燃料电池水热联合控制方法及装置 一、技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别涉及一种质子交换膜燃料电池水热联合控制的方法及装置。二、背景技术
目前燃料电池水热统一管理的方法有文献US4826741中介绍的方法：在电池堆中三合一电极与双极板间插入一片可导电的多孔介质的透液板与一片多孔介质构成的透气疏水板。当电池运行时透液板吸满水，反应气在电池中反应放出热量，使电池温度升高，透液板中的水就被加热到饱和并蒸发，通过透气疏水板加湿反应气，以此进行水管理。该饱和气通过蒸发带走电池堆运行所放的热，通过电池外表面的翅片，与外界进行换热，进行热管理。文献US4769297和之后在此专利基础进行的改进专利US5853909介绍了另外一种水热管理统一进行的方法：它是通过多孔的亲水石墨作成的极板，将两极板装配在一起，并在极板之间设计一个冷却水通道，调节阴极与阳极和冷却通道的压差来保证阴极产生的水通过多孔石墨渗入冷却通道，保证把反应产物水排走，水从冷却通道靠调节压差再向电池阳极渗入，适当调节此压差可避免淹没电极，以此实现了水管理；热管理则是通过两片相邻电池的阴阳极板构成的沟槽内流动的水来进行冷却。这两种水热管理的方法是把水管理和热管理统一起来，但是在实施中电池制造工艺复杂并且增加了电池的内阻，由于受压力影响饱和水蒸气蒸发温度明显高于100度，使电池无法稳定在最佳工作温度，造成电池性能管理的困难。还有一些对电池水管理和热管理分别进行的方法：冷却剂循环通过电池堆的排热腔来换热；电池堆内加入导热翅片，电池反应产生地热量由空气排走；靠排热腔与外界导管或容器组成的密闭回路靠内外溶剂密度差驱动进行循环流动排热。前两种方法类似于常规换热设计中的水冷和空冷，后一种类似于自然循环形式的室内采暖系统。这些方法虽然能对电池进行热管理，但是没有与电池的水管理结合起来，多是通过另外设置一加湿器来对反应气进行加湿和温度调节。这些方法把水管理和热管理割离开来，造成电池成本高和系统庞大，能耗大的缺点。三、发明内容
本发明的目的在于提供一种能够避免内加湿造成的电池管理被动的缺点和电池水热管理分割造成的成本高，能耗大的缺点，通过反应气的温湿度和电池温度的调节使电池发挥最佳性能的燃料电池水热联合控制的方法及装置。
为达到上述目的，本发明通过引射器使排热腔中的水与电池堆进行沸腾换热，把作为冷却介质的水从排热腔抽出，并作为加湿的工质给电池加湿，产生的蒸汽与反应气体混合后扩压进入冷凝器进行冷凝之后，通过再热器进入电池。
本发明的装置包括电池的阴极和阳极，还包括与压缩机及氢气瓶相联通的排热腔，其特点是，压缩机与排热腔之间设置有调压阀和引射器，压缩机通过调压阀与引射器的喷管入口相连，引射器的喷管出口与混和腔相连处通过单向阀与排热腔相联通，引射器的出口通过管道与阴极冷凝器的入口相联通，阴极冷凝器的气体出口通过再热器与电池阴极的一端相联通，电池阴极的另一端通过背压阀与水罐的气体入口相联通，阴极冷凝器的液体出口通过管道与水罐的液体进口相联通，水罐的液体出口通过换热器和节流阀与排热腔相联通，氢气瓶通过管道与引射器的入口端相联通，引射器的喷管出口与混和腔相连处通过单向阀与排热腔相联通，引射器的出口端通过管道与阳极冷凝器的入口端相联通，阳极冷凝器的气体出口通过再热器与电池阳极的一端相联通，电池阳极的另一端通过调压阀、压缩机与管道相联通，阳极冷凝器的液体出口端通过管道与水罐的液体入口相联通。
本发明装置的另一特点是：阴极冷凝器和阳极冷凝器与气罐的进口之间还分别设置有阀门；水罐上还设置有与大气相联通的排气出口；水罐的底端还设置有控制阀。
由于本发明通过引射器把作为冷却介质的水从排热腔中抽出，并作为加温的工质，给电池加湿，使电池的温度得到调节，电池得到冷却，从而使电池处于最佳工作状态。四、附图说明
