CN105070928A - 一种燃料电池供氧系统及供氧方法 - Google Patents

一种燃料电池供氧系统及供氧方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池供氧系统及其供氧方法，供氧系统包括燃料电池、压缩空气/氧气容器及射流减压调节子系统，其中：燃料电池，用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能；压缩空气/氧气容器，其内储存有压缩空气/氧气；射流减压调节子系统，包括压缩空气/氧气输入通道、外界空气输入通道及混合空气输出通道；该压缩空气/氧气输入通道的末端具有喷射口，该喷射口与外界空气输入通道相配合，在压缩空气/氧气经喷射口向混合空气输出通道喷射时，在喷射口处形成喷射气流，该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气，两股气流混合后，通过混合空气输出通道输出混合空气，并供应给燃料电池。本发明无噪音、寿命长、供氧效率高。

Description

一种燃料电池供氧系统及供氧方法
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，特别涉及一种燃料电池供氧系统及供氧方法。
背景技术
目前，氢-氧燃料电池发电系统可以把氢能直接转化成电能。在燃料电池的阳极：2H2→4H++4e-，H2分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板；在燃料电池的阴极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O。在现有技术中，上述H2来源于制氢设备或氢气储存装置，而上述O2则直接来源于外界空气。
燃料电池在上述电化学反应产生电的过程中，O2的供应是通过空气输送系统供应，该空气输送系统包括空气泵，外界空气在空气泵的压缩和驱动作用下，从燃料电池之空气进口进入，在燃料电池内，空气中的氧气与氢气发生电化学反应产生电能，并生成水汽，然后，剩余的空气及水汽再从燃料电池之空气出口排出。
然而，采用空气泵压缩和驱动空气进入燃料电池的方式还具有如下缺失：其一、由于空气泵噪音非常大，因而不利于燃料电池发电设备的整体降噪；其二、空气泵的使命寿命较短，难以保障持续稳定的工作，当空气泵发生故障时，燃料电池因缺O2而不能继续发电，将影响相关用电设备的供电；其三、空气泵的电耗高，效率低，不利于节能减排。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种无噪音、寿命长、效率高的燃料电池供氧系统；为此，本发明还要提供一种该燃料电池供氧系统的供氧方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种燃料电池供氧系统，包括燃料电池、压缩空气/氧气容器及射流减压调节子系统，其中：燃料电池，用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能；压缩空气/氧气容器，其内储存有压缩空气/氧气；射流减压调节子系统，包括压缩空气/氧气输入通道、外界空气输入通道及混合空气输出通道，压缩空气/氧气输入通道与压缩空气/氧气容器相连通，外界空气输入通道与外界相连通；该压缩空气/氧气输入通道的末端具有喷射口，该喷射口可向混合空气输出通道喷射压缩空气/氧气；该喷射口与外界空气输入通道相配合，在压缩空气/氧气经喷射口向混合空气输出通道喷射时，在喷射口处形成喷射气流，该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气，两股气流混合后，通过混合空气输出通道输出混合空气，并供应给燃料电池；该压缩空气/氧气与外界空气的重量比为1：0.1～1：20。
优选地，所述燃料电池供氧系统还包括空气加湿子系统，该空气加湿子系统设置于射流减压调节子系统与燃料电池之间，用于对从混合空气输出通道输出的混合空气进行加湿处理。所述空气加湿子系统有两种优选结构：第一种优选结构是：所述空气加湿子系统包括水汽输入通道、水汽排放通道及加湿空间；在燃料电池发生电化学反应产生电能时，生成水汽，该水汽及未反应的空气从燃料电池排出后，经水汽输入通道进入加湿空间，再从水汽排放通道排出；所述加湿空间中设有空气湿度调节管道，该空气湿度调节管道包括透水不透气的管道，所述混合空气进入空气湿度调节管道后，吸收加湿空间中的水汽，再输出至燃料电池。进一步，所述空气湿度调节管道包括进气管、出气管及若干根并列的空气湿度交换管，所述混合空气依次经进气管、若干根并列的空气湿度交换管及出气管后，进入至燃料电池，所述空气湿度交换管为透水不透气的管道；所述空气湿度交换管的管壁，从内至外包括多孔支撑管及全氟磺酸膜层。第二种优选结构是：所述空气加湿子系统包括加湿器、水容器及加湿水泵，所述混合空气从加湿器一侧进入，再从加湿器另一侧输出，同时，所述水容器中的水在加湿水泵的驱动作用下，从加湿器之进水端进入，再从加湿器之出水口回流至水容器中，以便对混合空气进行加湿。
