一种燃料电池系统的制作方法

本实用新型属于燃料电池技术领域，特别涉及一种高效率、长寿命的燃料电池系统。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一种将燃料（氢气）和氧化剂(通常为氧或含氧的空气)的化学能通过电化学反应直接转换成电能的电池装置。它具有燃料多样化、排气干净、噪音低、对环境污染小、维修性好等优点。

1839年，William Grove发表了全世界第一篇有关燃料电池研究的报告，燃料电池发展已有160多年的历史。然而，直到20世纪60年代初，美国通用电气公司(GE)才率先研制出以离子交换膜为电解质隔膜和采用铂作电催化剂的质子交换膜燃料电池，并于1960年10月首次将该种燃料电池用于双子星座(Gemini)飞船飞行。近几年，燃料电池又成为新能源汽车行业的研究热点。

对于燃料电池系统，其寿命必须达到与传统发动机相当的水平，才有可能实现真正的产业化。目前，PEMFC系统的寿命与预期有一定的差距。当燃料与氧化剂之间的压力差不稳定，容易导致质子交换膜发生疲劳破损和破裂，影响燃料电池系统的耐久性。因此，为了提高燃料电池系统的耐久性，燃料电池系统需要给燃料电池提供具有相对稳定的压力差的燃料和氧化剂。

另外，燃料电池堆的单电池的理论电动势为1.23V，而实际运行过程中单电池的额定电压在0.6-0.7V之间，其余的能量转化成了热量。

技术实现要素：

本实用新型提供一种具有较长使用寿命的燃料电池系统。

一种燃料电池系统，包括：氢气回路、空气回路与质子交换膜燃料电池电堆；

所述的氢气回路中，氢气瓶通过第一单向阀连接至质子交换膜燃料电池电堆的氢气进口，质子交换膜燃料电池电堆的氢气出口分别连接至吸气器的第一气体进口和调压阀的第一辅助气体进口；

吸气器为管状，两端分别为第一气体进口和第一气体出口，中间设压力调控口，并且吸气器的管径为两端大、中间小；

调压阀包括缓冲腔室和氢气腔室，缓冲腔室中间被第一弹性隔膜分隔为上腔室和下腔室，上腔室上设置有第一辅助气体进口，下腔室上设置有气体压力感应口，上腔室的内部设有弹簧，弹簧的一端连接在第一弹性隔膜上，另一端连接在上腔室的壁面上；下腔室上分别设有第二辅助气体进口和排气口，下腔室中还设置有隔板，隔板用于分隔第二辅助气体进口和排气口的连通气道，第一弹性隔膜上设有连接杆，连接杆的一端设有密封塞，密封塞用于塞住隔板上的开孔；第二辅助气体进口和第一气体出口连接；

排气口通过第二单向阀连接至质子交换膜燃料电池电堆的氢气进口；气体压力感应口连接至质子交换膜燃料电池电堆的空气进口；

空压机连接至质子交换膜燃料电池电堆的空气进口，质子交换膜燃料电池电堆的空气出口连接有背压阀，背压阀设置有第二气体进口和第二气体出口，背压阀中部设置有辅助气体进出口，背压阀内部设置有第二弹性隔膜，第二弹性隔膜将辅助气体进出口与第二气体进口和第二气体出口之间的流道隔开；第二气体进口和质子交换膜燃料电池电堆的空气出口连接；辅助气体进出口和压力调控口连接。

在一个实施方式中，氢气瓶和第一单向阀之间还设置有减压阀和/或电磁阀。

在一个实施方式中，质子交换膜燃料电池电堆的氢气出口是通过气液分离器的气体分流口分别连接至吸气器的第一气体进口和调压阀的第一辅助气体进口。

在一个实施方式中，空压机是通过空气过滤器和/或加湿器连接至质子交换膜燃料电池电堆的空气进口。

在一个实施方式中，质子交换膜燃料电池电堆还连接有冷却液回路，用于对电堆进行冷却。

在一个实施方式中，所述的冷却液回路当中包括有，第一手动球阀，第一手动球阀通过冷却液管道连接在质子交换膜燃料电池电堆，第一手动球阀再依次通过冷却液箱、泵、热电装置、电磁阀连接在质子交换膜燃料电池电堆形成闭合回路，热电装置用于将冷却液管道当中的热量转化为电能。

