CN101764238A - 一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法 - Google Patents

一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，该方法是在氢空燃料电池的氢气侧预充部分氮气或氦气等惰性气体，或在氢氧燃料电池的氢气侧和/或空气侧预充部分氮气或氦气等惰性气体，所述的氮气或氦气等惰性气体的体积百分含量为1～50％。与现有技术相比，本发明具有降低氢气的渗漏、增强膜电极的运行寿命、提高燃料电池的安全性等优点。

Description

一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法。
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、充压或机械铣刻，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。
目前典型的燃料电池发电系统，包括三路流体管路：氢气循环回路、空气路和冷却流体路。氢气由高压氢气罐输入燃料电池堆中与空气在膜电极上发生反应，由于膜电极对氢气的渗漏比较敏感，若氢气侧压力高于空气侧压力，氢气就会渗透膜电极，进入空气侧，造成氢气和空气的混合，容易产生局部高温，在膜电极表面局部进行催化燃烧，将膜电极烧穿，从而损坏整个燃料电池堆，甚至发生爆炸；另外在氢气循环回路中，氢气由于比重太小，氢气循环风机难以将其进行良好循环，风机效率很低，能耗增大，而且由于氢气是易燃易爆气体，一旦发生泄露，进入空气极易引起燃烧或爆炸。
发明内容
本发明的目的就是克服上述缺陷而提供一种降低氢气的渗漏、增强膜电极的运行寿命、提高燃料电池的安全性安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，该方法是在氢空燃料电池的氢气侧预充部分氮气或惰性气体，或在氢氧燃料电池的氢气侧和/或空气侧预充部分氮气或惰性气体，所述的氮气或惰性气体的体积百分含量为1～50％。
所述的氮气或惰性气体的体积百分含量为5～10％，所述的惰性气体包括氦气、氖气、氩气或氙气。
所述的燃料电池为氢空燃料电池，运行前预先在氢空燃料电池的氢气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口。
所述的燃料电池为氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的氢气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口。
所述的燃料电池为氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的空气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氧气从氧气罐中经氧气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氧气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氧气循环风机送至燃料电池堆的氧气入口。
所述的燃料电池为氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的氢气循环回路和空气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口；氧气从氧气罐中经氧气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氧气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氧气循环风机送至燃料电池堆的氧气入口。
所述的氢气循环风机为磁力驱动的氢气循环风机。
所述的氧气循环风机为磁力驱动的氧气循环风机。
与现有技术相比，本发明当燃料电池为氢空燃料电池时，在燃料电池氢气循环回路中预先充入氮气或惰性气体，使氮气或惰性气体的体积百分含量为1～50％，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气联合预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口。当燃料电池为氢氧燃料电池时，在燃料电池堆的氢气入口或氧气入口，或氢气入口和氧气入口连接氮气或惰性气体罐，在燃料电池的氢气循环回路或氧气循环回路，或氢气循环回路和氧气循环回路中引入氮气或惰性气体。具有以下优点：
1.在氢气循环回路中充入部分氮气或氦气等惰性气体，会大大降低氢气渗漏至空气侧的可能性，大大加强了膜电极的运行寿命。
2.氢气回路中充入了部分氮气或氦气等惰性气体，增加了氢气回路中气体比重，从而使得氢气循环风机的效率大大提高，将燃料电池中的生成水带出来的效率也大大提高。
3.氢气回路中充入了部分氮气或氦气等惰性气体，万一膜电极发生烧穿现象，进入大气氢气，由于其中带有部分氮气或氦气等惰性气体，就降低了氢气在大气中的含量，使燃料电池的安全性得到很到提高。
4.当燃料电池为氢氧燃料电池时，在其氢气循环回路或氧气循环回路中预充入氮气或氦气等惰性气体，或者在氢气循环回路和氧气循环回路中都预充入氮气或氦气等惰性气体，可提高燃料电池的安全性和效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例5的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，50KW燃料电池发动机的氢气循环回路包括氢气罐1，减压阀2，燃料电池堆3，氢气水汽分离器4，氢气循环风机5，压力计6。在燃料电池氢气循环回路中预先充入N2，使N2的体积百分含量为10％，氢气的体积百分含量为90％，氢气从氢气罐1中经氢气减压阀2进入燃料电池堆3，发生反应后，剩余氢气联合预先充入的N2将反应生成水带出燃料电池堆3，经水汽分离器4分离后，通过氢气循环风机5送至燃料电池堆3的氢气入口，燃料电池堆的氢气入口和出口分别设置压力计6，测量进出燃料电池堆的气体压力，从而控制氢气的流量。由于N2不参与反应，故10％的N2会一直在氢气回路中循环，配合氢气将燃料电池堆3中的生成水带出，并提高氢气循环风机5的效率。
实施例2
参见图1，100KW燃料电池发动机的氢气循环回路中预先充入N2，使N2的体积百分含量为50％，氢气的体积百分含量为50％，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气联合预先充入的N2将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气入口和出口分别设置压力计，测量进出燃料电池堆的气体压力，从而控制氢气的流量。由于N2不参与反应，故50％的N2会一直在氢气回路中循环，配合氢气将燃料电池堆中的生成水带出，并提高氢气循环风机的效率。
实施例3
参见图1，10KW燃料电池发电系统的氢气循环回路中预先充入N2，使N2的体积百分含量为1％，氢气的体积百分含量为99％，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气联合预先充入的N2将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气入口和出口分别设置压力计，测量进出燃料电池堆的气体压力，从而控制氢气的流量。由于N2不参与反应，故1％的N2会一直在氢气回路中循环，配合氢气将燃料电池堆中的生成水带出，并提高氢气循环风机的效率。
实施例4
参见图1，50KW燃料电池发电系统的氢气循环回路中预先充入N2,使N2的体积百分含量为5％，氢气的体积百分含量为95％，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气联合预先充入的N2将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气入口和出口分别设置压力计，测量进出燃料电池堆的气体压力，从而控制氢气的流量。由于N2不参与反应，故5％的N2会一直在氢气回路中循环，配合氢气将燃料电池堆中的生成水带出，并提高氢气循环风机的效率。
实施例5
如图2所示，100KW燃料电池发动机的氢气循环回路包括氢气罐1，氢气减压阀2，燃料电池堆3，氢气水汽分离器4，氢气循环风机5，压力计6，空气循环回路包括氧气瓶1’，氧气减压阀2’，氧气水汽分离器4’，氧气循环风机5’，压力计6’。在燃料电池氢气循环回路和氧气循环回路中均预先充入N2，使N2的体积百分含量为10％，氢气或氧气的体积百分含量为90％，氢气从氢气罐1中经氢气减压阀2进入燃料电池堆3，发生反应后，剩余氢气联合预先充入的N2将反应生成水带出燃料电池堆3，经水汽分离器4分离后，通过氢气循环风机5送至燃料电池堆3的氢气入口，燃料电池堆的氢气入口和出口分别设置压力计6，测量进出燃料电池堆的气体压力，从而控制氢气的流量。氧气从氧气罐1’中经氧气减压阀2’进入燃料电池堆3，发生反应后，剩余氧气连同预先充入的N2将反应生成水带出燃料电池堆3，经水汽分离器4’分离后，通过氧气循环风机5’送至燃料电池堆3的氧气入口，燃料电池堆的氧气入口和出口分别设置压力计6’，测量进出燃料电池堆的气体压力，从而控制氧气的流量。由于N2不参与反应，故N2会一直在氢气循环回路和氧气循环回路中循环，配合氢气和氧气将燃料电池堆3中的生成水带出，并提高氢气循环风机5和空气循环风机5’的效率。
实施例6
参见图2，100KW氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的氢气循环回路中充入部分氮气或氦气等惰性气体，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气连同预先充入的氮气或氦气等惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过磁力驱动的氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口。
实施例7
100KW氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的空气循环回路中充入部分氮气或氦气等惰性气体，氧气从氧气罐中经氧气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氧气连同预先充入的氮气或氦气等惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过磁力驱动的氧气循环风机送至燃料电池堆的氧气入口。

