CN102255092A - 燃料电池、燃料电池供气压力稳定控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池供气压力稳定控制方法，它在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间提供与它们连通的储存气体的缓冲室，所述缓冲室的容积可以调节，当缓冲室内的气体压力出现变化时，缓冲室的容积立刻发生相应变化，减小或阻止缓冲室内的气体压力波动，为前端气体产量的调整争取到时间，消除气体发生装置响应延迟造成的时间上的调节死区。本发明还提供了基于上述方法的燃料电池以及实现上述方法的燃料电池供气压力稳定控制装置。

Description

燃料电池、燃料电池供气压力稳定控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的供气压力稳定控制方法及装置，以及基于此方法及装置的一种燃料电池。

背景技术

目前化石燃料作为主要能源既是经济发展和社会生活的重要物质前提，又是主要污染源。随着经济社会的发展，能源的需求量还在不断增加，而化石能源作为不可再生资源正在逐渐枯竭，而且还在加重环境的污染。因此应该寻找一种新的、清洁的、可持续发展的能源。在这种背景下，以氢作为载体的能源***引起了人们的广泛关注。

燃料电池(Fuel Cell)是一种高效零排放的化学能—电能转化装置，被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力***。燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的一种发电装置，它是由燃料、氧化剂和电解质构成的。与常规化学电源一样，电极提供电子移动场所，在阳极催化燃料（如氢）进行氧化过程，在阴极上进行还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成总回路。但是，燃料电池工作方式与常规化学电池有本质不同，它的燃料和氧化剂并不储存在电池内，而是由外部提供，即燃料电池不是电能存储装置而是发电装置。它是目前各类发电设备中效率最高的一种能量转换***，效率可达60%～80%，还具有洁净、无污染、无传动部件、起动快、噪声低、模块结构、积木性强、装置可大可小，非常灵活和比功率高等特点。

各类燃料电池中，氢燃料电池最有发展前途。氢燃料电池阳极所需的燃料氢，可直接用纯氢或通过化石能源制氢、生物质制氢等方法制取。现有储氢装置一般可分为液化储氢钢瓶、压缩储氢钢瓶、吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置等类型。现阶段，直接采用液化储氢钢瓶或压缩储氢钢瓶提供纯氢的氢燃料电池已较为成熟。而通过吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置、化石能源制氢装置、生物质制氢装置等方法提供氢气的氢燃料电池，虽然具有更广泛的应用前景，但由于还存在一些尚未得到很好解决的问题，制约了它的应用和发展。

与采用液化储氢钢瓶或压缩储氢钢瓶能够实时调节供气速度不同，在采用吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置、化石能源制氢装置、生物质制氢装置等气体发生装置提供氢气时往往涉及到复杂的物理变化、化学反应或生物过程，所以无法实时调节供气速度，由于用电负荷的波动会使燃料电池的耗气速度发生变化，则燃料电池的供气压力就会产生波动，而供气压力波动会恶化质子交换膜的工作环境，大大缩短其使用寿命，甚至出现更严重的情形：如果供气压力下降到允许范围以下，将导致电池电压迅速下降，甚至内部短路，质子交换膜熔穿等事故。

因此，对于采用吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置、化石能源制氢装置、生物质制氢装置等气体发生装置提供氢气的燃料电池而言，研制燃料电池供气压力稳定控制方法和装置以及基于该方法和装置的燃料电池，对改善燃料电池的工作状态并显著延长其使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种燃料电池供气压力稳定控制方法，方法简单、响应迅速且本质安全。为此，本发明采用以下技术方案：它在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间提供与它们连通的储存气体的缓冲室，所述缓冲室的容积可以调节，当缓冲室内的气体压力出现变化时，缓冲室的容积立刻发生相应变化，减小或阻止缓冲室内的气体压力波动，为前端气体产量的调整争取到时间，消除气体发生装置响应延迟造成的时间上的调节死区。

本发明所提供的方法是依据理想气体定律实现快速压力调节的。

理想气体定律，也称理想气体状态方程，是描述理想气体状态变化规律的方程。对于一定量的摩尔数为n的理想气体，其状态参量压强P、体积V和绝对温度T之间的函数关系为PV= nRT，其中R是气体常数。在压强为几个大气压以下时，各种实际气体近似遵循理想气体状态方程，压强越低，符合越好，在压强趋于零的极限下，严格遵循。

