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CN111106362B - 一种燃料电池用流道可控的柔性流场板、控制系统及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池用流道可控的柔性流场板、控制系统及控制方法 Download PDF

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CN111106362B CN201911373025.5A CN201911373025A CN111106362B CN 111106362 B CN111106362 B CN 111106362B CN 201911373025 A CN201911373025 A CN 201911373025A CN 111106362 B CN111106362 B CN 111106362B
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用流道可控的柔性流场板、控制系统及控制方法。复合流场板由高密度石墨薄层、喷涂橡胶、薄铝金属板、助力液组合而成；通过一个柱塞泵与节流阀共同控制肋内的液体量；同时利用薄膜式ntc温度传感器测得的温度对肋内液体的流量进行修正。其中喷涂速凝液体橡胶是一种高分子聚合物的弹性防水材料，常用于建筑等领域的接合与防水。本发明中流道可控的柔性流场板及其控制方法可实现在需要增加功率输出时，瞬间增加流场板内的反应物浓度。同时，可以联合欠压吹扫过程，实现流场板内瞬间压力降低，从而增强水的蒸发。该可控的柔性流场板可以动态地满足汽车的行驶过程的能量需要与电池的吹扫需求。

Description

一种燃料电池用流道可控的柔性流场板、控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池用流道可控的柔性流场板、控制系统及其控制方法。
背景技术
氢燃料电池由于其理论效率较高，排放物无污染，因而被人们视为下一代最有希望的能源装置之一。目前，燃料电池已经在新能源汽车、家居住宅的热电联产、便携式移动电源、生物电池方面得到了探索性的应用。但由于燃料电池在运行一段时间之后往往会产生水淹或过干的问题，故燃料电池的水管理问题是目前急需解决的问题之一。并且由于与内燃机有着本质上的区别，燃料电池在瞬间需要大功率输出时无法及时做出反应，这也是燃料电池要解决和克服的困难。
一般的质子交换膜燃料电池包括流场板、催化剂层与聚合物膜组成。其中，流场板的材质、表面与流道设置往往会极大地影响燃料电池性能。常见的流场板材质为金属材质、塑料、石墨、复合材料。除柔性石墨流场板外，绝大多数的流场板均为固定式的。供给气体会随着流道长度的增长而浓度下降，而水含量则随着流道的长度逐渐增加。这不利于燃料电池的动态控制与实时能量需要。
喷涂速凝橡胶技术常作为防水技术等在建筑领域有重要应用。喷涂的速凝橡胶可以防止其中的助力液渗漏并保持柔性石墨层的弹性。现部分喷涂的橡胶已拥有较好的延展性及抗刺穿性且具有比较好的耐热稳定性。
目前常见的提高燃料电池功率与吹扫的方法一般是通过燃料电池的进出口进行总的气体压力的增加与减少。但由于流道较长，其进出口的压力分布通常不均，这将导致催化剂层的利用不均匀，而在靠近排气位置满足压力要求时容易对入口处的气体扩散层与聚合物电解质膜造成破坏。并且从进出口处的反应变化时间较长。
发明内容
为克服上述技术的不足，本发明提供了一种燃料电池用流道可控的柔性流场板、控制系统及其控制方法。
本发明通过以下技术手段达成上述技术目的：
一种燃料电池用流道可控的柔性流场板，包括高密度石墨层1、喷涂橡胶2、助力液3、铝制金属薄板4；
所述柔性流场板的最内侧为高密度石墨层1，所述高密度石墨层1表面压成若干个间隔排列的朝向内侧的梯形凹面，形成若干个肋，在梯形凹面侧喷涂速凝橡胶2，柔性流场板的最外层是铝制金属薄板4，铝制金属薄板4靠近高密度石墨层1这一侧也喷涂速凝橡胶2，高密度石墨层1的喷涂面和铝制金属薄板4的喷涂面胶合，此时，高密度石墨层1的梯形凹面的喷涂面和铝制金属薄板4的喷涂面形成空腔，空腔内充满助力液3。
进一步，高密度石墨层1的厚度为0.15mm～0.2mm，规格450目，膨胀度0.0012倍。
进一步，铝制金属薄板4的厚度为0.2mm～0.3mm。
本发明的系统的技术方案为：一种燃料电池用流道可控的柔性流场板的控制系统，包括柔性流场板、薄膜式ntc温度传感器6、柱塞泵7、节流阀8、油箱10、控制单元9；
