專利名稱：一種燃料電池陽極系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池技術，特別是一種燃料電池陽極系統(tǒng)。
背景技術：
為保護環(huán)境，減少城市中的大氣污染，以PEMFC (質子交換膜燃料電池)為動力的裝置受到越來越多的關注，當PEMFC以純氫為燃料時，它能達到真正的“零”排放。目前PEMFC在交通、通訊等領域均有一定的應用。為提高燃料電池組壽命，燃料電池陽極采用回流(尾氣循環(huán))的方式，即尾排濕氫氣與反應干氫氣進行混合進入燃料電池電堆，這樣做有以下優(yōu)點①有助于反應氣增濕增大氫氣進堆計量比，改進電池組內各節(jié)單池間的氣體分配；③易排放電化學反應產生的液態(tài)水。目前回流主要采用機械式回流(氣源壓力作動力，利用尾氣循環(huán))和電動回流兩種方式。但機械式回流方式以氣源壓力作動力，不降低燃料電池系 統(tǒng)效率，但在低載段，回流比(循環(huán)的尾氣量與電池組電化學反應消耗的反應氣量之比)低，回流效果不明顯。而電動回流方式因回流介質為氫氣，氫氣密度低，在高載段，滿足大流量、高壓頭的回流，需電動回流裝置功耗大，體積大，噪音大，但電動回流可滿足全工況回流。

發(fā)明內容
為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明要設計一種既可以實現(xiàn)全工況回流，又可以實現(xiàn)低功耗、小體積、低噪音的燃料電池陽極系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下一種燃料電池陽極系統(tǒng)，包括氫過濾器、控制閥、文丘里管回流器、分水器、電動回流泵、電磁閥和背壓閥，所述的氫過濾器經控制閥連接到文丘里管回流器，所述的文丘里管回流器的噴射端與電堆模塊連接；所述的分水器的入口端與電堆模塊連接、分水器的出口端與電動回流泵連接、分水器的存水端與電磁閥連接；所述的電動回流泵分別與文丘里管回流器的抽吸口端和背壓閥連接；所述的文丘里管回流器和電動回流泵的輸出功率和回流比均按照回流比與電堆輸出功率曲線選取，且保證在相同電堆輸出功率情況下，工作點回流比不小于需求回流比；具體選取步驟如下A、文丘里管回流器的輸出功率及回流比按電堆滿負荷輸出功率Pe2及電堆滿負荷輸出時的回流比需求值Re2進行選?。籅、選定文丘里管回流器后，從電堆滿負荷輸出功率Pe2開始，按照功率P由大至小核對回流比R值，直到回流比R小于或等于需求回流比，并定義回流比R小于或等于需求回流比的電堆輸出功率為電堆回流臨界輸出功率Pe1，對應的回流比需求值為電堆回流臨界輸出時的回流比需求值Re1 ;再按照電堆回流臨界輸出功率Pe1及電堆回流臨界輸出時的回流比需求值Re1選取電動回流泵的輸出功率及回流比。本發(fā)明所述的電堆回流臨界輸出功率Pe1小于或等于電堆滿負荷輸出功率Pe2的30%。本發(fā)明所述的控制閥是質量流量控制器或壓力控制器或開度可控的閥門。
本發(fā)明的工作原理如下外界氫氣源經氫過濾器進入控制閥，后進入文丘里管回流器噴射端，后進入電堆模塊，發(fā)生電化學反應后，尾排氫氣進入分水器進行分水處理，分水后氫氣進電動回流泵，分成兩個支路，一支路回到文丘里管回流器抽吸口端，另一支路進入背壓閥；分水器存水端與電磁閥相連，通過電磁閥進行脈沖排放。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明將文丘里管回流器、電堆模塊、分水器和電動回流泵按串聯(lián)方式的連接，在電堆輸出功率未達到文丘里管開始回流時的電堆輸出功率值，由電動回流泵來進行回流；當達到文丘里管開始回流時的電堆輸出功率值，由電動回流泵和文丘里管回流器共同實現(xiàn)回流，這樣做即實現(xiàn)了全工況回流，在使用過程中，電動回流泵一直處于工作狀態(tài)，不需要按功率切換控制，控制間單；2、在現(xiàn)有技術相比，所選用電動回流泵輸出功率必須滿足滿負荷Pe2時使用要求，而本發(fā)明的電動回流泵僅是為了彌補文丘里管回流器在電堆輸出功率< Pe1段的回流量不 足，通常Pe1 ( 30%Pe2，因此只需選擇小規(guī)格的回流泵即可，功耗低、體積小、低噪音；3、本發(fā)明通過尾排氫氣端背壓閥的使用，可以控制電堆在穩(wěn)態(tài)壓力下工作，低、中、高壓力均可；4、本發(fā)明分水器存水端與電磁閥相連，電磁閥除起到排水控制閥的作用外，還起到電堆壓力超壓排放及安全壓力保護的作用。


