CN100463278C - 一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统及流程 - Google Patents
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Abstract
一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统流程，包括燃料电池、空气系统流程、氢气系统流程和冷却部分流程。空气系统流程元件包括：空气滤清器、空气供给装置(直流调速风机或空压机)、带分水器的空气湿焓转换装置、散热器；氢气系统流程元件包括：高压氢气瓶、常闭两位两通电磁阀、氢气高压减压装置、氢气稳压装置、氢气增湿装置、氢气回流泵、氢气分水器、两位三通电磁阀；冷却系统元件包括水箱、直流调速水泵和散热器。本系统结构简单，效率高，寿命长，适用于车用、船用质子交换膜燃料电池发动机。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统及流程。
背景技术
质子交换膜燃料电池是能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及其产物的装置，是一种高效的、环境友好的发电装置。质子交换膜燃料电池可以作为手提式、移动式、固定式的发电装置，又可以用作一切车、船运载工具的动力系统。车、船用质子交换膜燃料电池氢燃料为纯氢，氧化剂通常为空气。当把氢气和空气分别送入由膜电极(MEA)分开的两个气室，氢气在膜电极(MEA)电催化剂的作用下生成氢离子与电子，电子在外电路输出电流，氢离子透过膜电极(MEA)，在膜电极(MEA)电催化剂的作用下，与空气中的氧气反应生成水，同时得到电子。该反应如下：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
质子交换膜燃料电池发动机的工作方式与内燃机类似，要把化学能转换成电能，必须连续不断地把氢燃料和氧化剂送入电池，并连续排出反应产物水和一定的废热以维持电池物料与热的平衡。所以为维持质子交换膜燃料电池发动机系统连续工作，通常包括空气系统、氢气系统和冷却部分。
质子交换膜燃料电池中的质子交换膜在电池运行的过程中需要有水分子保湿，所以向燃料电池供应空气需要增湿，同时，提高空气的温度，并防止液态水进入电池，能提高质子交换膜燃料电池发电效率和使用寿命。
氢燃料的供应不仅要保持一定的压力，还要进行增湿和保持一定的流速，防止液态水和气体中的杂质在单电池中累计，要进行排气和排水。
目前车、船使用的质子交换膜燃料电池空气系统普遍采用“一种高效燃料电池的空气增湿系统结构”的专利文献(专利号：03232276.3)中所记述的系统，即把空气供给装置放在增湿装置和质子交换摸燃料电池之间，这种系统流程有以下三个缺点：
(1)新鲜空气增湿后，湿气较大，并且含有部分液态水，容易腐蚀空气供给装置，并且由于液态水的存在，使空气供给装置功耗增加。
(2)由于在增湿装置中，新鲜空气为负压，反应废气为正压，容易使反应废气被吸入到新鲜空气中，一起被空气供给装置送入电池，降低了新鲜空气的含氧量，使电池的发电效率降低。
(3)增湿装置无分水部分，液态水将直接进入电池，影响发电效率，降低电池寿命。
目前燃料电池氢气系统流程中，对氢气增湿，通常采用以下两种方式：
(1)水箱里的水，加一个小水泵，把水抽进增湿器中进行增湿。
(2)用一个小风机把部分尾排空气抽进增湿器中进行增湿。
