一种不停机燃料电池发电系统的制作方法

1.本发明涉及电池发电技术领域，具体为一种不停机燃料电池发电系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种化学电池，它是通过氧化还原反应将燃料(通常是氢气)和氧化剂(通常是氧气)的化学能转化为电能，与大多数电池所不同的是，燃料电池需要连续的燃料和氧气源(通常来自空气)来维持化学反应，而在电池中，化学能通常来自已经存在于电池中的金属及其离子或氧化物。理论上来说，只要有燃料电池盒氧气供应，燃料电池就能连续发电。
3.氢燃料电池的反应物仅为水，主要在阴极产生，然而由于阴阳两极浓度梯度的影响，阴极产生的水会透过质子交换膜渗透至阳极，若不能及时进行水气分离，则会影响到阳极零部件和系统的正常工作，进而影响电堆寿命。
4.目前采用的脉冲式排放应用较多，此方法虽然操作简单，但由于燃料电池的发电情况是根据外部需求进行变动的，存在高低功率的变动，从而使得排水出现堵塞或排水时将部分氢气排出。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术存在反应物难以根据燃料电池工况有效及时的排出，且不会在排出反应物时排出氢气的技术问题，提供了一种不停机燃料电池发电系统，该燃料电池具备根据工况高效稳定排出反应物的优点。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种不停机燃料电池发电系统，包括：
8.排水管路，位于电解质膜内，且进水端分别位于所述电解质膜的下部两侧，出水端位于所述电解质膜的下方位置；
9.水气分离组件，位于所述电解质膜下方，所述排水管路的出水端与所述水气分离组件连通，用于水气分离和排出；
10.排气管路，进气端位于所述水气分离组件连通，用于排出所述水气分离组件中的气体，出气端通过阀体组件与燃料电池的氢气供气管路连通。
11.优选地，所述电解质膜为倒t形结构，阴阳电极位于两侧，且底端放置于两侧的凸台上，所述排水管路的进水端分别位于两个所述凸台的侧面；
12.所述排水管路为倒u形结构。
13.优选地，所述排水管路设有多个，且对称设置在所述电解质膜上，相邻的所述排水管路上的进水端位于所述电解质膜的两侧。
14.优选地，所述水气分离组件包括：
15.箱体，所述排水管路的出水端伸至所述箱体内侧液面下方，所述排气管路的进气端位于所述箱体内侧顶部；
16.排液控制阀，位于所述箱体底面的排水端口处，用于开启或关闭所述排水端口；
17.传感器，位于所述箱体的内壁上，且位于所述排水管路的出水端上方，用于检测所述箱体内的液面是否高于所述排水管路的出水端，且信号输出端与所述排液控制阀信号连接。
18.优选地，所述阀体组件包括：
19.第一阀体，位于所述氢气供气管路上，用于调整所述第一阀体的开合度；
20.第二阀体，位于所述排气管路上，用于开启或关闭所述排气管路；
21.第三阀体，用于连通所述第一阀体和所述第二阀体。
22.优选地，所述第三阀体包括：
23.第一流通腔道，用于气体通过；
24.第一调节腔道，位于所述第一流通腔道中部，且内径大于所述第一流通腔道的内径；
25.阀球，位于所述第一调节腔道内，且与所述第一调节腔道内壁间隙配合，与所述第一调节腔道的两端位置密封配合。
26.优选地，所述第三阀体还包括：
27.弹簧，顶端与所述阀球固定连接，底端与所述第一流通腔道上的台阶面固定；
28.常态时，所述弹簧处于拉伸状态，所述阀球与所述第一调节腔道底端密封配合。
29.优选地，所述第三阀体还包括：
30.支气管，其出气端延伸至所述第一阀体内的第二调节腔道内；
31.所述第二调节腔道位于所述第一阀体内的第二流通腔道上，所述第二调节腔道的内径大于所述第二流通腔道的内径。
32.优选地，所述支气管伸入所述第二调节腔道的部分为倒l形，且上部的水平部分以及出气端均沿所述第二流通腔道内部气体流动方向布置。
