專利名稱：燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置。
背景技術(shù)：
目前化石燃料作為主要能源既是經(jīng)濟發(fā)展和社會生活的重要物質(zhì)前提，又是主要污染源。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，能源的需求量還在不斷增加，而化石能源作為不可再生資源正在逐漸枯竭，而且還在加重環(huán)境的污染。因此應該尋找一種新的、清潔的、可持續(xù)發(fā)展的能源。在這種背景下，以氫作為載體的能源系統(tǒng)引起了人們的廣泛關(guān)注。燃料電池(Fuel Cell)是一種高效零排放的化學能一電能轉(zhuǎn)化裝置，被認為是繼蒸汽機和內(nèi)燃機之后的第三代動力系統(tǒng)。燃料電池是將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置，它是由燃料、氧化劑和電解質(zhì)構(gòu)成的。與常規(guī)化學電源一樣，電極提供電子移動場所，在陽極催化燃料(如氫)進行氧化過程，在陰極上進行還原過程，導電離子在電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子通過外電路做功并構(gòu)成總回路。但是，燃料電池工作方式與常規(guī)化學電池有本質(zhì)不同，它的燃料和氧化劑并不儲存在電池內(nèi)，而是由外部提供，即燃料電池不是電能存儲裝置而是發(fā)電裝置。它是目前各類發(fā)電設備中效率最高的一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，效率可達60% 80%，還具有潔凈、無污染、無傳動部件、起動快、噪聲低、模塊結(jié)構(gòu)、積木性強、裝置可大可小，非常靈活和比功率高等特點。各類燃料電池中，氫燃料電池最有發(fā)展前途。氫燃料電池陽極所需的燃料氫，可直接用純氫或通過化石能源制氫、生物質(zhì)制氫等方法制取?，F(xiàn)有儲氫裝置一般可分為液化儲氫鋼瓶、壓縮儲氫鋼瓶、吸附儲氫裝置、金屬氫化物儲氫裝置等類型。現(xiàn)階段，直接采用液化儲氫鋼瓶或壓縮儲氫鋼瓶提供純氫的氫燃料電池已較為成熟。而通過吸附儲氫裝置、金屬氫化物儲氫裝置、化石能源制氫裝置、生物質(zhì)制氫裝置等方法提供氫氣的氫燃料電池，雖然具有更廣泛的應用前景，但由于還存在一些尚未得到很好解決的問題，制約了它的應用和發(fā)展。與采用液化儲氫鋼瓶或壓縮儲氫鋼瓶能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)供氣速度不同，在采用吸附儲氫裝置、金屬氫化物儲氫裝置、化石能源制氫裝置、生物質(zhì)制氫裝置等氣體發(fā)生裝置提供氫氣時往往涉及到復雜的物理變化、化學反應或生物過程，所以無法實時調(diào)節(jié)供氣速度，由于用電負荷的波動會使燃料電池的耗氣速度發(fā)生變化，則燃料電池的供氣壓力就會產(chǎn)生波動，而供氣壓力波動會惡化質(zhì)子交換膜的工作環(huán)境，大大縮短其使用壽命，甚至出現(xiàn)更嚴重的情形如果供氣壓力下降到允許范圍以下，將導致電池電壓迅速下降，甚至內(nèi)部短路，質(zhì)子交換膜熔穿等事故。因此，對于采用吸附儲氫裝置、金屬氫化物儲氫裝置、化石能源制氫裝置、生物質(zhì)制氫裝置等氣體發(fā)生裝置提供氫氣的燃料電池而言，研制一種燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置，對改善燃料電池的工作狀態(tài)并顯著延長其使用壽命具有重要意義。