这两种增湿都需要加一个水泵或风机，需耗能。方式(1)水箱中的水有消耗，需从尾排空气中进行回收，使系统复杂，并且很难保证消耗的水和回收的水平衡。方式(2)采用空气中少量的水汽进行增湿，增湿能力较低，效果差。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，并根据质子交换膜燃料电池自身特点及车、船使用条件，提供一种结构简单，效率高，寿命长，维护成本低，适用范围广的车、船用质子交换膜燃料电池系统及流程。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统，包括电池、空气系统、氢气系统和冷却系统。空气系统包括：空气滤清器、空气供给装置、空气湿焓转换装置；氢气系统包括：高压氢气瓶、控制电磁阀、减压装置、稳压装置、氢气增湿装置、氢气回流泵、氢气分水器；冷却系统包括水箱、直流调速水泵和散热器。其特征在于：所述的空气系统还包括一个散热器，散热器连接在空气供给装置向燃料电池包装壳内送冷却空气的线路上，所述的湿含转换装置带有分水器，所述的氢气系统的控制电磁阀包括一个与高压氢气瓶连通的两位两通电磁阀和一个与氢气分水器相连通的两位三通电磁阀。
本发明所述的一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统流程，包括发电系统、空气系统流程、氢气系统流程和冷却系统流程，所述的空气系统空气的流程为：新鲜空气在空气供给装置的吸力下，经空气滤清器过滤后进入空气供给装置，空气供给装置送出的空气，少部分空气经过散热器散热后，进入质子交换膜燃料电池包装壳内，对燃料电池内部分元件进行风冷散热，然后携带微量泄漏的氢气排入大气，大部分空气被送进带分水器的空气湿焓转换装置，进行湿焓转换并分水，湿焓转换并分水后的液态水和少部分空气进入氢气增湿装置，在氢气增湿装置中与氢气进行湿焓转换后排入大气中，湿焓转换并分水后的大部分含有水汽的空气进入质子交换膜燃料电池，与氢气进行氧化还原反应，反应完后，空气和反应生成水进入空气湿焓转换装置，与新鲜空气进行湿焓转换后排入大气；所述的氢气系统氢气的流程为：高压氢气瓶中的高压氢气，在自身压力的作用下，依次经过已开启的两位两通电磁阀、减压装置、稳压装置减、稳压后进入氢气增湿装置，与空气湿焓转换装置进入氢气增湿装置的液态水进行湿焓转换后，携带部分水分子进入质子交换膜燃料电池，与空气进行氧化还原反应，反应完后，在氢气回流泵的作用下，剩余氢气进入氢气分水器，分离出液态水，经过分水后的大部分氢气经两位三通电磁阀的一路，又回流进入质子交换膜燃料电池，形成了氢气循环，当两位三通电磁阀二路被接通时，一路的通路被阻断，氢气分水器中分离出的液态水与少部分氢气及氢气中的杂质被排入大气中。两位三通电磁阀在控制器的控制下不断进行一路接通和二路接通的转换，使氢气的流程不断进行回流和排空转换；所述冷却水系统水的流程为：直流调速水泵工作，将液态水同时送入质子交换膜燃料电池的冷却装置和空气供给装置的冷却装置中，对质子交换膜燃料电池和空气供给装置进行冷却，然后液态水分别从质子交换膜燃料电池和空气供给装置进入散热器，散热后回到水泵，形成冷却水循环，冷却水系统的水箱中的水，是向系统补水的水，当系统出现液态水损失时，向系统补充损失的水。
本发明所述的一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统，其系统中所述的空气供给系统的空气供给装置为直流调速风机或空压机，可以根据发动机输出功率不同，需要空气量不同，采用不同的转速，调整空气供给量。
本发明所述的一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统，其系统中所述的冷却水系统的冷却水泵采用直流调速的水泵，可根据质子交换膜燃料电池的工作温度和环境温度，调整水泵的水流量，以便稳定质子交换膜燃料电池在最佳温度下工作。
本发明所述的一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统，其系统中所述的冷却水系统的水箱接在散热器和水泵之间，水箱中的水与大气相通，水箱的安装位置高于水泵、散热器和质子交换膜燃料电池的位置。
本发明可适用于车、船用质子交换膜燃料电池系统及流程。
本发明具有如下优点：
1、由于空气流程中空气的增湿在空气供给装置之后，所以不会因为增湿而大量降低空气中的含氧量，也不会以因为增湿而加快对空气供给装置(风机或空压机)的腐蚀。
2、空气供给装置采用直流调速风机或空压机，可以根据发动机输出功率不同，需要空气量不同，采用不同的转速，调整空气供给量。