33.优选地，所述第二阀体的信号输入端与所述传感器的信号输出端信号连接。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.本发明中，排水管路的进水端分别位于电解质膜的下部两侧，即位于电解质膜的两侧，分别对应阴极和阳极位置，根据长生水量的比例，适当分配电解质膜两侧进水端的数量。由于阴极水量产生较多，且持续产生水，该处的进水端基本浸没于水中，而阳极侧的水量产生较少，在排水过程中，部分氢气会随排水管路进入水气分离组件中，经过分离后由水直接排出，而氢气通过排气管路再送回至氢气供气管路中，由于氢气供气管路中氢气浓度较高，为使分离出的氢气能稳定进入氢气供气管路中，则通过阀体组件调控水的排出。通过上述结构，反应物可以根据燃料电池工况有效及时的排出，且不会在排出反应物时排出氢气，从而有效节约电池燃料。此外，由于阳极处设立了排水结构，使得阳极不会再出现“水淹”现象，进一步保证了燃料电池的稳定运行。
36.由于氢气供气管路中的氢气浓度较高，流向阳极是一个稀释过程，因此在第二阀体开启时，第一阀体在氢气供气管路内部氢气流动过程中虹吸作用下，进入氢气供气管路中，氢气供气管路内部氢气流动速度越大，则通过第一阀体排出氢气的速度越快，由此使箱体内部长生一个负压，迫使阴阳极处的水快速通过排水管路，从而实现高低功率的调整与排水效率的调整向对应。
附图说明
37.图1为现有燃气电池的工作原理图；
38.图2为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统的轴侧视图；
39.图3为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统的整体结构示意图；
40.图4为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统的正视图；
41.图5为图4中a-a处的剖视图；
42.图6为图5中b-b处的剖视图；
43.图7为图4中c-c处的剖视图；
44.图8为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统中的阀体组件的内部结构示意图。
45.图中：
46.1、排水管路；
47.2、水气分离组件；21、箱体；22、排液控制阀；23、传感器；
48.3、排气管路；
49.4、阀体组件；41、第一阀体；411、第二调节腔道；412、第二流通腔道；42、第二阀体；43、第三阀体；431、第一流通腔道；432、第一调节腔道；433、阀球；434、弹簧；435、支气管；
50.5、氢气供气管路。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施条例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.图1为现有燃气电池的工作原理图；图2为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统的轴侧视图；图3为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统的整体结构示意图；图4为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统的正视图；图5为图4中a-a处的剖视图；图6为图5中b-b处的剖视图；图7为图4中c-c处的剖视图；图8为本发明一个实施方式中一种不停机燃料电池发电系统中的阀体组件的内部结构示意图。
53.结合附图，在本实施方式中，一种不停机燃料电池发电系统，包括：排水管路1、水气分离组件2、排气管路3、阀体组件4和氢气供气管路5。其中，排水管路1位于电解质膜内，且进水端分别位于电解质膜的下部两侧，出水端位于电解质膜的下方位置；水气分离组件2位于电解质膜下方，排水管路1的出水端与水气分离组件2连通，用于水气分离和排出；排气管路3进气端位于水气分离组件2连通，用于排出水气分离组件2中的气体，出气端通过阀体组件4与燃料电池的氢气供气管路5连通。
