CN100470908C - 氢氧型质子交换膜燃料电池及其供气、排水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢氧型质子交换膜燃料电池及其供气、排水方法，在电池的尾气管路设置储气容器，在反应气管路入口部位设置阀门，该电池工作时阀门大部分时间处于关闭状态，每过一段时间开启较短时间，从而依靠前期反应气消耗所形成的压差而产生较大的瞬时冲击气流，带走反应气流道内前期生成的水，同时尾气不排放或间隔很长时间排放，这样就能使反应气的净排放接近于零，从而产生较高的能源效率。

Description

氢氧型质子交换膜燃料电池及其供气、排水方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及氢氧型质子交换膜燃料电池。
背景技术
氢氧型质子交换膜燃料电池是一种将氢气和氧气通过电池反应产生电能的装置，如图1所示，一般包括电池堆、O2气源、H2气源、加湿系统、冷却系统、控制系统等部分，图中，21—氢气气源，22—氢气加湿器，23—氧气气源，24—氧气加湿器，25—氢气减压阀，26—氧气减压阀，27—氢气排放阀，28—氧气排放阀，29—氢气循环泵，30—冷却系统，31—外接负载，32—电池堆。氢气循环泵29在许多系统中是省略的，故在图中连线断开表示。其中，冷却系统分液冷和空冷两种方式，空冷主要用于千瓦以下级别的电池，它们的热量较小，用空冷方式冷却，只要一台低压风机就能解决问题。而千瓦及以上级别的电池由于热量较多，只有采用液冷方式才能把热量散出去，这种冷却方式需要水泵、换热器、水处理装置等，相对比较复杂。
氢氧型质子交换膜燃料电池的主要部件电池堆32内部结构主要包括膜电极和流场板，其中膜电极是电池反应发生的场所，由质子交换膜和其两侧的催化层和气体扩散层组成。流场板是上面刻有气体导流槽的导电石墨板或金属板，作用是为膜电极提供反应气体并把产生的电能和尾气导出电池，只有导流槽畅通反应气才能顺利到达催化层表面，电池反应才能顺利地进行。
燃料电池的电池反应如下：
阳极：H2—2e＝2H+，阴极：1/2O2+2H++2e＝H2O
总反应：H2+1/2O2＝H2O
从上面的电池反应可以看出，每通过1Ah的电量，每组单电池将产生0.0187mol(0.34g)的水，这些水均在电池的阴极产生。当燃料电池连续工作时，这些生成水必须排放到电池外部，否则将造成流场板上的导流槽积水而无法通过反应气。这些生成水要么蒸发成气态，随着反应气排出电池，要么直接以液态形式直接随着反应气排出。
在氢氧型燃料电池中，由于理论耗氧量只有氢空型燃料电池的21％，因此相同功率的情况下前者的尾气排放量要远小于后者，即使在不加湿的情况下前者的反应生成水也主要以液态形式排放。氢空电池的尾气主要是空气中的氮气等杂质；纯氧气中也有0.01％的杂质气，如果连续工作数小时不排气，则流道内的杂质气体浓度也会超过10％，从而影响电池性能；同时尾气还有排水作用，因此，为了将反应生成水顺利排出电池，必须保证反应气相当高的流速，但这样势必加大反应气的流量，使反应气同时大量逸出，降低系统的能源效率。
现有的技术一般是通过改进流场板的设计，减小导流槽的横截面积来提高反应气流速，从而提高反应气的排水能力，减小反应气的消耗。但由于氧气的理论消耗量很小，受排水能力所限，即使经过流场优化设计，氧气的实际消耗量也仍然需要理论消耗量的2倍以上。
为提高反应气的利用率，较先进的燃料电池系统则采用反应气尾气回收的方法，即将尾气通过气水分离装置后通过加压泵再送回反应气管路循环利用。这样的确能降低反应气的消耗，但系统功耗将加大，总的能源效率增加并不高，同时系统的复杂性也较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服以上现有技术存在的不足，提供一种低排放、高能效的氢氧型质子交换膜燃料电池及其供气、排水方法。
