CN101170188A - 一种燃料电池燃料循环的方法及专用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池发动机系统，是一种燃料电池燃料循环的方法及专用装置，来自氢气气源中的高压燃料氢气通过减压阀减压，进入氢气喷射器，从喷射器出口出来的氢气进入燃料电池，经燃料电池反应后过量的氢气和反应生成的水一起进入分水器，分水器气体出口出来的氢气进入风机进口，经风机加压出来的氢气进入喷射器气体吸入口。喷射器设计点为燃料电池额定功率时所消耗氢气的压力与流量，风机为可调速风机，通过调节风机转速，可以使燃料氢气在燃料电池全功率范围内保持大致恒定循环比。本发明满足燃料电池对氢气循环的要求，且能量消耗较小，能把生成物水带出电池、充分利用燃料氢气、燃料在电池各单节分配更加均匀，进一步提高燃料电池寿命。

Description

一种燃料电池燃料循环的方法及专用装置
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机系统，具体地是说一种使燃料电池阳极燃料在燃料电池全功率范围内保持大致恒定循环比的方法与装置。
背景技术
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池装置的内部核心是膜电极。在膜电极的阳极端，燃料可以通过透穿过多孔性材料，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，变成带正电的离子，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，含有氧化剂的气体，通过透穿过多孔性材料，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。膜电极两端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，构成电路回路。
燃料电池在运行状态放电时，伴随大量产物水生成。生成的产物水可以在燃料电池的阴极区出现，也可以在阳极区出现。为了保证燃料电池的正常运行和性能不下降，往往需要用过量的燃料氢气和氧化剂空气将燃料电池内部生成的水带出，即燃料电池必须需要燃料氢气、氧化剂空气在大于1的计量比的状态下进行运行，这样过量的燃料氢气与过量的空气部分会携带燃料电池内部的水带出燃料电池外部。采用过量的燃料氢气携带燃料电池阳极区的水一同排放到燃料电池外部即浪费了燃料氢气又有危险性。
为了保证燃料电池的正常、稳定运行，燃料电池中生成物水排放到电池外部，为了燃料氢气充分利用，一般使氢气循环，既能把生成物水带出电池又能充分利用燃料氢气。
目前氢气循环的方法主要有：
1.采用循环压缩泵，一般是容积式的，如隔膜式压缩泵。这种泵在氢气大流量时需要消耗较大的功率；且噪声较大，不易密封，容易产生氢气泄漏。
2.美国专利US5441821(1995)采用喷射器将燃料电池排出的氢气循环，喷射器在气体快速通过喷射器的喷嘴时，可以产生一定的真空吸引，从而把多余的燃料氢气从燃料电池排出口吸回来。但是喷射器只能在特定的工作条件下工作，通用性小；同时适用范围也窄。
3.利用管路风机来实现氢气循环，中国专利03141478.9。管路风机出口压力较低，只能用于氢气进出口压差较低的燃料电池，同时需外力推动消耗能量，且能量消耗较大。
发明内容
本发明提供一种燃料电池燃料氢气循环的方法及专用装置，其消耗能量即低又能使氢气在燃料电池全功率范围内保持大致恒定循环比。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种燃料电池燃料循环的方法，来自氢气气源中的高压燃料氢气通过减压阀减压，进入氢气喷射器，从喷射器出口出来的氢气进入燃料电池，经燃料电池反应后过量的氢气和反应生成的水一起进入分水器，分水器气体出口出来的氢气进入风机进口，经风机加压出来的氢气进入喷射器气体吸入口。
所述风机为可调速风机，根据燃料电池所需的功率调节风机转速到定值，满足燃料电池额定功率时所消耗氢气的压力与流量，可以使燃料电池阳极燃料氢气在燃料电池全功率范围内保持大致恒定循环比。本发明满足燃料电池对氢气循环的要求，且能量消耗较小，能把生成物水带出电池、充分利用燃料氢气、燃料在电池各单节分配更加均匀，进一步提高燃料电池寿命；所述的进入燃料电池阳极的燃料可以是氢气、富含氢气的燃料。