54.由于氧化反应主要发生在阴极，产物主要为水，而部分水会透过电解质膜进入阳极，常规的燃料电池在阳极处没有排水结构，势必会造成“水淹”，严重的会导致两电极板短路。因此，在本方案中，排水管路1的进水端分别位于电解质膜的下部两侧，即位于电解质膜的两侧，分别对应阴极和阳极位置，根据长生水量的比例，适当分配电解质膜两侧进水端的数量。由于阴极水量产生较多，且持续产生水，该处的进水端基本浸没于水中，而阳极侧的
水量产生较少，在排水过程中，部分氢气会随排水管路1进入水气分离组件2中，经过分离后由水直接排出，而氢气通过排气管路3再送回至氢气供气管路5中，由于氢气供气管路5中氢气浓度较高，为使分离出的氢气能稳定进入氢气供气管路5中，则通过阀体组件4调控水的排出。通过上述结构，反应物可以根据燃料电池工况有效及时的排出，且不会在排出反应物时排出氢气，从而有效节约电池燃料。此外，由于阳极处设立了排水结构，使得阳极不会再出现“水淹”现象，进一步保证了燃料电池的稳定运行。
55.在本实施方式中，为了进一步避免阴阳出现“水淹”现象，故将电解质膜设置成倒t形结构，阴阳电极放置在电解质膜的两侧，并将阴阳电极的底部放置在电解质膜两侧的凸台上，起到垫高的作用，排水管路1的进水端分别位于两个凸台的侧面。在这种结构下，水只有没过电解质膜两侧的凸台才会出现“水淹”，但是由于进水端的存在，水会从排水管路1中被排出，从而避免了上述问题。在本实施方式中，排水管路1采用倒u形结构，排出阴极侧的水时，由于该侧浓度相对较低，氧气不宜通过排水管路1进入水气分离组件2中。
56.在本实施方式中，排水管路1设有多个，且对称设置在电解质膜上，相邻的排水管路1上的进水端位于电解质膜的两侧。通过在两侧设置一定量的进水端口，有利于水的快速排出。
57.为了便于本领域技术人员理解水气分离组件2如何工作的，故对水气分离组件2的结构作出进一步说明。在本实施方式中，水气分离组件2可以包括：箱体21、排液控制阀22和传感器23。其中，排水管路1的出水端伸至箱体21内侧液面下方，排气管路3的进气端位于箱体21内侧顶部；排液控制阀22位于箱体21底面的排水端口处，用于开启或关闭排水端口；传感器23位于箱体21的内壁上，且位于排水管路1的出水端上方，用于检测箱体21内的液面是否高于排水管路1的出水端，且信号输出端与排液控制阀22信号连接。
58.通过上述结构，排水管路1的出水端伸至箱体21内侧液面下方，可以避免进入水气分离组件2中的氢气通过其它排水管路1进入阴极处，从而绕开阴阳电极。排液控制阀22用于排水控制，在本实施方式中，可以采用自动控制，即当传感器23检测的液面高于传感器23所在位置(即高于排水管路1的出水端)时，排液控制阀22可以开启，而当传感器23检测的液面底于传感器23所在位置，则排液控制阀22关闭，从而保证箱体21内部的水位始终处于一个高度位置，达到一个水封的效果，以避免氢气通过其它的排水管路1进入阳极，同时迫使进入水气分离组件2中的氢气从排气管路3中排出至氢气供气管路5中，实现回收再利用。
59.为实现阀体组件4的稳定控制，保证排气管路3能稳定的将氢气送入氢气供气管路5，故对阀体组件4的结构作出进一步说明。在本实施方式中，阀体组件4可以包括：第一阀体41、第二阀体42和第三阀体43。其中，第一阀体41位于氢气供气管路5上，用于调整第一阀体41的开合度；第二阀体42位于排气管路3上，用于开启或关闭排气管路3；第三阀体43用于连通第一阀体41和第二阀体42。具体的，第一阀体41用于调整第一阀体41的开合度，通过开合度变化即可调整阳极氢气的浓度，从而达到高低功率的调整。第二阀体42的信号输入端与传感器23的信号输出端信号连接，当传感器23检测的液面底于传感器23所在位置，则第二阀体42关闭；当传感器23检测的液面高于传感器23所在位置，则第二阀体42开启。由于氢气供气管路5中的氢气浓度较高，流向阳极是一个稀释过程(压力降低的过程)，因此在第二阀体42开启时，第一阀体41在氢气供气管路5内部氢气流动过程中虹吸作用下，进入氢气供气管路5中，氢气供气管路5内部氢气流动速度越大(即开合度越大)，则通过第一阀体41排出