以燃料电池电堆的阳极气体输入端气体压力突然降低为例进行简要说明：当负载突然增大等原因引起氢气消耗量增加，而同时由于气体发生装置的响应存在延迟，导致送入缓冲室内的气体无法立刻同步增加，则会使缓冲室内的气体量即气体摩尔数n减小，在温度T变化不大的情况下，将使压强与体积的乘积PV下降；此时，若体积V保持不变，则压强P下降；而若此时体积V能够减小，就可减小或阻止压强P的下降，达到稳定压力的目的，从而为增加气体产量争取了时间。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种应用上述方法的燃料电池供气压力稳定控制装置。为此，本发明采用以下技术方案：它包括设置在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间提供储存气体的缓冲室；缓冲室的主体采用活塞式结构，由活塞和外壳共同构成，在外壳的一端设有进气导管和出气导管；所述进气导管与所述气体发生装置输出端连接；所述出气导管与燃料电池电堆的阳极气体输入端连接。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可同时采用以下进一步的技术方案：

它设有感知气体压力的压力传感器和控制器，压力传感器将缓冲室内的气体压力信号实时传送给所述控制器。具体地说，在控制器内设定了一个合适的气体压力范围，当压力传感器检测到的压力值处于这一范围之内时，控制器不向伺服电机下达动作指令；当传感器检测到缓冲室内的压力值低于这一范围，控制器即向伺服电机下达指令，伺服电机启动并向缓冲室容积缩小的方向驱动活塞，缓解压力的下降；相反，当缓冲室内压力高于设定的温度范围时，控制器指令伺服电机向反向转动，向缓冲室容积增大的方向驱动活塞，减缓压力的增大。

所述活塞在外壳内的轴向运动由伺服电机驱动实现；伺服电机接收控制器的指令进行正转或反转带动活塞向缓冲室缩小或增大的方向运动。

在所述伺服电机和活塞之间设有齿轮减速机构和传动齿条，传动齿条与齿轮啮合，齿条与活塞连接，齿轮减速机构与伺服电机连接。减速器的作用有两方面，一是降低伺服电机的输出速度，避免活塞运动过猛，使缓冲室的容积调节过度导致压力波动更大，二是通过减速器降低速度来获得更大的驱动力，克服活塞与缓冲室壁的摩擦；传动齿条与齿轮配合将圆周运动变为往复运动，驱动活塞做轴向运动，实现缓冲室容积的变化。

本发明利用密封油实现所述活塞和外壳之间的密封与润滑。

本发明设有油加压器和输油导管；所述油加压器包括油囊和加压弹簧及加压板，使密封油获得压力；所述输油导管为可弯曲软管，用于将密封油输送至所述活塞内。

所述活塞内部设有密封油油腔和径向孔道，活塞接触表面设有环形油槽；油腔接收所述输油导管输送来的密封油，并通过所述径向孔道将油送至接触表面的环形油槽，使得密封油与外壳的内壁接触，同时起到润滑与油封的作用。

本发明所提供的气体压力稳定控制装置结构简单、响应迅速、本质安全、成本低廉、维护方便，是解决燃料电池气体压力波动问题的较好方案。

本发明再一个所要解决的技术问题是提供一种应用上述方法的燃料电池，能够减小供气压力波动，提高电池的供电性能，延长电池的使用寿命。为此，本发明采用以下技术方案：它设有储存气体的缓冲室，所述缓冲室接在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间，所述缓冲室的容积可变；所述气体发生装置是化石能源制氢装置或生物质制氢装置或吸附储氢装置或金属氢化物储氢装置；所述燃料电池设有感知气体压力的压力传感器、控制器、缓冲室体积变化的驱动电机，压力传感器将缓冲室内的气体压力信号实时传送给所述控制器；所述控制器控制驱动电机工作。

由于采用本发明的技术方案，本发明所提供的燃料电池利用简单结构实现了响应迅速、本质安全的供气稳压作用，减小供气压力波动，提高电池的供电性能，延长电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所提供的燃料电池各部分连接示意图；

图2为本发明所提供燃料电池供气压力稳定控制装置的结构透视图；

图3为燃料电池供气压力稳定控制装置剖视图；

图4为活塞的剖视图。

图中标号分别表示如下：1、供气压力稳定装置，2、缓冲室，3、活塞，4、外壳，5、进气导管，6、出气导管，7、压力传感器，8、压力传感器信号线，9、传动齿条，10、减速器，11、伺服电机，12、减速器输入齿轮，13、减速器输出齿轮，14、伺服电机输出齿轮，15、控制器，16、伺服电机安装座，17密封油加压器，18油囊，19、注油口，20、加压弹簧及加压板，21、输油导管，22、活塞内的油腔，23、活塞内的径向孔道，24、活塞接触面上的环形油槽，100、气体发生装置，101、气体发生装置输出端，102、燃料电池电堆，103、燃料电池电堆的阳极气体输入端。

具体实施方式

参照附图。本发明所提供的燃料电池供气压力稳定控制方法，它在燃料电池的气体发生装置输出端101与燃料电池电堆的阳极气体输入端103之间提供与它们连通的储存气体的缓冲室2，所述缓冲室2的容积可以调节，当缓冲室内的气体压力出现变化时，缓冲室的容积立刻发生相应变化，减小或阻止缓冲室2内的气体压力波动。

