1.本實(shí)用新型屬于宇航應(yīng)用燃料電池領(lǐng)域，涉及一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2.質(zhì)子交換膜燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有高比能量、比功率、無污染、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)原料來源豐富，可廣泛應(yīng)用于汽車、無人機(jī)、航天器、潛艇、便攜式移動設(shè)備等。

3.燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)物水在電堆陰極生成，因此電堆陰極流道內(nèi)的介質(zhì)主要以氣液兩相流存在，液態(tài)水如果不及時排出會積累在流道內(nèi)阻礙氣體發(fā)生反應(yīng)，從而降低電堆輸出性能，因此需要將生成水及時排出流道并且回收利用。商業(yè)燃料電池通常采用壓縮空氣或循環(huán)氧氣將生成水吹出電堆內(nèi)部，因此回收產(chǎn)物水需要在輔助系統(tǒng)內(nèi)增加循環(huán)泵、重力式水氣分離器等部件，造成燃料電池輔助系統(tǒng)復(fù)雜、內(nèi)耗較高、可靠性低等問題，同時整個系統(tǒng)不適用于空間微重力環(huán)境。

4.空間環(huán)境水資源是寶貴資源，燃料電池的產(chǎn)物水可以當(dāng)成可再生資源重復(fù)利用，為實(shí)現(xiàn)高效水循環(huán)水回收利用，需要設(shè)計(jì)燃料電池電堆材料及結(jié)構(gòu)、燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)回收管理策略與系統(tǒng)控制方法。而目前并沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)回收，從而實(shí)現(xiàn)水資源的回收再利用的目的，達(dá)到能源綜合利用的效果。

6.本實(shí)用新型解決技術(shù)的方案是：

7.一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，包括靜態(tài)排水燃料電池電堆、第一電磁閥d1、第二電磁閥d2、第三電磁閥d3、第四電磁閥d4、第五電磁閥d5、第六電磁閥d6、第一壓力傳感器p1、第二壓力傳感器p2、第三壓力傳感器p3、溫度傳感器t、泵、換熱器和壓力水箱；其中，靜態(tài)排水燃料電池電堆內(nèi)部設(shè)置有氫氣腔、氧氣腔和水腔；

8.第二電磁閥d2通過氫氣進(jìn)氣管路與氫氣腔的進(jìn)口連通；第四電磁閥d4通過氫氣出氣管路與氫氣腔的出口連通；第二壓力傳感器p2設(shè)置在氫氣腔的出口管路上；氧氣進(jìn)氣管路分為2路，其中1路直接與氧氣腔的進(jìn)口連通，且該路上設(shè)置有第一電磁閥d1；另一路依次串聯(lián)第五電磁閥d5、壓力水箱、第六電磁閥d6后，與氧氣腔的出口管路連通，第三壓力傳感器p3設(shè)置在該管路上，且第三電磁閥d3位于壓力水箱與第六電磁閥d6之間；第三電磁閥d3通過氧氣出氣管路與氧氣腔的出口連通；第一壓力傳感器p1設(shè)置在氧氣腔的出口管路上；壓力水箱與水腔的出水口連接；壓力水箱依次串聯(lián)泵、換熱器后與水腔的進(jìn)水口連通；溫度傳感器t設(shè)置在水腔的進(jìn)水口處。

9.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，所述產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)

的工作過程為：

10.正常工作時，第一電磁閥d1和第二電磁閥d2常開；

11.氧氣通過第一電磁閥d1進(jìn)入氧氣腔，并通過第一壓力傳感器p1監(jiān)控氧氣的壓力；

12.氫氣通過第二電磁閥d2進(jìn)入氫氣腔，并通過第二壓力傳感器p2監(jiān)控氫氣的壓力；

13.壓力水箱提供循環(huán)水，在泵的作用下，循環(huán)水通過換熱器進(jìn)入水腔，并從水腔流回壓力水箱中，并通過溫度傳感器t監(jiān)測循環(huán)水的溫度；

14.氫氣和氧氣在靜態(tài)排水燃料電池電堆內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物水的同時對外供電，循環(huán)水運(yùn)行過程中將產(chǎn)物水帶出并存儲在水箱，實(shí)現(xiàn)燃料電池產(chǎn)物水回收；

15.通過第三電磁閥d3間歇排出未反應(yīng)的氧氣；通過第四電磁閥d4間歇排出未反應(yīng)氫氣；通過第五電磁閥d5和第六電磁閥d6控制壓力水箱的壓力，并通過第三壓力傳感器p3監(jiān)測循環(huán)水箱內(nèi)氣體壓力，保證正常運(yùn)行。

