CN103730673A

CN103730673A - 质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置

Info

Publication number: CN103730673A
Application number: CN201310702191.1A
Authority: CN
Inventors: 仙存妮
Original assignee: Shuangdeng Science & Technology Development Academy Co Ltd Nanjing City
Current assignee: Shuangdeng Group Co Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103730673B

Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，属于燃料电池技术领域。该装置主要由内、外筒、连接杆、传动轴组成。原料气从外腔流过，燃料电池阳极尾气进入内腔。内筒可随传动轴一起转动；内筒内壁上有多孔状小凸起，且内壁上有很薄的催化剂层；内筒壁上开有小孔，与外腔相通。本装置不仅处理了阳极尾气，减少对环境的污染和燃烧、爆炸等潜在危险；同时充分利用了阳极尾气携带的和阳极尾气反应产生的热量和水对原料气进行加湿加热，成本低、效率高、使用方便，提高了燃料电池系统的综合效益。

Description

质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置。

背景技术

燃料电池是一种清洁、高效的发电装置，其将燃料的化学能直接转化为电能，效率高达60%以上。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，由于其工作温度低，在室温下就可以启动。质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，氢气在电池阳极吸附解离为氢离子，电解质膜是一种特殊的膜，其只允许氢离子通过，目前使用最广泛的是氟化磺酸膜，氢离子在此膜中以水合质子（H₃O⁺）的形式，从阳极迁移至阴极，与阴极的氧气发生反应生成水。氟化磺酸膜在足够的湿度下才具有很好的氢离子导电性，当缺水时膜内阻急剧增加，电池性能会迅速下降。虽然燃料电池在阴极端会生成水，但是当使用空气作为氧化剂时，需要通入过量空气，当大量干空气吹入时，未反应的高温气体会将生成的水分带走，致使阴极端缺水。为此在进电堆前一般对空气进行加湿。

质子交换膜燃料电池的加湿方式一般有以下几种：

蒸汽加湿：利用电阻丝加热去离子水，产生水蒸气，将需要加湿的气体通过来加湿。此方法需要加热装置和额外的加水，具有体积大，耗能等缺点。

质子交换膜加湿：该加湿方法利用质子交换膜的阻气特性和水在膜内的浓差扩散实现，在膜的一侧通水，一侧通气体，水分通过膜达到另一侧，将气体加湿。此方法使用昂贵的质子交换膜，一般做成与电堆一样的结构，和电堆装在一起。其缺点是成本高，增大了电堆体积，增湿效率低，需要额外提供去离子水。

焓轮增湿器：燃料电池的尾气和原料气分别进入增湿器两侧，利用陶瓷材料的微孔吸收尾气中的水分和热量，电机驱动转动焓轮，原料气再将陶瓷材料中的水分和热量吸收，进而加湿。然而尾气中的余热和水分有限，加湿效果不佳。

质子交换膜燃料电池阳极尾气一般含有少量氢气，目前对阳极尾气大都不做任何处理，直接排入大气，不仅会造成燃料浪费，也会对环境造成污染，同时也存在燃烧和爆炸等危险。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低、使用方便，能减少燃料浪费和环境污染，避免危险事故发生的质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置。

本发明的技术方案是：质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，与燃料电池电堆相连接，该装置主要由内筒、外筒、传动轴、连接杆构成，内筒中的空腔为内腔，内、外筒之间的空腔为外腔，内筒由连接杆与传动轴相连，外筒、内筒同轴设置，两端有端盖，其中靠近燃料电池电堆一端的端盖上设有内腔连接口和外腔连接口，另一端的端盖上设有与外腔相通的原料气入口和与内腔相通的尾气出口，尾气出口上有排气阀，内筒的筒壁上有孔径为1nm～1mm的小孔，孔隙率为10%～90%，内筒的内壁上分布大小不一的小凸起，并且内筒内壁上有催化剂涂层。

进一步的方案是：所述内筒为导热性好的圆筒，外筒为绝热性好的圆筒；所述内筒端面与端盖之间有密封圈，实现动态密封；所述内筒内壁上的小凸起为多孔状结构，凸起孔隙率为5%～80%；所述催化剂涂层厚度为1nm～50μm。

上述增湿及阳极尾气处理装置的工作过程是：待增湿与加热的原料气从入口进入外腔中，通过外腔连接口进入燃料电池电堆中，微量的原料气通过内筒壁上的小孔进行内腔中；燃料电池阳极尾气通过内腔连接口进入内腔中，尾气中的燃料气在内筒内壁上的薄层催化剂作用下，与内腔中的微量空气发生反应生成水和热。内筒通过连接杆与传动轴相连，在传动轴的带动下转动，生成的水在离心力作用下通过内筒壁上的小孔被甩入外腔中，对外腔中的原料气进行加湿加热，阳极尾气中的其他气体通过尾气出口排入大气中；阳极尾气携带的热和反应生成的热量通过热导性好的内筒传递给外腔中的原料气，对其预热。