图1是本发明的结构示意图。五、具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明的压缩机1通过调压阀23与引射器2的喷管入口相连，引射器2的喷管出口与混和腔相连处通过单向阀5与排热腔8相联通，引射器2的出口通过管道与阴极冷凝器3的入口相联通，阴极冷凝器3的气体出口通过再热器4与电池阴极6的一端相联通，在电池阴极6反应后通过与电池阴极6的另一端相联通的背压阀21进入水罐10，由设置在水罐10上与大气相联通的排气出口25排出，阴极冷凝器3的液体出口通过阀门9与水罐10的液体进口相联通，水罐10的液体出口通过换热器11和节流阀12与排热腔8相联通，氢气瓶17通过管道24与引射器16的入口端相联通，引射器16的喷管出口与混和腔相连处通过单向阀20与排热腔8相联通，引射器16的出口端通过管道与阳极冷凝器14的入口端相联通，阳极冷凝器14的气体出口通过再热器15与电池阳极7的一端相联通，电池阳极7的另一端通过调压阀19、压缩机18与管道24相联通，阳极冷凝器14的液体出口端通过阀门与水罐10的液体入口相联通，在水罐10的底端还设置有控制阀22。
本发明在工作原理如下：空气由压缩机1压缩经调压阀23进入引射器2的喷管中，压缩机1可以是定速的也可以是变速的。空气在引射器2的喷管中迅速膨胀，并在喷管出口处达到高速，形成低压真空状态，由于真空作用会使与引射器2相连的电池排热腔8压力处在使水沸腾的压力P，并通过换热器11和节流阀12抽吸集水罐10中的水进入电池的排热腔8，饱和水在通过节流后，水的压力和温度都降低，并有一部分水发生闪蒸，水在通过排热腔8时与电池堆存在温度差，热量从高温的电池向低温的水进行热传递，水被加热进行沸腾，此时电池的温度处在最佳运行温度T。被抽吸的排热腔8中生成的水蒸气经单向阀5与高速的空气在引射器2的混和腔中进行混合，之后一起进入引射器2的扩压器压缩到阴极冷凝压力Pa离开引射器2通过管道进入阴极冷凝器3中，其中Pa的值由阴极出口的背压阀21控制，通过阴极冷凝器3的冷凝后，多余的水被冷凝出来变成液态，空气成为压力为Pa，温度为Ta的饱和湿空气，湿空气离开阴极冷凝器3经过再热器4加热成温度Tm使阴极反应气体具有合适的湿度和温度，温湿度的调节是靠调节空气被冷凝的温度Ta和经过再热器4后温度Tm来实现的。阴极冷凝器3的冷凝水与水罐10通过一个阀门9连接，阀门9的开启根据阴极冷凝器3中的水的数量通过人的操作或者通过计算机控制电磁阀来实现。由于阴极冷凝器3和水罐10存在正压差，阀门9一开启则水就会从阴极冷凝器3自动流入水罐10。由于燃料电池的反应发生在阴极，所以产物水被空气不断带走排向水罐10，在10中反应的产物水被冷凝而分离，废气通过水罐10的排气出口25排向大气；燃料电池阳极7的反应气目前主要是高压纯氢，氢气从气瓶17中排出进入引射器16的喷嘴，在引射器6的喷嘴中迅速膨胀，并在引射器6的喷嘴出口处达到高速，形成真空状态，由于真空作用会使与引射器16相连的电池排热腔8压力处在使水沸腾的压力P，并通过换热器11和节流阀12抽吸集水罐10中的水进入电池的排热腔8，饱和水在通过节流阀12节流后，水的压力和温度都降低，并有一部分水发生闪蒸，水在通过排热腔8时与电池堆存在温度差，热量从高温的电池向低温的水进行传递，水被加热进行沸腾，此时电池的温度处在最佳运行温度T。排热腔8中生成的水蒸气经单向阀20与高速的氢气在引射器16的混合腔中进行等压混和，之后一起进入引射器16的扩压器压缩到冷凝压力Ph离开引射器16通过管道进入阳极冷凝器14，其中Ph的值由电极阳极7出口的调压阀19和气瓶17的出口压力控制，通过阳极冷凝器14的冷凝多余的水被冷凝出来变成液态，氢气成为压力为Ph，温度为Th的饱和湿氢气，湿氢气离开阳极冷凝器14经过再热器15加热成温度Tn，使阳极反应气体氢气具有合适的湿度和温度，温湿度的调节是靠调节氢气被冷凝的温度Th和经过再热器后的温度Tn来实现的。从电池阳极7排出的未反应的纯氢通过调压阀19由压缩机18送到引射器16的入口参与下一次反应，阳极冷凝器14中的冷凝水与水罐10通过一个阀门13连接，阀门13的开启根据阳极冷凝器14中的水的数量通过人的操作或者通过计算机控制电磁阀来实现。由于阳极极冷凝器14和水罐10存在正压差，阀门一开启则水就会从阳极冷凝器14自动流入水罐10。水罐10中的水达到一定高度时阀门22打开，水排向系统外面。阀门22可以由手工操作也可以用计算机控制电磁阀打开。系统通过阴极冷凝器3，水罐10，阳极冷凝器14和换热器11把电池产生的热排向环境。