优选地，所述燃料电池供氧系统还包括空气加湿子系统，该空气加湿子系统设置于外界空气进入射流减压调节子系统的通道中，用于对进入射流减压调节子系统的外界空气进行加湿处理。所述空气加湿子系统有两种优选结构：第一种优选结构是：所述空气加湿子系统包括水汽输入通道、水汽排放通道及加湿空间；在燃料电池发生电化学反应产生电能时，生成水汽，该水汽及未反应的空气从燃料电池排出后，经水汽输入通道进入加湿空间，再从水汽排放通道排出；所述加湿空间中设有空气湿度调节管道，该空气湿度调节管道包括透水不透气的管道，所述外界空气进入空气湿度调节管道后，吸收加湿空间中的水汽，再输出至燃料电池。进一步，所述空气湿度调节管道包括进气管、出气管及若干根并列的空气湿度交换管，所述外界空气依次经进气管、若干根并列的空气湿度交换管及出气管后，进入至射流减压调节子系统，所述空气湿度交换管为透水不透气的管道；所述空气湿度交换管的管壁，从内至外包括多孔支撑管及全氟磺酸膜层。第二种优选结构是：所述空气加湿子系统包括加湿器、水容器及加湿水泵，所述外界空气从加湿器一侧进入，再从加湿器另一侧输出，同时，所述水容器中的水在加湿水泵的驱动作用下，从加湿器之进水端进入，再从加湿器之出水口回流至水容器中，以便对外界空气进行加湿。
优选地，所述射流减压调节子系统的压缩空气/氧气输入通道包括调节机构，用于调节所述喷射口处的喷射气流速度、方向和流量；所述外界空气输入通道内端设有吸入室，该吸入室与喷射口位置相对应；所述混合空气输出通道包括依次连接的喉管及扩散减压管，所述喷射气流吸取外界空气形成混合空气后，喷射至喉管中，再从扩散减压管输出。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：燃料电池供氧系统的供氧方法，包括以下步骤：
（1）压缩空气/氧气容器通过管道向射流减压调节子系统输送压缩空气/氧气；
（2）在射流减压调节子系统中，压缩空气/氧气经压缩空气/氧气输入通道的喷射口向混合空气输出通道喷射时，在喷射口处形成喷射气流，该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气，两股气流混合后，通过混合空气输出通道输出混合空气，并供应给燃料电池；该压缩空气/氧气与外界空气的重量比为1：0.1～1：20；
（3）燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，输出电能。
所述混合空气在进入燃料电池之前，通过空气加湿子系统进行加湿处理，或者所述外界空气进入射流减压调节子系统之前，通过空气加湿子系统进行加湿处理。
本发明的有益效果是：本发明利用压缩空气或氧气做动力（压缩比不限），并通过射流减压调节子系统吸取外界的自然空气，减压及稀释压缩空气或氧气，形成燃料电池的供氧系统，无噪音、寿命长、供氧效率非常高。
附图说明
图1为本发明第一种优选实施例的整体结构方框图。
图2为本发明第二种优选实施例的整体结构方框图。
图3为本发明第三种优选实施例的整体结构方框图。
图4为本发明第四种优选实施例的整体结构方框图。
图5为本发明第五种优选实施例的整体结构方框图。
图6为射流减压调节子系统优选结构剖视示意图。
图7为第一种空气加湿子系统的优选结构方框图。
图8为图7中空气加湿子系统的结构示意图。
图9为空气湿度交换管的横截面结构示意图。
图10为第二种空气加湿子系统的优选结构方框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
实施例一：
如图1所示，一种燃料电池供氧系统，包括燃料电池1、压缩空气/氧气容器2及射流减压调节子系统3，其中：燃料电池1，用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能，在燃料电池1的阳极：2H2→4H++4e-，H2分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板，在燃料电池1的阴极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O；该氢气来源于制氢装置4，该制氢装置4优选为甲醇水重整制氢装置，可参照中国发明申请201310340475.0（