与传统的增湿器相比，本装置增湿、加热效果更佳，同时充分利用了阳极尾气，减少了燃料气浪费，减少了对大气的污染和燃烧、爆炸危险事故的发生，该装置结构简单、成本低、加湿加热效率高、使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的增湿及阳极尾气处理装置由两个空心圆柱体（圆筒）组成，两端有端盖，外筒3固定，内筒5与传动轴8通过连接杆11连接，可随传动轴一起转动，同时内筒5端面与端盖之间通过密封圈9实现动态密封，减少内外腔的窜气。内筒5内壁上分布有很多大小不一的多孔状小凸起10，凸起孔隙率为5%～80%，同时内筒内壁上涂有很薄的催化剂层，催化剂层的厚度在1nm～50μm之间，内筒5壁上开有1nm～1mm的小孔，孔隙率为10%～90%。

本发明实施例1、2、3的具体结构参数如表1：

表1：

Figure 2013107021911100002DEST_PATH_IMAGE002

燃料电池电堆1的阳极尾气通过内腔连接口13进入内腔4中，在内筒壁上催化剂的作用下与内腔4中的空气发生反应，生成水并产生热量。传动轴8带动内筒5转动（转速根据需要设定和调节，可调范围为0～99999rpm），生成的水以及阳极尾气中携带的水分在离心力作用下从内筒壁上的小孔被甩入外腔2中；内筒内壁上的凸起10对阳极尾气的流动起到阻碍和搅拌作用，可以减慢阳极尾气的流动速度和改变其流动方向，使阳极尾气中的反应气体能更充分地参与反应；同时多孔状凸起10增加了催化剂涂层的比表面积，提高了催化剂的分散性，可以提高催化效果。原料气通过原料气入口6进入外腔2中，被外腔内的水加湿，同时阳极尾气携带的余热和反应产生的热量通过导热性好的内筒壁传递给外腔2内的原料气，对其进行预热；外筒3为好的绝热体，可避免外腔2内原料气热量的损失，经过加湿加热后的原料气通过外腔连接口12进入燃料电池电堆1中参加反应。少量的原料气可通过内筒5壁上的小孔进入内腔4内，为燃料气反应提供氧化剂。

阳极尾气中未参加反应的气体通过尾气出口7排入大气中，尾气出口7与内腔4之间装有排气阀14，可以对尾气的排放量及排放速度进行控制。燃料电池电堆反应一段时间后，未反应的气体和生成的水在阳极集聚，若不及时排除，会堵塞反应气体的通道，使得电堆性能下降。一般需要一段时间后对电堆进行排气处理（Purge），此时可打开排气阀14，由于电堆内部压强大于外界大气压，利用燃料电池堆内与外界的气压差将燃料电池电堆中未反应的气体和多余的水分排进内筒4内，从而使电堆正常工作。排气阀14的开关时间和开的大小可根据电堆的实际性能和原料气的加湿要求决定。

本发明装置不仅避免了燃料浪费，消除了燃料电池阳极尾气对环境的危险，同时充分利用阳极尾气携带的余热和水分以及阳极尾气反应产生的热量和水对燃料电池原料气进行加湿预热，成本低、效率高、使用方便，提高了燃料电池系统的的综合效益。

Claims

1.一种质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，与燃料电池电堆相连接，其特征是该装置主要由内筒、外筒、传动轴、连接杆构成，内筒中的空腔为内腔，内、外筒之间的空腔为外腔，内筒由连接杆与传动轴相连，外筒、内筒同轴设置，两端有端盖，其中靠近燃料电池电堆一端的端盖上设有内腔连接口和外腔连接口，另一端的端盖上设有与外腔相通的原料气入口和与内腔相通的尾气出口，尾气出口上有排气阀，内筒的筒壁上有孔径为1nm～1mm的小孔，孔隙率为10%～90%，内筒的内壁上分布大小不一的小凸起，并且内筒内壁上有催化剂涂层。

2.按权利要求1所述质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，其特征是所述内筒为导热性好的圆筒，外筒为绝热性好的圆筒。

3.按权利要求1所述质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，其特征是所述内筒端面与端盖之间有密封圈，实现动态密封。

4.按权利要求1所述质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，其特征是所述内筒内壁上的小凸起为多孔状结构，凸起孔隙率为5%～80%。

5.按权利要求1所述质子交换膜燃料电池增湿及阳极尾气处理装置，其特征是所述催化剂涂层厚度为1nm～50μm。