專利名稱：一種可增加燃料電池壽命的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池的輔助裝置，尤其涉及一種可增加燃料電池壽命的 設(shè)備。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。
該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly,簡稱MEA)， 膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)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(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催 化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生 成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
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)，并 在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移 穿過質(zhì)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)，并在 催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)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(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子 交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子
(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外， 質(zhì)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(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移 過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交 換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達陽極反應(yīng)H2—2H++2e 陰極反應(yīng)l/202+2H++2e—H20
在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA) —般均放在兩塊導(dǎo)電的 極板中間，每塊導(dǎo)膜電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻， 形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)膜電極板可以上金屬材料的極板，也可以 是石墨材料的極板。這些導(dǎo)膜電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化 劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu) 造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑 的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo) 流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走 燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)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(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串 聯(lián)式的電池組中， 一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜 電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)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、后端板及拉桿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(dǎo)流進口和導(dǎo)流通
道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體) 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(dǎo)流槽中； (2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電
池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出
電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)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(tài)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。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作手提式、 移動式和固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池作為運載工具的動力系統(tǒng)，用作發(fā)電站時一般以純氫為燃料，以空氣為氧化劑。目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所設(shè)計的燃 料電池堆一般在壓力下運行。運行空氣與氫氣的相對壓力一般在一個大氣壓以上； 并且，燃料電池堆的設(shè)計一般也適合在壓力下運行，其主要特點是燃料電池進口空 氣壓力與出口空氣壓力，以及燃料電池進口氫氣壓力與出口氫氣壓力之間的壓差A(yù) P較大，大約在0.2 0.4個大氣壓之間。
對于目前這種較高壓力運行的燃料電池堆，燃料電池堆與流體之間一般是通過 調(diào)節(jié)減壓閥來使氫氣壓力符合工作壓力的需要。而目前普遍采用的減壓閥有以下缺 點
1. 減壓閥體積、重量往往較大，制造、連接都比較麻煩；
2. 由于燃料電池的工作狀態(tài)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(xiàn)自動調(diào)壓，很難達到供氣壓力始終穩(wěn)定的目的；
3. 當減壓閥無法給燃料電池穩(wěn)壓時，容易造成燃料電池中的氣體流量變化，
導(dǎo)致發(fā)電性能難以控制，如果減壓闊失效，高壓氣體會沖破電極，嚴重時會引起火 災(zāi)、爆炸。
4. 高壓氫氣罐的壓力一般為20個大氣壓，經(jīng)過一個氫氣減壓閥減壓后進入 燃料電池堆， 一旦該氫氣減壓閥發(fā)生毀損，20個大氣壓的氫氣將會充入燃料電池 堆，將燃料電池堆擊穿。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可自動 調(diào)壓、性能可靠的可增加燃料電池壽命的設(shè)備。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn) 一種可增加燃料電池壽命
