一种用于燃料电池的供气装置及供气系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，特别涉及一种用于燃料电池的供气装置及供气系统。


背景技术：

2.燃料电池的核心部件是膜电极，一般情况下膜电极由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层和催化剂层两侧的气体扩散层组成。其中，质子交换膜用于传导质子和隔绝反应气体，一般采用全氟磺酸树脂材料。催化剂层通常由铂/ 碳催化剂与树脂粘接而成。
3.氢燃料电池在实际使用过程中需要频繁启停，当燃料电池停机后，膜电极两侧残余的氢气和氧气会持续发生化学反应。由于阳极氢气侧的供氢电磁阀和比例阀的关闭，阳极氢气侧停止供应氢气，而阴极空气侧与外部大气连通，随着反应的进行，阴极侧由于气压的作用继续供应空气。当阳极氢气侧出现氢气不足时，阳极电势逐渐高于阴极电势，出现反极现象。
4.由于阳极不能提供足够的氢气发生氧化反应，为了维持电荷平衡，阳极催化层的其他物质参与氧化反应，在反应初期，阳极催化层中的水会发生电解。一段时间后，阳极催化层中的水含量大幅下降，当水电解反应无法继续维持电荷守恒时，水和催化剂中的碳载体发生反应。
5.水电解的反应对于膜电极是可逆的，但碳载体的腐蚀则是不可逆的，碳载体的腐蚀会导致阳极催化层结构坍塌，铂颗粒脱落，团聚导致电化学活性面积下降，电堆的使用寿命下降。同时，反极发生时产生大量的热形成局部高温点，加速质子交换膜的降解，形成孔洞，降低开路电压，极端情况下会形成短路，发生严重事故。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种用于燃料电池的供气装置及供气系统，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
7.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
8.一种用于燃料电池的供气装置，包括端盖、壳体、弹簧和活塞，所述端盖与壳体可拆卸连接，且端盖与壳体贯通，端盖内壁周向设置凸缘，所述壳体内设有弹簧和活塞，所述弹簧一端与壳体固定，另一端与活塞连接，所述活塞的端面与凸缘相抵形成密封结构，并且活塞端面的边缘与壳体间隔一定距离。通过弹簧支撑，活塞与端盖内壁设置的凸缘相抵，从而阻隔活塞两侧空气流通，当活塞端面受力使弹簧压缩，活塞向壳体侧移动，此时端盖侧的高压空气向壳体侧流动。
9.进一步的，所述端盖与活塞之间设有第一密封垫，所述第一密封垫固定于端盖上。
10.进一步的，所述活塞的端面呈半球形，半球形端面在受高压气体推动时，能够增加受力面积，同时半球形端面将风力导向端面的边缘，使得边缘处受力更为集中。
11.进一步的，所述活塞的半球形端面底部垂直设有导向杆，所述壳体设有导向孔，所
述导向杆与导向孔滑动连接，使得活塞受力沿供气装置的轴向运动，并且活塞的半球形端面边缘受力均匀。
12.进一步的，所述端盖与壳体设置于管路中，端盖的外侧壁周向设置凹槽，所述凹槽内设有第二密封垫，所述端盖通过第二密封垫与管路形成密封结构，从而防止气体由端盖与管路之间穿过。
13.进一步的，所述壳体外侧壁设有反向翅片，所述反向翅片一端与侧壁固定，另一端与侧壁间隔一定距离，所述反向翅片嵌入管路侧壁，反向翅片用于固定供气装置在管路中的位置，防止高压气体推动供气装置在管路中移动。
14.进一步的，所述反向翅片设置多个。
15.本实用新型还提供了上述供气装置应用于燃料电池的供气系统，包括依次通过管路连接的空滤、空压机、中冷器、供气装置、阴极加湿器和阴极电堆入口。外部空气经由空滤过滤杂质后，流入空压机，空压机将空气压缩为高压空气，且高压空气温度较高，随后高温高压空气通过管路流入中冷器中冷却，降温后的高压空气排入供气装置，高压使供气装置中的弹簧压缩并带动活塞移动，从而高压气体穿过供气装置进入阴极加湿器加湿，并最终流入阴极电堆，当电堆停止工作，由于外部气体压力不足，无法打开供气装置，从而阻隔外部空气，抑制阳极反极。
16.进一步的，所述空滤与空压机之间设有流量计，所述阴极加湿器与阴极电堆入口之间设有压力传感器和温湿度传感器。
17.相比于现有技术的缺点和不足，本实用新型具有以下有益效果：
18.1.本实用新型提供一种用于燃料电池的供气装置，该供气装置结构简单，设计巧妙，形成单向供气结构，并且制造成本低，实用性强。
19.2.本实用新型提供一种用于燃料电池的供气系统，燃料电池停止工作后，该供气系统能够有效阻隔外部空气，抑制阳极反极现象的发生，从而保护膜电极不受损坏。
20.3.供气装置采用物理结构阻隔外部空气，不增加额外耗电，提升电堆的使用性能和耐久性。
附图说明
21.图1是本实用新型实施例提供的一种用于燃料电池的供气装置的拆解结构示意图。
22.图2是本实用新型实施例提供的一种用于燃料电池的供气装置的截面结构示意图。
23.图3是本实用新型实施例提供的一种用于燃料电池的供气系统的结构示意图。