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），甲醇与水蒸汽在重整器的重整室内，在350-409℃温度下1-5MPa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程如下：(1)CH3OH→CO+2H2；(2)H2O+CO→CO2+H2；(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2，重整反应生成的H2和CO2，再经钯膜分离器将H2和CO2分离，得到高纯氢气；压缩空气/氧气容器2，其内储存有压缩空气/氧气；射流减压调节子系统3，结合参考图5，包括压缩空气/氧气输入通道31、外界空气输入通道32及混合空气输出通道33，压缩空气/氧气输入通道31与压缩空气/氧气容器2相连通，外界空气输入通道32与外界相连通；该压缩空气/氧气输入通道31的末端具有喷射口311，该喷射口311可向混合空气输出通道33喷射压缩空气/氧气；该喷射口311与外界空气输入通道32相配合，在压缩空气/氧气经喷射口311向混合空气输出通道33喷射时，在喷射口311处形成喷射气流，该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气，两股气流混合后，通过混合空气输出通道33输出混合空气，并供应给燃料电池1；该压缩空气/氧气与外界空气的重量比为1：0.1～1：20，优选为1：2～1：3。此外，该燃料电池1还设置水循环冷却降温系统5，以便对燃料电池1进行散热。
如图6所示，为射流减压调节子系统3的具体结构，该射流减压调节子系统3的压缩空气/氧气输入通道31包括调节机构312，用于调节所述喷射口311处的喷射气流速度、方向和流量；该射流减压调节子系统的外界空气输入通道32内端设有吸入室321，该吸入室321与喷射口311位置相对应；该射流减压调节子系统的混合空气输出通道33包括依次连接的喉管331及扩散减压管332，所述喷射气流吸取外界空气形成混合空气后，喷射至喉管331中，再从扩散减压管332输出。
实施例二：
如图2所示，实施例二与实施例一相比，该燃料电池供氧系统增加了空气加湿子系统6，该空气加湿子系统6设置于射流减压调节子系统3与燃料电池4之间，用于对从混合空气输出通道33输出的混合空气进行加湿处理。该空气加湿子系统6结构请参照图10，所述空气加湿子系统6包括加湿器61、水容器62及加湿水泵63，所述混合空气从加湿器61一侧进入，再从加湿器61另一侧输出，同时，所述水容器62中的水在加湿水泵63的驱动作用下，从加湿器61之进水端进入，再从加湿器61之出水口回流至水容器63中，以便对混合空气进行加湿，所述水容器63中的水优选为去离子水。
实施例三：
如图3所示，实施例三与实施例一相比，该燃料电池供氧系统增加了空气加湿子系统7，该空气加湿子系统7设置于射流减压调节子系统3与燃料电池1之间，用于对从混合空气输出通道33输出的混合空气进行加湿处理。该空气加湿子系统7结构请参照图7、图8及图9，该空气加湿子系统7包括水汽输入通道71、水汽排放通道72及加湿空间73；在燃料电池1发生电化学反应产生电能时，生成水汽，该水汽及未反应的空气从燃料电池1排出后，经水汽输入通道71进入加湿空间73，再从水汽排放通道72排出；所述加湿空间73中设有空气湿度调节管道74，该空气湿度调节管道74包括透水不透气的管道，所述外界空气进入空气湿度调节管道74后，吸收加湿空间73中的水汽，再输出至燃料电池1。进一步，如图8所示，所述空气湿度调节管道74包括进气管741、出气管742及若干根并列的空气湿度交换管743，所述外界空气依次经进气管741、若干根并列的空气湿度交换管743及出气管742后，进入至射流减压调节子系统3，所述空气湿度交换管743为透水不透气的管道；如图9所示，所述空气湿度交换管743的管壁，从内至外包括多孔支撑管7431及全氟磺酸膜层7432；所述所述多孔支撑管7431为多孔金属支撑管，或多孔高分子支撑管，或多孔陶瓷支撑管。
实施例四：
如图4所示，实施例四与实施例一相比，该燃料电池供氧系统增加了空气加湿子系统6，该空气加湿子系统6设置于外界空气进入射流减压调节子系统3的通道中，用于对进入射流减压调节子系统3的外界空气进行加湿处理。该空气加湿子系统6结构请参照图10，该空气加湿子系统6包括加湿器61、水容器62及加湿水泵63，所述外界空气从加湿器61一侧进入，再从加湿器61另一侧输出，同时，所述水容器63中的水在加湿水泵62的驱动作用下，从加湿器61之进水端进入，再从加湿器61之出水口回流至水容器63中，以便对外界空气进行加湿，所述水容器63中的水优选为去离子水。
实施例五：