氢气的速度越快，由此使箱体21内部长生一个负压，迫使阴阳极处的水快速通过排水管路1，从而实现高低功率的调整与排水效率的调整向对应。
60.为进一步说明第三阀体43如何实现上述调整作用的，故对第三阀体43的结构作出进一步说明。在本实施方式中，第三阀体43可以包括：第一流通腔道431、第一调节腔道432和阀球433。其中，第一流通腔道431用于气体通过；第一调节腔道432位于第一流通腔道431中部，且内径大于第一流通腔道431的内径；阀球433位于第一调节腔道432内，且与第一调节腔道432内壁间隙配合，与第一调节腔道432的两端位置密封配合。具体的，阀球433在常态是依靠自身重力与第一调节腔道432底端密封配合，而当第二阀体42开启，第一阀体41内部氢气流动过程中虹吸作用会将阀球433吸起，从而使得第三阀体43打开，此时排气管路3中的氢气可排出至氢气供气管路5中，从而完成氢气的回收再利用。
61.为进一步保证第三阀体43在常态时保持闭合状态，在本实施方式中，第三阀体43还可以包括：弹簧434。其中，弹簧434顶端与阀球433固定连接，底端与第一流通腔道431固定。为使弹簧434的底端与第一流通腔道431更好的配合，以便弹簧434更好的受力，在本实施方式中，第一流通腔道431上可以设置台阶面，弹簧434的底端与台阶面固定连接。常态时，弹簧434处于拉伸状态，阀球433与第一调节腔道432底端密封配合。
62.为进一步保证第一阀体41内部氢气流动过程中虹吸作用会将阀球433吸起，在本实施方式中，第三阀体43还可以包括：支气管435。其中，支气管435出气端延伸至第一阀体41内的第二调节腔道411内。具体的，第一阀体41内部的第二流通腔道412上设有一个第二调节腔道411，且第二调节腔道411的内径大于第二流通腔道412的内径，以保证支气管435能布置于第二调节腔道411中，且不会导致腔道内的有效流通截面变化，即不影响氢气的流速，而高速气流流经支气管435的出气端口处时，会在此处形成一个负压区域，进而使得排气管路3中的氢气被吸出。
63.为进一步保证支气管435出气端口处会形成稳定的负压，在本实施方式中，将支气管435伸入第二调节腔道411的部分设置为倒l形，上部位于水平部分，且该部分与第二调节腔道411同轴，即沿气流方向布置，同时支气管435出气端口与第一阀体41保持方向一致。氢气流经支气管435的出气端口处时，会在此处形成一个负压区域，进而使得排气管路3中的氢气被吸出。
64.在本发明中，排水管路1的进水端分别位于电解质膜的下部两侧，即位于电解质膜的两侧，分别对应阴极和阳极位置，根据长生水量的比例，适当分配电解质膜两侧进水端的数量。由于阴极水量产生较多，且持续产生水，该处的进水端基本浸没于水中，而阳极侧的水量产生较少，在排水过程中，部分氢气会随排水管路1进入水气分离组件2中，经过分离后由水直接排出，而氢气通过排气管路3再送回至氢气供气管路5中，由于氢气供气管路5中氢气浓度较高，为使分离出的氢气能稳定进入氢气供气管路5中，则通过阀体组件4调控水的排出。通过上述结构，反应物可以根据燃料电池工况有效及时的排出，且不会在排出反应物时排出氢气，从而有效节约电池燃料。此外，由于阳极处设立了排水结构，使得阳极不会再出现“水淹”现象，进一步保证了燃料电池的稳定运行。
65.由于氢气供气管路5中的氢气浓度较高，流向阳极是一个稀释过程，因此在第二阀体42开启时，第一阀体41在氢气供气管路5内部氢气流动过程中虹吸作用下，进入氢气供气管路5中，氢气供气管路5内部氢气流动速度越大，则通过第一阀体41排出氢气的速度越快，
由此使箱体21内部长生一个负压，迫使阴阳极处的水快速通过排水管路1，从而实现高低功率的调整与排水效率的调整向对应。
66.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。