CN100347894C - 燃料电池无动力消耗氢气循环方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适合中低压运行的燃料电池无动力消耗氢气循环方法与装置。该方法是储氢罐中的高压氢气进入氢气循环压缩泵驱动端，并带动氢气循环压缩泵的活塞运动，高压氢气在推动活塞运动一定的位置后，进入缓冲罐，随后进入燃料电池堆，经燃料电池堆反应后的过量氢气和反应生成的水同时进入水氢分离器，再进入氢气循环压缩泵的压缩端，经氢气循环压缩泵增压，增压后的氢气再进入缓冲罐，并与来自氢气循环压缩泵驱动端排放的氢气进行混合。该装置包括储氢罐、氢气循环压缩泵、缓冲罐、燃料电池堆、水氢分离器。本发明利用高压氢气作为驱动气体，不需要外界的附加动力驱动，适合中低压操作，结构简单，造价较低。

Description

燃料电池无动力消耗氢气循环方法及其装置
技术领域
本发明涉及燃料电池的辅助装置，具体是一种适合中低压运行的燃料电池无动力消耗氢气循环方法及装置。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种通过电化学反应直接把燃料(主要是氢气)的化学能转换成电能的发电装置，其核心部件是膜电极(MEA)，它由质子交换膜以及膜两面夹两张多孔性能导电材料组成。膜和导电材料的两边界面上均匀分布有细小的电化学反应的催化剂，如催化剂为负载Pt(阴极)和负载Pt-Ru(阳极)。膜电极两边可用导电材料将化学反应生成的电子引出，形成电流回路。
质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)中，阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应：H2→2H++2e。该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经电解质膜到达阴极，与阴极氧化剂(通常为氧气)发生反应生成水，生成的水不稀释电解质，通过电极随反应尾气排出。
为了保证燃料电池的正常、稳定运行，燃料电池堆中的大量反应物水需要排到电池外部。为了将燃料氢气充分利用，又能将燃料电池堆的反应物水安全带出，一般采用一种氢气循环压缩泵，通过过量氢气将反应水带出，而过量氢气又循环使用。
目前，包括加拿大的Ballard power System Inc.所设计的燃料电池堆一般在压力下运行，运行空气与氢气的相对压力一般在1bar以上；其主要特点是燃料电池堆进出口空气之间压差，以及燃料电池进出口氢气之间压差大约在0.2～0.4bar之间。对于较高压力运行的燃料电池堆，由于进燃料电池堆的流体需要克服燃料电池堆内部的阻力而产生了较大的进、出口流体压力差，使氢气循环压缩泵的应用要求上产生了如下的缺点：
(1)氢气循环压缩泵一般是容积式的流体泵，如隔膜式氢气压缩泵，这种泵可以在泵的吸入口与出口达到较大的氢气压力差。
(2)该容积式的流体压缩泵在循环较大流量的氢气时(如几百升/分钟流量)需要消耗较大的功率。
(3)该容积式的流体压缩泵噪声较大，而且不易密封，容易产生氢气泄漏。
另外，美国US Patent 5441821的弹谢泵的技术，其原理为当氢气快速通过狭窄通道时，产生一定的真空抽吸作用，把多余的氢气从燃料电池堆排出口循环回来。但采用这种技术有一下缺点：
(1)弹谢泵的加工要求很高，而且每种加工的弹谢泵只能在特定的工作条件下工作，通用性小。
(2)弹谢泵只能在高压气体快速流动时才会出现吸回一定流量的返回氢气，也只适合于高压运行的燃料电池，适用范围窄。
中国专利03141478.9技术利用管路风机来实现氢气循环，具有如下缺点：
(1)氢气循环风机需要外动力推动，增加了动力消耗。
(2)提供的燃料电池的氢气进出口之间循环风压比较低。
(3)氢气循环风机要进行轴承密封，增加难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适合中低压运行的燃料电池无动力消耗氢气循环方法。
本发明的另一目的在于提供一种燃料电池无动力消耗氢气循环，该装置其结构简单、不消耗外动力。
本发明通过如下技术方案实现：
一种燃料电池无动力消耗氢气循环的方法，来自储氢罐中的高压氢气通过控制阀减压，进入氢气循环压缩泵驱动端，并带动氢气循环压缩泵的活塞运动，高压氢气在推动活塞运动一定的位置后，氢气进入缓冲罐，随后进入燃料电池堆，经燃料电池堆反应后的过量氢气和反应生成的水同时进入水氢分离器，实现两者的分离，分离后低压氢气进入氢气循环压缩泵的压缩端，经氢气循环压缩泵增压，增压后的氢气再进入缓冲罐，并与来自氢气循环压缩泵驱动端排放的氢气进行混合。所述的进入燃料电池的氢气流量范围为0-500L/min。所述的燃料电池的氢气进口压力与出口压力差小于1bar。
燃料电池无动力消耗氢气循环装置，包括储氢罐、燃料电池堆、水氢分离器，控制阀，储氢罐通过控制阀与氢气循环压缩泵连接，燃料电池堆的出口与水氢分离器进口连接；所述装置还包括氢气循环压缩泵和缓冲罐，所述氢气循环压缩泵驱动端的氢气进口通过控制阀与储氢罐连接，氢气循环压缩泵驱动端的出口通过控制阀与缓冲罐的进口连接，所述氢气循环压缩泵的压缩端的进口与水氢分离器的出口连接，氢气循环压缩泵的压缩端的出口与缓冲罐的进口连接；缓冲罐的出口通过控制阀与燃料电池堆的进口连接。
为进一步实现本发明的目的，本发明的装置还包括氢气压力表，氢气压力表分别安装在储氢罐与氢气循环压缩泵，氢气循环压缩泵与缓冲罐，燃料电池堆与水氢分离器之间的管道上。
所述氢气循环压缩泵是容积式泵，其驱动气体为高压氢气；被驱动介质是压缩氢气；驱动氢气和被驱动氢气隔开，两者之间无泄漏或微泄漏。所述的氢气循环压缩泵是采用工程塑料、不锈钢材料制造。
本发明与现有技术相比具有如下优点：利用高压氢气驱动循环压缩泵，不需要外界的附加动力驱动，适合中低压操作，结构简单，造价较低。
附图说明
图1是本发明的适合中低压运行的燃料电池无动力消耗氢气循环装置结构示意图，图中：1是储氢罐，2是氢气循环压缩泵，3是缓冲罐，4是燃料电池堆，5是水氢分离器，6是氢气压力表，7是控制阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但实施例表示的范围不是对本发明要求保护的范围的限制。
图1是本发明的适合中低压运行的燃料电池无动力消耗氢气循环装置结构示意图。如图1所示，储氢罐1通过控制阀7与氢气循环压缩泵2驱动端进口连接；氢气压力表6设在储氢罐1与控制阀7之间；氢气循环压缩泵2驱动端出口通过控制阀7与缓冲罐3进口连接；氢气压力表6设在缓冲罐3与控制阀7之间；缓冲罐3的进口分别跟氢气循环压缩泵2驱动端出口、氢气循环压缩泵2压缩端出口和燃料电池堆4的进口连接；缓冲罐3的出口通过控制阀7与燃料电池堆4的进口连接；水氢分离器5的进口与燃料电池堆4的氢气出口连接，其出口与氢气循环压缩泵2压缩端的进口连接；氢气压力表6设在水氢分离器5与燃料电池堆4之间。
本实施例中，氢气循环压缩泵2是容积式泵，其驱动气体为高压氢气；被驱动介质是压缩氢气；驱动氢气和被驱动氢气隔开，两者之间无泄漏或微泄漏。采用工程塑料或者不锈钢材料制造。目前，有市售的空气循环泵，一般采用压缩空气作为驱动力，对循环空气进行压缩。本实施例应用现有空气循环泵，实现对氢气进行压缩。
本实施例中，缓冲罐3是现有化工中常用气体混合缓冲装置，其目的是实现来自氢气循环压缩泵2驱动端出口的较高压氢气与来自氢气循环压缩泵2压缩端出口相对低压的氢气混合均匀。
应用时，储氢罐1中的高压氢气通过控制阀7减压，进入氢气循环压缩泵驱动端，并带动氢气循环压缩泵2的活塞运动，高压氢气在推动活塞运动一定的位置后，进入缓冲罐3，随后进入燃料电池堆4，燃料电池堆4反应后的过量氢气和反应生成的水同时进入水氢分离器5实现两者的分离，分离后低压氢气进入氢气循环压缩泵2的压缩端，由于高压氢气的驱动带动氢气循环压缩泵2的活塞运动，实现循环氢气的增压，增压后的氢气再进入缓冲罐3，并与来自氢气循环压缩泵2驱动端排放的氢气进行混合。进入燃料电池的氢气流量范围为0-500L/min。的燃料电池的氢气进口压力与出口压力差小于1bar。
与现有技术相比，本实施例利用高压氢气作为氢气循环压缩泵驱动力，不需要外界的附加动力(气动、电动等)驱动，适合中低压操作，结构简单，造价较低。