Claims (8)

1.一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，该方法是在氢空燃料电池的氢气侧预充部分氮气或惰性气体，或在氢氧燃料电池的氢气侧和/或空气侧预充部分氮气或惰性气体，所述的氮气或惰性气体的体积百分含量为1～50％。
2.根据权利要求1所述的一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，所述的氮气或惰性气体的体积百分含量为5～10％，所述的惰性气体包括氦气、氖气、氩气或氙气。
3.根据权利要求1所述的一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，所述的燃料电池为氢空燃料电池，运行前预先在氢空燃料电池的氢气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口。
4.根据权利要求1所述的一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，所述的燃料电池为氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的氢气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口。
5.根据权利要求1所述的一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，所述的燃料电池为氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的空气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氧气从氧气罐中经氧气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氧气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氧气循环风机送至燃料电池堆的氧气入口。
6.根据权利要求1所述的一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，所述的燃料电池为氢氧燃料电池，运行前预先在氢氧燃料电池的氢气循环回路和空气循环回路中充入部分氮气或惰性气体，氢气从氢气罐中经氢气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氢气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氢气循环风机送至燃料电池堆的氢气入口；氧气从氧气罐中经氧气减压阀进入燃料电池堆，发生反应后，剩余氧气连同预先充入的氮气或惰性气体将反应生成水带出燃料电池堆，经水汽分离器分离后，通过氧气循环风机送至燃料电池堆的氧气入口。
7.根据权利要求3、4或6所述的一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，所述的氢气循环风机为磁力驱动的氢气循环风机。
8.根据权利要求5或6所述的一种安全高效的燃料电池氢气或氧气循环方法，其特征在于，所述的氧气循环风机为磁力驱动的氧气循环风机。
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