CN106876751A - 一种氢氧燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢氧燃料电池，其包括电堆、与所述电堆的氢气入口连通的氢气管道、与所述电堆的空气入口连通的空气管道和用于向电堆提供冷却水的冷却系统，所述氢氧燃料电池还包括：泄压管道，其包括主管道和第一支管道，所述主管道的一端与第一支管道的一端通过第一电磁阀连通，所述主管道的另一端与所述氢气入口连通，所述第一支管道的另一端与所述空气管道连通；其中，当所述电堆关闭时，所述第一电磁阀切换至所述第一支管道的一端与主管道的一端导通的状态，使空气同时自所述氢气入口和空气入口进入电堆，以使所述电堆内的残余氢气及反应生成的液态水从所述电堆的废料出口排出。本发明的氢氧燃料电池能够快速、方便的排除电堆内的残余电量。

Description

一种氢氧燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别涉及一种氢氧燃料电池。
背景技术
燃料电池是很有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极。其和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在电池内部的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量；而燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置。这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点，但由于成本高，系统比较复杂，仅限于一些特殊用途，如飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔和浮标等方面。通常该类电池通过电堆进行放电反应而产生电流，当关闭电池时，也就是将电堆关闭时，由于其内部还残留有氢气和液态水，为了避免其继续反应产生电能，现有技术中通常通过向电堆内通入氮气以将氢气及液态水排出，但是该方法局限性较大，实施较为困难。且现有技术中氢氧燃料电池在氢气、氧气(空气)的引入无较为严密的监控过程，因此导致电堆内放电反应的进行效果欠佳。
发明内容
本发明所要解决的问题是，提供一种能够快速、方便的排除电堆内残余电量的氢氧燃料电池。
为了解决上述问题，本发明提供一种氢氧燃料电池，其包括电堆、与所述电堆的氢气入口连通的氢气管道、与所述电堆的空气入口连通的空气管道和用于向电堆提供冷却水的冷却系统，所述氢氧燃料电池还包括：
泄压管道，其包括主管道和第一支管道，所述主管道的一端与第一支管道的一端通过第一电磁阀连通，所述主管道的另一端与所述氢气入口连通，所述第一支管道的另一端与所述空气管道连通；
其中，当所述电堆关闭时，所述第一电磁阀切换至所述第一支管道的一端与主管道的一端导通的状态，使空气同时自所述氢气入口和空气入口进入电堆，以使所述电堆内的残余氢气及反应生成的液态水从所述电堆的废料出口排出。
作为优选，所述氢气管道上设有第二电磁阀和用于调控所述氢气管道内的氢气压力及对氢气进行除杂的保护组件。
作为优选，所述保护组件包括沿所述氢气的流动方向依次设置的：
第一压力传感器，其用于感测氢气管道中氢气的压力；
压力调节部，其用于调节氢气的压力；
第二压力传感器，其用于感测经所述压力调节部调节后的氢气的压力；以及
第一水气分离器，其用于分离出氢气中的水，分离出的水通过排污管道排出；
其中，所述第二电磁阀位于所述第一压力传感器与压力调节部之间。
作为优选，所述空气管道上沿空气的流动方向依次设有：空气过滤器、空气流量计、空气泵以及湿热交换器，所述湿热交换器与所述电堆的空气入口、高温废气出口间均通过连接管道连通，所述湿热交换器上还连接有所述排污管道；所述第一支管道的另一端与连接所述空气入口的连接管道相连。
作为优选，所述泄压管道还包括第二支管道，所述主管道上设有循环泵，所述第二支管道的一端通过所述第一电磁阀与所述主管道的一端连通，所述第二支管道的另一端与所述电堆的废料出口连通；所述第二支管道上设有用于分离自所述废料出口流出的氢气和液态水的第二水气分离器，所述第一水气分离器和第二水气分离器均通过排水管道与所述排污管道连通；
其中，当电堆运行时，所述第一电磁阀切换至所述第二支管道的一端和主管道的一端导通的状态，经所述第二水气分离器分离出的氢气经所述循环泵进入电堆，分离出的液态水通过排水管道进入排污管道中。
作为优选，所述主管道经过所述第一水气分离器与所述氢气入口相连通，以使经所述第二水气分离器分离出的氢气经过所述第一水气分离器的二次过滤后进入所述电堆。