本發(fā)明共有附圖6張，其中圖I是機械回流式的燃料電池陽極系統(tǒng)組成示意圖。圖2是文丘里管回流器回流比與功率曲線圖。圖3是電動回流式的燃料電池陽極系統(tǒng)組成示意圖。圖4是電動回流方式回流比與功率曲線圖。圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖。圖6是本發(fā)明的回流比與功率曲線圖。圖中1、氫過濾器，2、控制閥，3、文丘里管回流器，4、分水器，5、電動回流泵，6、電磁閥，7、背壓閥，8、電堆模塊，10、文丘里管回流器回流比與功率曲線，20、電動回流泵回流比與功率曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步地描述。如圖5-6所示，一種燃料電池陽極系統(tǒng)，包括氫過濾器I、控制閥2、文丘里管回流器3、分水器4、電動回流泵5、電磁閥6和背壓閥7，所述的氫過濾器I經控制閥2連接到文丘里管回流器3，所述的文丘里管回流器3的噴射端與電堆模塊8連接；所述的分水器4的入口端與電堆模塊8連接、分水器4的出口端與電動回流泵5連接、分水器4的存水端與電磁閥6連接；所述的電動回流泵5分別與文丘里管回流器3的抽吸口端和背壓閥7連接；所述的文丘里管回流器3和電動回流泵5的輸出功率和回流比均按照回流比與電堆輸出功率曲線選取，且保證在相同電堆輸出功率情況下，工作點回流比不小于需求回流比；具體選取步驟如下A、文丘里管回流器3的輸出功率及回流比按電堆滿負荷輸出功率Pe2及電堆滿負荷輸出時的回流比需求值Re2進行選取；B、選定文丘里管回流器3后，從電堆滿負荷輸出功率P2開始，按照功率P由大至小核對回流比R值，直到回流比R小于或等于需求回流比，并定義回流比R小于或等于需求回流比的電堆輸出功率為電堆回流臨界輸出功率Pe1，對應的回流比需求值為電堆回流臨界輸出時的回流比需求值Re1 ;再按照電堆回流臨界輸出功率Pe1及電堆回流臨界輸出時的回流比需求值Re1選取電動回流泵5的輸出功率及回流比。本發(fā)明所述的電堆回流臨界輸出功率Pe1小于或等于電堆滿負荷輸出功率Pe2的30%。本發(fā)明所述的控制閥2是質量流量控制器或壓力控制器或開度可控的閥門。 本發(fā)明的工作原理如下外界氫氣源經氫過濾器I進入控制閥2，后進入文丘里管回流器3噴射端，后進入電堆模塊8，發(fā)生電化學反應后，尾排氫氣進入分水器4進行分水處理，分水后氫氣進電動回流泵5，分成兩個支路，一支路回到文丘里管回流器3抽吸口端，另一支路進入背壓閥7 ;分水器4存水端與電磁閥6相連，通過電磁閥6進行脈沖排放。下面通過現(xiàn)有技術的分析對本發(fā)明進行進一步的說明。圖I所示為采用機械式回流方式的燃料電池陽極系統(tǒng)流程圖，氫過濾器I經控制閥2連接到文丘里管回流器3，所述的文丘里管回流器3的噴射端與電堆模塊8連接；所述的分水器4的入口端與電堆模塊8連接、分水器4的出口端與文丘里管回流器3的抽吸口端和電磁閥6相連接。圖2所示為機械式回流方式中文丘里管回流器3回流比與功率曲線。圖中，R為回流比(循環(huán)的尾氣量與電池組電化學反應消耗的反應氣量之比)，P為電堆輸出功率，P。為該款文丘里管開始回流時的電堆輸出功率值(這里假設氫氣通過電堆的壓差為60mbar ;氫氣流量和電堆輸出功率之間計算按單節(jié)電壓O. Sv進行計算)。機械式回流方式以氣源壓力作動力，不降低燃料電池系統(tǒng)效率，但在低載段，回流比(循環(huán)的尾氣量與電池組電化學反應消耗的反應氣量之比)低，回流效果不明顯。圖3所示為采用電動回流方式的燃料電池陽極系統(tǒng)流程圖，氫過濾器I經控制閥2連接到電堆和電動回流泵5的出口端；所述的分水器4的入口端與電堆模塊8連接、分水器4的出口端與電動回流泵5的吸入口端和外界環(huán)境相連接。圖4所示為電動回流方式中電動回流泵5回流比與功率曲線。圖中，R為回流比(循環(huán)的尾氣量與電池組電化學反應消耗的反應氣量之比)，P為電堆輸出功率(這里假設氫氣通過電堆的壓差為60mbar ;氫氣流量和電堆輸出功率之間計算按單節(jié)電壓O. Sv進行計算)。電動回流方式因回流介質為氫氣，氫氣密度低，在高載段，滿足大流量、高壓頭的回流，需電動回流裝置功耗大，體積大，噪音大，但電動回流泵5可滿足全工況回流。