CN201051521Y - 一种燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池系统，它包括燃料电池、反应介质供应装置和电气控制装置，所述反应介质供应装置包括燃料供应装置和氧化剂供应装置，反应介质供应装置通过连接管路与燃料电池流场板上的流道进出口相连通，与前述任一反应介质供应装置连接的连接管路上设有控制反应介质流向的切换装置，或者与前述两反应介质供应装置连接的连接管路上均设有控制反应介质流向的切换装置。反应介质在燃料电池内部的流动方向可以通过切换装置进行正向和逆向切换。本实用新型具有可以改善燃料电池系统内部水、热、反应介质分布的优点，有利于提高燃料电池性能，使燃料电池稳定工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一个能将化学能直接转换成电能的发电装置。燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池除了在发电时无污染、噪音低外，还具有无腐蚀，启动快，制备容易，功率密度达，发电效率高，使用寿命长等许多优点，因此，在交通工具、发电设备、军事、航天等领域内均有着广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池包括集流体、膜电极、端板等几个部分，其中，膜电极由阳极、阴极和夹在阳极、阴极之间的固体电解质膜构成。集流体收集电化学反应过程中阳极产生的电子并输送到阴极，构成电流回路。端板在燃料电池中起到固定作用。
在采用氢气、空气的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2＝2H++2e-
阴极反应：O2+4H++4e-＝2H2O+热量
在典型的质子交换膜燃料电池中，一般采用全氟磺酸膜作为电解质，起到传导质子和隔离反应介质的作用，但这种膜必须保持足够的水分才能起到这些作用，否则，膜会由于缺乏水分变干而使质子传导效率降低，导致燃料电池性能降低。一般在燃料电池的集流板上刻有蛇型或直通流道，反应介质(如氢气、空气)沿流道流动并在电极表面进行分布。其中阴极空气在流动过程中，由于其中的氧气参与电化学反应，因此，在从流道入口到流道出口的方向空气中的氧气浓度逐渐降低，同时，阴极反应产生的水扩散到空气中，使空气的湿度逐渐增大，一般情况下，在空气出口处空气湿度会达到100％。
研究表明，由于反应介质浓度和湿度沿流道长度的分布不匀，直接造成电极表面各点的电流密度存在差异，如果维持这种状态长期运行，会导致燃料电池性能逐渐下降。同时，由于湿度分布不匀，造成入口处湿度较低，需要增湿，而出口处湿度较高，甚至会有冷凝水堵塞流道，需要加强排水，这也给燃料电池的水管理带来较大困难。
为解决上述问题，中国专利01246227公布了一种流道设计方案，在流场板上设置有两组逆向的流道，有四个通孔与这两组流道分别相通。这种方式可以实现空气在流场板上的同时逆向流动，对于改变流场内湿度分布有一定的作用，但这种设计增加了燃料电池系统内部管路的数量，增加了系统的复杂性和对密封的要求。
发明内容
本实用新型就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高电池工作性能的燃料电池系统，该燃料电池能够减轻对增湿的需求，提高燃料电池的稳定性，且结构简单紧凑，不需要对燃料电池本身进行任何改动。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：一种燃料电池系统，它包括燃料电池、反应介质供应装置和电气控制装置，所述反应介质供应装置包括燃料供应装置和氧化剂供应装置，反应介质供应装置通过连接管路与燃料电池流场板上的流道进出口相连通，与前述任一反应介质供应装置连接的连接管路上设有控制反应介质流向的切换装置，或者与前述两反应介质供应装置连接的连接管路上均设有控制反应介质流向的切换装置。
所述切换装置可以由多个独立的换向阀组成，各换向阀由电气控制装置进行连锁控制；也可以为四通换向阀。
本实用新型由于采用了以上技术方案，使燃料电池内部反应介质沿流道的流动方向可以自动切换，这种方案具有以下优点：
