CN100361334C - 一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、储氢装置、减压阀、空气过滤装置、空气压缩供应装置、氢气水－汽分离器、空气水－汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、氢循环泵、氢气增湿装置、空气增湿装置、氢稳压阀、排水排氢电磁阀、单向阀，所述的空气水－汽分离器设有空气排放管，所述的单向阀设在排水排氢电磁阀后面延续的管道上，所述的单向阀后再延续一段管道，该管道延伸深入到上述空气排放管中。与现有技术相比，本发明具有结构合理、使用安全等特点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢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发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。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体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板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流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车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池可用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。
图1为燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆；2为储氢瓶或其他储氢装置；3为减压阀；4为空气过滤装置；5为空气压缩供应装置；6为氢气水-汽分离器、6’为空气水-汽分离器；7为水箱；8为冷却流体循环泵；9为散热器；10为氢循环泵；11、12为增湿装置；13为氢稳压阀；14为排水、排氢电磁阀。
为了保证燃料电池发电系统的运行性能稳定性，燃料电池发电系统的氢气燃料供应与循环回路子系统中必须保证纯度很高的燃料氢气均匀、充足地供应给燃料电池发电系统中地燃料电池堆中的每个单电池。并且，保证每个单电池氢气侧氢气导流槽中不堵水。为了达到上述目的，现行的技术采用一个排水、排氢的电磁阀14，如图1所示，该电磁阀每间隔一段时间将开启一次，以保证以下功能作用：
(1)有利于燃料电池堆中氢气侧排水，防止堵水发生。因为当该电磁阀14打开时，燃料电池堆中的氢侧氢气运行压力高于外部大气压，燃料电池堆的氢气出口氢气将以较快的流速，从该电磁阀排出，并携带出电堆中氢侧及水器分离器中的水。
(2)一般来说燃料氢气纯度不可能是100％。主要含有极微量的氮气等杂质气体。当燃料电池发电系统工作时间较长时，由于大量氢气的输入与长时间循环，会积累一定量的杂质气体，而且随着运行时间越长，积累的杂质气体浓度也越高，不利于燃料电池发电系统的性能稳定，所以电磁阀14也需要打开排出一定量的氢气内含的杂质气体。
目前电磁阀14在开启时一般会持续时间0.1-2秒，所以排出的氢气量也较大。氢气直接排入到大气中是较危险的。在排放的周围有起爆能超过氢气爆炸的起爆能时，都会引起在大气中爆炸、燃烧。由于氢气起爆能很低，任何烟火、静电都可以引起上述事故。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构合理、使用安全的带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、储氢装置、减压阀、空气过滤装置、空气压缩供应装置、氢气水-汽分离器、空气水-汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、氢循环泵、氢气增湿装置、空气增湿装置、氢稳压阀、排水排氢电磁阀，所述的空气水-汽分离器设有空气排放管，其特征在于，还包括单向阀，该单向阀设在排水排氢电磁阀后面延续的管道上，所述的单向阀后再延续一段管道，该管道延伸深入到上述空气排放管中。
所述的单向阀为低气阻单向阀。
所述的单向阀后续管道垂直延伸插入空气排放管中。
所述的单向阀后续管道插入空气排放管中的端部设有一弯头，该弯头朝向空气排放管中的空气流向。
所述的单向阀后续管道以与空气排放管中空气流向呈锐角延伸插入空气排放管中。
所述的空气排放管的直径比延伸进来的单向阀后续管道直径大得多。
所述的排水排氢电磁阀在燃料电池发电系统运行时，并在空气排放管中有大量空气排出后开启。
本发明由于采用了以上技术方案，因此使得氢气的排放不会引起任何爆炸、燃烧的事故，有利于安全运行。
附图说明