下面通過實施例對本發(fā)明進行進一步地說明。本發(fā)明的滿負荷功率為40kW，并按圖5所示進行設計，外界氫氣源經氫過濾器I進入質量流量控制器后進入文丘里管回流器3噴射端，后進入電堆模塊8，發(fā)生電化學反應后，尾排氫氣進入分水器4進行分水處理，分水后氫氣進入電動回流泵5，分成兩個支路，一支路回到文丘里管回流器3抽吸口端，一支路進入背壓閥7，分水器4存水端與電磁閥6相連。圖6所示為文丘里管回流器回流比與功率曲線10和電動回流泵回流比與功率曲線20的交叉情況。本發(fā)明實施例的電堆滿負荷功率為40kW，陽極系統(tǒng)設計要求全工況回流比不小于O. 2。選擇文丘里管回流器3輸出功率為40kW、回流比為O. 2 ;從滿負荷點40kW、回流比O. 2開始核對；當功率為5kff時，回流比為O. 2 ;當功率低于5kff時，回流比低于O. 2，因此選擇電動回流泵5的輸出功率為5kW、回流比為O. 2。本發(fā)明實施例的背壓閥7穩(wěn)壓壓力為35kPa，電磁閥6超壓排放壓力為60kPa，排放O. ls，關閉電磁閥6，安全保護壓力80kPa，超過安全保護壓力常排。從實驗結果上來看，氫回流比，全工況維持在O. 2之上；氫壓穩(wěn)定，入堆氫壓維持在45飛5kPa之間峰值和谷值主要出現(xiàn)在變載過程電磁閥6超壓排放瞬間，出堆氫壓維持在
35 40kPa之間，全工況氫氣利用率超過95%。
權利要求
1.一種燃料電池陽極系統(tǒng)，其特征在于包括氫過濾器(I)、控制閥(2)、文丘里管回流器(3)、分水器(4)、電動回流泵(5)、電磁閥(6)和背壓閥(7)，所述的氫過濾器(I)經控制閥(2)連接到文丘里管回流器(3)，所述的文丘里管回流器(3)的噴射端與電堆模塊(8)連接；所述的分水器(4)的入口端與電堆模塊(8)連接、分水器(4)的出口端與電動回流泵(5)連接、分水器(4)的存水端與電磁閥(6)連接；所述的電動回流泵(5)分別與文丘里管回流器(3)的抽吸口端和背壓閥(7)連接； 所述的文丘里管回流器(3)和電動回流泵(5)的輸出功率和回流比均按照回流比與電堆輸出功率曲線選取，且保證在相同電堆輸出功率情況下，工作點回流比不小于需求回流比；具體選取步驟如下 A、文丘里管回流器(3)的輸出功率及回流比按電堆滿負荷輸出功率Pe2及電堆滿負荷輸出時的回流比需求值Re2進行選??； B、選定文丘里管回流器(3)后，從電堆滿負荷輸出功率Pe2開始，按照功率P由大至小核對回流比R值，直到回流比R小于或等于需求回流比，并定義回流比R小于或等于需求回流比的電堆輸出功率為電堆回流臨界輸出功率Pe1，對應的回流比需求值為電堆回流臨界輸出時的回流比需求值Re1 ;再按照電堆回流臨界輸出功率Pe1及電堆回流臨界輸出時的回流比需求值Re1選取電動回流泵(5 )的輸出功率及回流比。
2.根據權利要求I所述的一種燃料電池陽極系統(tǒng)，其特征在于所述的電堆回流臨界輸出功率Pe1小于或等于電堆滿負荷輸出功率Pe2的30%。
3.根據權利要求I所述的一種燃料電池陽極系統(tǒng)，其特征在于所述的控制閥(2)是質量流量控制器或壓力控制器或開度可控的閥門。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池陽極系統(tǒng)，包括氫過濾器、控制閥、文丘里管回流器、分水器、電動回流泵、電磁閥和背壓閥，所述的氫過濾器經文丘里管回流器與電堆模塊連接；所述電堆模塊經分水器與電動回流泵連接，所述的電動回流泵分別與文丘里管回流器的抽吸口端和背壓閥連接。所述的文丘里管回流器和電動回流泵的輸出功率和回流比均按照回流比與電堆輸出功率曲線選取。本發(fā)明在電堆輸出功率未達到文丘里管開始回流時的電堆輸出功率值，由電動回流泵來進行回流；當達到文丘里管開始回流時的電堆輸出功率值，由電動回流泵和文丘里管回流器共同實現(xiàn)回流，這樣做即實現(xiàn)了全工況回流，在使用過程中，不需要按功率切換控制，控制簡單。
文檔編號H01M8/04GK102938467SQ20121046642
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月17日 優(yōu)先權日2012年11月17日
發(fā)明者王仁芳, 李丹, 榮瑞, 戚朋, 侯中軍, 徐麗雙 申請人:新源動力股份有限公司