CN101887981B - 用于燃料电池的氢气密闭循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池的氢气密闭循环系统，该系统包括氢气罐、减压阀、比例开关电磁阀、引射泵、燃料电池堆、排氢电磁阀和氢气循环泵，所述的氢气罐依次通过减压阀、比例开关电磁阀、引射泵连接到燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气出口连接排氢电磁阀，还包括稳压罐A、稳压罐B，所述的稳压罐A设置在引射泵与燃料电池堆的氢气入口之间，所述的稳压罐B连接排氢电磁阀，所述的氢气循环泵分别连接稳压罐A和稳压罐B，氢气进入稳压罐A经水汽分离进入燃料电池堆参与反应，过量氢气通过排氢电磁阀排入稳压罐B，稳压罐B内的氢气通过氢气循环泵返回稳压罐A。与现有技术相比，本发明具有自耗功率小，氢气利用率高等优点。

Description

用于燃料电池的氢气密闭循环系统
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及用于燃料电池的氢气密闭循环系统。
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、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。其中氢气循环回路必须保证氢气畅通，不能堵水，而且要使氢气的利用率尽可能高，为达到这个目的，氢气必须将燃料电池堆内的氢气侧的水带出，氢气侧的水主要来源于1.参与反应的氢气有一定的湿度，2.反应生成水从空气侧反渗透到氢气侧，要将这两种水带出的先决条件就是氢气要达到一定的流速，氢气流速太小，就会堵水，加拿大Ballard power system公司的燃料电池氢气采用高压方式运行，需采用一种容积压缩型的压机装置，如氢、模片泵、涡旋式压缩机等，使得燃料电池氢入口与氢出口的压力差ΔP大于0.1～0.5个标准大气压，达到燃料电池中未反应的过量氢气循环回来。这种方法虽然能将燃料电池堆氢气侧的水带出，但是氢气流速较大，过量的氢气较多，循环量需要很高，就要求氢气循环泵的功率需很大。
目前采用的技术方案主要有以下三种：
1.通过氢气循环泵使多余氢气循环使用，但是这种方法要求氢气循环泵强大，而且消耗功率大，噪声大，自耗功率大；
2.经常性间歇性排氢，但是这种方法有危险性，如果在排出氢气时碰到明火就是发生爆炸；
3.采用引射泵，通过形成真空将多余氢气吸回，但是氢气进入燃料电池堆的量较少时，就不可能实现引射作用，因此当怠速，发电量少，氢气量少时就不构成引射效果。
发明内容
本发明的目的就是克服上述缺陷而提供一种自耗功率小，氢气利用率高的用于燃料电池的氢气密闭循环系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：用于燃料电池的氢气密闭循环系统，该系统包括氢气罐、减压阀、比例开关电磁阀、引射泵、燃料电池堆、排氢电磁阀和氢气循环泵，所述的氢气罐依次通过减压阀、比例开关电磁阀、引射泵连接到燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气出口连接排氢电磁阀，其特征在于，还包括稳压罐A、稳压罐B，所述的稳压罐A设置在引射泵与燃料电池堆的氢气入口之间，所述的稳压罐B连接排氢电磁阀，所述的氢气循环泵分别连接稳压罐A和稳压罐B，氢气进入稳压罐A经水汽分离进入燃料电池堆参与反应，过量氢气通过排氢电磁阀排入稳压罐B，稳压罐B内的氢气通过氢气循环泵返回稳压罐A。
所述的引射泵通过管道直接连接燃料电池的氢气出口，燃料电池堆的氢气出口处氢气压力大时，引射泵将过量氢气直接吸回并送入稳压罐A。
所述的稳压罐A和稳压罐B下端连接排水电磁阀，稳压罐A和稳压罐B对进入罐内的氢气进行稳压和水汽分离，分离后的多余水份通过排水电磁阀排出，稳压罐A分离出的氢气输入燃料电池堆，稳压罐B分离出的氢气通过氢气循环泵返回稳压罐A。
所述的系统同时使用了二种氢循环方式，一种排氢及排水方式，当氢气过量太大时通过引射泵实现循环，氢气过量太小时通过稳压罐和氢气循环泵实现循环，并通过排氢电磁阀间歇性地排入稳压罐，对氢气循环泵的要求较低，而且自耗功率较小，使用寿命提高。
与现有技术相比，本发明采用了引射泵、排氢电磁阀和氢气循环泵三种装置，通过三种方式是燃料电池系统中的氢气循环利用：1.在燃料电池堆前设置引射泵，并通过管道将引射泵直接连接燃料电池堆的氢气出口，当燃料电池堆中的氢气过量较多时，引射泵通过管道将过量氢气吸回，输送到燃料电池堆的氢气入口重新参与反应；2.燃料电池堆的氢气出口连接一排氢电磁阀，不能通过引射泵吸回的过量氢气可通过该排氢电磁阀排出；3.在燃料电池堆的氢气入口前设有稳压罐A，在排氢电磁阀后设有稳压罐B，并通过氢气循环泵连接稳压罐A和稳压罐B，排氢电磁阀中排出的氢气进入稳压罐B，然后通过氢气循环泵输送至稳压罐A，进行循环反应。
整个氢气循环系统为密闭系统，使氢气循环利用率大大提高，而且由于同时使用了三种排氢方式，当氢气过量太大时可通过引射泵实现循环，氢气过量太小时可通过稳压罐和氢气循环泵实现循环，对氢气循环泵功率及请求循环量的要求较低，而且自耗功率较小，使用寿命提高。
附图说明
图1为本发明燃料电池氢气密闭系统的结构示意图。
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，用于50KW燃料电池的氢气密闭循环系统，该系统包括氢气罐1、减压阀2、比例开关电磁阀3、引射泵4、稳压罐A5、燃料电池堆6、排氢电磁阀7、稳压罐B8和200W膜片式氢气循环泵9，所述的氢气罐1依次通过减压阀2、比例开关电磁阀3、引射泵4连接到燃料电池堆6的氢气入口，燃料电池堆6的氢气出口连接排氢电磁阀7，所述的稳压罐A5设置在引射泵4与燃料电池堆6的氢气入口之间，所述的稳压罐B8连接排氢电磁阀7，所述的氢气循环泵9分别连接稳压罐A5和稳压罐B8，氢气从氢气罐1出来后经减压阀2减压，再经过比例开关电磁阀3和引射泵4进入稳压罐A5，稳压罐A5可使氢气稳压，并对氢气进行水汽分离，水汽分离后的氢气进入燃料电池堆6参与反应，并通过进入燃料电池堆6的氢气量调节比例开关电磁阀3的开关频率和大小，从而控制氢气进入燃料电池堆的量。
燃料电池堆6的出口通过管道分成两个支流，一个连接引射泵4，另一个连接排氢电磁阀7，当燃料电池堆中的氢气过量较多时，引射泵4通过管道将过量氢气吸回，输送到燃料电池堆的氢气入口重新参与反应。燃料电池堆中的氢气过量不多，或者燃料电池处于怠速状态或者发电量小的时候，引射泵6不能构成引射，多余氢气通过排氢电磁阀7排出，排氢电磁阀7连接稳压罐B8，并通过氢气循环泵9连接稳压罐A5和稳压罐B8，排氢电磁阀7中排出的氢气进入稳压罐B8，稳压罐B8可使氢气稳压，并对氢气进行水汽分离，水汽分离后的氢气通过氢气循环泵9输送至稳压罐A5，进行循环反应。
稳压罐A5和稳压罐B8对氢气进行水汽分离，分离出的水份富集到一定程度时，通过连接稳压罐A5和稳压罐B8的排水电磁阀10排出。
整个氢气循环系统为密闭系统，使氢气循环利用率大大提高，而且由于同时使用了二种氢循环方式，一种排氢及排水方式，当氢气过量太大时可通过引射泵实现循环，氢气过量太小时可通过稳压罐和氢气循环泵实现循环，并通过排氢电磁阀7间歇性地排入稳压罐8，对氢气循环泵的要求较低，50KW的燃料电池堆只要用200W氢循环膜片泵即可，而且自耗功率较小，使用寿命提高。