反应介质供应装置提供的空气通过切换装置分别与燃料电池流场板流道的两个接口相通。控制换向阀动作使空气流过其中一个换向阀进入燃料电池的进气口，从燃料电池出气口离开并通过另一个换向阀进入连接管路。燃料电池工作一段时间后，出气口处的空气湿度接近饱和时，控制换向阀动作，使空气在流道中逆向流动，此时燃料电池的进气口为上一工况时的出气口，燃料电池的出气口为上一工况时的进气口。由于上一工况出气口处的膜处于完全湿润状态，质子传导能力强，在空气逆向流动后，此位置成为新鲜空气最先流过的位置，氧气浓度最高，使此处的电化学反应速度和效率增大，功率输出会有显著增加。通过控制换向阀的工作频率，可以使电极的各个部位始终处于较高工作效率状态，从而使燃料电池整体性能上升，而且有利于提高工作的稳定性，另外，也能有效缓解燃料电池的增湿需求。本实用新型只是在与反应介质供应装置连接的管道处加装了介质流向切换装置，结构简单紧凑，不需要对燃料电池本身进行任何改动。
附图说明
图1为本实用新型实施例一的系统示意图
图2为本实用新型实施例二的系统示意图
下面结合附图及具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
本实用新型一种燃料电池系统，它包括燃料电池、反应介质供应装置和电气控制装置，所述反应介质供应装置包括燃料供应装置和氧化剂供应装置，反应介质供应装置通过连接管路与燃料电池流场板上的流道进出口相连通。所述连接管路上设有控制反应介质流向的切换装置，可以单独对任何一种反应介质进行流动方向切换，也可以同时对所有反应介质都进行流动方向切换。即如果控制燃料的流向，就在与燃料供应装置连接的连接管路上设有切换装置；如果控制氧化剂的流向，就在与氧化剂供应装置连接的连接管路上设有切换装置，或者同时控制燃料和氧化剂的流向，就在与两反应介质供应装置连接的连接管路上均设有控制反应介质流向的切换装置。
实施例一：在图1中，燃料电池为质子交换膜燃料电池，以氢气为燃料，以空气中的氧气为氧化剂，对空气流动方向进行切换控制。在本实施例中，将电磁换向阀2、3分别独立安装连接氧化剂供应装置与燃料电池流场板流道进出口的连接管路中，通过电气控制装置进行连锁控制。
空气的正向流动方向为氧化剂供应装置1-电磁换向阀2-流道接口5-流道接口6-电磁换向阀3-空气排空口4；
空气的逆向流动方向为氧化剂供应装置1-电磁换向阀3-流道接口6-流道出口5-电磁换向阀2-空气排空口4。
氧化剂供应装置1(风扇、鼓风机或压缩机等)提供的空气通过换向阀2、3分别与燃料电池的两个接口相通。首先通过换向阀2、3的动作使空气流过换向阀2，进入燃料电池流道接口5，从燃料电池流道接口6离开并通过换向阀3进入空气排空口4，此时流道接口5为燃料电池的进气口，流道接口6为燃料电池的出气口。当流道接口6处的空气湿度接近饱和时，控制换向阀2、3动作，使氧化剂供应装置1提供的空气通过换向阀3进入燃料电池流道接口6，从燃料电池流道接口5离开燃料电池并通过换向阀2进入空气排空口4，此时流道接口6为燃料电池的进气口，流道接口5为燃料电池的出气口，空气开始逆向流动，将流道接口6处的部分水蒸气沿流道输送到流道接口5处，使流道接口5的质子交换膜得到增湿，电化学反应效率上升。
实施例二：在图2中，燃料电池为质子交换膜燃料电池，以氢气为燃料，以空气中的氧气为氧化剂，对空气流动方向进行切换控制。在本实施例中，采用四通电磁阀7将流动方向切换工作集成在一个结构紧凑的切换装置中，该切换装置共有4个接口，分别和空气排空口4、空气接口8、9和氧化剂供应装置1相通，空气接口8、9和燃料电池流场板流道的进出口通过连接管路相连接。通过对四通电磁阀7进行控制，可以实现空气流动方向的切换：
空气的正向流动方向为氧化剂供应装置1-空气接口8-流道接口5-流道接口6-空气接口9-空气排空口4；
空气的逆向流动方向为氧化剂供应装置1-空气接口9-流道接口6-流道接口5-空气接口8-空气排空口4。
Claims (3)
1.一种燃料电池系统，它包括燃料电池、反应介质供应装置和电气控制装置，所述反应介质供应装置包括燃料供应装置和氧化剂供应装置，反应介质供应装置通过连接管路与燃料电池流场板上的流道进出口相连通，其特征在于与前述任一反应介质供应装置连接的连接管路上设有控制反应介质流向的切换装置，或者与前述两反应介质供应装置连接的连接管路上均设有控制反应介质流向的切换装置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于所述切换装置由多个独立的换向阀组成，各换向阀由电气控制装置进行连锁控制。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于所述切换装置为四通换向阀。
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