16.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，所述靜態(tài)排水燃料電池電堆包括2個端板、2個集流板n+1個靜態(tài)排水雙極板和n個膜電極；其中，2個端板板面相對放置；2個集流板板面相對放置，且2個集流板位于2個端板的之間；n+1個靜態(tài)排水雙極板和n個膜電極交錯間隔放置在2個集流板之間，且最外端的2個靜態(tài)排水雙極板分別與2個集流板相鄰；2個端板、2個集流板n+1個靜態(tài)排水雙極板和n個膜電極依次緊貼，并通過密封圈密封。

17.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，所述n為正整數(shù)，且n大于等于2。

18.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，每個膜電極其中一個側(cè)面與相鄰的靜態(tài)排水雙極板之間圍成氫氣腔；膜電極另一個側(cè)面與相鄰的靜態(tài)排水雙極板之間圍成氧氣腔；靜態(tài)排水雙極板的內(nèi)部設(shè)置有水腔。

19.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，n個氫氣腔位于n個膜電極的相同側(cè)面；n個氧氣腔位于n個膜電極的相同側(cè)面。

20.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，氫氣在氫氣腔發(fā)生氧化反應(yīng)后，生成氫離子；氫離子穿過膜電極與另一側(cè)的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成產(chǎn)物水；產(chǎn)物水滲入到靜態(tài)排水雙極板內(nèi)部的水腔中，通過循環(huán)水排出至壓力水箱。

21.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，所述產(chǎn)物水在水腔內(nèi)外壓力差和毛細(xì)作用下，穿過靜態(tài)排水雙極板的外殼進(jìn)入水腔中。

22.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，所述靜態(tài)排水雙極板采用微孔金屬板、微孔膜或nafion膜，實(shí)現(xiàn)隔絕氫氣和氧氣。

23.在上述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，所述產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)的產(chǎn)物水回收利用率大于95％。

24.本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

25.(1)本實(shí)用新型的氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)不需要?dú)怏w引射器和氣體循環(huán)泵，減輕了輔助系統(tǒng)的復(fù)雜程度和重量，可應(yīng)用于空間微重力環(huán)境能源綜合利用；

26.(2)本實(shí)用新型可以將燃料電池產(chǎn)物水及時收集，省略了常規(guī)燃料電池分水器、氣體循環(huán)泵和引射器等元器件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)物水回收利用率可高達(dá)95％以上。

附圖說明

27.圖1為本實(shí)用新型產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)示意；

28.圖2為本實(shí)用新型靜態(tài)排水燃料電池電堆結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

29.下面結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。

30.本實(shí)用新型提供一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)不需要?dú)怏w引射器和氣體循環(huán)泵，減輕了輔助系統(tǒng)的復(fù)雜程度和重量，同時產(chǎn)物水回收利用率高達(dá)95％以上，可應(yīng)用于空間微重力環(huán)境能源綜合利用。

31.新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，如圖1所示，具體包括靜態(tài)排水燃料電池電堆、第一電磁閥d1、第二電磁閥d2、第三電磁閥d3、第四電磁閥d4、第五電磁閥d5、第六電磁閥d6、第一壓力傳感器p1、第二壓力傳感器p2、第三壓力傳感器p3、溫度傳感器t、泵、換熱器和壓力水箱；其中，靜態(tài)排水燃料電池電堆內(nèi)部設(shè)置有氫氣腔、氧氣腔和水腔；

32.第二電磁閥d2通過氫氣進(jìn)氣管路與氫氣腔的進(jìn)口連通；第四電磁閥d4通過氫氣出氣管路與氫氣腔的出口連通；第二壓力傳感器p2設(shè)置在氫氣腔的出口管路上；氧氣進(jìn)氣管路分為2路，其中1路直接與氧氣腔的進(jìn)口連通，且該路上設(shè)置有第一電磁閥d1；另一路依次串聯(lián)第五電磁閥d5、壓力水箱、第六電磁閥d6后，與氧氣腔的出口管路連通，第三壓力傳感器p3設(shè)置在該管路上，且第三電磁閥d3位于壓力水箱與第六電磁閥d6之間；第三電磁閥d3通過氧氣出氣管路與氧氣腔的出口連通；第一壓力傳感器p1設(shè)置在氧氣腔的出口管路上；壓力水箱與水腔的出水口連接；壓力水箱依次串聯(lián)泵、換熱器后與水腔的進(jìn)水口連通；溫度傳感器t設(shè)置在水腔的進(jìn)水口處。