所述油箱10一端通过油路和柱塞泵7相连，柱塞泵7和燃料电池5相连，燃料电池5和节流阀8相连，节流阀8和油箱10另一端相连；所述控制单元9分别和柱塞泵7、节流阀8以及薄膜式ntc温度传感器6相连；所述油箱10内存储助力液3，通过柱塞泵7向柔性流场板的空腔内供入助力液3，所述节流阀8用于调控助力液3的流量；所述控制单元9用于控制柱塞泵7与节流阀8的流量，所述薄膜式ntc温度传感器6用于测量燃料电池5的温度，采集给控制单元9对空腔内的液体的流量进行修正。
进一步，使用针管或软管通过柱塞泵7向柔性流场板的空腔内供入助力液3，接口处用胶或粘合材料进行密封。
进一步，所述薄膜式ntc温度传感器6测量燃料电池流场板的温度，并将其传输给车辆的控制单元，薄膜式ntc温度传感器6分布在燃料电池5端部、中部、尾部各三处，共九处。
本发明的控制方法为，所述控制单元9接受车辆的行驶信号、燃料电池5供气系统的输入气压、薄膜式ntc温度传感器6的电信号之后对节流阀8与可控柱塞泵7的流量进行控制：
模式一：
当控制单元读取汽车状态为停止状态时，且薄膜式ntc温度传感器采集到质子交换膜燃料电池的算术平均温度处于75℃～85℃之间时，燃料电池5执行停机欠压吹扫，为避免气泡的产生，空腔内的流量及其变化率应当较大，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，可减小或关闭节流阀8，使柱塞泵7反转，此时将瞬间减小柔性流场板梯形凹面的侧面宽度，增大气道减小气压；优选柱塞泵流量开度为76％～80％；
模式二：
当控制单元读取汽车状态为停止状态时，且薄膜式ntc温度传感器采集到质子交换膜燃料电池的算术平均温度处于室温左右，约25℃，执行低温欠压吹扫，空腔内的流量可较小但其变化率应当较大，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液3与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，可减小或关闭节流阀8，使柱塞泵7反转，此时将瞬间增加柔性流场板梯形凹面的侧面宽度，减小气道，使该时刻的气体浓度增加以便进入气体扩散层中，此时将加速提升质子交换膜燃料电池的功率；优选柱塞泵流量开度为50％～60％；
模式三：
当控制单元读取汽车状态为加速度瞬间增加或瞬间增大功率时，且薄膜式ntc温度传感器6采集到质子交换膜燃料电池5的算术平均温度处于75℃～85℃之间，不执行吹扫动作，空腔内的流量及其其变化率应当较大，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，可减小或关闭节流阀8，增大柱塞泵7供液，此时将瞬间增加柔性流场板梯形凹面的侧面宽度，减小气道，使气体的浓度增加并加速提升质子交换膜燃料电池的功率；优选柱塞泵7流量开度为80％～90％；
模式四：
当控制单元读取汽车状态为稳态工况时，且薄膜式ntc温度传感器6采集到质子交换膜燃料电池5的算术平均温度处于75℃～85℃之间时，不执行吹扫动作，空腔内的流量应较低且基本无变化，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，应保持节流阀8打开，柱塞泵7正常供液，此时将保证柔性流场板梯形凹面的侧面宽度与流道均处于常规的大小，且应使供气系统正常供气，此时可以保证燃料电池平稳的输出功率，优选柱塞泵流量开度为30％～40％。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述流道可控的柔性流场板及其控制方法，可以辅助进行质子交换膜燃料电池的水管理过程，且辅助的欠压吹扫的压强变化由于是液体可控制的流道改变，比仅从入口处改变气压反应更加灵敏，且在场板内的变化更为均匀。
2.本发明所述流道可控的柔性流场板及其控制方法，可以辅助增加质子交换膜燃料电池的能量输出过程，在供给气压增加的同时，通过改变流道以增加气体通过GDL层的机会，以增加反应速率。
3.本发明所述流道可控的柔性流场板及其控制方法，通过控制单元动态地根据不同的工况与温度对燃料电池流场板进行调节，以满足不同时刻的需要。本发明中流道可控的柔性流场板及其控制方法可实现在需要增加功率输出时，瞬间增加流场板内的反应物浓度。同时，可以联合欠压吹扫过程，实现流场板内瞬间压力降低，从而增强水的蒸发。该可控的柔性流场板可以动态地满足汽车的行驶过程的能量需要与电池的吹扫需求。