Claims (3)

1.用于燃料电池的氢气密闭循环系统，该系统包括氢气罐、减压阀、比例开关电磁阀、引射泵、燃料电池堆、排氢电磁阀和氢气循环泵，所述的氢气罐依次通过减压阀、比例开关电磁阀、引射泵连接到燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气出口连接排氢电磁阀，其特征在于，还包括稳压罐A、稳压罐B，所述的稳压罐A设置在引射泵与燃料电池堆的氢气入口之间，所述的稳压罐B连接排氢电磁阀，所述的氢气循环泵分别连接稳压罐A和稳压罐B，氢气进入稳压罐A经水汽分离进入燃料电池堆参与反应，过量氢气通过排氢电磁阀排入稳压罐B，稳压罐B内的氢气通过氢气循环泵返回稳压罐A。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的氢气密闭循环系统，其特征在于，所述的引射泵通过管道直接连接燃料电池的氢气出口。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的氢气密闭循环系统，其特征在于，所述的稳压罐A下端和稳压罐B下端各连接一排水电磁阀，稳压罐A和稳压罐B对进入罐内的氢气进行稳压和水汽分离，分离后的多余水份通过排水电磁阀排出，稳压罐A分离出的氢气输入燃料电池堆，稳压罐B分离出的氢气通过氢气循环泵返回稳压罐A。
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