本发明所提供的应用上述方法的燃料电池，设有储存气体的缓冲室2，所述缓冲室接在燃料电池的气体发生装置100输出端101与燃料电池电堆的阳极气体输入端103之间，所述缓冲室2的容积可变；所述燃料电池设有感知气体压力的压力传感器7、控制器15、缓冲室体积变化的伺服驱动电机11，压力传感器7将缓冲室2内的气体压力信号实时传送给所述控制器15；所述控制器15控制伺服驱动电机11工作。

本发明所提供的燃料电池供气压力稳定装置位于气体发生装置100和燃料电池电堆102之间，分别与气体发生装置的输出端101和燃料电池电堆的阳极气体输入端103相连接，如图1所示。

1、主体设计

如图所示，装置主体采用圆筒形活塞结构，主要部件为活塞3和外壳4，所述活塞与所述外壳共同构成所述缓冲室2，通过所述活塞的轴向运动实现缓冲室容积的变化。所述外壳右端边缘设有进气导管5和出气导管6，所述外壳右端内侧中间部位装有感知压力的传感器7，所述压力传感器的信号由信号传输线8送至控制器15。

所述活塞和外壳的材料优选碳纤维树脂复合材料，其次可选金属（铝或钢）储氢材料。碳纤维树脂复合材料是目前性能最好的高压储氢材料，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐冲击、抗暴、可监控、易于成型加工、成本低，容器结构设计灵活等优点，其性能完全满足本装置的需要。

从原理上讲，所述活塞和外壳构成的主体尺寸越大，缓冲室2的容积可变化幅度越大，则抑制压力波动的能力越强。但是实际使用中通常有一定的空间限制。因此在不超出使用场合空间限制的前提下，主体尽量设计的大一些。

2、活塞的驱动

为了实现所述缓冲室2的容积变化，所述活塞3需要在外壳4内做轴向运动。本装置中利用伺服电机和齿轮传动机构实现所述活塞的轴向运动。

具体的，活塞驱动机构包括传动齿条9、齿轮减速器10、伺服电机11和伺服电机安装座16。所述传动齿条与所述活塞3的左侧面中心部位垂直刚性连接，所述伺服电机安装在外壳上的安装座16上，如图所示；所述伺服电机通过固定在其转轴上的输出齿轮14将转动力矩传递给与其啮合的所述减速器的输入齿轮12，在经过所述减速器减速后由输出齿轮13将力矩作用于所述传动齿条9，通过减速器输出齿轮与所述传动齿条的配合，将圆周运动变为往复运动，进而驱动所述活塞在所述外壳内做轴向运动，实现所述缓冲室容积的变化。

这里加装减速机构的作用有两方面：一是降低伺服电机的输出速度，避免活塞运动过猛，使缓冲室的容积调节过度导致压力波动更大；二是通过减速器降低速度来获得更大的驱动力，以便克服活塞运动中与外壳内壁的摩擦。

伺服电机和减速器的选取要根据具体情况确定。如果所述外壳和活塞较大，即缓冲室的最大容积较大，或允许压力范围比较宽，则可以降低对伺服电机和减速器的精度要求；而如果受到空间限制使得主体不能做得太大，或是允许压力范围较小，则需选用精度较高的伺服电机、齿轮减速器以及与减速器相配合的传动齿条。

这里利用伺服电机与齿轮传动机构相配合实现活塞驱动的方案，是优选实施方案。其他方法如利用液压机构等也可以实现活塞的轴向运动，这里不再详述。

3、密封与润滑

本装置通过改变缓冲室2的容积实现减小压力波动的功能，采用这种结构就有两个关键问题需要解决，即密封与润滑。本装置中采用密封油解决上述问题。

具体的，润滑与密封环节包括密封油加压器17，输油导管21，活塞内的油腔22，活塞内的径向密封油孔道23，活塞接触面上的环形油槽24；所述密封油加压器包括油囊18和加压弹簧与加压板20。工作时所述加压弹簧处于压缩状态，通过所述加压板将压力施加到所述油囊上，使油囊内的密封油获得压力，密封油经由可弯曲的软质输油导管21进入活塞内部的油腔22，所述油囊中的压力通过油的传导作用进入活塞内的油腔，油腔内的油在压力作用下经由所述径向孔道23进入活塞接触面上的环形油槽24，进而与外壳的内壁接触，同时起到润滑与油封的作用。

由于本装置中活塞与外壳紧密接触，密封与润滑所需油量很少，所以所述密封油径向孔道23和所述环形油槽24都非常细微，这样油囊18中的密封油消耗的也就很慢，但需要定期检查油囊中的油量，如果油量已经很少，需及时通过注油口19加注密封油，保证装置处于良好的密封和润滑状态。

