一种新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统

本发明属于质子交换膜电池，尤其涉及一种新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统。

背景技术：

1、随着工业化进程不断加速，不可再生能源日渐枯竭，加之全球气候变化和环境污染问题日益严重，世界各国迫切需要寻找清洁、高效的替代能源；在这一背景下，氢能作为一种清洁能源被广泛关注，而质子交换膜燃料电池因其高效、环保的特性，成为氢能利用的重要方式之一；质子交换膜燃料电池在运输、便携式电源和固定电源等领域具有广阔的应用前景；

2、质子交换膜燃料电池的性能和效率在很大程度上依赖于其内部结构的设计和优化；尤其是阴极流道的设计，对于电池性能的提升至关重要；阴极流道不仅负责提供反应所需的氧气，还需要有效地排出生成的水，避免水淹现象，从而确保电极反应的持续进行和电池的长久稳定运行；研究人员不断探索更优的流道设计，以提高电池的整体性能；在这过程中，数值模拟和实验研究相结合的方法被广泛采用，推动了流道设计技术的快速发展；

3、阴极流道设计的不断创新和优化，是推动质子交换膜燃料电池技术进步的重要方向；随着材料科学、计算流体力学和制造工艺的发展，未来的质子交换膜燃料电池阴极流道设计将更加高效、稳定，助力氢能产业的发展，为实现可持续能源体系提供坚实的技术保障；

4、现有技术中，传统的质子交换膜燃料电池阴极流道设计存在氧气分布不均、水管理困难等问题，导致电池性能不稳定、效率降低。

5、因此，发明一种新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统显得非常必要。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，以解决传统的质子交换膜燃料电池阴极流道设计存在氧气分布不均、水管理困难等问题，导致电池性能不稳定、效率降低的问题。一种新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，包括电池本体、控制器和驱动器，所述控制器和驱动器安装在电池本体的上方；

2、所述电池本体包括固定夹板、电堆、氢气接口、阴极产物出口和控制平台，所述固定夹板采用多个，且固定夹板设置在电堆的两侧；所述控制平台安装在固定夹板的上端，且控制平台位于电堆的上侧；所述氢气接口安装在控制平台上方的前侧，且氢气接口与电堆的阳极相连通；所述阴极产物出口开设在固定夹板后侧的下方，且阴极产物出口与电堆的阴极相连通；

3、该新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统还包括温度探头、鼓风机、湿度传感器和凹槽结构，所述温度探头内嵌在电堆的内部；所述湿度传感器安装在阴极产物出口的内侧；所述鼓风机与固定夹板的一侧相连，且鼓风机的出气端与电堆的阴极相连通；所述凹槽结构采用多个，且凹槽结构设置在电堆的内部。

4、进一步，所述凹槽结构包括壳体、流道和涡流槽，所述壳体采用多个，且壳体设置在电堆的内部；所述流道开设在壳体的内部；所述涡流槽采用多个，且涡流槽开设在壳体的内侧，该涡流槽位于流道的下侧；

5、通过采取上述技术方案，在电堆内部设置凹槽结构，使流经流道的气流在流道的内部产生涡流，由于较冷的空气和水蒸气密度相对较大，使得较冷的空气和水蒸气附在阴极附近流动，而温度较高的空气因为密度较小而远离阴极，从而实现对阴极的温度抑制和水管理。

6、进一步，所述固定夹板的内部设置有氧化剂流通的通道，且固定夹板的通道与电堆的阴极区相连通，该固定夹板的通道与鼓风机的出气端相连通；所述控制器和驱动器通过导线分别与市电相连，且控制器通过导线与驱动器相连，该控制器采用模糊pid算法。

7、进一步，所述控制平台的尺寸与固定夹板的尺寸匹配，且控制平台采用长方体结构；所述固定夹板对称设置，且固定夹板采用长方体结构；所述温度探头通过导线与控制器相连，且温度探头用于检测电堆内部的温度；所述鼓风机通过导线分别与控制器和驱动器相连；所述湿度传感器通过导线分别与控制器和驱动器相连，且湿度传感器用于检测电堆的湿度；

8、通过采取上述技术方案，在电堆内部设置温度探头，温度探头用于检测电堆内部的温度，配合控制器进而精确地计算出电堆所需的散热量，控制器采用模糊pid算法，根据经验设置相应的模糊规则，根据电堆的温度、外部的环境温度和电堆的湿度计算散热风扇的转速和鼓风机的供气量，进而提高系统的鲁棒性，保证系统平稳、高效运行；在阴极产物出口内部设置湿度传感器，湿度传感器检测电堆的湿度，防止因湿度过低而造成膜脱水和因湿度过低而造成水淹问题，保证电堆的稳定性，提高质子交换膜电池的使用寿命。