3、含有分水器的湿焓换装置对空气进行湿焓转换后分水，可防止液态水进入质子交换膜燃料电池；分出的液态水和部分新鲜空气利用自身的压力进入氢气增湿装置，对氢气进行增湿，保证进入质子交换膜燃料电池的氢气含有一定量的气态水分子，并提升氢气温度，可提高质子交换膜燃料电池的发电效率和使用寿命，并且不需要另外设置氢气增湿所需要的水箱，简化了系统结构。
4、空气系统流程中增加了散热器，空气供给装置(风机或空压机)供给的热空气经散热器冷却后，进入质子交换膜燃料电池包装壳内，然后排出到大气中，这样一可以携带走微量泄露的氢气，防止因一旦有微量氢气泄露引起的氢气聚集，发生爆炸，二可以对质子交换膜燃料电池内部分元件进行风冷散热。
5、氢气系统中增设了氢气回流泵，保证质子交换膜燃料电池中氢气有一定的流速，可防止液态水聚集，并有利于氢气中的杂质排放。
6、氢气系统中增设了氢气分水器，可有效防止氢侧生成的液态水回流到质子交换膜燃料电池。
7、冷却水泵采用直流调速，可根据质子交换膜燃料电池的工作温度和环境温度，调整水泵的水流量，以便稳定质子交换膜燃料电池在最佳温度下工作。
8、冷却部分设置了补水的水箱，可保证冷却水平衡。
附图说明
本发明有附图一幅，为本发明的系统流程图。
附图中：1、空气系统，101、空气滤清器，102、空气供给装置，103、空气湿焓转换装置，104、散热器，2、氢气系统，201、高压氢气瓶，202、两位两通电磁阀，203、氢气高压减压装置，204、氢气稳压装置，205、氢气增湿装置，206、氢气回流泵，207、氢气分水器，208、两位三通电磁阀，3、冷却系统，301、水箱，302、水泵，303、散热器，4、质子交换膜电池。
具体实施方式
下面将结合附图1的实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的车、船用质子交换膜燃料电池系统流程，包括质子交换膜电池4、空气系统流程1、氢气系统流程2和冷却部分流程3。
空气流向为：新鲜空气在空气供给装置(直流调速风机或空压机)102的吸引下，经空气滤清器101过滤后进入空气供给装置102，少部分空气经散热器104散热后，进入质子交换膜燃料电池4后，排入大气，用以防止微量泄漏的氢气聚集产生爆炸；大部分空气被送进带分水器的空气湿焓转换装置103，进行湿焓转换并分水，液态水和少部分空气进入氢气增湿装置205，与氢气进行湿焓转换后排入大气中，大部分含有水汽的空气进入质子交换膜燃料电池4，与氢气进行氧化还原反应，并生成大量的水，反应完后，空气和反应生成水进入空气湿焓转换装置103，与新鲜空气进行湿焓转换后排入大气。
空气供给装置102为直流调速风机或空压机，可以根据发动机输出功率不同，需要空气量不同，采用不同的转速，调整空气供给量。
氢气流向为：当开启两位两通电磁阀202，高压氢气瓶201中的高压氢气，在自身压力的作用下，经两位两通电磁阀202、氢气高压减压装置203、氢气稳压装置204进入氢气增湿装置205，与空气湿焓转换装置103进入氢气增湿装置205的液态水进行湿焓转换后，携带部分水分子进入质子交换膜燃料电池4，与空气进行氧化还原反应，反应完后，在氢气回流泵206的作用下，剩余氢气进入氢气分水器207后，液态水被分离出来，大部分氢气经两位三通电磁阀208后，又进入质子交换膜燃料电池4，完成了氢气循环。当两位三通电磁阀208另一路被接通时，此时回流中的氢气与质子交换膜燃料电池4的通路将被阻断，氢气分水器207中液态水与少部分氢气及氢气中的杂质将被排入大气中。由于两位三通电磁阀208不断换位，回路不断进行回流和排空转换。
冷却水流向为：由于直流调速水泵302的工作，液态水被同时送入质子交换膜燃料电池4和空气供给装置(直流调速风机或空压机)102中进行冷却，然后一起进入散热器303散热，最后又回到水泵302。
冷却水泵302采用直流调速的，可根据质子交换膜燃料电池4的工作温度和环境温度，调整水泵302的水流量，以便稳定质子交换膜燃料电池4在最佳温度下工作。