为实现上述目的，本发明提出一种氢氧型质子交换膜燃料电池，包括氢氧气源、电池堆、加湿系统、冷却系统、控制系统，所述氢氧气源通过所述加湿系统与电池堆由气路连接，所述冷却系统用于对所述电池堆进行降温，所述控制系统用于控制各项工作状态；还包括供氧阀门3、储氧容器1，所述供氧阀门3设置于所述电池堆的供氧气路入口，所述储氧容器1与所述电池堆氧尾气出口由气路连接，所述储氧容器1于底部设置有排水阀9，用于排放多余的液态水；上部设置有排气阀7，用于排放反应尾气。
上述的燃料电池，包括供氢阀门4、储氢容器2，所述供氢阀门4设置于所述电池堆的供氢气路入口，所述储氢容器2与所述电池堆燃料尾气出口由气路连接；所述储氢容器2于底部设置有排水阀10，用于排放多余的液态水；上部设置有排气阀8，用于排放反应尾气。
上述的燃料电池，所述储氧容器1或储氢容器2采用耐蚀金属材料或者设置有耐腐蚀内层。所述储氧容器1或储氢容器2的内部容量为电池堆内部反应气流道总体积的150～1000倍，用于上述供氧阀门3和/或供氢阀门4闭合期间为电池反应提供工作气，并容纳电池反应产生的水。所述储氧容器1或储氢容器2与所述电池堆的接口位于容器的上部或顶部。所述供氧阀门3、供氢阀门4为电磁阀，其控制信号输入端与所述控制系统连接。
同时本发明提出一种提高能效的质子交换膜燃料电池供气及排水方法：在电池堆的供气管路入口部位安装供气阀门，在相应的尾气管路安装设置有排水阀与排气阀的储气容器；间歇式开启所述供气阀门为所述电池堆供气；间歇式开启所述排水阀排水、间歇式开启所述排气阀排放尾气。
上述的燃料电池供气及排水方法：所述供气阀门间歇式开启方式：每次闭合的时间为0.5分钟至2分钟，每次开启的时间为4秒钟至15秒钟。所述储气容器的内部容量为电池堆内部反应气流道总体积的150～1000倍。当所述排气阀处于开启状态排放尾气时，相应的供气阀门处于开启状态。
由于采用了以上的方案，电池工作时，燃料电池的氧气管路，供氧阀门间歇开启，向电池堆及储氧容器供氧，在供氧阀门关闭阶段，由储氧容器向电池堆供氧，在这段时间，供氧容器内的气压有一定下降，这时电池内部也有一定的积水(但对电池性能影响不大)；一段时间后，储氧容器内的压力下降和电池内部积水开始对电池性能产生明显的影响，此时开启供氧阀门，由于储氧容器内的压力较气源压力下降较多，因此反应气将以较大的瞬时流速冲入容器，使容器内的反应气得以补充，同时在高流速气流的冲击下，前期电池内部积存的反应生成水也被带到容器中储存起来；然后再关闭阀门，重复上面的操作，由于反应水可以由容器暂存，不需频繁开启排水，可实现连续较长时间无尾气排放，大幅降低氧气的消耗，氧气的利用率均接近100％，达到较高的能源效率。
同理，在供氢管路上增设供氢阀门和储氢容器，可以大幅降低氢的消耗，氢气的利用率接近100％，达到较高的能源效率。
本技术方案易于实现，成本低。
附图说明
图1为现有技术的燃料电池结构示意图，
图2为本发明的高能效燃料电池的结构示意图。
图2中，1为储氧容器，2为储氢容器，3为供氧阀门，4为供氢阀门，5为氧气源，6为氢气源，7、8为排气阀，9、10为排水阀，11为燃料电池堆。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
本例结合一个常规1.2kW氢氧型质子交换膜燃料电池，对本发明作进一步说明。该1.2kW燃料电池堆在采用如图1所示的现有技术方案工作时，额定工作电流48V，额定工作电流25A，额定工作温度75℃，额定工作气压为0.2MPa。额定状况下工作时，氢气实际耗量流量为20slpm，为理论耗量的1.7倍，氧气实际耗量20slpm，为理论值的3.3倍，氢、氧气的利用率分别为60％、30％，能源效率很低。
本例中，如图2所示，在该电池堆的尾气出口处分别配以直径35cm、高度25cm、内部容积0.0201m3的圆柱形储氢容器2，直径30cm、高度25cm、内部容积0.0151m3的圆柱形储氧容器1。储气容器1、2各安装排气阀7、8和排水阀9、10，均采用普通手动球形截止阀，排气阀7、8的作用是排放长时间工作后容器内积存的杂质气，同时电池内部积水过多时也可通过该阀排气来排水。排水阀9、10的作用是排出容器内过多的水。依据罐的大小，可能数十个小时或数天才需要排放一次，也可随时排放，手动阀门也很方便。