在一个实施方式中，冷却液箱上还设置有第二手动球阀，用于向冷却液箱中加入冷却液。

在一个实施方式中，热电装置当中包括有：

冷却液通道，冷却液通道的两端分别设有冷却液进口和冷却液出口，用于连接至冷却液回路；

还包括上基板和下基板，上基板贴紧于冷却液通道，并且上基板和下基板之间设置有热电堆，热电堆是由多个P型半导体元件和多个N型半导体元件间隔串联排列而成，并且相邻的P型半导体元件和N型半导体元件之间是通过导电块相连接；并且相邻的两个导电块当中一个与上基板相贴合，另一个与下基板相贴合；P型半导体元件和N型半导体元件之间构成的串联结构一端与正极相连，另一端负极相连。

有益效果

本实用新型的燃料电池系统，由于利用流出燃料电池堆的氢气对流进燃料电池堆的空气进行压力调节，当氢气压力发生变化时，空气的压力则随之变化，因此电堆内部的氢气与空气之间的压力差较为稳定，提高了燃料电池系统的寿命；采用背压阀、吸气器及调压阀相结合的方法对空气的压力进行调节，无需燃料电池系统的控制系统作出任何指令，减小了对控制系统的要求；使用热电装置，热的冷却液流经上导电块，下导电块在外界强制对流作用下进行降温，则上导电块与下导电块之间产生温度差，则可以将冷却液从燃料电池堆中带出的热量部分地转化为电能，提高系统的发电效率。

附图说明

图1 燃料电池系统的管路图

图2 热电装置的结构示意图调压阀的结构示意图

图3 背压阀的结构示意图吸气器的结构示意图

图4 吸气器的结构示意图背压阀的结构示意图

图5 调压阀的结构示意图热电装置的结构示意图

1、氢气瓶；2、减压阀；3、电磁阀；4、第一单向阀；5、第二单向阀；6、气液分离器；7、吸气器；8、调压阀；9、空压机；10、空气过滤器；11、加湿器；12、质子交换膜燃料电池电堆；13、背压阀；14、电磁阀、15、第一手动球阀；16、第二手动球阀；17、冷却液箱；18、泵；19、热电装置；20、第一辅助气体进口；21、第二辅助气体进口；22、气体压力感应口； 23、排气口；24、弹簧； 25、第一弹性隔膜；26、连接杆；27、密封塞；28、开孔；29、隔板；30、氢气腔室；31、缓冲腔室；32、上腔室；33、下腔室；34、第一气体进口；35、第一气体出口；36、压力调控口；37、第二气体进口；38、第二气体出口；39、辅助气体进出口；40、压力调控腔室；41、冷却液进口；42、冷却液出口；43、冷却液通道；44、上基板；45、下基板；46、正极；47、负极；48、热电堆；49、上导电块；50、下导电块；51、P型半导体元件；52、N型半导体元件；53、第二弹性隔膜。

具体实施方式

本实用新型为了解决燃料与氧化剂之间的压力差不稳定，容易导致质子交换膜发生疲劳破损和破裂等技术问题，采用了如下的结构，如图1所示，燃料电池系统，包括：氢气回路、空气回路与质子交换膜燃料电池电堆12；