33.產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)的工作過程為：

34.正常工作時，第一電磁閥d1和第二電磁閥d2常開；

35.氧氣通過第一電磁閥d1進(jìn)入氧氣腔，并通過第一壓力傳感器p1監(jiān)控氧氣的壓力；

36.氫氣通過第二電磁閥d2進(jìn)入氫氣腔，并通過第二壓力傳感器p2監(jiān)控氫氣的壓力；

37.壓力水箱提供循環(huán)水，在泵的作用下，循環(huán)水通過換熱器進(jìn)入水腔，并從水腔流回壓力水箱中，并通過溫度傳感器t監(jiān)測循環(huán)水的溫度；

38.氫氣和氧氣在靜態(tài)排水燃料電池電堆內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物水的同時對外供電，循環(huán)水運(yùn)行過程中將產(chǎn)物水帶出并存儲在水箱，實(shí)現(xiàn)燃料電池產(chǎn)物水回收；

39.通過第三電磁閥d3間歇排出未反應(yīng)的氧氣；通過第四電磁閥d4間歇排出未反應(yīng)氫氣；通過第五電磁閥d5和第六電磁閥d6控制壓力水箱的壓力，并通過第三壓力傳感器p3監(jiān)測循環(huán)水箱內(nèi)氣體壓力，保證正常運(yùn)行。

40.如圖2所示，靜態(tài)排水燃料電池電堆包括2個端板1、2個集流板2n+1個靜態(tài)排水雙極板3和n個膜電極4；其中，2個端板1板面相對放置；2個集流板2板面相對放置，且2個集流板2位于2個端板1的之間；n+1個靜態(tài)排水雙極板3和n個膜電極4交錯間隔放置在2個集流板2之間，且最外端的2個靜態(tài)排水雙極板3分別與2個集流板2相鄰；2個端板1、2個集流板2n+1個靜態(tài)排水雙極板3和n個膜電極4依次緊貼，并通過密封圈密封。n為正整數(shù)，且n大于等于2。

41.每個膜電極4其中一個側(cè)面與相鄰的靜態(tài)排水雙極板3之間圍成氫氣腔；膜電極4

另一個側(cè)面與相鄰的靜態(tài)排水雙極板3之間圍成氧氣腔；靜態(tài)排水雙極板3的內(nèi)部設(shè)置有水腔。n個氫氣腔位于n個膜電極4的相同側(cè)面；n個氧氣腔位于n個膜電極4的相同側(cè)面。

42.氫氣在氫氣腔發(fā)生氧化反應(yīng)后，生成氫離子；氫離子穿過膜電極4與另一側(cè)的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成產(chǎn)物水；產(chǎn)物水滲入到靜態(tài)排水雙極板3內(nèi)部的水腔中，通過循環(huán)水排出至壓力水箱。

43.產(chǎn)物水在水腔內(nèi)外壓力差和毛細(xì)作用下，穿過靜態(tài)排水雙極板3的外殼進(jìn)入水腔中。靜態(tài)排水雙極板3采用微孔金屬板、微孔膜或nafion膜，實(shí)現(xiàn)隔絕氫氣和氧氣。

44.產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)的產(chǎn)物水回收利用率大于95％。

45.本實(shí)用新型雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本實(shí)用新型，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本實(shí)用新型技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。技術(shù)特征：