燃料电池氢气循环装置，包括储氢罐、控制阀、减压阀、喷射器、燃料电池堆、分水器、可调速风机，储氢罐的氢气出口依次通过控制阀、减压阀与喷射器的进口相连，喷射器的出口与燃料电池堆的氢气进口相连，燃料电池堆氢气出口经分水器与可调速风机进口相连，可调速风机气体出口与喷射器气体吸入口相连。
本发明与现有技术相比具有如下优点：喷射器与风机串联，通用性强，使用范围广，使燃料电池阳极燃料在燃料电池全功率范围内保持大致恒定循环比，且消耗能量小。能把生成物水带出电池、充分利用燃料氢气、染料在电池各单节分配更加均匀，进一步提高燃料电池寿命。
附图说明
图1为本发明的燃料电池阳极燃料氢气在全功率范围内保持恒定循环比的装置结构示意图。图中：1是储氢罐，2是控制阀，3是减压阀，4是喷射器，5是燃料电池堆，6是分水器，7是可调速风机。
图2为本发明一个实施例的0--28m3/h氢气的风机转速为一定值时氢气循环比曲线。
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并不是对本发明要求保护的范围的限制。
图1为本发明的燃料电池阳极燃料氢气在全功率范围内保持恒定循环比的装置结构示意图。
如图1所示，储氢罐1通过控制阀2(控制阀2的进口与储氢罐1的出口相连，出口与减压器2的进口相连)、减压阀3与喷射器4进口相连，喷射器4出口与燃料电池堆5进口相连，即喷射器4的进口与减压器3的出口相连，出口与燃料电池5阳极燃料的进口相连，燃料电池堆5气体出口经分水器6与可调速风机7进口相连，即分水器6的进口与燃料电池堆5的燃料出口相连，气体出口与风机7的进口相连，可调速风机7出口与喷射器4气体吸入口相连。
本实施例中所述喷射器设计点为满足燃料电池额定功率时氢气流量及压力，材质为不锈钢。所述风机为可调速风机，其驱动为变速电机，即电机的转速是可调的；风机材质为工程塑料或不锈钢，喷射器与风机串连，可调速风机转速调至一定值，即可满足燃料电池所需功率的要求。
应用时，储氢罐1中的高压氢气通过控制阀2、减压阀3减压，进入喷射器4，与喷射器吸入氢气一起进入燃料电池堆5，燃料电池堆5反应后的过量氢气和反应生成的水同时进入分水器6实现两者的分离，分离后氢气进入可调速风机7，由于喷射器4的抽吸作用进入喷射器4。可调速风机的转速调整在一定值，燃料循环比趋于恒定，如图3为实施例的0--28m3/h氢气循环比曲线。
与现有技术相比，本发明利用喷射器与风机串联循环燃料电池燃料氢气，使燃料氢气在燃料电池全功率范围内保持大致恒定循环比，满足燃料电池需求，且耗能较小，能把生成物水带出电池、充分利用燃料氢气、染料在电池各单节分配更加均匀，进一步提高燃料电池寿命。
以上描述了本发明及实施例，本领域的技术人员应该理解，本发明不限于实施例，而是覆盖包括了所附权利要求的精神和范围内的各种改进。

Claims (4)

1.一种燃料电池燃料循环的方法，其特征在于：来自氢气气源中的高压燃料氢气通过减压阀减压，进入氢气喷射器，从喷射器出口出来的氢气进入燃料电池，经燃料电池反应后过量的氢气和反应生成的水一起进入分水器，分水器气体出口出来的氢气进入风机进口，经风机加压出来的氢气进入喷射器气体吸入口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述风机为可调速风机，根据燃料电池所需的功率调节风机转速到定值，满足燃料电池额定功率时所消耗氢气的压力与流量，可以使燃料电池阳极燃料氢气在燃料电池全功率范围内保持大致恒定循环比。
3.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阳极的燃料可以是氢气、富含氢气的燃料。
4.一种权利要求1所述方法的专用装置，其特征在于：包括储氢罐、控制阀、减压阀、喷射器、燃料电池堆、分水器、可调速风机，储氢罐(1)的氢气出口依次通过控制阀(2)、减压阀(3)与喷射器(4)的进口相连，喷射器(4)的出口与燃料电池堆(5)的氢气进口相连，燃料电池堆(5)氢气出口经分水器(6)与可调速风机(7)进口相连，可调速风机(7)气体出口与喷射器(4)气体吸入口相连。
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