[发明专利]一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池的制造技术，特别是一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统及其工作方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种高效和环境友好的发电装置，它直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能，其工作温度一般低于100℃，氧的电化学还原反应生成的水为液态水。生成的水可以两种方式排出，一种为气态，若反应气的相对湿度小于1，即反应气中水蒸气分压未达到相应电池工作温度下水蒸气分压时，水可汽化，随电池排放的尾气离开电池；另一种方式为液态排水，此时反应气的相对湿度已达到1，在电极催化层生成的液态水靠毛细力和压差推动，传递到扩散层气相侧，液态水滴由反应气吹扫出电池。为有效排放液态水滴，有效地对燃料电池内部水进行管理，提高系统可靠性，阳极侧大多采用脉冲排放的方式排放液态水滴，同时排放阳极侧杂质。采用该方法控制比较简单，但在脉冲排放瞬间，如控制目标为压力控制，此时入堆氢气流量会出现峰值，因流量波动区间较大，压力没有稳定控制，会出现一定程度的波动；如控制目标为流量控制，脉冲排放瞬间压力也会出现大幅波动。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以精确的控制入堆燃料气的压力或流量，燃料气的利用率可精确调节的质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统及其工作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统，包括氢气储罐、一级减压阀、二级减压阀、进气电磁阀和燃料电池电堆，还包括尾排电磁阀和辅助电磁阀；氢气来源于氢气储罐，经一级减压阀进入二级减压阀和辅助电磁阀，所述的辅助电磁阀与二级减压阀并联；氢气经二级减压阀和辅助电磁阀后合并进入进气电磁阀，再进入燃料电池电堆，最后进入尾排电磁阀，将尾气排放至外界。

本发明所述的二级减压阀可以更换为流量控制器或压力控制器或位置开度可调阀。

一种质子交换膜燃料电池阳极脉冲排水系统的工作方法，包括以下步骤：

A、燃料氢气由氢气储罐提供，经一级减压阀减压，再进入二级减压阀减压至燃料电池系统所需压力，辅助电磁阀与二级减压阀并联使用，氢气同时进入辅助电磁阀与二级减压阀，为燃料电池电堆供气；

B、燃料氢气同时通过并联的辅助电磁阀与二级减压阀后，再经进气电磁阀进入电堆，最后通过尾排电磁阀进行排放；尾排电磁阀的排放采用脉冲排放方式，在脉冲排放瞬间，反应气在流场内流动线速度达到一定值，依靠反应气吹扫出电堆反应生成水。

本发明所述的反应气在流场内流动线速度达到一定值是指反应气在流场内流动线速度大于或等于5m/s。

本发明所述的尾排电磁阀进行脉冲排放时，与辅助电磁阀采用与尾排电磁阀同步同脉冲排放周期的控制方法，实行同流量控制；即尾排电磁阀与辅助电磁阀的开关周期相同、控制占空比相同。

本发明所述的尾排电磁阀与辅助电磁阀通过采用流量系数Cv值匹配的方法，实现流量同步控制；

所述的流量系数Cv值是尾排电磁阀与辅助电磁阀的重要参数，它反映调节阀的能力或容量，通过已知尾排电磁阀的流量系数Cv值，确定辅助电磁阀的流量系数Cv值，具体步骤如下：

B1、参照流量系数Cv值理论计算式，初步确定辅助电磁阀流量系数Cv值参考值理论计算值Cthv；

B2、根据试验条件，理论计算得出辅助电磁阀的流量系数Cv值Cthv，选取流量系数Cv值接近Cthv但不小于Cthv的辅助电磁阀进行试验修正；

B3、将尾排电磁阀与辅助电磁阀进行连接：试验中为对电堆进行保护，当电堆压力达到80kPa时，尾排电磁阀常开，关闭辅助电磁阀，电堆降载；在测试过程中，如压力传感器显示值呈上升状态，表明辅助电磁阀的Cthv理论计算值偏大，采用不同孔径的孔板对其进行修正，直至压力传感器显示值恒定；如压力传感器显示值呈下降状态，表明辅助电磁阀的Cthv理论计算值偏小，此时微调一级减压阀，使其开度缓慢增大，直至压力传感器显示值恒定，记录一级减压阀出口压力，重新计算流量系数Cv值；重复上述步骤，直至压力传感器显示值恒定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明通过尾排电磁阀和辅助电磁阀的组合使用，实现辅助进气和尾排排气气量一致，精确地控制了入堆燃料气的压力或流量。

2、由于本发明通过尾排电磁阀和辅助电磁阀的组合使用，实现辅助进气和尾排排气气量一致，精确的控制了入堆燃料气的压力或流量，可通过尾排电磁阀的脉冲排放频率精确调节实现燃料气的利用率精确调节；