發(fā)明內(nèi)容[0007]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置。為此， 本實用新型采用以下技術(shù)方案它包括設置在燃料電池的氣體發(fā)生裝置輸出端與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端之間提供儲存氣體的緩沖室；緩沖室的主體采用活塞式結(jié)構(gòu)，由活塞和外殼共同構(gòu)成，在外殼的一端設有進氣導管和出氣導管；所述進氣導管與所述氣體發(fā)生裝置輸出端連接；所述出氣導管與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端連接。在采用上述技術(shù)方案的基礎上，本實用新型還可同時采用以下進一步的技術(shù)方案它設有感知氣體壓力的壓力傳感器和控制器，壓力傳感器將緩沖室內(nèi)的氣體壓力信號實時傳送給所述控制器。具體地說，在控制器內(nèi)設定了一個合適的氣體壓力范圍，當壓力傳感器檢測到的壓力值處于這一范圍之內(nèi)時，控制器不向伺服電機下達動作指令；當傳感器檢測到緩沖室內(nèi)的壓力值低于這一范圍，控制器即向伺服電機下達指令，伺服電機啟動并向緩沖室容積縮小的方向驅(qū)動活塞，緩解壓力的下降；相反，當緩沖室內(nèi)壓力高于設定的溫度范圍時，控制器指令伺服電機向反向轉(zhuǎn)動，向緩沖室容積增大的方向驅(qū)動活塞，減緩壓力的增大。所述活塞在外殼內(nèi)的軸向運動由伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)；伺服電機接收控制器的指令進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)帶動活塞向緩沖室縮小或增大的方向運動。在所述伺服電機和活塞之間設有齒輪減速機構(gòu)和傳動齒條，傳動齒條與齒輪嚙合，齒條與活塞連接，齒輪減速機構(gòu)與伺服電機連接。減速器的作用有兩方面，一是降低伺服電機的輸出速度，避免活塞運動過猛，使緩沖室的容積調(diào)節(jié)過度導致壓力波動更大，二是通過減速器降低速度來獲得更大的驅(qū)動力，克服活塞與緩沖室壁的摩擦；傳動齒條與齒輪配合將圓周運動變?yōu)橥鶑瓦\動，驅(qū)動活塞做軸向運動，實現(xiàn)緩沖室容積的變化。本實用新型利用密封油實現(xiàn)所述活塞和外殼之間的密封與潤滑。本實用新型設有油加壓器和輸油導管；所述油加壓器包括油囊和加壓彈簧及加壓板，使密封油獲得壓力；所述輸油導管為可彎曲軟管，用于將密封油輸送至所述活塞內(nèi)。所述活塞內(nèi)部設有密封油油腔和徑向孔道，活塞接觸表面設有環(huán)形油槽；油腔接收所述輸油導管輸送來的密封油，并通過所述徑向孔道將油送至接觸表面的環(huán)形油槽，使得密封油與外殼的內(nèi)壁接觸，同時起到潤滑與油封的作用。它所述氣體發(fā)生裝置是化石能源制氫裝置或生物質(zhì)制氫裝置或吸附儲氫裝置或金屬氫化物儲氫裝置。本實用新型是依據(jù)理想氣體定律實現(xiàn)快速壓力調(diào)節(jié)的。理想氣體定律，也稱理想氣體狀態(tài)方程，是描述理想氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方程。對于一定量的摩爾數(shù)為《的理想氣體，其狀態(tài)參量壓強八體積Z和絕對溫度Γ之間的函數(shù)關(guān)系為/Ψ= ΛΤ，其中是氣體常數(shù)。在壓強為幾個大氣壓以下時，各種實際氣體近似遵循理想氣體狀態(tài)方程，壓強越低，符合越好，在壓強趨于零的極限下，嚴格遵循。以燃料電池電堆的陽極氣體輸入端氣體壓力突然降低為例進行簡要說明當負載突然增大等原因引起氫氣消耗量增加，而同時由于氣體發(fā)生裝置的響應存在延遲，導致送入緩沖室內(nèi)的氣體無法立刻同步增加，則會使緩沖室內(nèi)的氣體量即氣體摩爾數(shù)《減小，在溫度r變化不大的情況下，將使壓強與體積的乘積/V下降；此時，若體積r保持不變，則壓強/7下降；而若此時體積r能夠減小，就可減小或阻止壓強/7的下降，達到穩(wěn)定壓力的目的，從而為增加氣體產(chǎn)量爭取了時間。由于采用本實用新型的技術(shù)方案，本實用新型所提供的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)簡單、響應迅速、本質(zhì)安全、成本低廉、維護方便，是解決燃料電池氣體壓力波動問題的較好方案。

