1.本实用新型属于宇航应用燃料电池领域，涉及一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统。
背景技术：
2.质子交换膜燃料电池是将化学能转化为电能的发电装置，具有高比能量、比功率、无污染、无噪声等优点，反应原料来源丰富，可广泛应用于汽车、无人机、航天器、潜艇、便携式移动设备等。
3.燃料电池发电系统产物水在电堆阴极生成，因此电堆阴极流道内的介质主要以气液两相流存在，液态水如果不及时排出会积累在流道内阻碍气体发生反应，从而降低电堆输出性能，因此需要将生成水及时排出流道并且回收利用。商业燃料电池通常采用压缩空气或循环氧气将生成水吹出电堆内部，因此回收产物水需要在辅助系统内增加循环泵、重力式水气分离器等部件，造成燃料电池辅助系统复杂、内耗较高、可靠性低等问题，同时整个系统不适用于空间微重力环境。
4.空间环境水资源是宝贵资源，燃料电池的产物水可以当成可再生资源重复利用，为实现高效水循环水回收利用，需要设计燃料电池电堆材料及结构、燃料电池产物水循环回收管理策略与系统控制方法。而目前并没有相关的设计。
技术实现要素：
5.本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，可以实现氢氧燃料电池产物水循环回收，从而实现水资源的回收再利用的目的，达到能源综合利用的效果。
6.本实用新型解决技术的方案是：
7.一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，包括静态排水燃料电池电堆、第一电磁阀d1、第二电磁阀d2、第三电磁阀d3、第四电磁阀d4、第五电磁阀d5、第六电磁阀d6、第一压力传感器p1、第二压力传感器p2、第三压力传感器p3、温度传感器t、泵、换热器和压力水箱；其中，静态排水燃料电池电堆内部设置有氢气腔、氧气腔和水腔；
8.第二电磁阀d2通过氢气进气管路与氢气腔的进口连通；第四电磁阀d4通过氢气出气管路与氢气腔的出口连通；第二压力传感器p2设置在氢气腔的出口管路上；氧气进气管路分为2路，其中1路直接与氧气腔的进口连通，且该路上设置有第一电磁阀d1；另一路依次串联第五电磁阀d5、压力水箱、第六电磁阀d6后，与氧气腔的出口管路连通，第三压力传感器p3设置在该管路上，且第三电磁阀d3位于压力水箱与第六电磁阀d6之间；第三电磁阀d3通过氧气出气管路与氧气腔的出口连通；第一压力传感器p1设置在氧气腔的出口管路上；压力水箱与水腔的出水口连接；压力水箱依次串联泵、换热器后与水腔的进水口连通；温度传感器t设置在水腔的进水口处。
9.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，所述产物水循环利用系统
的工作过程为：
10.正常工作时，第一电磁阀d1和第二电磁阀d2常开；
11.氧气通过第一电磁阀d1进入氧气腔，并通过第一压力传感器p1监控氧气的压力；
12.氢气通过第二电磁阀d2进入氢气腔，并通过第二压力传感器p2监控氢气的压力；
13.压力水箱提供循环水，在泵的作用下，循环水通过换热器进入水腔，并从水腔流回压力水箱中，并通过温度传感器t监测循环水的温度；
14.氢气和氧气在静态排水燃料电池电堆内发生
电化学反应，生成产物水的同时对外供电，循环水运行过程中将产物水带出并存储在水箱，实现燃料电池产物水回收；
15.通过第三电磁阀d3间歇排出未反应的氧气；通过第四电磁阀d4间歇排出未反应氢气；通过第五电磁阀d5和第六电磁阀d6控制压力水箱的压力，并通过第三压力传感器p3监测循环水箱内气体压力，保证正常运行。
16.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，所述静态排水燃料电池电堆包括2个端板、2个集流板n+1个静态排水双极板和n个膜电极；其中，2个端板板面相对放置；2个集流板板面相对放置，且2个集流板位于2个端板的之间；n+1个静态排水双极板和n个膜电极交错间隔放置在2个集流板之间，且最外端的2个静态排水双极板分别与2个集流板相邻；2个端板、2个集流板n+1个静态排水双极板和n个膜电极依次紧贴，并通过密封圈密封。
17.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，所述n为正整数，且n大于等于2。
18.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，每个膜电极其中一个侧面与相邻的静态排水双极板之间围成氢气腔；膜电极另一个侧面与相邻的静态排水双极板之间围成氧气腔；静态排水双极板的内部设置有水腔。
19.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，n个氢气腔位于n个膜电极的相同侧面；n个氧气腔位于n个膜电极的相同侧面。
20.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，氢气在氢气腔发生氧化反应后，生成氢离子；氢离子穿过膜电极与另一侧的氧气发生还原反应，生成产物水；产物水渗入到静态排水双极板内部的水腔中，通过循环水排出至压力水箱。
21.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，所述产物水在水腔内外压力差和毛细作用下，穿过静态排水双极板的外壳进入水腔中。
