CN102646842A

CN102646842A - 一种提高燃料电池氢气利用率的方法

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Publication number: CN102646842A
Application number: CN2011100422315A
Authority: CN
Inventors: 田丙伦
Original assignee: DANYE HYDROGEN ENERGY-SOURCE SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: DANYE HYDROGEN ENERGY-SOURCE SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明涉及一种提高燃料电池氢气利用率的方法，该方法是在燃料电池堆的氢气出口处设置排氢电磁阀，燃料电池在运行时，将阳极燃料氢气通过排气电磁阀排出后进入燃料电池阴极，氢气和空气混合，在阴极电极催化层的作用下直接化合反应。与现有技术相比，本发明具有提高电池运行电压，降低燃料电池运行电流，从而提高电池运行效率等优点。

Description

一种提高燃料电池氢气利用率的方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，尤其是涉及一种提高燃料电池氢气利用率的方法。

背景技术

氢PEMFC燃料电池是一种把H₂和O₂反应产生的化学能转化成电能的装置，因为该电池具有室温启动，转化效率高，高体积比功率密度，产物零污染等特点，因而成为当前国际社会的研究热点.对于一般燃料电池而言，我们定义氢发电效率近似为：氢发电净输出电能/氢氧反应产生的能量(气态排水)×100％＝氢气利用率×(电池平均单片运行电压/1.2V-辅助消耗电能/总发电能)。对于一个电池平均运行电压为0.66V的燃料电池，如果氢气利用率为95％(5％没有参加电化学反应)，辅助系统消耗10％的能量。氢发电效率为：0.95×(0.66/1.2-10％)＝42.8％。如果我们要提高氢气发电效率，可以从降低燃料电池辅助系统消耗，提高燃料运行电压，提高氢气利用率方面入手。燃料电池系统中，大部分的系统辅助消耗能量主要来自与空气泵，空气泵主要为电池系统运行时提供电池反应用空气消耗，为了降低辅助系统耗能，降低空气进入燃料电池的压头可以大幅度降低其耗能，对于一种热门的空气冷却型燃料电池，空气进入电池的压头只有几十Pa，辅助消耗比较低，一般在3％以下。此外我们可以通过提高燃料电池运行时单片电池的电压。提高电池运行电压的方式可以通过降低催化剂的活性，降低燃料电池阴极的气体反应解离过电位，这种方法牵扯到催化剂方面的深入研究，非常不确定，虽然众多科研工作者投入大量的研究精力做此方面的工作，提高作用不大。此外降低电极单位面积发电电流密度，可以提高电池氢发电效率，这意味着需要更大的电池电极面积来产生我们所需要的发电功率，直接增加了电池的体积重量，材料用量和成本。提高氢气利用率，降低氢气排放，我们可以通过增加系统中氢气循环装置等方法来减少氢气的排放，不过这也增加了系统的复杂性和成本。对于间歇时排氢燃料电池系统，为了维持燃料电池的稳定运行，氢气出口往往采用间歇式排放的方式。大部分情况下，氢气直接排放到空气中。其氢发电效率可按照上面的表达式进行。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高燃料电池氢气利用率的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种提高燃料电池氢气利用率的方法，其特征在于，该方法是在燃料电池堆的氢气出口处设置排氢电磁阀，燃料电池在运行时，将阳极燃料氢气通过排气电磁阀排出后进入燃料电池阴极，氢气和空气混合，在阴极电极催化层的作用下直接化合反应，提高电池运行电压，降低燃料电池运行电流，从而提高电池运行效率。

所述的阳极燃料氢气是通过燃料电池堆阳极后排出的氢气，该氢气中含有杂质CO₂和H₂O。

所述的氢气通过排气电磁阀被间歇式的排入燃料电池堆阴极，同燃料电池堆阴极的空气混合，所述的排气电磁阀的关闭/开启排气时间比例在30-3000之间。

所述的氢气和空气混合的混合气体直接在燃料电池堆阴极反应时，在同等电流输出情况下，短暂的降低电池输出电压，其中单片电池电压下降到接近0V。

所述的燃料电池堆由1-500个单片电池叠加组成，所有的单片电池分成几部分，每一次氢气排放同空气形成混合气体进入其中一部分。

所述的燃料电池堆所有的单片电池分成1-10部分，氢气与空气的混合气体进入燃料电池堆其中一部分的燃料电池阴极，该部分电池短时间内电压可降到接近0V，整个电池堆整体保持一定的电压，电流输出，电压波动期间，燃料发电效率降低。