圖1為本實用新型所提供的燃料電池各部分連接示意圖；圖2為本實用新型所提供燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)透視圖；圖3為燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置的剖視圖；圖4為活塞的剖視圖。圖中標號分別表示如下1、供氣壓力穩(wěn)定裝置，2、緩沖室，3、活塞，4、外殼，5、進氣導管，6、出氣導管，7、壓力傳感器，8、壓力傳感器信號線，9、傳動齒條，10、減速器，11、伺服電機，12、減速器輸入齒輪，13、減速器輸出齒輪，14、伺服電機輸出齒輪，15、控制器，16、 伺服電機安裝座，17密封油加壓器，18油囊，19、注油口，20、加壓彈簧及加壓板，21、輸油導管，22、活塞內(nèi)的油腔，23、活塞內(nèi)的徑向孔道，24、活塞接觸面上的環(huán)形油槽，100、氣體發(fā)生裝置，101、氣體發(fā)生裝置輸出端，102、燃料電池電堆，103、燃料電池電堆的陽極氣體輸入端。
具體實施方式
參照附圖。本實用新型所提供的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定控制方法，它在燃料電池的氣體發(fā)生裝置輸出端101與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端103之間提供與它們連通的儲存氣體的緩沖室2，所述緩沖室2的容積可以調(diào)節(jié)，當緩沖室內(nèi)的氣體壓力出現(xiàn)變化時， 緩沖室的容積立刻發(fā)生相應變化，減小或阻止緩沖室2內(nèi)的氣體壓力波動。本實用新型所提供的應用上述方法的燃料電池，設有儲存氣體的緩沖室2，所述緩沖室接在燃料電池的氣體發(fā)生裝置100輸出端101與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端103 之間，所述緩沖室2的容積可變；所述燃料電池設有感知氣體壓力的壓力傳感器7、控制器 15、緩沖室體積變化的伺服驅(qū)動電機11，壓力傳感器7將緩沖室2內(nèi)的氣體壓力信號實時傳送給所述控制器15 ；所述控制器15控制伺服驅(qū)動電機11工作。本實用新型所提供的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置位于氣體發(fā)生裝置100和燃料電池電堆102之間，分別與氣體發(fā)生裝置的輸出端101和燃料電池電堆的陽極氣體輸入端 103相連接，如圖1所示。1、主體設計如圖所示，裝置主體采用圓筒形活塞結(jié)構(gòu)，主要部件為活塞3和外殼4，所述活塞與所述外殼共同構(gòu)成所述緩沖室2，通過所述活塞的軸向運動實現(xiàn)緩沖室容積的變化。所述外殼右端邊緣設有進氣導管5和出氣導管6，所述外殼右端內(nèi)側(cè)中間部位裝有感知壓力的傳感器7，所述壓力傳感器的信號由信號傳輸線8送至控制器15。所述活塞和外殼的材料優(yōu)選碳纖維樹脂復合材料，其次可選金屬(鋁或鋼)儲氫材料。碳纖維樹脂復合材料是目前性能最好的高壓儲氫材料，具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、耐沖擊、抗暴、可監(jiān)控、易于成型加工、成本低，容器結(jié)構(gòu)設計靈活等優(yōu)點，其性能完全滿足本裝置的需要。從原理上講，所述活塞和外殼構(gòu)成的主體尺寸越大，緩沖室2的容積可變化幅度越大，則抑制壓力波動的能力越強。但是實際使用中通常有一定的空間限制。因此在不超出使用場合空間限制的前提下，主體盡量設計的大一些。2、活塞的驅(qū)動為了實現(xiàn)所述緩沖室2的容積變化，所述活塞3需要在外殼4內(nèi)做軸向運動。本裝置中利用伺服電機和齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)所述活塞的軸向運動。具體的，活塞驅(qū)動機構(gòu)包括傳動齒條9、齒輪減速器10、伺服電機11和伺服電機安裝座16。所述傳動齒條與所述活塞3的左側(cè)面中心部位垂直剛性連接，所述伺服電機安裝在外殼上的安裝座16上，如圖所示；所述伺服電機通過固定在其轉(zhuǎn)軸上的輸出齒輪14將轉(zhuǎn)動力矩傳遞給與其嚙合的所述減速器的輸入齒輪12，在經(jīng)過所述減速器減速后由輸出齒輪13將力矩作用于所述傳動齒條9，通過減速器輸出齒輪與所述傳動齒條的配合，將圓周運動變?yōu)橥鶑瓦\動，進而驅(qū)動所述活塞在所述外殼內(nèi)做軸向運動，實現(xiàn)所述緩沖室容積的變化。