水箱301接在散热器303和水泵302之间，水箱301中的水与大气相通。安装时，水箱301的位置应高于水泵302、散热器303和质子交换膜燃料电池4的位置。
Claims (4)
1.一种车、船用质子交换膜燃料电池系统，包括质子交换膜燃料电池(4)、空气系统(1)、氢气系统(2)和冷却系统(3)，空气系统包括：空气滤清器(101)、空气供给装置(102)、空气湿焓转换装置(103)；氢气系统包括：高压氢气瓶(201)、控制电磁阀(202，208)、减压装置(203)、稳压装置(204)、氢气增湿装置(205)、氢气回流泵(206)、氢气分水器(207)；冷却系统包括水箱(301)、直流调速水泵(302)和散热器(303)，其特征在于：所述的空气系统还包括一个空气散热器(104)，空气散热器(104)连接在空气供给装置向燃料电池包装壳内送冷却空气的线路上，所述的空气湿焓转换装置(103)带有分水器，所述的氢气系统的控制电磁阀包括一个与高压氢气瓶连通的两位两通电磁阀(202)和一个与氢气分水器(207)相连通的两位三通电磁阀(208)。
2.根据权利要求1所述的车、船用质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述的空气系统的空气供给装置(102)为直流调速风机或空压机。
3.根据权利要求1所述的车、船用质子交换膜燃料电池系统，其特征在于所述的冷却系统的水箱(301)接在冷却散热器(303)和水泵(302)之间，水箱(301)中的水与大气相通，水箱(301)的安装位置高于水泵(302)、冷却散热器(303)和质子交换膜燃料电池(4)的位置。
4.一种车、船用质子交换膜燃料电池系统运行方法，包括发电系统(4)、空气系统流程(1)、氢气系统流程(2)和冷却系统流程(3)，其特征在于：所述的空气系统流程为：新鲜空气在空气供给装置(102)的吸力下，经空气滤清器(101)过滤后进入空气供给装置(102)，空气供给装置送出的空气，少部分空气经过空气散热器(104)散热后，进入质子交换膜燃料电池(4)包装壳内，对燃料电池(4)内部分元件进行风冷散热，然后携带微量泄漏的氢气排入大气，大部分空气进入带分水器的空气湿焓转换装置(103)，进行湿焓转换并分水，湿焓转换并分水后的液态水和少部分空气进入氢气增湿装置(205)，在氢气增湿装置中与氢气进行湿焓转换后排入大气中，湿焓转换并分水后的大部分含有水汽的空气进入质子交换膜燃料电池(4)，与氢气进行氧化还原反应，反应完后，空气和反应生成水进入空气湿焓转换装置(103)，与新鲜空气进行湿焓转换后排入大气；所述的氢气系统流程为：高压氢气瓶(201)中的高压氢气，依次经过已开启的两位两通电磁阀(202)、减压装置(203)、稳压装置(204)减、稳压后进入氢气增湿装置(205)，与空气湿焓转换装置(103)进入氢气增湿装置(205)的液态水进行湿焓转换后，携带部分水分子进入质子交换膜燃料电池(4)，与空气进行氧化还原反应，反应完后，在氢气回流泵(206)的作用下，剩余氢气进入氢气分水器(207)，分离出液态水，经过分水后的大部分氢气经两位三通电磁阀(208)的一路，又回流进入质子交换膜燃料电池(4)，形成了氢气循环，当两位三通电磁阀(208)二路被接通时，一路的通路被阻断，氢气分水器(207)中分离出的液态水与少部分氢气及氢气中的杂质将被排入大气中，两位三通电磁阀(208)在控制器的控制下不断进行一路接通和二路接通的转换，使氢气的流程不断进行回流和排空转换；所述冷却系统流程为：直流调速水泵(302)工作，将液态水同时送入质子交换膜燃料电池(4)的冷却装置和空气供给装置(102)的冷却装置中，对质子交换膜燃料电池(4)和空气供给装置(102)进行冷却后，液态水分别从质子交换膜燃料电池和空气供给装置进入冷却散热器(303)，散热后回到水泵(302)，形成冷却水循环，冷却系统的水箱(301)中的水，是向系统补水的水，当系统出现液态水损失时，及时向系统补充损失掉的水。
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