4、装置工作过程描述

启动时所述装置的活塞3处于外壳4的中间部位，气体压力稳定时，活塞不动作。当负载等因素影响使得气体压力明显变化时，例如压力传感器7检测并发送至控制器15的压力值低于控制器中设定的下限压力值，控制器立即向所述伺服电机发出正转指令（此处以伺服电机正转，活塞向右运动为例，具体情况与选取的齿轮减速器有关），经过减速器减速后，运动速度下降，力矩增大，推动活塞在外壳内沿轴向逐渐向右运动，使缓冲室2的容积逐渐减小，抑制或缓解气体压力的下降。由于在检测到气体压力下降时，气体发生装置也同时做出响应，增大原料输入量（如甲醇等液体化石能源），经过延时后气体产量将会增加。所以在活塞逐渐运动至接近外壳右端时，气体产量将开始缓慢增加，此时压力传感器发送给控制器的压力信号开始出现上升的趋势。这时控制器将指令伺服电机反转，通过减速传动机构拖动活塞缓慢向左运动，抑制气体压力的增大。最后在活塞回到外壳的中间部位附近时，气体产量将趋于稳定，伺服电机停转，活塞在外壳的中间位置附近停下。气体压力增大时的情况刚好与上述过程相反，在此不再赘述。

上述具体实施方式中，气体发生装置100可以是化石能源制氢装置或生物质制氢装置，也可以是吸附储氢装置或金属氢化物储氢装置。其中吸附储氢装置包括基于碳纳米材料、共电子纺丝纳米结构超细纤维材料或纳米复合材料等新型材料的各类吸附储氢装置，其释放氢气过程往往涉及解吸等物理过程；而金属氢化物储氢装置的释放氢气过程则涉及化学反应过程；因此，两者均无法实时调节供气速度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例而已，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.燃料电池供气压力稳定控制方法，其特征在于它在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间提供与它们连通的储存气体的缓冲室，所述缓冲室的容积可以调节，当缓冲室内的气体压力出现变化时，缓冲室的容积立刻发生相应变化，减小或阻止缓冲室内的气体压力波动。

2.应用权利要求1所述方法的燃料电池，包括气体发生装置、燃料电池电堆，其特征在于所述燃料电池设有储存气体的缓冲室，所述缓冲室接在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间，所述缓冲室的容积可变；所述气体发生装置是化石能源制氢装置或生物质制氢装置或吸附储氢装置或金属氢化物储氢装置；所述燃料电池设有感知气体压力的压力传感器、控制器、调节缓冲室容积的伺服电机，所述压力传感器将缓冲室内的气体压力信号实时传送给所述控制器；所述控制器控制所述伺服电机工作。

3.实现权利要求1所述方法的燃料电池供气压力稳定控制装置，其特征在于它包括设置在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间储存气体的缓冲室；缓冲室的主体采用活塞式结构，由活塞和外壳共同构成，外壳设有进气导管和出气导管；所述进气导管与所述气体发生装置输出端连接；所述出气导管与燃料电池电堆的阳极气体输入端连接。

4.如权利要求3所述的燃料电池供气压力稳定控制装置，其特征在于它设有感知气体压力的压力传感器和控制器，所述压力传感器将所述缓冲室内的气体压力信号实时传送给所述控制器。

5.如权利要求4所述的燃料电池供气压力稳定控制装置，其特征在于所述活塞在所述外壳内的轴向运动由伺服电机驱动实现；所述伺服电机接收所述控制器的指令进行正转或反转，带动所述活塞进行往复运动，以调节所述缓冲室的容积。

6.如权利要求5所述的燃料电池供气压力稳定控制装置，其特征在于在所述伺服电机和所述活塞之间设有减速器和传动齿条；所述伺服电机与所述减速器连接；所述减速器的减速器输出齿轮与所述传动齿条啮合；所述传动齿条与所述活塞连接。

7.如权利要求3所述的燃料电池供气压力稳定装置，其特征在于它利用密封油实现所述活塞和所述外壳之间的密封与润滑。

8.如权利要求7所述的燃料电池供气压力稳定装置，其特征在于它设有密封油加压器和输油导管；所述密封油加压器包括油囊和加压弹簧及加压板，使密封油获得压力；所述输油导管为可弯曲软管，用于将密封油输送至所述活塞内。

9.如权利要求8所述的燃料电池供气压力稳定装置，其特征在于在所述活塞内设有装密封油的油腔和径向孔道，所述活塞与所述外壳的接触面设有环形油槽；所述油腔接收所述输油导管输送来的密封油，并通过所述径向孔道将密封油送至所述环形油槽，使得密封油与所述外壳的内壁接触，实现密封与润滑。

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