所述的氢气回路中，氢气瓶1通过第一单向阀4连接至质子交换膜燃料电池电堆12的氢气进口；氢气瓶1通过减压阀2和/或电磁阀3连接至第一单向阀4；

调压阀8的结构如图2所示，吸气器7的结构如图3所示。

质子交换膜燃料电池电堆12的氢气出口通过气液分离器6的气体分流口分别连接至吸气器7的第一气体进口34和调压阀8的第一辅助气体进口20；

吸气器7为管状，两端分别为第一气体进口34和第一气体出口35，中间设压力调控口36，并且吸气器7的管径为两端大、中间小；

调压阀8包括缓冲腔室31和氢气腔室30，缓冲腔室31中间被第一弹性隔膜25分隔为上腔室32和下腔室33，上腔室32上设置有第一辅助气体进口20，下腔室33上设置有气体压力感应口22，上腔室32的内部设有弹簧24，弹簧24的一端连接在第一弹性隔膜25上，另一端连接在上腔室32的壁面上；下腔室33上分别设有第二辅助气体进口21和排气口23，下腔室33中还设置有隔板29，隔板29用于分隔第二辅助气体进口21和排气口23的连通气道，第一弹性隔膜25上设有连接杆26，连接杆26的一端设有密封塞27，密封塞27用于塞住隔板29上的开孔28；

排气口23通过第二单向阀5连接至质子交换膜燃料电池电堆12的氢气进口；气体压力感应口22连接至质子交换膜燃料电池电堆12的空气进口；

空压机9通过空气过滤器10和加湿器11连接至质子交换膜燃料电池电堆12的空气进口，质子交换膜燃料电池电堆12的空气出口连接有背压阀13，背压阀13设置有第二气体进口37和第二气体出口38，背压阀13中部设置有辅助气体进出口39，背压阀13内部设置有第二弹性隔膜53，第二弹性隔膜53将辅助气体进出口39与第二气体进口37和第二气体出口38之间的流道隔开；第二气体进口37和质子交换膜燃料电池电堆12的空气出口连接；辅助气体进出口39和压力调控口36连接。

以下结合一个操作过程，对上述的电池的工作步骤进行说明。

首先需要开启氢气瓶1以及空压机9，质子交换膜燃料电池电堆12在氢气和空气的供入下进行工作，氢气流出燃料电池堆的压力为P1，空气流进燃料电池堆的压力为P2，当P2＞ P1时，由于调压阀8的第一辅助气体进口20连接与氢气出口，调压阀8的气体压力感应口22连接与空气出口，因此，调压阀8的第一辅助气体进口20的氢气压力小于调压阀的气体感应口22的空气压力，由于压力的作用使得第一弹性隔膜25向上抬起，同时又由于调压阀8的第二辅助气体进口21和吸气器7的第一气体出口35连接，因此，流经调压阀8的第二辅助气体进口21的氢气快速通过调压阀8后经过排气口23流出，则前端的辅助气体氢气快速通过吸气器7（即从吸气器7的第一气体进口34快速流向第一气体出口35），由于吸气器7的结构是两端半径大中间半径小，流体流过吸气器7，由半径较大的第一气体进口34快速流向半径较小的压力调控口36时，气体流速增大，则根据伯努利方程得知压力下降，由此产生的压力降会对背压阀的压力调控腔室40产生吸力，因此时在吸气器7的压力调控口36产生吸力，吸气器7的压力调控口36又是和背压阀9的辅助气体进出口39连接，并且辅助气体进出口39和第二弹性隔膜53之间是压力调控腔室40，第二弹性隔膜53抬起，使得第二气体进口37和第二气体出口38之间的通道被打开，空气由背压阀13的气体进口流向背压阀的气体出口后排空，则P2逐渐减小，直至P2=P1；

当P2＜P1时，即调压阀8的第一辅助气体进口20的氢气压力大于调压阀8的气体感应口22的空气压力时，由于弹簧24把第一弹性隔膜25向下压紧，使得连接杆26把密封塞27堵住了隔板29上的开孔，流经调压阀8的第二辅助气体进口21的氢气不能通过调压阀8的排气口23流出，即流经调压阀8的第二辅助气体进口21的氢气的流动收到限制，则前端的辅助气体氢气由吸气器7的第一气体进口34流向吸气器7的气体出口35也受到限制，流经吸气器7的第一气体进口34的氢气则直接进入背压阀13的压力调控腔室40内，背压阀13的第二弹性隔膜53下压，气体由背压阀13的第二气体进口37流向背压阀13的第二气体出口38受到限制，则P2逐渐增大，直至P2=P1；