這里加裝減速機構(gòu)的作用有兩方面一是降低伺服電機的輸出速度，避免活塞運動過猛，使緩沖室的容積調(diào)節(jié)過度導致壓力波動更大；二是通過減速器降低速度來獲得更大的驅(qū)動力，以便克服活塞運動中與外殼內(nèi)壁的摩擦。伺服電機和減速器的選取要根據(jù)具體情況確定。如果所述外殼和活塞較大，即緩沖室的最大容積較大，或允許壓力范圍比較寬，則可以降低對伺服電機和減速器的精度要求；而如果受到空間限制使得主體不能做得太大，或是允許壓力范圍較小，則需選用精度較高的伺服電機、齒輪減速器以及與減速器相配合的傳動齒條。這里利用伺服電機與齒輪傳動機構(gòu)相配合實現(xiàn)活塞驅(qū)動的方案，是優(yōu)選實施方案。其他方法如利用液壓機構(gòu)等也可以實現(xiàn)活塞的軸向運動，這里不再詳述。3、密封與潤滑本裝置通過改變緩沖室2的容積實現(xiàn)減小壓力波動的功能，采用這種結(jié)構(gòu)就有兩個關(guān)鍵問題需要解決，即密封與潤滑。本裝置中采用密封油解決上述問題。具體的，潤滑與密封環(huán)節(jié)包括密封油加壓器17，輸油導管21，活塞內(nèi)的油腔22，活塞內(nèi)的徑向密封油孔道23，活塞接觸面上的環(huán)形油槽M ；所述密封油加壓器包括油囊18和加壓彈簧與加壓板20。工作時所述加壓彈簧處于壓縮狀態(tài)，通過所述加壓板將壓力施加到所述油囊上，使油囊內(nèi)的密封油獲得壓力，密封油經(jīng)由可彎曲的軟質(zhì)輸油導管21進入活塞內(nèi)部的油腔22，所述油囊中的壓力通過油的傳導作用進入活塞內(nèi)的油腔，油腔內(nèi)的油在壓力作用下經(jīng)由所述徑向孔道23進入活塞接觸面上的環(huán)形油槽24，進而與外殼的內(nèi)壁接觸， 同時起到潤滑與油封的作用。由于本裝置中活塞與外殼緊密接觸，密封與潤滑所需油量很少，所以所述密封油徑向孔道23和所述環(huán)形油槽M都非常細微，這樣油囊18中的密封油消耗的也就很慢，但需要定期檢查油囊中的油量，如果油量已經(jīng)很少，需及時通過注油口 19加注密封油，保證裝置處于良好的密封和潤滑狀態(tài)。4、裝置工作過程描述啟動時所述裝置的活塞3處于外殼4的中間部位，氣體壓力穩(wěn)定時，活塞不動作。當負載等因素影響使得氣體壓力明顯變化時，例如壓力傳感器7檢測并發(fā)送至控制器15的壓力值低于控制器中設定的下限壓力值，控制器立即向所述伺服電機發(fā)出正轉(zhuǎn)指令(此處以伺服電機正轉(zhuǎn)，活塞向右運動為例，具體情況與選取的齒輪減速器有關(guān))，經(jīng)過減速器減速后，運動速度下降，力矩增大，推動活塞在外殼內(nèi)沿軸向逐漸向右運動，使緩沖室2的容積逐漸減小，抑制或緩解氣體壓力的下降。由于在檢測到氣體壓力下降時，氣體發(fā)生裝置也同時做出響應，增大原料輸入量(如甲醇等液體化石能源)，經(jīng)過延時后氣體產(chǎn)量將會增加。 所以在活塞逐漸運動至接近外殼右端時，氣體產(chǎn)量將開始緩慢增加，此時壓力傳感器發(fā)送給控制器的壓力信號開始出現(xiàn)上升的趨勢。這時控制器將指令伺服電機反轉(zhuǎn)，通過減速傳動機構(gòu)拖動活塞緩慢向左運動，抑制氣體壓力的增大。最后在活塞回到外殼的中間部位附近時，氣體產(chǎn)量將趨于穩(wěn)定，伺服電機停轉(zhuǎn)，活塞在外殼的中間位置附近停下。氣體壓力增大時的情況剛好與上述過程相反，在此不再贅述。上述具體實施方式
中，氣體發(fā)生裝置100可以是化石能源制氫裝置或生物質(zhì)制氫裝置，也可以是吸附儲氫裝置或金屬氫化物儲氫裝置。其中吸附儲氫裝置包括基于碳納米材料、共電子紡絲納米結(jié)構(gòu)超細纖維材料或納米復合材料等新型材料的各類吸附儲氫裝置，其釋放氫氣過程往往涉及解吸等物理過程；而金屬氫化物儲氫裝置的釋放氫氣過程則涉及化學反應過程；因此，兩者均無法實時調(diào)節(jié)供氣速度。上述具體實施方式