作为优选，所述冷却系统包括：
第一水循环管道，其两端分别与所述电堆的低温水入口和高温水出口相连通，所述第一水循环管道上装设有换热器；以及
第二水循环管道，其与换热器相连通，用于为所述换热器提供冷媒。
作为优选，所述第一循环管道上还设有第一温度传感器、去离子器、第一水泵、压力开关和溢流阀。
作为优选，所述第二循环管道上设有注水口、排水口、第二温度传感器、散热器和第二水泵。
作为优选，所述第一循环管道上还设有补水箱，其用于向所述第一循环管道中补水。
本发明的氢氧燃料电池的有益效果在于，能够在关机时，利用空气快速对电堆内的电压进行排除，实施方便，且节省了使用成本。
附图说明
图1为本发明的氢氧燃料电池的系统结构图(其中实线代表水，虚线代表氢气，点画线代表空气)。
附图标记：
1-氢气管道；2-第一压力开关；3-空气管道；4-第一电磁阀；5-减压阀；6-第一压力传感器；7-第二压力传感器；8-第一水气分离器；9-第二水气分离器；10-电堆；11-第二电磁阀；12-阀门；13-排污管道；14-循环泵；15-湿热交换器；16-空气泵；17-空气流量计；18-空气过滤器；19-第一温度传感器；20-补水箱；21-去离子器；22-第一水泵；23-第二压力开关；24-换热器；25-注水口；26-排水口；27-散热器；28-第二水泵；29-第二温度传感器；30-溢流阀；31-主管道；32-第一支管道；33-第二支管道；34-排水管道。
55-氢气管道；56-第一压力开关；57-空气管道；58-第一电磁阀；59-减压阀；60-第一压力传感器；61-第二压力传感器；62-第一水气分离器；63-第二水气分离器；64-电堆；65-第二电磁阀；66-阀门；67-排污管道；68-循环泵；69-湿热交换器；70-空气泵；71-空气流量计；72-空气过滤器；73-第一温度传感器；74-补水箱；75-去离子器；76-第一水泵；77-第二压力开关；78-换热器；79-注水口；80-排水口；81-散热器；82-第二水泵；83-第二温度传感器；84-溢流阀；85-主管道；86-第一支管道；87-第二支管道；88-排水管道；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细描述。
本发明公开一种氢氧燃料电池，其包括：
电堆10，其具有多个接口，多个接口分别为氢气入口、低温水入口、高温水出口、空气入口、高温废气出口以及用于排出电堆10内废气及废液的排污口，例如对电堆10泄压时，电堆10内残留的氢气以及反应生成的液态水经废料出口排出；
氢气管道1，其与电堆10的氢气入口相连以用于向电堆10内送入氢气；氢气管道1的另一端与氢气供给装置相连，该装置选择种类很多，如各种储氢器等，此处不再赘述；
空气管道3，其与电堆10的空气入口相连，其上设有湿热交换器15，空气被送入湿热交换器15进行加湿升温后进入电堆10参与反应并形成高温废气(即高温的富氮空气，也称空气尾气)，高温废气自电堆10的高温废气出口流出电堆10后再次流入湿热交换器15，以用于将自身热量及水分传递至新引入的空气中，之后排出；
冷却系统，其用于向电堆10提供冷却水；以及
泄压管道，其包括主管道31和第一支管道32，主管道31的一端与第一支管道32的一端通过第一电磁阀4连通，主管道31的另一端与电堆10的氢气入口连通，第一支管道32的另一端与空气管道3连通。
当电堆10关闭时，第一电磁阀4切换至第一支管道32的一端与主管道31的一端导通的状态，使空气同时自氢气入口和空气入口进入电堆10，用于推动电堆10内的残余氢气及反应生成的液态水从电堆10的废料出口排出，完成对电堆10的泄压工作。该泄压操作简单、快捷，且无需另通入氮气，只需通入空气就可彻底排出电堆10内的残料，节约了成本。
具体地，继续结合图1所示，氢气管道1上设有第二电磁阀11，以便于控制氢气的输送。为了使得送入电堆10内的氢气满足电堆10的使用要求，促进放电反应的进行，本实施例中在氢气管道1与电堆10间还设有用于调控氢气压力及对氢气进行除杂的保护组件。该保护组件包括沿氢气的流动方向依次设置的：
第一压力传感器6，其用于感测自氢气管道1流出的氢气的压力；
压力调节部，其用于对氢气进行压力调节；例如当氢气管道1内的氢气的压力较低时，可将压力调节部设置为氢气泵，用以增加氢气压力；而当氢气管道1内的氢气的压力较高时，可将压力调节部设置为减压阀5，用以降低氢气压力，本实施例中的压力调节部为减压阀5；
第二压力传感器7，其用于感测经压力调节部调节压力后的氢气的压力；若压力过高或过低，即只要不符合电堆10反应所需氢气的压力，便产生警报，以避免不符合要求的氢气进入电堆10；以及