与现有技术相比，本发明燃料电池在运行时，将阳极燃料氢气通过排气电磁阀间歇式排出后进入电池阴极，氢气和空气混合，在阴极催化剂的作用下直接化合反应，经过该操作后，在同等输出功率情况下，电池平均运行电压提高，从而提高燃料电池的氢发电效率。同直接氢气排放相比，氢发电明显提高。

附图说明

图1为传统间歇排气氢气的电池运行曲线与本发明排氢的电池运行曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

对比例1

传统间歇排气氢气的发电效率

对于一个10片单电池组成的燃料电池空气冷却型燃料电池：测得电池堆运行时电堆的电压为6.5V(平均单片电池电压为0.65V)。风扇等辅助耗能2W。电磁阀排气时间为0.3S。负载采用恒流模式的电子负载，燃料电池额定输出电流为：11A

氢气电磁阀排气间隔周期为150s，每次排除量为50ml氢气，电磁阀排气时间为0.3S，电池运行曲线如图1中运行方法1所示。

50ml氢气相当于：50ml/22.4L/mol＝2.23×10^-3mol.因为每个氢分子反应有两个电子转移，所以氢气排放的相当于有2×2.23×10^-3mol×96500库仑/mol＝430.4库仑电量损失。

150S时间内，电池堆共有150S×11A×10＝16500库仑电子转移

氢气利用率：16500/(430.4+16500)×100％＝97.46％

氢气的发电效率为：97.46％×(0.65/1.2-2W/6.5V×11A)＝97.46％×51.4％＝50％

实施例1

氢气进入燃料电池阴极侧的影响：

对于一个10片单电池组成的燃料电池空气冷却型燃料电池，电池堆运行时电堆的电压为6.5V(平均单片电池电压为0.65V)。空气风扇及其他耗能2W.

燃料电池额定输出电流为：11A，净输出功率为输出功率69.5W

氢气电磁阀排气间隔周期为150s，每次排除量为50ml氢气，电磁阀排气时间为0.3S。我们将整个燃料电池作为一个部分进行，不再分成几部分，电池运行曲线如图1中运行方法2所示。

50ml氢气相当于：50ml/22.4L/mol＝2.23×10^-3mol.因为每个氢分子反应有两个电子转移，所以氢气排放的，相当于有2×2.23×10^-3mol×96500库仑/mol＝430.4库仑电量损失

150S时间内，电池堆共有150S×11A×10＝16500库仑电子转移.

氢气进入燃料电池阴极侧，一方面造成燃料电池堆因为瞬时电压下降造成氢转化效率下降。另一方面造成电池堆在恒定电流下，由于H2进入燃料电池阴极对电池催化剂层的清洗，燃料电池催化剂活性提高，平均运行电压提高，在恒定11A的电流情况下，单片电池的运行平均电压提高到0.69V。单片电池平均电压恢复0.69V的时间为2S，因为氢气进入电池阴极的影响，电池的运行效率提高。

2S时间内，燃料电池电压变化近似为线形变化，功率-时间波动曲线为等腰三角形。2S内，燃料电池发电能量近似表示为：2S×6.9V×11A×0.5＝75.9W.S

此时每次的间歇排气转化效率降低导致能量损失：75.9W.S

氢气间歇排气周期内：150S的周期内，氢气发电能量为：11A×6.9V×148S+75.9W.S＝11309.1W.S。

因为排放的氢气相当于430.4/(430.4+16500)×100％＝2.54％的损失。

氢转化效率为：97.46％×(0.69/1.2-75.9W.S/(11309.1+75.9)W.S-2W/6.9V*11A)＝97.46％×54.3％＝53％。

因此：本发明中，氢气间歇式排放进入电池阴极和传统式间歇排气相比(直接排放氢气)相比，氢气发电效率提高了53％-50％＝3％。

相对转化效率提高了：3％/50％＝6％。

上述转化效率是在恒定电流的条件下测到的结果。对于一个负载恒定的燃料电池来说：维持额定功率为69.5W燃料电池，电池电流为10A，平均电池电压为0.71V。

150S内的氢气耗氢量降低接近(11-10)/10×100％＝10％，因此在相同的电池发电量的情况下，通过本发明的氢气间歇式排放进入电池阴极的实施，同传统式间歇排气相比(直接排放氢气)相比，燃料电池发电对氢气利用率提高可接近10％，提升效果显著。

