一種燃料電池系統(tǒng)的電控噴氫壓力調(diào)節(jié)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種燃料電池系統(tǒng)的電控噴氫壓力調(diào)節(jié)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池供氫系統(tǒng)用于的燃料電池系統(tǒng)是一種電化學(xué)的反應(yīng)裝置，將氫氣和含有氧氣的空氣作為燃料氣體和氧化劑氣體供入燃料電池堆中，在電化學(xué)反應(yīng)作用下轉(zhuǎn)換成電功率和水。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) —般包含2個(gè)多孔的導(dǎo)電電極層以及布置在之間的固體高分子電解質(zhì)膜以形成膜電極組件(MEA)。為了加快所需的電化學(xué)反應(yīng)，陽(yáng)極電極和陰極電極均包含催化劑。這些催化劑分布在膜電極層的表面。
[0003]在陽(yáng)極，氫氣通過(guò)多孔電極層移動(dòng)并且通過(guò)催化劑氧化以產(chǎn)生質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過(guò)固體高分子電解質(zhì)向陰極移動(dòng)。氧氣通過(guò)多孔陰極移動(dòng)且在陰極催化劑處與通過(guò)膜的質(zhì)子反應(yīng)生成水。電子通過(guò)外部電路從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極形成電流。
[0004]由于燃料電池反應(yīng)過(guò)程中會(huì)消耗氫、氧及生成水，因此會(huì)導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部雜質(zhì)氣體及水的聚集，從而影響燃料電池的工作性能。因此，為了維持燃料電池的正常工作，反應(yīng)氣體流量必須足夠大，以便能夠?qū)㈦s質(zhì)氣體和水分排出燃料電池內(nèi)部。這個(gè)是為什么燃料氣體和氧化劑氣體的供給通常大于電化學(xué)反應(yīng)需要的數(shù)量被供應(yīng)到燃料電池的主要原因。
[0005]為了節(jié)省昂貴燃料的同時(shí)還能改善燃料電池系統(tǒng)的整體效率和反應(yīng)氣體的流動(dòng)特性，燃料電池堆出口處的未反應(yīng)燃料氣體通常被再循環(huán)回燃料電池堆的入口處。換句話(huà)說(shuō)，從燃料電池的陽(yáng)極排釋放的未反應(yīng)燃?xì)馐紫韧ㄟ^(guò)氣體/水分離器將所含液態(tài)水分離，然后被引導(dǎo)回去與燃料電池陽(yáng)極入口處新鮮燃料氣體混合，以改善燃料電池陽(yáng)極入口燃料氣體的溫度、濕度、電化學(xué)當(dāng)量比特性。本發(fā)明中借助于引射器的壓差對(duì)燃料電池堆出口未反應(yīng)的燃?xì)膺M(jìn)行引射循環(huán)利用。使用引射器的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)引射器VENTURI效應(yīng)操作時(shí)，它們具有比電驅(qū)動(dòng)回氫栗更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)且它們不需要任意潤(rùn)滑劑和寄生功耗，因?yàn)樗鼈儾话我膺\(yùn)動(dòng)部件，本身不消耗任何功率，使用引射器的缺點(diǎn)是在于它們具有窄操作范圍。這個(gè)在汽車(chē)應(yīng)用的情況中可能是個(gè)問(wèn)題，其中燃料和氧化劑消耗率可能明顯變化。但通過(guò)改變引射器入口壓力可以增加引射器的工作范圍，從而使其在較大的工況范圍能夠正常工作。
[0006]現(xiàn)有的技術(shù)方案主要有三種:1)通過(guò)氫氣循環(huán)栗在燃料電池入口與氫出口形成壓差，使得燃料電池中未反應(yīng)的過(guò)量氫氣循環(huán)。但是氫氣循環(huán)栗的成本高，可靠性低，而且消耗的功率較大。2)采用引射器，雖然引射器VENTURI效應(yīng)操作時(shí)，由于它們不包含任意運(yùn)動(dòng)部件，本身不消耗任何功率所以它們具有比電驅(qū)動(dòng)回氫栗更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)且它們不需要任意潤(rùn)滑劑和寄生功耗，而使用引射器的缺點(diǎn)是在于它們具有較窄操作范圍，不能適用于汽車(chē)應(yīng)用，當(dāng)?shù)∷贂r(shí)，氫氣的消耗流量可能低于能產(chǎn)生VENTURI效應(yīng)的最低值。3)采用氫氣循環(huán)栗與引射器并聯(lián)，雖然該方案可以采用一個(gè)較小功率的氫氣循環(huán)栗解決引射器較窄工作范圍的問(wèn)題，但其在成本、可靠性及寄生功耗等方面的劣勢(shì)無(wú)法回避。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明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改善燃料電池工作環(huán)境、安全可靠、防倒流、回氫保溫的燃料電池系統(tǒng)的電控噴氫壓力調(diào)節(jié)裝置。