9、进一步，所述壳体在电堆的内部均匀设置；所述流道贯穿壳体的前后两侧；所述涡流槽等间距设置，且涡流槽用于使流经流道的气流在流道的内部产生涡流。

10、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

11、1、本发明中，在电堆内部设置凹槽结构，使流经流道的气流在流道的内部产生涡流，由于较冷的空气和水蒸气密度相对较大，使得较冷的空气和水蒸气附在阴极附近流动，而温度较高的空气因为密度较小而远离阴极，从而实现对阴极的温度抑制和水管理；

12、2、本发明中，在电堆内部设置温度探头，温度探头用于检测电堆内部的温度，配合控制器进而精确地计算出电堆所需的散热量，控制器采用模糊pid算法，根据经验设置相应的模糊规则，根据电堆的温度、外部的环境温度和电堆的湿度计算散热风扇的转速和鼓风机的供气量，进而提高系统的鲁棒性，保证系统平稳、高效运行；

13、3、本发明中，在阴极产物出口内部设置湿度传感器，湿度传感器检测电堆的湿度，防止因湿度过低而造成膜脱水和因湿度过低而造成水淹问题，保证电堆的稳定性，提高质子交换膜电池的使用寿命；

技术特征：

1.一种新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：包括电池本体(1)、控制器(10)和驱动器(11)，所述控制器(10)和驱动器(11)安装在电池本体(1)的上方；

2.如权利要求1所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述凹槽结构(12)包括壳体(121)、流道(122)和涡流槽(123)，所述壳体(121)采用多个，且壳体(121)设置在电堆(3)的内部；所述流道(122)开设在壳体(121)的内部；所述涡流槽(123)采用多个，且涡流槽(123)开设在壳体(121)的内侧，该涡流槽(123)位于流道(122)的下侧。

3.如权利要求1所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述固定夹板(2)的内部设置有氧化剂流通的通道，且固定夹板(2)的通道与电堆(3)的阴极区相连通，该固定夹板(2)的通道与鼓风机(5)的出气端相连通。

4.如权利要求1所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述控制器(10)和驱动器(11)通过导线分别与市电相连，且控制器(10)通过导线与驱动器(11)相连，该控制器(10)采用模糊pid算法。

5.如权利要求1所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述控制平台(9)的尺寸与固定夹板(2)的尺寸匹配，且控制平台(9)采用长方体结构；所述固定夹板(2)对称设置，且固定夹板(2)采用长方体结构。

6.如权利要求1所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述温度探头(4)通过导线与控制器(10)相连，且温度探头(4)用于检测电堆(3)内部的温度。

7.如权利要求1所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述鼓风机(5)通过导线分别与控制器(10)和驱动器(11)相连。

8.如权利要求1所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述湿度传感器(8)通过导线分别与控制器(10)和驱动器(11)相连，且湿度传感器(8)用于检测电堆(3)的湿度。

9.如权利要求2所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述壳体(121)在电堆(3)的内部均匀设置；所述流道(122)贯穿壳体(121)的前后两侧。

10.如权利要求2所述的新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，其特征在于：所述涡流槽(123)等间距设置，且涡流槽(123)用于使流经流道(122)的气流在流道(122)的内部产生涡流。

技术总结
本发明提供一种新型阴极流道设计的质子交换膜电池系统，包括电池本体、控制器和驱动器，所述控制器和驱动器安装在电池本体的上方；所述电池本体包括固定夹板、电堆、氢气接口、阴极产物出口和控制平台，所述固定夹板采用多个，且固定夹板设置在电堆的两侧；所述控制平台安装在固定夹板的上端，且控制平台位于电堆的上侧；所述氢气接口安装在控制平台上方的前侧，且氢气接口与电堆的阳极相连通；本发明中，在电堆内部设置凹槽结构，使流经流道的气流在流道的内部产生涡流，由于较冷的空气和水蒸气密度相对较大，使得较冷的空气和水蒸气附在阴极附近流动，而温度较高的空气因为密度较小而远离阴极，从而实现对阴极的温度抑制和水管理。

技术研发人员：徐洁,马威龙飞,汪志锋,金步宸
受保护的技术使用者：上海第二工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/19