的設(shè)備，包括儲氫罐、減壓閥、燃料電池堆、水汽分離器、氫氣循環(huán)風(fēng)機，氫氣罐 通過減壓閥連接燃料電池堆的氫氣入口 ，燃料電池堆的氫氣出口通過水汽分離器和 氫氣循環(huán)風(fēng)機連接燃料電池堆的氫氣入口，其特征在于，所述的減壓閥與燃料電池 堆的氫氣入口之間還設(shè)有多個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥和一個壓力傳感器，該壓力傳 感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣入口處，并與多個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥連接。
所述的脈寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2 5個，各脈寬調(diào)制電磁閥并聯(lián)連接。 所述的脈寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2個。
5與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用多個脈寬調(diào)制電磁閥并聯(lián)調(diào)節(jié)進入燃料電池堆 的氫氣壓力，分散了控制氫氣壓力的閥的承受量，延長了閥的壽命，從而降低了成 本，而且脈寬調(diào)制電磁閥是通過脈沖控制閥門高頻率開關(guān)，根據(jù)進入燃料電池堆的 氫氣壓力調(diào)節(jié)電磁比例閥的開關(guān)次數(shù)，使進入燃料電池堆的氫氣和空氣壓力精確在 預(yù)設(shè)值上，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。
當大功率(>50千瓦)燃料電池處于小負荷輸出時， 一般脈寬調(diào)制電磁閥 只有1 2個在工作，但是當處于滿負荷或大負荷工作狀態(tài)時，可以讓2個以 上所有脈寬調(diào)制電磁閥都處于工作狀態(tài)，可以
1) 連接每個脈寬調(diào)制電磁閥的管徑可以減少，增加耐壓等安全性；
2) 每個脈寬調(diào)制電磁閥工作負荷減小；
3) 某個脈寬調(diào)制電磁閥損壞，處于停止工作狀態(tài)時，可以被隔離掉，其 他電磁閥仍處于工作狀態(tài)，不影響系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明燃料電池氫氣循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示， 一種100KW的燃料電池，包括儲氫罐2、減壓閥3、燃料電池 堆5、水汽分離器6、氫氣循環(huán)風(fēng)機7，氫氣罐2通過減壓閥3連接燃料電池堆5 的氫氣入口 ，燃料電池堆5的氫氣出口通過水汽分離器6和氫氣循環(huán)風(fēng)機7連接燃 料電池堆5的氫氣入口，所述的減壓閥3與燃料電池堆5的氫氣入口之間還設(shè)有三 個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥l (PWM)和一個壓力傳感器4，該壓力傳感器4設(shè)置在 燃料電池堆5的氫氣入口處，并與三個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥1連接，每根連接管 路為內(nèi)徑5mm，外徑10mm的不銹鋼管路，進入燃料電池堆總氫氣管路為內(nèi)徑 20mm，外徑25mm的不銹鋼管；壓力傳感器4探測到進入燃料電池堆5的氫氣壓 力，并將該壓力信號反饋到脈寬調(diào)制電磁閥1，當燃料電池處于小負荷(<10千 瓦)輸出時， 一般脈寬調(diào)制電磁閥1只有1 2個在工作，但是當處于滿負荷 或大負荷(20 50千瓦)工作狀態(tài)時，可以讓2個以上所有脈寬調(diào)制電磁閥都處于工作狀態(tài)，該脈寬調(diào)制電磁閥1根據(jù)壓力信號，通過脈沖控制閥門高頻率開 關(guān)，自動調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制電磁閥1的開關(guān)次數(shù)，使進入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在
預(yù)定值0.5atm。
所述的脈寬調(diào)制電磁閥可根據(jù)需要設(shè)置2 5個，氫氣壓力的預(yù)定值根據(jù)燃料 電池堆的具體情況可為0.1 0.5atm。
權(quán)利要求1.一種可增加燃料電池壽命的設(shè)備，包括儲氫罐、減壓閥、燃料電池堆、水汽分離器、氫氣循環(huán)風(fēng)機，氫氣罐通過減壓閥連接燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口通過水汽分離器和氫氣循環(huán)風(fēng)機連接燃料電池堆的氫氣入口，其特征在于，所述的減壓閥與燃料電池堆的氫氣入口之間還設(shè)有多個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥和一個壓力傳感器，該壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣入口處，并與多個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可增加燃料電池壽命的設(shè)備，其特征在于，所述的脈 寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2 5個，各脈寬調(diào)制電磁閥并聯(lián)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可增加燃料電池壽命的設(shè)備，其特征在于，所述的脈 寬調(diào)制電磁閥設(shè)有2個。
專利摘要本實用新型涉及一種可增加燃料電池壽命的設(shè)備，包括儲氫罐、減壓閥、燃料電池堆、水汽分離器、氫氣循環(huán)風(fēng)機，所述的減壓閥與燃料電池堆的氫氣入口之間還設(shè)有多個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥和一個壓力傳感器，該壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣入口處，并與多個并聯(lián)的脈寬調(diào)制電磁閥連接，壓力傳感器探測到進入燃料電池堆的氫氣壓力，并將該壓力信號反饋到脈寬調(diào)制電磁閥，該脈寬調(diào)制電磁閥根據(jù)壓力信號自動調(diào)節(jié)開啟與關(guān)閉頻率，使進入燃料電池堆的氫氣壓力恒定在預(yù)定值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗較低、安全可靠等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK201360025SQ20082015805
公開日2009年12月9日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者付明竹, 琦 林, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司