22.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，所述静态排水双极板采用微孔金属板、微孔膜或nafion膜，实现隔绝氢气和氧气。
23.在上述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，所述产物水循环利用系统的产物水回收利用率大于95％。
24.本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
25.(1)本实用新型的氢氧燃料电池产物水循环利用系统不需要气体引射器和气体循环泵，减轻了辅助系统的复杂程度和重量，可应用于空间微重力环境能源综合利用；
26.(2)本实用新型可以将燃料电池产物水及时收集，省略了常规燃料电池分水器、气体循环泵和引射器等元器件，系统结构简单，产物水回收利用率可高达95％以上。
附图说明
27.图1为本实用新型产物水循环利用系统示意；
28.图2为本实用新型静态排水燃料电池电堆结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合实施例对本实用新型作进一步阐述。
30.本实用新型提供一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，氢氧燃料电池产物水循环利用系统不需要气体引射器和气体循环泵，减轻了辅助系统的复杂程度和重量，同时产物水回收利用率高达95％以上，可应用于空间微重力环境能源综合利用。
31.新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，如图1所示，具体包括静态排水燃料电池电堆、第一电磁阀d1、第二电磁阀d2、第三电磁阀d3、第四电磁阀d4、第五电磁阀d5、第六电磁阀d6、第一压力传感器p1、第二压力传感器p2、第三压力传感器p3、温度传感器t、泵、换热器和压力水箱；其中，静态排水燃料电池电堆内部设置有氢气腔、氧气腔和水腔；
32.第二电磁阀d2通过氢气进气管路与氢气腔的进口连通；第四电磁阀d4通过氢气出气管路与氢气腔的出口连通；第二压力传感器p2设置在氢气腔的出口管路上；氧气进气管路分为2路，其中1路直接与氧气腔的进口连通，且该路上设置有第一电磁阀d1；另一路依次串联第五电磁阀d5、压力水箱、第六电磁阀d6后，与氧气腔的出口管路连通，第三压力传感器p3设置在该管路上，且第三电磁阀d3位于压力水箱与第六电磁阀d6之间；第三电磁阀d3通过氧气出气管路与氧气腔的出口连通；第一压力传感器p1设置在氧气腔的出口管路上；压力水箱与水腔的出水口连接；压力水箱依次串联泵、换热器后与水腔的进水口连通；温度传感器t设置在水腔的进水口处。
33.产物水循环利用系统的工作过程为：
34.正常工作时，第一电磁阀d1和第二电磁阀d2常开；
35.氧气通过第一电磁阀d1进入氧气腔，并通过第一压力传感器p1监控氧气的压力；
36.氢气通过第二电磁阀d2进入氢气腔，并通过第二压力传感器p2监控氢气的压力；
37.压力水箱提供循环水，在泵的作用下，循环水通过换热器进入水腔，并从水腔流回压力水箱中，并通过温度传感器t监测循环水的温度；
38.氢气和氧气在静态排水燃料电池电堆内发生电化学反应，生成产物水的同时对外供电，循环水运行过程中将产物水带出并存储在水箱，实现燃料电池产物水回收；
39.通过第三电磁阀d3间歇排出未反应的氧气；通过第四电磁阀d4间歇排出未反应氢气；通过第五电磁阀d5和第六电磁阀d6控制压力水箱的压力，并通过第三压力传感器p3监测循环水箱内气体压力，保证正常运行。
40.如图2所示，静态排水燃料电池电堆包括2个端板1、2个集流板2n+1个静态排水双极板3和n个膜电极4；其中，2个端板1板面相对放置；2个集流板2板面相对放置，且2个集流板2位于2个端板1的之间；n+1个静态排水双极板3和n个膜电极4交错间隔放置在2个集流板2之间，且最外端的2个静态排水双极板3分别与2个集流板2相邻；2个端板1、2个集流板2n+1个静态排水双极板3和n个膜电极4依次紧贴，并通过密封圈密封。n为正整数，且n大于等于2。
41.每个膜电极4其中一个侧面与相邻的静态排水双极板3之间围成氢气腔；膜电极4
另一个侧面与相邻的静态排水双极板3之间围成氧气腔；静态排水双极板3的内部设置有水腔。n个氢气腔位于n个膜电极4的相同侧面；n个氧气腔位于n个膜电极4的相同侧面。
42.氢气在氢气腔发生氧化反应后，生成氢离子；氢离子穿过膜电极4与另一侧的氧气发生还原反应，生成产物水；产物水渗入到静态排水双极板3内部的水腔中，通过循环水排出至压力水箱。
43.产物水在水腔内外压力差和毛细作用下，穿过静态排水双极板3的外壳进入水腔中。静态排水双极板3采用微孔金属板、微孔膜或nafion膜，实现隔绝氢气和氧气。
44.产物水循环利用系统的产物水回收利用率大于95％。
45.本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。技术特征：