图1为现有燃料电池发电系统的示意图；
图2为本发明系统中氢气间歇性安全排放装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1、图2所示，一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆1、储氢装置2、减压阀3、空气过滤装置4、空气压缩供应装置5、氢气水-汽分离器6、空气水-汽分离器6’、水箱7、冷却流体循环泵8、散热器9、氢循环泵10、氢气增湿装置11、空气增湿装置12、氢稳压阀13、排水排氢电磁阀14，低气阻单向阀15，所述的空气水-汽分离器6’设有空气排放管16，所述的单向阀15设在排水排氢电磁阀14后面延续的管道17上，所述的单向阀15后再延续一段管道18，该管道18垂直延伸深入到上述空气水一汽分离器的空气排放管16中。
本实施例连接电磁阀14、单向阀15及深入到空气排放管16中的管子均为不锈钢管，管径内径为10mm，空气排放管16也为不锈钢管，管径内径为60mm。电磁阀14每隔5分钟排放一次，排放持续时间为1秒。经试验，在空气排放管末端放置火苗，任何情况下不发生燃烧、爆炸。
本实施例将氢气排放电磁阀后面再延续管道，并随后再设置一个阻力很小的单向阀15，单向阀后而再延续一段管道，并延伸深入到燃料电池发电系统中的空气排放管中。一般来说空气排放管的直径比延伸进来的氢气排放管道直径大得多，所以不影响空气排放，不构成空气排放的流动阻力。
氢气排放电磁阀只有在燃料电池发电系统运行时才有可能开启。也就是说，任何打开排放氢气时，燃料电池发电系统中的空气排放管都有大量的过量湿空气与大量的除去氧气后的湿氮气及液态水排出，当氢气排入到这种氧气浓度很低的湿态氮气中时，不但氢气浓度很快被高速流动的上述混合气体稀释，而且在遇到任何引爆物、引爆条件时，由于氧气浓度低，不会引起燃烧、爆炸。
实施例2
如图1、图2所示，一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，该系统结构基本与实施例1相同，不同之处在于单向阀15后续管道18插入空气排放管16中的端部设有一弯头19，该弯头19朝向空气排放管中的空气流向(图2中箭头所指方向)。
实施例3
如图1、图2所示，一种带有氧气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，该系统结构基本与实施例1相同，不同之处在于单向阀15后续管道18以与空气排放管16中空气流向呈60度或30度锐角延伸插入空气排放管16中(图未示)。
实施例4
如图1、图2所示，一种带有氢气间歇性安全排放装置的50千瓦燃料电池发电系统，用作燃料电池车用发动机。本实施例的发电系统结构与实施例1相同。其中，连接电磁阀14、单向阀15及深入到空气排放管16中的管子均为不锈钢管，管径内径为10mm，空气排放管16也为不锈钢管，管径内径为60mm。电磁阀14每隔8分钟排放一次，排放持续时间为1.5秒。经试验，在空气排放管末端放置火苗，任何情况下不发生燃烧、爆炸。
Claims (5)
1.一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、储氢装置、减压阀、空气过滤装置、空气压缩供应装置、氢气水-汽分离器、空气水-汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、氢循环泵、氢气增湿装置、空气增湿装置、氢稳压阀、排水排氢电磁阀，所述的空气水-汽分离器设有空气排放管，其特征在于，还包括单向阀，该单向阀设在排水排氢电磁阀后面延续的管道上，所述的单向阀后再延续一段管道，该管道延伸深入到上述空气排放管中；所述的空气排放管的直径比延伸进来的单向阀后续管道直径大得多；所述的排水排氢电磁阀在燃料电池发电系统运行时，并在空气排放管中有大量空气排出后开启。
2.根据权利要求1所述的一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的单向阀为低气阻单向阀。
3.根据权利要求1所述的一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的单向阀后续管道垂直延伸插入空气排放管中。
4.根据权利要求3所述的一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的单向阀后续管道插入空气排放管中的端部设有一弯头，该弯头朝向空气排放管中的空气流向。
5.根据权利要求1所述的一种带有氢气间歇性安全排放装置的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的单向阀后续管道以与空气排放管中空气流向呈锐角延伸插入空气排放管中。
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