排气间隔对该系统转化效率的影响：

实例中给出了150S内排放一次的情况，氢气排放频率越高，氢气间歇式排放进入电池阴极同传统式间歇排气相比(直接排放氢气)相比，氢气进入燃料电池阴极侧，造成燃料电池堆因为瞬时电压下降造成氢转化效率下降次数越多。在一定的氢气排气频率下，氢发电效率提高部分因效率降低部分相等而抵消，此时，如果再进一步提高氢气进入阴极的频率，两者相比，本发明的氢发电效率反而会降低。

7.1V×(11-10)A×(150-2N+N)S＝N×7.1V×10A×2S×0.5

计算得知：N＝16.6次，也即是在150S内排气16.6次时，两种情况下相比，燃料电池效率相等，排气频率可以表示为：(16.6/150)×60＝6.6次/分钟。

一般设定电池出口电池阀每次打开的时间为0.3S，6.6次/分钟的打开时间为6.6*0.3＝2S，

因此排气电磁阀关闭/开启排气时间比例：(60-2)/2＝29。

实施例2

一种燃料电池堆由500个单片电池叠加组成，在燃料电池堆的氢气出口处设置排氢电磁阀，燃料电池在运行时，将阳极燃料氢气通过排气电磁阀排出后间歇式的排入燃料电池阴极，所有的单片电池分成10部分，每一次氢气排放同空气形成混合气体进入其中一部分，氢气中可含有少量的杂质如CO₂，H₂O，氢气和空气混合，在阴极电极催化层的作用下直接化合反应，在同等电流输出情况下，短暂的降低电池输出电压，其中单片电池电压下降到接近0V，排气电磁阀关闭/开启排气时间比例在3000之间。

氢空混合气体进入燃料电池中其中一部分的燃料电池阴极，该部门电池短时间内电压可降到接近0V，整个电池堆整体保持一定的电压，电流输出。电压波动期间，燃料发电效率降低。

所述的电磁阀关闭/开启整个周期过程中，氢气间歇排进入燃料电池阴极同常规直接氢气间歇式排放不进入阴极相比燃料电池发电效率提高。

实施例3

一种燃料电池堆由1个单片电池叠加组成，分成1部分，排气电磁阀关闭/开启排气时间比例为30之间。其余同实施例1。

Claims

1.一种提高燃料电池氢气利用率的方法，其特征在于，该方法是在燃料电池堆的氢气出口处设置排氢电磁阀，燃料电池在运行时，将阳极燃料氢气通过排气电磁阀排出后进入燃料电池阴极，氢气和空气混合，在阴极电极催化层的作用下直接化合反应，提高电池运行电压，降低燃料电池运行电流，从而提高电池运行效率。

2.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池氢气利用率的方法，其特征在于，所述的阳极燃料氢气是通过燃料电池堆阳极后排出的氢气，该氢气中含有杂质CO₂和H₂O。

3.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池氢气利用率的方法，其特征在于，所述的氢气通过排气电磁阀被间歇式的排入燃料电池堆阴极，同燃料电池堆阴极的空气混合，所述的排气电磁阀的关闭/开启排气时间比例在30-3000之间。

4.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池氢气利用率的方法，其特征在于，所述的氢气和空气混合的混合气体直接在燃料电池堆阴极反应时，在同等电流输出情况下，短暂的降低电池输出电压，其中单片电池电压下降到接近0V。

5.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池氢气利用率的方法，其特征在于，所述的燃料电池堆由1-500个单片电池叠加组成，所有的单片电池分成几部分，每一次氢气排放同空气形成混合气体进入其中一部分。

6.根据权利要求5所述的一种提高燃料电池氢气利用率的方法，其特征在于，所述的燃料电池堆所有的单片电池分成1-10部分，氢气与空气的混合气体进入燃料电池堆其中一部分的燃料电池阴极，该部分电池短时间内电压可降到接近0V，整个电池堆整体保持一定的电压，电流输出，电压波动期间，燃料发电效率降低。