦?的噴管中迅速膨脹，并在噴管出口處達(dá)到高速，形成低壓真空狀態(tài)，由于真空作用會(huì)使與引射器2相連的電池排熱腔8壓力處在使水沸騰的壓力P，并通過(guò)換熱器11和節(jié)流閥12抽吸集水罐10中的水進(jìn)入電池的排熱腔8，飽和水在通過(guò)節(jié)流后，水的壓力和溫度都降低，并有一部分水發(fā)生閃蒸，水在通過(guò)排熱腔8時(shí)與電池堆存在溫度差，熱量從高溫的電池向低溫的水進(jìn)行熱傳遞，水被加熱進(jìn)行沸騰，此時(shí)電池的溫度處在最佳運(yùn)行溫度T。被抽吸的排熱腔8中生成的水蒸氣經(jīng)單向閥5與高速的空氣在引射器2的混和腔中進(jìn)行混合，之后一起進(jìn)入引射器2的擴(kuò)壓器壓縮到陰極冷凝壓力Pa離開(kāi)引射器2通過(guò)管道進(jìn)入陰極冷凝器3中，其中Pa的值由陰極出口的背壓閥21控制，通過(guò)陰極冷凝器3的冷凝后，多余的水被冷凝出來(lái)變成液態(tài)，空氣成為壓力為Pa，溫度為T(mén)a的飽和濕空氣，濕空氣離開(kāi)陰極冷凝器3經(jīng)過(guò)再熱器4加熱成溫度Tm使陰極反應(yīng)氣體具有合適的濕度和溫度，溫濕度的調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)空氣被冷凝的溫度Ta和經(jīng)過(guò)再熱器4后溫度Tm來(lái)實(shí)現(xiàn)的。陰極冷凝器3的冷凝水與水罐10通過(guò)一個(gè)閥門(mén)9連接，閥門(mén)9的開(kāi)啟根據(jù)陰極冷凝器3中的水的數(shù)量通過(guò)人的操作或者通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于陰極冷凝器3和水罐10存在正壓差，閥門(mén)9一開(kāi)啟則水就會(huì)從陰極冷凝器3自動(dòng)流入水罐10。由于燃料電池的反應(yīng)發(fā)生在陰極，所以產(chǎn)物水被空氣不斷帶走排向水罐10，在10中反應(yīng)的產(chǎn)物水被冷凝而分離，廢氣通過(guò)水罐10的排氣出口25排向大氣；燃料電池陽(yáng)極7的反應(yīng)氣目前主要是高壓純氫，氫氣從氣瓶17中排出進(jìn)入引射器16的噴嘴，在引射器6的噴嘴中迅速膨脹，并在引射器6的噴嘴出口處達(dá)到高速，形成真空狀態(tài)，由于真空作用會(huì)使與引射器16相連的電池排熱腔8壓力處在使水沸騰的壓力P，并通過(guò)換熱器11和節(jié)流閥12抽吸集水罐10中的水進(jìn)入電池的排熱腔8，飽和水在通過(guò)節(jié)流閥12節(jié)流后，水的壓力和溫度都降低，并有一部分水發(fā)生閃蒸，水在通過(guò)排熱腔8時(shí)與電池堆存在溫度差，熱量從高溫的電池向低溫的水進(jìn)行傳遞，水被加熱進(jìn)行沸騰，此時(shí)電池的溫度處在最佳運(yùn)行溫度T。排熱腔8中生成的水蒸氣經(jīng)單向閥20與高速的氫氣在引射器16的混合腔中進(jìn)行等壓混和，之后一起進(jìn)入引射器16的擴(kuò)壓器壓縮到冷凝壓力Ph離開(kāi)引射器16通過(guò)管道進(jìn)入陽(yáng)極冷凝器14，其中Ph的值由電極陽(yáng)極7出口的調(diào)壓閥19和氣瓶17的出口壓力控制，通過(guò)陽(yáng)極冷凝器14的冷凝多余的水被冷凝出來(lái)變成液態(tài)，氫氣成為壓力為Ph，溫度為T(mén)h的飽和濕氫氣，濕氫氣離開(kāi)陽(yáng)極冷凝器14經(jīng)過(guò)再熱器15加熱成溫度Tn，使陽(yáng)極反應(yīng)氣體氫氣具有合適的濕度和溫度，溫濕度的調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)氫氣被冷凝的溫度Th和經(jīng)過(guò)再熱器后的溫度Tn來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從電池陽(yáng)極7排出的未反應(yīng)的純氫通過(guò)調(diào)壓閥19由壓縮機(jī)18送到引射器16的入口參與下一次反應(yīng)，陽(yáng)極冷凝器14中的冷凝水與水罐10通過(guò)一個(gè)閥門(mén)13連接，閥門(mén)13的開(kāi)啟根據(jù)陽(yáng)極冷凝器14中的水的數(shù)量通過(guò)人的操作或者通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于陽(yáng)極極冷凝器14和水罐10存在正壓差，閥門(mén)一開(kāi)啟則水就會(huì)從陽(yáng)極冷凝器14自動(dòng)流入水罐10。水罐10中的水達(dá)到一定高度時(shí)閥門(mén)22打開(kāi)，水排向系統(tǒng)外面。