CN100342575C - 一种用于燃料电池的贮氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于燃料电池的贮氢装置，它包括贮氢材料瓶以及设在该贮氢材料瓶外围或内部的传热通道，所述的贮氢材料瓶设有氢气进出口，所述的传热通道设有传热介质进口及出口；与现有技术相比，本发明具有能量综合利用效率高、氢气释放快、结构紧凑等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的辅助装置，尤其涉及一种用于燃料电池的贮氢装置。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流母板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池一般用氢气作燃料，在用作车、船动力系统或移动式、固定式的发电站时，一般用空气作氧化剂。质子交换膜燃料电池用作车、船动力系统或移动式、固定式的发电装置时必须包括电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出各个部分。其中燃料氢气供应与空气供应是必然不可缺少的。
目前质子交换膜燃料电池作为车、船动力系统或移动式、固定式的发电装置得到应用，其中燃料氢气供应必须有氢气源。氢气源可以是采用高压氢气贮气瓶，例如氢气钢瓶、铝内胆碳纤维缠绕、环氧树脂浸渍的贮氢瓶等；也可以用贮氢材料将氢气及贮氢材料一同装在轻质耐压的容器内，贮氢材料贮氢在原理上有将氢气直接吸附在贮氢材料上，也有将氢与贮氢材料通过化学反应固定在贮氢材料中。
从安全及对贮氢容器的耐压、强度考虑，采用贮氢材料贮氢有非常大的优势，而且采用贮氢材料贮氢，在有限的相同氢源体积内比高压气体贮氢的贮氢量大得多。采用贮氢材料贮氢的贮氢瓶内部氢气压力不高，对贮氢瓶材料耐压、强度的要求不太高，并且不会发生爆发性泄漏或燃烧爆炸的事故，是燃料电池产业化理想的氢源。
贮氢材料装在贮氢瓶中，在放出氢气的过程中一般都是吸热过程，而且其放出氢气的速度与吸热的速度有关，吸热速度越快放出氢气速度越快。有些贮氢材料对吸热要求高一些，有些贮氢材料对吸热要求低一些，但都必须有外界热源对贮氢材料供热。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种节能、可加速氢气释放的用于燃料电池的贮氢装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于燃料电池的贮氢装置，包括贮氢材料瓶以及设在该贮氢瓶外围或内部的传热通道，所述的贮氢材料瓶设有氢气进出口，所述的传热通道设有传热介质进口及出口；所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接，所述的贮氢材料瓶的氢气出口与燃料电池堆的氢气进口连接。
所述的设在贮氢材料瓶外围的传热通道为一夹套，所述的贮氢材料瓶设在该夹套中；所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接。
所述的设在贮氢材料瓶内部的传热通道为一圆形直管，所述的贮氢材料瓶包覆在该圆形直管周围，所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接。
所述的设在贮氢材料瓶内部的传热通道为一蛇形盘管，该蛇形盘管从上至下盘绕于贮氢材料瓶内，所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接。
所述的传热介质为从燃料电池排出的热空气或从燃料电池排出的生成水。
所述的传热介质为燃料电池循环冷却流体。
本发明由于采用了以上技术方案，即利用燃料电池排出热气体或热生成水或燃料电池循环冷却流体加热贮氢材料，使贮氢材料的放氢速度加快，因此，该装置能量综合利用效率更高，氢气释放更快，结构更加紧凑。
附图说明
图1为本发明装置与燃料电池堆结合的结构示意图；
图2为本发明装置实施例1的结构示意图；
图3为本发明装置实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，它为本发明装置与燃料电池堆结合的结构示意图，空气输送泵2将常温下的空气经燃料电池堆1的空气入口11进入燃料电池堆进行电化反应，变成热空气后并携带一部分热水蒸汽及水从燃料电池堆的空气出口12出来，并从贮氢材料瓶3外夹套31的空气入口311处进入，达到热空气及热水蒸汽及水对贮氢材料瓶3的加热目的，并使热量传递给贮氢材料瓶3内部装填的贮氢材料4上，最终达到对贮氢材料4加热，加快其放氢速度的目的，最后从贮氢材料瓶3外夹套31空气出口312排出。从贮氢材料瓶3的出口32(进出口相同)出来的氢气通过燃料电池堆1的氢气进口13进入，为燃料电池堆提供燃料。冷却水输送泵5将冷却水从燃料电池堆1的冷却水进口14打入，通过燃料电池堆1后变成热水从其冷却水出口15出来，再经热交换器6冷却后循环使用；也可以将变成的热水从出口15出来，先经贮氢材料瓶3的外夹套入口311进入，从出口312出来，再经热交换器6冷却后循环使用。
实施例1
一种用于燃料电池的贮氢装置，如图2所示，包括贮氢材料瓶1以及设在该贮氢材料瓶1外围的传热夹套2，所述的贮氢材料瓶1设有氢气进出口11，贮氢材料瓶1内设有贮氢材料3，所述的传热夹套2设有传热介质进口21及出口22，传热夹套2内设有传热介质4，该传热介质4为从燃料电池堆(图未示)排出的热空气或循环冷却流体。该装置传热面积大，结构简单，是一种实用节能的贮氢装置。
实施例2
一种用于燃料电池的贮氢装置，如图3所示，包括贮氢材料瓶1以及设在该贮氢材料瓶1内部的传热直管2，所述的贮氢材料瓶1设有氢气进出口11，贮氢材料瓶1内设有贮氢材料3，所述的传热直管2设有传热介质进口21及出口22，传热直管2内设有传热介质4，该传热介质4为从燃料电池堆(图未示)排出的热空气或循环冷却流体。该装置传热直管2通过贮氢材料瓶内部，使传热效果更佳。
实施例3
一种用于燃料电池的贮氢装置，图未示，包括贮氢材料瓶以及设在该贮氢材料瓶内部的传热蛇形盘管，该蛇形盘管从上至下盘绕于贮氢材料瓶内。所述的贮氢材料瓶设有氢气进出口，贮氢材料瓶内设有贮氢材料，所述的传热蛇形盘管设有传热介质进口及出口，传热蛇形盘管内设有传热介质，该传热介质为从燃料电池堆排出的热生成水或循环冷却流体。该装置传热蛇形盘管通过贮氢材料瓶内部，传热面积大，传热效果佳。
Claims (6)
1.一种用于燃料电池的贮氢装置，包括贮氢材料瓶以及设在该贮氢瓶外围或内部的传热通道，所述的贮氢材料瓶设有氢气进出口，所述的传热通道设有传热介质进口及出口；所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接，所述的贮氢材料瓶的氢气出口与燃料电池堆的氢气进口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的贮氢装置，其特征在于，所述的设在贮氢材料瓶外围的传热通道为一夹套，所述的贮氢材料瓶设在该夹套中；所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的贮氢装置，其特征在于，所述的设在贮氢材料瓶内部的传热通道为一圆形直管，所述的贮氢材料瓶包覆在该圆形直管周围，所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的贮氢装置，其特征在于，所述的设在贮氢材料瓶内部的传热通道为一蛇形盘管，该蛇形盘管从上至下盘绕于贮氢材料瓶内，所述的传热介质进口与燃料电池堆的空气出口或循环冷却流体出口连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的贮氢装置，其特征在于，所述的传热介质为从燃料电池排出的热空气或从燃料电池排出的生成水。
6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的贮氢装置，其特征在于，所述的传热介质为燃料电池循环冷却流体。
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