24.图中：1-供气装置；11-端盖；111-凹槽；12-壳体；121-反向翅片；122-导向孔；13-弹簧；14-活塞；141-端面；142-导向杆；15-管路；16-第一密封垫； 17-第二密封垫；2-空滤；3-空压机；4-中冷器；5-阴极加湿器；6-排放口；7
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流量计；8-压力传感器；9-温湿度传感器；10-供氢系统；11-比例阀；12-电磁阀；13-中冷器。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施
例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
26.如图1和图2所示，一种用于燃料电池的供气装置，包括端盖11、壳体12、弹簧13和活塞14，端盖11呈中空环状，其内壁设有环状凸缘，端盖11与壳体12可拆卸连接，具体的，可拆卸连接为卡合连接或螺纹连接，并且端盖11 与壳体12贯通，使气体穿过，端盖11与壳体12连接后整体呈筒状，壳体12 内设有活塞14和弹簧13，弹簧13的一端与壳体12固定，另一端与活塞14连接，活塞14的端面141与端盖11内壁设置的凸缘周向相抵形成密封结构，从而气体无法穿过端盖11和壳体12，起到阻隔气体的作用，活塞14端面的边缘与壳体12间隔一定距离。
27.为了使供气装置1气密性更好，端盖11与活塞14之间设有第一密封垫16，并且第一密封垫16固定于端盖上，由于第一密封垫16采用柔性材质，例如橡胶，因此，当端盖11与活塞14组成密封结构时，活塞14与第一密封垫16紧密接触，进一步增加密封效果。
28.由于气体沿端盖11侧进入，为了增加活塞14的受力面积，活塞14的端面 141采用半球形，半球形端面141与端盖11形成密封结构，半球形端面141的底面与弹簧13连接，优选的，半球形端面141的底面设置用于放置弹簧13的凹槽，使得弹簧13与活塞14连接更为稳固。为了使弹簧13受力均匀压缩，活塞14的半球形端面141底部设置导向杆142，壳体12设置供导向杆142穿过的导向孔122，使得弹簧13压缩时，活塞14均匀平稳的移动，保证气体沿半球形端面141四周边缘均匀穿过。
29.供气装置1设置于管路15中，端盖11侧为进气端，壳体12侧为排气端，管路15优选硅胶管，为了保证供气装置1与硅胶管之间的气密性，端盖11外周侧壁设置凹槽111，凹槽111内设有第二密封垫17，第二密封垫17既能够增加供气装置1与管路15之间的气密性，又能增加供气装置1与管路15之间的摩擦力，从而起到一定的防止供气装置1沿管路15移动的作用。壳体12与管路15接触的侧壁设置反向翅片121，反向翅片121一端与壳体12侧壁固定，另一端与壳体12间隔一定距离，进一步防止供气装置1沿管路15移动，当高压气体推动供气装置1时，反向翅片121嵌入管路15侧壁，从而使供气装置1 的位置固定，优选的，反向翅片151沿壳体12侧壁周向均匀设置多个，当端盖 11侧气体压力越大，反向翅片121嵌入管路15越深，从而有效防止高压气体推动供气装置1移动。
30.上述供气装置应用于燃料电池的供气系统的结构如图3所示，空滤2通过流量计7与空压机3的进气口连通，空滤2用于过滤进入空气中的杂质，流量计7采集流入空压机3的空气流量，空压机3的排气口通过中冷器4与供气装置1的进气口连通，空气经空压机3压缩后，温度升高，随后进入中冷器4降温，降温后的高压空气随管路进入供气装置1，供气装置1的排气口通过管路与阴极加湿器5连通，阴极加湿器5通过管路与电堆阴极入口连通，且阴极加湿器5与电堆入口之间的管路上还设有压力传感器8和温湿度传感器9，压力传感器8用于监测管路压力，保证供气系统的安全运行。电堆阴极出口通过管路与阴极加湿器5连通，湿润气体辅助阴极加湿器5加湿空气，多余的气体沿管路通过排放口6排出。
31.供氢系统10通过管路依次连接供氢电磁阀12、比例阀11、中冷器13和阳极电堆入口，中冷器13与阳极入口间设有压力传感器8，用于测定进入阳极电堆的氢气压力。
32.供气系统的工作原理：
33.燃料电池工作时，空气经由空滤过滤，流经流量计后进入空压机压缩，压缩后的高
温高压气体流入中冷器降温后进入供气装置，高压气体穿过供气装置进入阴极加湿器加湿，加湿后的气体通过管路沿阴极电堆入口进入电堆；供氢系统中，氢气沿供氢电磁阀、比例阀进入中冷器冷却，然后进入阳极电堆。
34.燃料电池停止工作时，供氢电磁阀和比例阀关闭，停止供应氢气，阴极侧空压机停止工作，无压力的空气由于无法穿过供气装置，致使空气供应停止，此时，膜电极两侧残留的氢气和空气发生氧化还原反应，随着时间推移，由于没有空气和氢气的补充，反应停止，膜电极阴极侧仅剩氮气，从而有效抑制阳极反极的现象。
35.由于电机工作时，产生高压空气从而能够推动活塞压缩弹簧，使得高压气体穿过供气装置，当电机停止工作，空压机停转，由于没有高压气体，外部空气无法推动活塞压缩弹簧，无法穿过供气装置，从而切断空气供给，有效保护电堆不受损坏。
36.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。