[0008]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0009]—種燃料電池系統(tǒng)的電控噴氫壓力調(diào)節(jié)裝置，用于控制燃料電池系統(tǒng)氫氣側(cè)進(jìn)氣，該電控噴氫壓力調(diào)節(jié)裝置包括:
[0010]燃料電池電堆:用以進(jìn)行氫燃料電池的反應(yīng)，產(chǎn)生電能；
[0011]氫氣側(cè)進(jìn)氣壓力控制組件:與燃料電池電堆的氫氣進(jìn)氣管連接，用以控制氫氣的進(jìn)氣壓力以及氫氣的回流；
[0012]排水組件:與燃料電池電堆的氫氣排氣管連接，用以將廢水排出；
[0013]控制器:分別與氫氣側(cè)進(jìn)氣壓力控制組件和氫氣排氣組件連接，用以控制氫氣側(cè)進(jìn)氣壓力控制組件和氫氣排氣組件，調(diào)節(jié)氫氣進(jìn)氣側(cè)壓力。
[0014]所述的排水組件包括汽水分離器和氫排電磁閥，所述的燃料電池電堆的氫氣排氣管、汽水分離器的出水口和氫排電磁閥依次連接，所述的氫排電磁閥與控制器連接。
[0015]所述的氫氣側(cè)進(jìn)氣壓力控制組件包括氫氣進(jìn)氣電磁閥、電控噴氫調(diào)節(jié)閥和回氫引射器，所述的氫氣進(jìn)氣電磁閥、電控噴氫調(diào)節(jié)閥、回氫引射器和燃料電池電堆的氫氣進(jìn)氣管依次連接，所述的回氫引射器的引射口與汽水分離器的出氫口通過(guò)管道連接。
[0016]所述的回氫引射器的引射口與汽水分離器的出氫口之間的管道上設(shè)有單向閥。
[0017]所述的回氫引射器的引射口與汽水分離器的出氫口之間的管道外側(cè)包裹有保溫層。
[0018]所述的氫氣側(cè)進(jìn)氣壓力控制組件還包括分別與控制器連接的高壓壓力傳感器和低壓壓力傳感器，所述的高壓壓力傳感器設(shè)置在氫氣進(jìn)氣電磁閥的入口管道上，所述的低壓壓力傳感器設(shè)置在燃料電池電堆的氫氣進(jìn)氣管處。
[0019]所述的電控噴氫調(diào)節(jié)閥包括多個(gè)高頻小流量電磁閥，所述的多個(gè)高頻小流量電磁閥均與控制器連接。
[0020]當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，首先由高壓壓力傳感器判斷氫氣壓力是否正常，然后控制氫氣進(jìn)氣電磁閥的開(kāi)啟，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，然后控制器根據(jù)低壓壓力傳感器的反饋值，調(diào)節(jié)電控噴氫調(diào)節(jié)閥內(nèi)高頻小流量電磁閥的開(kāi)啟數(shù)量及頻率，對(duì)進(jìn)入燃料電池電堆的壓力值進(jìn)行控制，最終使低壓壓力傳感器的反饋值與目標(biāo)設(shè)定值一致，保證燃料電池電堆的氫氣進(jìn)氣管的氫氣壓力，在運(yùn)行過(guò)程中，回氫引射器利用文丘里原理將燃料電池電堆排氣管的氫氣返回回氫引射器，在回氫引射器內(nèi)部將其與電控噴氫調(diào)節(jié)閥供給過(guò)來(lái)的氫氣進(jìn)行混合，同時(shí)汽水分離器將燃料電池電堆排氣管處的氫氣中多余水分分離出來(lái)。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]—、改善燃料電池工作環(huán)境:本發(fā)明利用燃料電池電堆排氣管處的高溫、高濕氫氣與電控噴氫調(diào)節(jié)閥供給的氫氣在回氫引射器內(nèi)部進(jìn)行混合后提高進(jìn)入燃料電池電堆氫氣的溫度與濕度，改善燃料電池的工作條件、提高了氫氣的利用率。
[0023]二、安全可靠、防倒流:本發(fā)明在回氫引射器的引射口與汽水分離器的出氫口之間的管道上設(shè)有單向閥，防止由于壓力的變化在瞬態(tài)過(guò)程中回氫引射器引射口的壓力高于燃料電池出口處的壓力，從而產(chǎn)生氫氣由引射口處倒流至燃料電池電堆出口處，采用單向閥可以確保在任何情況下都不會(huì)產(chǎn)生氫氣倒流現(xiàn)象。
[0024]三、回氫保溫:由于燃料電池電堆出口的高溫高濕的氣體跟環(huán)境溫度的溫差很大，容易冷凝，減少了引射回去的水分，本發(fā)明在回氫引射器的引射口與汽水分離器的出氫口之間的管道外側(cè)包裹有保溫層，不僅減少了通過(guò)氣水分離器排出的冷凝水，并且能夠?yàn)榛亓鞯臍錃獗亍?br>[0025]四、操作范圍寬:本發(fā)明采用電控噴氫調(diào)節(jié)閥和回氫引射器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)電控噴氫調(diào)節(jié)閥控制氫氣的壓力，結(jié)合回氫引射器的VENTURI效應(yīng)能使本裝置的操作范圍得到較大的提升。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0027]其中，1、氫氣進(jìn)氣電磁閥，2、電控噴氫調(diào)節(jié)閥，3、回氫引射器，4、燃料電池電堆，5、汽水分離器，6、單向閥，7、保溫層，8、氫排電磁閥，9、高壓壓力傳感器，10、低壓壓力傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例:
[0030]如圖1所示，一種燃料電池系統(tǒng)的電控噴氫壓力調(diào)節(jié)裝置，用于控制燃料電池系統(tǒng)氫氣側(cè)進(jìn)氣，該電控噴氫壓力調(diào)節(jié)裝置包括:
[0031]燃料電池電堆4:用以進(jìn)行氫燃料電池的反應(yīng)，產(chǎn)生電能；
[0032]氫氣側(cè)進(jìn)氣壓力控制組件:與燃料電池電堆的氫