閥門(mén)22可以由手工操作也可以用計(jì)算機(jī)控制電磁閥打開(kāi)。系統(tǒng)通過(guò)陰極冷凝器3，水罐10，陽(yáng)極冷凝器14和換熱器11把電池產(chǎn)生的熱排向環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池水熱聯(lián)合控制方法，其特征在于通過(guò)引射器使排熱腔中的水與電池堆進(jìn)行沸騰換熱，把作為冷卻介質(zhì)的水從排熱腔抽出，并作為加濕的工質(zhì)給電池加濕，產(chǎn)生的蒸汽與反應(yīng)氣體混合后擴(kuò)壓進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝之后，通過(guò)再熱器進(jìn)入電池。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的燃料電池水熱聯(lián)合控制的裝置，包括電池的陰極[6]和陽(yáng)極[7]，還包括與壓縮機(jī)[1]及氫氣瓶[17]相聯(lián)通的排熱腔[8]，其特征在于壓縮機(jī)[1]與排熱腔[8]之間設(shè)置有調(diào)壓閥[23]和引射器[2]，壓縮機(jī)[1]通過(guò)調(diào)壓閥[23]與引射器[2]的噴管入口相連，引射器[2]的噴管出口與混和腔相連處通過(guò)單向閥[5]與排熱腔[8]相聯(lián)通，引射器[2]的出口通過(guò)管道與陰極冷凝器[3]的入口相聯(lián)通，陰極冷凝器[3]的氣體出口通過(guò)再熱器[4]與電池陰極[6]的一端相聯(lián)通，電池陰極[6]的另一端通過(guò)背壓閥[21]與水罐[10]的氣體入口相聯(lián)通，陰極冷凝器[3]的液體出口通過(guò)管道與水罐[10]的液體進(jìn)口相聯(lián)通，水罐[10]的液體出口通過(guò)換熱器[11]和節(jié)流閥[12]與排熱腔[8]相聯(lián)通，氫氣瓶[17]通過(guò)管道[24]與引射器[16]的入口端相聯(lián)通，引射器[16]的噴管出口與混和腔相連處通過(guò)單向閥[20]與排熱腔[8]相聯(lián)通，引射器[16]的出口端通過(guò)管道與陽(yáng)極冷凝器[14]的入口端相聯(lián)通，陽(yáng)極冷凝器[14]的氣體出口通過(guò)再熱器[15]與電池陽(yáng)極[7]的一端相聯(lián)通，電池陽(yáng)極[7]的另一端通過(guò)調(diào)壓閥[19]、壓縮機(jī)[18]與管道[24]相聯(lián)通，陽(yáng)極冷凝器[14]的液體出口端通過(guò)管道與水罐[10]的液體入口相聯(lián)通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池水熱聯(lián)合控制的裝置，其特征在于所說(shuō)的陰極冷凝器[4]和陽(yáng)極冷凝器[14]與氣罐[10]的進(jìn)口之間還分別設(shè)置有閥門(mén)[9]和閥門(mén)[13]。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池水熱聯(lián)合控制的裝置，其特征在于所說(shuō)的水罐[10]上還設(shè)置有與大氣相聯(lián)通的排氣出口[25]。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池水熱聯(lián)合控制的裝置，其特征在于所說(shuō)的水罐[10]的底端還設(shè)置有控制閥[22]。
全文摘要
燃料電池水熱聯(lián)合控制的方法及裝置，采用高壓反應(yīng)氣通過(guò)噴管造成真空來(lái)給電池排熱腔內(nèi)的冷卻水提供壓力，使排熱腔中的水與電池堆進(jìn)行沸騰換熱，并將產(chǎn)生的蒸汽與反應(yīng)氣體混合，之后通過(guò)擴(kuò)壓進(jìn)入到冷凝器中進(jìn)行冷凝，再通過(guò)一再熱器加熱進(jìn)入電池。在此過(guò)程中反應(yīng)氣體得到加濕，溫度得到調(diào)節(jié)，電池得到冷卻，從而使電池處于最佳工作狀態(tài)。本發(fā)明把作為冷卻介質(zhì)的水從排熱腔中抽出，并作為加溫的工質(zhì)，給電池加濕，使電池的溫度得到調(diào)節(jié)，電池得到冷卻。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1463050SQ0313425
公開(kāi)日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者齊志鵬, 何雅玲, 譚雅巍, 陶文銓 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)