1.一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：包括静态排水燃料电池电堆、第一电磁阀d1、第二电磁阀d2、第三电磁阀d3、第四电磁阀d4、第五电磁阀d5、第六电磁阀d6、第一压力传感器p1、第二压力传感器p2、第三压力传感器p3、温度传感器t、泵、换热器和压力水箱；其中，静态排水燃料电池电堆内部设置有氢气腔、氧气腔和水腔；第二电磁阀d2通过氢气进气管路与氢气腔的进口连通；第四电磁阀d4通过氢气出气管路与氢气腔的出口连通；第二压力传感器p2设置在氢气腔的出口管路上；氧气进气管路分为2路，其中1路直接与氧气腔的进口连通，且该路上设置有第一电磁阀d1；另一路依次串联第五电磁阀d5、压力水箱、第六电磁阀d6后，与氧气腔的出口管路连通，第三压力传感器p3设置在该管路上，且第三电磁阀d3位于压力水箱与第六电磁阀d6之间；第三电磁阀d3通过氧气出气管路与氧气腔的出口连通；第一压力传感器p1设置在氧气腔的出口管路上；压力水箱与水腔的出水口连接；压力水箱依次串联泵、换热器后与水腔的进水口连通；温度传感器t设置在水腔的进水口处。2.根据权利要求1所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：所述产物水循环利用系统的工作过程为：正常工作时，第一电磁阀d1和第二电磁阀d2常开；氧气通过第一电磁阀d1进入氧气腔，并通过第一压力传感器p1监控氧气的压力；氢气通过第二电磁阀d2进入氢气腔，并通过第二压力传感器p2监控氢气的压力；压力水箱提供循环水，在泵的作用下，循环水通过换热器进入水腔，并从水腔流回压力水箱中，并通过温度传感器t监测循环水的温度；氢气和氧气在静态排水燃料电池电堆内发生电化学反应，生成产物水的同时对外供电，循环水运行过程中将产物水带出并存储在水箱，实现燃料电池产物水回收；通过第三电磁阀d3间歇排出未反应的氧气；通过第四电磁阀d4间歇排出未反应氢气；通过第五电磁阀d5和第六电磁阀d6控制压力水箱的压力，并通过第三压力传感器p3监测循环水箱内气体压力，保证正常运行。3.根据权利要求2所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：所述静态排水燃料电池电堆包括2个端板(1)、2个集流板(2)n+1个静态排水双极板(3)和n个膜电极(4)；其中，2个端板(1)板面相对放置；2个集流板(2)板面相对放置，且2个集流板(2)位于2个端板(1)的之间；n+1个静态排水双极板(3)和n个膜电极(4)交错间隔放置在2个集流板(2)之间，且最外端的2个静态排水双极板(3)分别与2个集流板(2)相邻；2个端板(1)、2个集流板(2)n+1个静态排水双极板(3)和n个膜电极(4)依次紧贴，并通过密封圈密封。4.根据权利要求3所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：所述n为正整数，且n大于等于2。5.根据权利要求4所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：每个膜电极(4)其中一个侧面与相邻的静态排水双极板(3)之间围成氢气腔；膜电极(4)另一个侧面与相邻的静态排水双极板(3)之间围成氧气腔；静态排水双极板(3)的内部设置有水腔。6.根据权利要求5所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：n个氢气腔位于n个膜电极(4)的相同侧面；n个氧气腔位于n个膜电极(4)的相同侧面。7.根据权利要求6所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：氢
气在氢气腔发生氧化反应后，生成氢离子；氢离子穿过膜电极(4)与另一侧的氧气发生还原反应，生成产物水；产物水渗入到静态排水双极板(3)内部的水腔中，通过循环水排出至压力水箱。8.根据权利要求7所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：所述产物水在水腔内外压力差和毛细作用下，穿过静态排水双极板(3)的外壳进入水腔中。9.根据权利要求8所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：所述静态排水双极板(3)采用微孔金属板、微孔膜或nafion膜，实现隔绝氢气和氧气。10.根据权利要求8所述的一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，其特征在于：所述产物水循环利用系统的产物水回收利用率大于95％。
技术总结
本实用新型涉及一种新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统，属于宇航应用燃料电池领域；包括静态排水燃料电池电堆、第一电磁阀D1、第二电磁阀D2、第三电磁阀D3、第四电磁阀D4、第五电磁阀D5、第六电磁阀D6、第一压力传感器P1、第二压力传感器P2、第三压力传感器P3、温度传感器T、泵、换热器和压力水箱；其中，静态排水燃料电池电堆内部设置有氢气腔、氧气腔和水腔；本实用新型可以实现氢氧燃料电池产物水循环回收，从而实现水资源的回收再利用的目的，达到能源综合利用的效果。到能源综合利用的效果。到能源综合利用的效果。
技术研发人员：冯磊 文陈 王景润 白晶莹 崔庆新 万成安 李思振
受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2022/6/3
声明：
“新型氢氧燃料电池产物水循环利用系统的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：北京卫星制造厂有限公司
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2024年08月30日 ~ 09月01日 