如图5所示，实施例五与实施例一相比，该燃料电池供氧系统增加了空气加湿子系统7，该空气加湿子系统7设置于外界空气进入射流减压调节子系统3的通道中，用于对进入射流减压调节子系统3的外界空气进行加湿处理。该空气加湿子系统7结构请参照图7、图8及图9，该空气加湿子系统7包括水汽输入通道71、水汽排放通道72及加湿空间73；在燃料电池1发生电化学反应产生电能时，生成水汽，该水汽及未反应的空气从燃料电池1排出后，经水汽输入通道71进入加湿空间73，再从水汽排放通道72排出；所述加湿空间73中设有空气湿度调节管道74，该空气湿度调节管道74包括透水不透气的管道，所述外界空气进入空气湿度调节管道74后，吸收加湿空间73中的水汽，再输出至燃料电池1。进一步，如图8所示，所述空气湿度调节管道74包括进气管741、出气管742及若干根并列的空气湿度交换管743，所述外界空气依次经进气管741、若干根并列的空气湿度交换管743及出气管742后，进入至射流减压调节子系统3，所述空气湿度交换管743为透水不透气的管道；如图9所示，所述空气湿度交换管743的管壁，从内至外包括多孔支撑管7431及全氟磺酸膜层7432；所述所述多孔支撑管7431为多孔金属支撑管，或多孔高分子支撑管，或多孔陶瓷支撑管。
在上述实施例一至实施例五中，该燃料电池供氧系统利用压缩空气或氧气做动力（压缩比不限），并通过射流减压调节子系统吸取外界的自然空气，减压及稀释压缩空气或氧气，形成燃料电池的供氧系统，无噪音、寿命长、供氧效率非常高。此外，参照本申请人于2014年12月31日申请的中国发明申请201410845114.6，名称为一种燃料电池汽车，该燃料电池汽车前端可添加外界空气进风口，当采用20L、50Mpa的压缩空气做动力供氧时，按照燃料电池18Nm3/h的空气需要量，可令燃料电池汽车一次行驶220Km,当采用20L、50Mpa的压缩氧气做动力供氧时，则可加大外界空气输入比例，可令燃料电池汽车一次行驶400Km。
在上述实施例二至实施例五中，该燃料电池供氧系统增加了空气加湿子系统，该空气加湿子系统能将进入燃料电池的空气的湿度调节至75%～90%，优选为80%，这样，能使燃料电池能在短时间内使启动效能达到基准效能，并能使燃料电池工作效能达到最高。
在实施例三和实施例五中，由于空气加湿子系统的空气湿度调节管道具有透水不透气的管道，这样，当混合空气或外界空气经过空气湿度调节管道时，加湿空间中的水汽可渗透进空气湿度调节管道中的空气中（加湿空间中的空气则不能渗透进空气湿度调节管道中），从而使空气湿度调节管道中的混合空气或外界空气湿度也达到75%～90%，使燃料电池能在短时间内使启动效能达到基准效能，并能使燃料电池工作效能达到最高；此外，由于燃料电池经电化学反应后排出的水汽及未反应的空气经水汽输入通道进入加湿空间后，可令加湿空间中的空气湿度为75%～90%，因此，空气加湿子系统的加湿空间无需定时加入水源，利用燃料电池排出的水汽及未反应的空气即可控制加湿空间中的空气湿度达到75%～90%，节省了人力，避免了因未及时加水而造成空气加湿子系统无法正常工作的问题。
在上述技术方案中，所述燃料电池供氧系统的供氧方法，包括以下步骤：
（1）压缩空气/氧气容器通过管道向射流减压调节子系统输送压缩空气/氧气；
（2）在射流减压调节子系统中，压缩空气/氧气经压缩空气/氧气输入通道的喷射口向混合空气输出通道喷射时，在喷射口处形成喷射气流，该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气，两股气流混合后，通过混合空气输出通道输出混合空气，并供应给燃料电池；该压缩空气/氧气与外界空气的重量比为1：0.1～1：20；
（3）燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，输出电能。
进一步，所述混合空气在进入燃料电池之前，通过空气加湿子系统进行加湿处理，或者所述外界空气进入射流减压调节子系统之前，通过空气加湿子系统进行加湿处理。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池供氧系统，其特征在于：包括燃料电池、压缩空气/氧气容器及射流减压调节子系统，其中：燃料电池，用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能；压缩空气/氧气容器，其内储存有压缩空气/氧气；射流减压调节子系统，包括压缩空气/氧气输入通道、外界空气输入通道及混合空气输出通道，压缩空气/氧气输入通道与压缩空气/氧气容器相连通，外界空气输入通道与外界相连通；压缩空气/氧气输入通道的末端具有喷射口，喷射口可向混合空气输出通道喷射压缩空气/氧气；该喷射口与外界空气输入通道相配合，在压缩空气/氧气经喷射口向混合空气输出通道喷射时，在喷射口处形成喷射气流，该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气，两股气流混合后，通过混合空气输出通道输出混合空气，并供应给燃料电池；该压缩空气/氧气与外界空气的重量比为1：0.1～1：20。