用來解釋說明本實用新型，僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本實用新型做出的任何修改、等同替換、改進等，都落入本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置，其特征在于它包括設置在燃料電池的氣體發(fā)生裝置輸出端與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端之間儲存氣體的緩沖室；緩沖室的主體采用活塞式結(jié)構(gòu)，由活塞和外殼共同構(gòu)成，外殼設有進氣導管和出氣導管；所述進氣導管與所述氣體發(fā)生裝置輸出端連接；所述出氣導管與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置，其特征在于它設有感知氣體壓力的壓力傳感器和控制器，所述壓力傳感器將所述緩沖室內(nèi)的氣體壓力信號實時傳送給所述控制器。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置，其特征在于所述活塞在所述外殼內(nèi)的軸向運動由伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)；所述伺服電機接收所述控制器的指令進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動所述活塞進行往復運動，以調(diào)節(jié)所述緩沖室的容積。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置，其特征在于在所述伺服電機和所述活塞之間設有減速器和傳動齒條；所述伺服電機與所述減速器連接；所述減速器的減速器輸出齒輪與所述傳動齒條嚙合；所述傳動齒條與所述活塞連接。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池供氣壓力裝置，其特征在于它利用密封油實現(xiàn)所述活塞和所述外殼之間的密封與潤滑。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池供氣壓力裝置，其特征在于它設有密封油加壓器和輸油導管；所述密封油加壓器包括油囊和加壓彈簧及加壓板，使密封油獲得壓力；所述輸油導管為可彎曲軟管，用于將密封油輸送至所述活塞內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池供氣壓力裝置，其特征在于在所述活塞內(nèi)設有裝密封油的油腔和徑向孔道，所述活塞與所述外殼的接觸面設有環(huán)形油槽；所述油腔接收所述輸油導管輸送來的密封油，并通過所述徑向孔道將密封油送至所述環(huán)形油槽，使得密封油與所述外殼的內(nèi)壁接觸，實現(xiàn)密封與潤滑。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置，其特征在于它所述氣體發(fā)生裝置是化石能源制氫裝置或生物質(zhì)制氫裝置或吸附儲氫裝置或金屬氫化物儲氫裝置。
專利摘要本實用新型提供了一種燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置。它包括設置在燃料電池的氣體發(fā)生裝置輸出端與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端之間提供儲存氣體的緩沖室；緩沖室的主體采用活塞式結(jié)構(gòu)，由活塞和外殼共同構(gòu)成，外殼設有進氣導管和出氣導管；所述進氣導管與所述氣體發(fā)生裝置輸出端連接；所述出氣導管與燃料電池電堆的陽極氣體輸入端連接。本實用新型所提供的燃料電池供氣壓力穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)簡單、響應迅速、本質(zhì)安全、成本低廉、維護方便，是解決燃料電池氣體壓力波動問題的較好方案。
文檔編號H01M8/04GK202167568SQ20112018660
公開日2012年3月14日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者盧建剛, 孫優(yōu)賢, 鄭劍鋒 申請人:浙江大學