專利名稱：一種帶有電磁比例閥的燃料電池系統(tǒng)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，尤其涉及一種帶有電磁比例閥的燃料 電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電化學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)電化學反應(yīng)的催 化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學發(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) —般均放在兩塊導電的 極板中間，每塊導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流槽。這些導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。這些導膜電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化 劑導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流板與陰極氧化劑 的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導 流板上的導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 ?？赏ㄟ^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流槽，其中一面可以作為一個膜 電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，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流進口和導流通
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、陰極面的導流槽中；
(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，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 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)減壓閥來使空氣/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. 減壓閩體積、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，
導致發(fā)電性能難以控制，如果減壓閥失效，高壓氣體會沖破電極，嚴重時會引起火 災(zāi)、爆炸。
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、性能可靠的帶有電磁比例閥的燃料電池系統(tǒng)。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn) 一種帶有電磁比例閥的燃 料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括儲氫罐、空氣輸送裝置、燃料電池堆，其特征在于，還包 括電磁比例閥、壓力傳感器，所述的儲氫罐/空氣輸送裝置通過電磁比例閥與燃料 電池堆的氫氣/空氣進口連接，所述的壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣/空氣進 口處，并與電磁比例閥連接。
所述的壓力傳感器設(shè)有進入燃料電池堆的氫氣和空氣壓力預設(shè)值，該壓力傳 感器與根據(jù)進入燃料電池堆的氫氣/空氣壓力脈沖控制閥門高頻率開關(guān)的電磁比例 閥連接。
所述的電磁比例閥包括氫氣電磁比例閥，該氫氣電磁比例陶設(shè)置在儲氫罐出 口，所述的壓力傳感器包括氫氣壓力傳感器，該氫氣壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆 的氫氣進口處，并與氫氣電磁比例閥連接。
所述的電磁比例閥包括空氣電磁比例閥，該空氣電磁比例閥設(shè)置在空氣輸送 裝置出口，所述的壓力傳感器包括空氣壓力傳感器，該空氣壓力傳感器設(shè)置在燃料 電池堆的空氣進口處，并與空氣電磁比例閥連接。
所述的氫氣/空氣壓力的預定值為0.1 5atm。 所述的電磁比例閥前端供給氫氣/空氣的壓力為大于5個大氣壓。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型采用電磁比例閥調(diào)節(jié)進入燃料電池堆的氫氣和 空氣壓力，電磁比例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 氣和空氣壓力調(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 確在預設(shè)值上，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。


圖1為本實用新型燃料電池系統(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，對本實用新型作進一步說明。 如圖l所示， 一種帶有電磁比例閥的燃料電池系統(tǒng)，包括儲氫罐2、空氣輸送 裝置3、燃料電池堆5，電磁比例閥、壓力傳感器，電磁比例閥是通過脈沖控制閥 門做高頻率開關(guān)，根據(jù)進入燃料電池堆的氫氣和空氣壓力調(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設(shè)值上。
所述的電磁比例閥包括氫氣電磁比例閥1，該氫氣電磁比例閥1設(shè)置在儲氫罐 2出口，所述的壓力傳感器包括氫氣壓力傳感器4，該氫氣壓力傳感器4設(shè)置在燃 料電池堆5的氫氣進口處，并與氫氣電磁比例閥l連接，所述的氫氣壓力傳感器4 探測到進入燃料電池堆的氫氣壓力，并將該氫氣壓力信號反饋到氫氣電磁比例閥 1，該氫氣電磁比例閥l根據(jù)氫氣壓力信號自動調(diào)節(jié)，使進入燃料電池堆的氫氣壓 力恒定在預定值O.latm。
所述的電磁比例闊包括空氣電磁比例閥l'，該空氣電磁比例閥l'設(shè)置在空氣 輸送裝置3出口，所述的壓力傳感器包括空氣壓力傳感器4'，該空氣壓力傳感器4' 設(shè)置在燃料電池堆5的空氣進口處，并與空氣電磁比例阓l，連接，所述的空氣壓 力傳感器4'探測到進入燃料電池堆的空氣壓力，并將該空氣壓力信號反饋到空氣
電磁比例閥l'，該空氣電磁比例閥根據(jù)空氣壓力信號自動調(diào)節(jié)其開關(guān)次數(shù)，使進
入燃料電池堆的空氣壓力恒定在預定值0.5atm。
所述的氫氣/空氣壓力的預定值根據(jù)燃料電池堆的具體情況可為0.1 0.5atm。 所述的電磁比例閥前端供給氫氣/空氣的壓力為大于5個大氣壓。
權(quán)利要求1.一種帶有電磁比例閥的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括儲氫罐、空氣輸送裝置、燃料電池堆，其特征在于，還包括電磁比例閥、壓力傳感器，所述的儲氫罐/空氣輸送裝置通過電磁比例閥與燃料電池堆的氫氣/空氣進口連接，所述的壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣/空氣進口處，并與電磁比例閥連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有電磁比例閥的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述 的壓力傳感器與通過進入燃料電池堆的氫氣/空氣壓力脈沖控制閥門高頻率開關(guān)的 電磁比例閥連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶有電磁比例閥的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述的電磁比例閥包括氫氣電磁比例閥，該氫氣電磁比例閥設(shè)置在儲氫罐出口，所 述的壓力傳感器包括氫氣壓力傳感器，該氫氣壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣 進口處，并與氫氣電磁比例閥連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶有電磁比例闊的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述的電磁比例閥包括空氣電磁比例閥，該空氣電磁比例閥設(shè)置在空氣輸送裝置出 口，所述的壓力傳感器包括空氣壓力傳感器，該空氣壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆 的空氣進口處，并與空氣電磁比例閥連接。
專利摘要本實用新型涉及一種帶有電磁比例閥的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括儲氫罐、空氣輸送裝置、燃料電池堆，還包括電磁比例閥、壓力傳感器，所述的儲氫罐/空氣輸送裝置通過電磁比例閥與燃料電池堆的氫氣/空氣進口連接，所述的壓力傳感器設(shè)置在燃料電池堆的氫氣/空氣進口處，并與電磁比例閥連接。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、使用安全等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK201072786SQ20072007345
公開日2008年6月11日 申請日期2007年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月9日
發(fā)明者付明竹, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司