1.一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：包括靜態(tài)排水燃料電池電堆、第一電磁閥d1、第二電磁閥d2、第三電磁閥d3、第四電磁閥d4、第五電磁閥d5、第六電磁閥d6、第一壓力傳感器p1、第二壓力傳感器p2、第三壓力傳感器p3、溫度傳感器t、泵、換熱器和壓力水箱；其中，靜態(tài)排水燃料電池電堆內(nèi)部設(shè)置有氫氣腔、氧氣腔和水腔；第二電磁閥d2通過氫氣進(jìn)氣管路與氫氣腔的進(jìn)口連通；第四電磁閥d4通過氫氣出氣管路與氫氣腔的出口連通；第二壓力傳感器p2設(shè)置在氫氣腔的出口管路上；氧氣進(jìn)氣管路分為2路，其中1路直接與氧氣腔的進(jìn)口連通，且該路上設(shè)置有第一電磁閥d1；另一路依次串聯(lián)第五電磁閥d5、壓力水箱、第六電磁閥d6后，與氧氣腔的出口管路連通，第三壓力傳感器p3設(shè)置在該管路上，且第三電磁閥d3位于壓力水箱與第六電磁閥d6之間；第三電磁閥d3通過氧氣出氣管路與氧氣腔的出口連通；第一壓力傳感器p1設(shè)置在氧氣腔的出口管路上；壓力水箱與水腔的出水口連接；壓力水箱依次串聯(lián)泵、換熱器后與水腔的進(jìn)水口連通；溫度傳感器t設(shè)置在水腔的進(jìn)水口處。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：所述產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)的工作過程為：正常工作時，第一電磁閥d1和第二電磁閥d2常開；氧氣通過第一電磁閥d1進(jìn)入氧氣腔，并通過第一壓力傳感器p1監(jiān)控氧氣的壓力；氫氣通過第二電磁閥d2進(jìn)入氫氣腔，并通過第二壓力傳感器p2監(jiān)控氫氣的壓力；壓力水箱提供循環(huán)水，在泵的作用下，循環(huán)水通過換熱器進(jìn)入水腔，并從水腔流回壓力水箱中，并通過溫度傳感器t監(jiān)測循環(huán)水的溫度；氫氣和氧氣在靜態(tài)排水燃料電池電堆內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物水的同時對外供電，循環(huán)水運(yùn)行過程中將產(chǎn)物水帶出并存儲在水箱，實(shí)現(xiàn)燃料電池產(chǎn)物水回收；通過第三電磁閥d3間歇排出未反應(yīng)的氧氣；通過第四電磁閥d4間歇排出未反應(yīng)氫氣；通過第五電磁閥d5和第六電磁閥d6控制壓力水箱的壓力，并通過第三壓力傳感器p3監(jiān)測循環(huán)水箱內(nèi)氣體壓力，保證正常運(yùn)行。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：所述靜態(tài)排水燃料電池電堆包括2個端板(1)、2個集流板(2)n+1個靜態(tài)排水雙極板(3)和n個膜電極(4)；其中，2個端板(1)板面相對放置；2個集流板(2)板面相對放置，且2個集流板(2)位于2個端板(1)的之間；n+1個靜態(tài)排水雙極板(3)和n個膜電極(4)交錯間隔放置在2個集流板(2)之間，且最外端的2個靜態(tài)排水雙極板(3)分別與2個集流板(2)相鄰；2個端板(1)、2個集流板(2)n+1個靜態(tài)排水雙極板(3)和n個膜電極(4)依次緊貼，并通過密封圈密封。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：所述n為正整數(shù)，且n大于等于2。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：每個膜電極(4)其中一個側(cè)面與相鄰的靜態(tài)排水雙極板(3)之間圍成氫氣腔；膜電極(4)另一個側(cè)面與相鄰的靜態(tài)排水雙極板(3)之間圍成氧氣腔；靜態(tài)排水雙極板(3)的內(nèi)部設(shè)置有水腔。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：n個氫氣腔位于n個膜電極(4)的相同側(cè)面；n個氧氣腔位于n個膜電極(4)的相同側(cè)面。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：氫

氣在氫氣腔發(fā)生氧化反應(yīng)后，生成氫離子；氫離子穿過膜電極(4)與另一側(cè)的氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成產(chǎn)物水；產(chǎn)物水滲入到靜態(tài)排水雙極板(3)內(nèi)部的水腔中，通過循環(huán)水排出至壓力水箱。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：所述產(chǎn)物水在水腔內(nèi)外壓力差和毛細(xì)作用下，穿過靜態(tài)排水雙極板(3)的外殼進(jìn)入水腔中。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：所述靜態(tài)排水雙極板(3)采用微孔金屬板、微孔膜或nafion膜，實(shí)現(xiàn)隔絕氫氣和氧氣。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，其特征在于：所述產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)的產(chǎn)物水回收利用率大于95％。

技術(shù)總結(jié)

本實(shí)用新型涉及一種新型氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)利用系統(tǒng)，屬于宇航應(yīng)用燃料電池領(lǐng)域；包括靜態(tài)排水燃料電池電堆、第一電磁閥D1、第二電磁閥D2、第三電磁閥D3、第四電磁閥D4、第五電磁閥D5、第六電磁閥D6、第一壓力傳感器P1、第二壓力傳感器P2、第三壓力傳感器P3、溫度傳感器T、泵、換熱器和壓力水箱；其中，靜態(tài)排水燃料電池電堆內(nèi)部設(shè)置有氫氣腔、氧氣腔和水腔；本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)氫氧燃料電池產(chǎn)物水循環(huán)回收，從而實(shí)現(xiàn)水資源的回收再利用的目的，達(dá)到能源綜合利用的效果。到能源綜合利用的效果。到能源綜合利用的效果。

技術(shù)研發(fā)人員：馮磊 文陳 王景潤 白晶瑩 崔慶新 萬成安 李思振

受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京衛(wèi)星制造廠有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.11.22

技術(shù)公布日：2022/6/3