Claims (7)

1、一种燃料电池无动力消耗氢气循环的方法，其特征在于，来自储氢罐中的高压氢气通过控制阀减压，进入氢气循环压缩泵驱动端，并带动氢气循环压缩泵的活塞运动，高压氢气在推动活塞运动一定的位置后，氢气进入缓冲罐，随后进入燃料电池堆，经燃料电池堆反应后的过量氢气和反应生成的水同时进入水氢分离器，实现两者的分离，分离后低压氢气进入氢气循环压缩泵的压缩端，经氢气循环压缩泵增压，增压后的氢气再进入缓冲罐，并与来自氢气循环压缩泵驱动端排放的氢气进行混合。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的进入燃料电池的氢气流量范围为0-500L/min。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的燃料电池的氢气进口压力与出口压力差小于1bar。
4、一种实现权利要求1所述方法的燃料电池无动力消耗氢气循环装置，包括储氢罐，燃料电池堆，水氢分离器，控制阀，燃料电池堆的出口与水氢分离器进口连接；其特征在于，所述装置还包括氢气循环压缩泵和缓冲罐，所述氢气循环压缩泵驱动端的氢气进口通过控制阀与储氢罐连接，氢气循环压缩泵驱动端的出口通过控制阀与缓冲罐的进口连接，所述氢气循环压缩泵的压缩端的进口与水氢分离器的出口连接，氢气循环压缩泵的压缩端出口与缓冲罐的进口连接；缓冲罐的出口通过控制阀与燃料电池堆的进口连接。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述氢气循环压缩泵是容积式泵，其驱动气体为高压氢气；被驱动介质是压缩氢气；驱动氢气和被驱动氢气隔开，两者之间无泄漏或微泄漏。
6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的氢气循环压缩泵是采用工程塑料、不锈钢材料制造。
7、根据权利要求4所述的装置，其特征在所述装置还包括氢气压力表，所述氢气压力表分别安装在储氢罐与氢气循环压缩泵，氢气循环压缩泵与缓冲罐，燃料电池与水氢分离器之间的管道上。
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