附图说明
图1为本发明所述流道可控的柔性流场板的45°结构图。
图2为本发明所述流道可控的柔性流场板的剖视图。
图3为本发明所述流道可控的柔性流场板控制方法的控制原理图。
图4为本发明所述流道可控的柔性流场板薄膜式ntc温度传感器的安装位置。
其中：1-高密度石墨层；2-速凝橡胶层；3-助力液；4-铝制金属薄板；5-燃料电池；6-薄膜式ntc温度传感器；7-柱塞泵；8-节流阀；9-控制单元；10-油箱。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实例。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其他实施例，都属于本发明的保护范围。
以下实例中，未作特别说明的材料及配件均可从市场上得到。
如图1和图2所示，本发明提供的流道可控的柔性流场板，包括高密度石墨层1、喷涂橡胶2、助力液3、铝制金属薄板4；本例采用的高密度石墨层1的厚度为0.15mm～0.2mm，规格450目，膨胀度0.0012倍，并在其凹面侧喷涂速凝橡胶2，并在6s等待干燥后进行胶合；本例采用的铝制金属薄板的厚度为0.2mm～0.3mm,在其上表面喷涂速凝橡胶2，并迅速与之前制备好的高密度石墨层1进行胶合并压紧；裁去多余的部分，此时需要重新估算有效面积；组装至燃料电池堆上，并通过针管或橡胶管经胶合密封后注入相应的助力液，此时应保证注入的助力液是适度过量的，并及时排出相应的气泡，以避免可能发生的压力不足等现象。同时，注液时应注意查看是否有相应的泄露现象。若发生泄露，应重新制备柔性流场板。在完成以上步骤后将软管与外部系统相连接。
如图3所示，本发明提供的流道可控的柔性流场板的控制系统，包括薄膜式ntc温度传感器6、柱塞泵7、节流阀8、控制单元9、油箱10；所述薄膜式ntc温度传感器6测量燃料电端部、中部、尾部各三个点，共九个点的温度，并将电信号传输给控制单元9；所述柱塞泵7、节流阀8受控制单元9的调控以改变进出口流量；所循环的助力液3储存在油箱10中。
如图4所示，质子交换膜燃料电池表面的薄膜式ntc温度传感器6的安装位置分为九个点，取温度的算术平均作为计算质子交换膜燃料电池整体温度与计算助力液体及流道内气体的计算依据。
所述的控制单元9根据端部与中部、端部与尾部各三个点，共九个点的温度差的算数平均，结合铝制金属薄板4、喷涂橡胶2、高密度石墨层1的热阻，计算出内部助力液3的温度，得出助力液3与供给气体的膨胀体积，对柱塞泵7与节流阀8的流量值进行修正。
模式一：
当控制单元读取汽车状态为停止状态时，且薄膜式ntc温度传感器采集到质子交换膜燃料电池的算术平均温度处于75℃～85℃之间时，燃料电池5执行停机欠压吹扫，为避免气泡的产生，空腔内的流量及其变化率应当较大，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，可减小或关闭节流阀8，使柱塞泵7反转，此时将瞬间减小柔性流场板梯形凹面的侧面宽度，增大气道减小气压；优选柱塞泵流量开度为76％～80％。
模式二：
当控制单元读取汽车状态为停止状态时，且薄膜式ntc温度传感器采集到质子交换膜燃料电池的算术平均温度处于室温左右，约25℃，执行低温欠压吹扫，空腔内的流量可较小但其变化率应当较大，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液3与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，可减小或关闭节流阀8，使柱塞泵7反转，此时将瞬间增加柔性流场板梯形凹面的侧面宽度，减小气道，使该时刻的气体浓度增加以便进入气体扩散层中，此时将加速提升质子交换膜燃料电池的功率；优选柱塞泵流量开度为50％～60％。
模式三：
当控制单元读取汽车状态为加速度瞬间增加或瞬间增大功率时，且薄膜式ntc温度传感器6采集到质子交换膜燃料电池5的算术平均温度处于75℃～85℃之间，不执行吹扫动作，空腔内的流量及其其变化率应当较大，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，可减小或关闭节流阀8，增大柱塞泵7供液，此时将瞬间增加柔性流场板梯形凹面的侧面宽度，减小气道，使气体的浓度增加并加速提升质子交换膜燃料电池的功率；优选柱塞泵7流量开度为80％～90％。
模式四：