2.根据权利要求1所述的燃料电池供氧系统，其特征在于：所述燃料电池供氧系统还包括空气加湿子系统，该空气加湿子系统设置于射流减压调节子系统与燃料电池之间，用于对从混合空气输出通道输出的混合空气进行加湿处理。
3.根据权利要求2所述的燃料电池供氧系统，其特征在于：所述空气加湿子系统包括水汽输入通道、水汽排放通道及加湿空间；在燃料电池发生电化学反应产生电能时，生成水汽，该水汽及未反应的空气从燃料电池排出后，经水汽输入通道进入加湿空间，再从水汽排放通道排出；所述加湿空间中设有空气湿度调节管道，该空气湿度调节管道包括透水不透气的管道，所述混合空气进入空气湿度调节管道后，吸收加湿空间中的水汽，再输出至燃料电池；所述空气湿度调节管道包括进气管、出气管及若干根并列的空气湿度交换管，所述混合空气依次经进气管、若干根并列的空气湿度交换管及出气管后，进入至燃料电池，所述空气湿度交换管为透水不透气的管道；所述空气湿度交换管的管壁，从内至外包括多孔支撑管及全氟磺酸膜层。
4.根据权利要求2所述的燃料电池供氧系统，其特征在于：所述空气加湿子系统包括加湿器、水容器及加湿水泵，所述混合空气从加湿器一侧进入，再从加湿器另一侧输出，同时，所述水容器中的水在加湿水泵的驱动作用下，从加湿器之进水端进入，再从加湿器之出水口回流至水容器中，以便对混合空气进行加湿。
5.根据权利要求1所述的燃料电池供氧系统，其特征在于：所述燃料电池供氧系统还包括空气加湿子系统，该空气加湿子系统设置于外界空气进入射流减压调节子系统的通道中，用于对进入射流减压调节子系统的外界空气进行加湿处理。
6.根据权利要求5所述的燃料电池供氧系统，其特征在于：所述空气加湿子系统包括水汽输入通道、水汽排放通道及加湿空间；在燃料电池发生电化学反应产生电能时，生成水汽，该水汽及未反应的空气从燃料电池排出后，经水汽输入通道进入加湿空间，再从水汽排放通道排出；所述加湿空间中设有空气湿度调节管道，该空气湿度调节管道包括透水不透气的管道，所述外界空气进入空气湿度调节管道后，吸收加湿空间中的水汽，再输出至燃料电池；所述空气湿度调节管道包括进气管、出气管及若干根并列的空气湿度交换管，所述外界空气依次经进气管、若干根并列的空气湿度交换管及出气管后，进入至射流减压调节子系统，所述空气湿度交换管为透水不透气的管道；空气湿度交换管的管壁，从内至外包括多孔支撑管及全氟磺酸膜层。
7.根据权利要求5所述的燃料电池供氧系统，其特征在于：所述空气加湿子系统包括加湿器、水容器及加湿水泵，所述外界空气从加湿器一侧进入，再从加湿器另一侧输出，同时，所述水容器中的水在加湿水泵的驱动作用下，从加湿器之进水端进入，再从加湿器之出水口回流至水容器中，以便对外界空气进行加湿。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的燃料电池供氧系统，其特征在于：所述射流减压调节子系统的压缩空气/氧气输入通道包括调节机构，用于调节所述喷射口处的喷射气流速度、方向和流量；所述外界空气输入通道内端设有吸入室，该吸入室与喷射口位置相对应；所述混合空气输出通道包括依次连接的喉管及扩散减压管，所述喷射气流吸取外界空气形成混合空气后，喷射至喉管中，再从扩散减压管输出。
9.权利要求1-7中任意一项所述的燃料电池供氧系统的供氧方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）压缩空气/氧气容器通过管道向射流减压调节子系统输送压缩空气/氧气；
（2）在射流减压调节子系统中，压缩空气/氧气经压缩空气/氧气输入通道的喷射口向混合空气输出通道喷射时，在喷射口处形成喷射气流，该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气，两股气流混合后，通过混合空气输出通道输出混合空气，并供应给燃料电池；该压缩空气/氧气与外界空气的重量比为1：0.1～1：20；
（3）燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，输出电能。
10.根据权利要求9所述的燃料电池供氧系统的供氧方法，其特征在于：所述混合空气在进入燃料电池之前，通过空气加湿子系统进行加湿处理，或者所述外界空气进入射流减压调节子系统之前，通过空气加湿子系统进行加湿处理。
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