当P2=P1时，背压阀13的隔膜维持在一定的位置，空气持续地流经背压阀13后排空，从气液分离器6流出的氢气经过吸气器7及调压阀8后持续地流向第二单向阀5后回流至燃料电池堆。

通过以上的一个压力自调节过程，使得整个系统稳定的运行。

燃料电池堆的单电池的理论电动势为1.23V，而实际运行过程中单电池的额定电压在0.6-0.7V之间，其余的能量转化成了热量。因此，将这部分热量转化为电能是提高燃料电池系统的发电效率的最有效的方法之一。

在一个实施方式中，质子交换膜燃料电池电堆还连接有冷却液回路，用于对电堆进行冷却。如图1和图4所示，所述的冷却液回路当中包括有，第一手动球阀15，第一手动球阀15通过冷却液管道连接在质子交换膜燃料电池电堆12，第一手动球阀15再依次通过冷却液箱17、泵18、热电装置19、电磁阀14连接在质子交换膜燃料电池电堆12形成闭合回路，热电装置19用于将冷却液管道当中的热量转化为电能。在燃料电池电堆进行工作时，电堆当中所产生的热量被冷却液带出，通过泵18的工作将冷却液循环排出，其中的热量通过热电装置转化为电能，冷却液箱17上还设置有第二手动球阀16，用于向冷却液箱17中加入冷却液。

热电装置19当中包括有：冷却液通道43，冷却液通道43的两端分别设有冷却液进口41和冷却液出口42，用于连接至冷却液回路；还包括上基板44和下基板45，上基板44贴紧于冷却液通道43，并且上基板44和下基板45之间设置有热电堆48，热电堆48是由m个P型半导体元件51和m个N型半导体元件52间隔串联排列而成，m≥10，并且相邻的P型半导体元件51和N型半导体元件52之间是通过导电块相连接；并且相邻的两个导电块当中一个与上基板44相贴合，另一个与下基板45相贴合；P型半导体元件和N型半导体元件之间构成的串联结构一端与正极46相连，另一端负极47相连。

冷却液通道43内表面与上导电块49紧密接触，上导电块49之间的空隙行成网状的通道，当热的冷却液通过冷却液进口41流进热电装置19后，热的冷却液通过通道进行分配并将热量传递给上导电块49，则上导电块49温度上升，并且与下导50电块之间产生温差，根据热电原理，连接上导电块49与下导电块50的P型半导体元件、N型半导体元件之间会存在电势差，由于m个P型半导体元件与m个N型半导体元件是通过上导电块49、下导电块50进行串联，因此产生较大的电压，可以为外部负载或电器供电，实现热量的回收利用。由于热的冷却液的部分热量转化为电能输出，冷却液的温度变低，冷的冷却液经过冷却液出口42流出热电装置19，实现冷却液的冷却。同时，温度上升的下导电块50在外部强制对流的空气作用下与外部空气进行快速热交换，下导电块50可保持较低的温度。

本实施例中，组装了一台30KW的燃料电池系统，该系统包括氢气回路、空气回路、冷却液回路与燃料电池堆，氢气回路由氢气瓶1、减压阀2、电磁阀3、第一单向阀4、第二单向阀5、气液分离器6、吸气器7、调压阀8组成，空气回路由空压机9、空气过滤器10、加湿器11、背压阀13组成，冷却液回路由电磁阀14、第一手动球阀15、第二手动球阀16、冷却液箱17、泵18与热电装置19组成，热电装置由带有冷却液进口、冷却液出口的冷却液通道盖板与热电堆组成。该燃料电池系统在运行5850小时后，与初始时相比，其额定输出电压及功率的衰减小于8.7%，其发电效率高达61.3%。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。