当控制单元读取汽车状态为稳态工况时，且薄膜式ntc温度传感器6采集到质子交换膜燃料电池5的算术平均温度处于75℃～85℃之间时，不执行吹扫动作，空腔内的流量应较低且基本无变化，同时依据算术平均温度所得的温度计算助力液与内部气体的膨胀系数，实时调整柱塞泵7的体积流量，应保持节流阀8打开，柱塞泵7正常供液，此时将保证柔性流场板梯形凹面的侧面宽度与流道均处于常规的大小，且应使供气系统正常供气，此时可以保证燃料电池平稳的输出功率，优选柱塞泵流量开度为30％～40％。
从上述技术方案来看，本发明实施例中的一种燃料电池用流道可控的柔性流场板及其控制方法，能有效的辅助欠压吹扫过程，并且在需要的时刻辅助瞬间增加燃料电池的功率输出，从而有效地利用质子交换膜燃料电池。
综上，本发明的一种燃料电池用流道可控的柔性流场板、控制系统及控制方法。所述复合流场板由高密度石墨薄层、喷涂橡胶、薄铝金属板、助力液组合而成；其中高密度石墨薄层与金属薄板通过速凝橡胶接合，槽道宽度为1～2mm，肋内通孔的水力半径约为1～1.5mm，通过一个柱塞泵来控制肋内的液体量；同时利用薄膜式ntc温度传感器对肋内的液体膨胀进行修正。其中喷涂速凝液体橡胶是一种高分子聚合物的弹性防水材料，常用于建筑等领域的接合与防水。本发明中流道可控的柔性流场板及其控制方法可实现在需要增加功率输出时，瞬间增加流场板内的反应物浓度。同时，可以联合欠压吹扫过程，实现流场板内瞬间压力降低，从而增强水的蒸发。该可控的柔性流场板可以动态地满足汽车的行驶过程的能量需要与电池的吹扫需求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种燃料电池用流道可控的柔性流场板，其特征在于，包括高密度石墨层(1)、喷涂橡胶(2)、助力液(3)、铝制金属薄板(4)；
所述柔性流场板的最内侧为高密度石墨层(1)，所述高密度石墨层(1)表面压成若干个间隔排列的朝向内侧的梯形凹面，形成若干个肋，在梯形凹面侧喷涂速凝橡胶(2)，柔性流场板的最外层是铝制金属薄板(4)，铝制金属薄板(4)靠近高密度石墨层(1)这一侧也喷涂速凝橡胶(2)，高密度石墨层(1)的喷涂面和铝制金属薄板(4)的喷涂面胶合，此时，高密度石墨层(1)的梯形凹面的喷涂面和铝制金属薄板(4)的喷涂面形成空腔，空腔内充满助力液(3)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用流道可控的柔性流场板，其特征在于，高密度石墨层(1)的厚度为0.15mm～0.2mm，规格450目，膨胀度0.0012倍。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用流道可控的柔性流场板，其特征在于，铝制金属薄板(4)的厚度为0.2mm～0.3mm。
4.一种燃料电池用流道可控的柔性流场板的控制系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任意一项所述的柔性流场板、薄膜式ntc温度传感器(6)、柱塞泵(7)、节流阀(8)、油箱(10)、控制单元(9)；
所述油箱(10)一端通过油路和柱塞泵(7)相连，柱塞泵(7)和燃料电池(5)相连，燃料电池(5)和节流阀(8)相连，节流阀(8)和油箱(10)另一端相连；所述控制单元(9)分别和柱塞泵(7)、节流阀(8)以及薄膜式ntc温度传感器(6)相连；所述油箱(10)内存储助力液(3)，通过柱塞泵(7)向柔性流场板的空腔内供入助力液(3)，所述节流阀(8)用于调控助力液(3)的流量；所述控制单元(9)用于控制柱塞泵(7)与节流阀(8)的流量，所述薄膜式ntc温度传感器(6)用于测量燃料电池(5)的温度，采集给控制单元(9)对空腔内的液体的流量进行修正。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池用流道可控的柔性流场板的控制系统，其特征在于，使用针管或软管通过柱塞泵(7)向柔性流场板的空腔内供入助力液(3)，接口处用胶或粘合材料进行密封。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池用流道可控的柔性流场板的控制系统，其特征在于，所述薄膜式ntc温度传感器(6)测量燃料电池流场板的温度，并将其传输给车辆的控制单元，薄膜式ntc温度传感器(6)分布在燃料电池(5)端部、中部、尾部各三处，共九处。
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