图2中的储氧容器1和储氢容器2的材质为耐蚀金属如不锈钢或者有塑料衬底的普通金属，其容量应该为电池内部反应气流道总体积的10～10000倍，该范围主要依据容器内反应气体的量在切断气源的情况下能供应电池消耗0.5～5分钟，同时罐内气压下降为初始压力的50～90％，容器过大，则前后端气压差小，瞬时流速低，排水能力差；容器过小，则气压差过大，电池性能波动较大。该容器形状不限，可为立方形、球形、圆柱形或其它异形，应能承受0.5MPa的冲击气压。
图2中所示的供氧阀门3和供氢阀门4设置于电池堆的供氧管路、供氢管路入口处，作用是为燃料电池提供瞬时的大流量反应气，以带走导流槽内的反应生成水，同时为储气容器1、2补充反应气。该阀门可以是手动的普通截止阀，也可以采用电磁阀，本例中该二阀门均采用电磁阀，这两个电磁阀分别由时间继电器控制开闭，根据反应时间或者通过的电量和能量来确定开闭的时间，每次开闭的时间间隔可为0.5分钟至10分钟，每次开启的时间为1秒钟至0.5分钟。经对比实验，结合储氧容器1和储氢容器2的优选体积比为电池内部反应气流道总体积的150～1000倍，优选的时间间隔为0.5～2分钟、4～15秒钟；因为时间间隔超过2分钟后，电池反应产生的水将逐渐淹没反应流道，导致性能下降，间隔过短则前后端压差较小，瞬时流速较小，不易排水；每次开启时间为4～15秒钟，时间过短则容器内消耗的反应气得不到足量补充，时间过长也不好，因为开启7～8秒钟后，前后端的气压差已明显减小，气体流速已经下降到较低水平，已没有排水作用。
电池工作时，其中供氢阀门4每60秒钟开启一次，每次开启6秒钟；供氧阀门3每90秒钟开启一次，每次开启时间6秒钟。该电池堆工作时，在电磁阀开启的6秒钟内，氢气平均流量为120slpm，氧气90slpm，分别为常规条件下连续流动时的6倍和4.5倍，排水能力有较大提高。具体过程为：首先开启供氧阀门3、供氢阀门4以及排尾气阀7、8，排空储氢容器2、储氧容器1内的杂质气体，然后关闭阀门7、8；待储氢容器2、储氧容器1内的压力接近气源压力后，关闭阀门3、4，反应气由储氢容器2、储氧容器1稳定流入电池，这时电池工作完全依靠储氢容器2、储氧容器1内的气体，在这段时间，储氢容器2、储氧容器1内的气压有一定下降，这时电池内部也有一定的积水(但对电池性能影响不大)；一段时间后，储氢容器2、储氧容器1内的压力下降和电池内部积水开始对电池性能产生明显的影响，此时开启阀门3、4，由于储氢容器2、储氧容器1内的压力较气源压力下降较多，因此反应气将以较大的瞬时流速冲入储氢容器2、储氧容器1，使储氢容器2、储氧容器1内的反应气得以补充，同时在高流速气流的冲击下，前期电池内部积存的反应生成水也被带到储氢容器2、储氧容器1中储存起来；然后再关闭阀门3、4，重复上面的操作，可实现连续较长时间无尾气排放，氢、氧气的利用率均接近100％，达到较高的能源效率。
1、2排水时，与3、4状态无关；1、2排尾气时，3、4应处于打开状态，否则会造成反应气供应不上，影响电池发电性能；反应气会通过1、2的排放口逸出，但由于排放间隔很长，逸出的部分与反应消耗的部分相比，基本可忽略不计。
按照本发明的方法，电池堆工作时除了每数小时排放一次杂质气体外，或在容器内积水过多时排水外，其余时间可连续工作而无需向外界排放尾气，氢、氧气几乎可以完全利用，即氢、氧气的利用率接近100％，能源效率大为提高。

Claims (2)

1、一种提高能效的质子交换膜燃料电池供气及排水方法，其特征是：在电池堆的供气管路入口部位安装供气阀门，在相应的尾气管路安装设置有排水阀与排气阀的储气容器；间歇式开启所述供气阀门为所述电池堆供气；间歇式开启所述排水阀排水、间歇式开启所述排气阀排放尾气而相应的供气阀处于开启状态；所述供气阀门间歇式开启：每次闭合的时间为0.5分钟至2分钟，每次开启的时间为4秒钟至15秒钟。
2、如权利要求1所述的燃料电池供气及排水方法，其特征是：所述储气容器的内部容量为电池堆内部反应气流道总体积的150～1000倍。
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