第一水气分离器8，其用于分离出即将进入电堆10内的氢气中含有的水，分离出的水经排污管道13排出，以避免电堆10内积累过多的液态水。其中，第二电磁阀11设于第一压力传感器6与压力调节部之间。
继续结合图1，湿热交换器15与电堆10的空气入口和高温废气出口间均通过排水管道34连通，并同时与排污管道13连通，排污管道13上设有第一压力开关2。第一支管道32的另一端与连通空气入口的连接管道连通。主管道31上设有循环泵14，泄压管道还包括第二支管道33，该第二支管道33的一端通过第一电磁阀4与主管道31的一端连通，另一端与电堆10的废料出口连通。第二支管道33上设有第二水气分离器9，以用于分离自电堆10的废料出口流出的氢气和液态水，第一水气分离器8和第二水气分离器9分别通过排水管道34与排污管道13连通。即，氢气中的液态水和反应生成的液态水均自排水管道34排至排污管道13中进而排出。本实施例中的两条排水管道34上均设有阀门12，具体应用时可将两个阀门12间歇性开启以通过排水管道34排出积水。
当电堆10运行时，第一电磁阀4切换至第二支管道33的一端和主管道31的一端导通的状态。由于需要定时排出电堆10内由反应生成的液态水，但液态水在排出的过程中会连带部分氢气一同排出，为避免氢气的浪费，经第二水气分离器9分离出的氢气经循环泵14再次进入电堆10参与反应，分离出的液态水通过排水管道34进入排污管道13中。优选地，本实施例中的经第二水气分离器9分离出的氢气再经过第一水气分离器8后进入电堆10，以避免氢气中还夹带液态水。当电堆10关闭时，第一电磁阀4切换至第一支管道32的一端与主管道31的一端导通的状态，以用于为电堆10泄压。
继续结合图1，空气管道3位于其入口与湿热交换器15间的部分沿空气的流动方向依次设有：空气过滤器18、空气流量计17以及空气泵16。其中，空气过滤器18是用于排除空气中的杂质，如PM10等；空气泵16用于向湿热交换器15中泵入空气，并对空气进行增压；空气流量计17是用于探测空气的流量及流速，当空气的流量及流速不符合电堆10内放电反应的需求时，可通过空气泵16实现调节空气流量及流速的效果。
进一步地，本发明的氢氧燃料电池的冷却系统包括：
第一循环管道，其装设有换热器24，第一循环管道的两端分别与电堆10的低温水入口和高温水出口相连通，以用于接收自电堆10流出的高温的冷却水并在其降温后再次输送至电堆10中；以及
第二循环管道，其与换热器24相连通，以用于为换热器24提供冷媒，也就是用于辅助换热器24对第一循环管道内的高温冷却水进行降温。
具体地，继续结合图1，本实施例中的第一循环管道上设有：
补水箱20，其用于向第一循环管道中补水；
两个第一温度传感器19，其分别用于感测进入电堆10及自电堆10流出的冷却水的温度；该两个第一温度传感器19分别对应装设在管道邻近电堆10的高温水出口和低温水入口处；
去离子器21，其用于滤除自电堆10流出的高温水中的杂质离子；
第一水泵22，其用于将降温后的冷却水泵入电堆10中；
第二压力开关23，其用于检测第一循环管道中的冷却水的压力，例如当第一循环管道被堵住时，第二压力开关23通过检测管道中的压力的异常而发出警报，通知用户关闭氢氧燃料电池，避免发生危险；以及
溢流阀30，其用于对第一循环管道排流泄压。
第二循环管道上还设有：
注水口25，其与外部水源相连用于向第二循环管道内注水，该注水口上设有开关阀；
排水口26，其用于排出第二循环管道中的冷却水，该排水口26上同样设有开关阀。当氢氧燃料电池正常工作时，该两个开关阀均处于关闭状态；
第二温度传感器29，其用于检测第二循环管道中的水的温度，当该管道内的水的温度过高时，上述两个开关阀均打开，以排出第二循环管道内的部分高温水，同时向管道内注入低温水，以降低管道内的水的温度，满足换热器24中的换热需要；
散热器27，其用于对第二循环管道中的水降温，使管道内的水能够循环使用，节约水源；以及
第二水泵28，其用于将降温后的水泵入换热器24中。
本实施例中，换热器24位于第一循环管道中第二压力开关23与邻近电堆10的低温水入口处的第一温度传感器19之间，同时位于第二循环管道中的第二温度传感器29与第二水泵28之间，注水口25位于换热器24与第二温度传感器29之间，排水口26位于第二水泵28与换热器24间。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氢氧燃料电池，其包括电堆、与所述电堆的氢气入口连通的氢气管道、与所述电堆的空气入口连通的空气管道和用于向电堆提供冷却水的冷却系统，其特征在于，所述氢氧燃料电池还包括：
泄压管道，其包括主管道和第一支管道，所述主管道的一端与第一支管道的一端通过第一电磁阀连通，所述主管道的另一端与所述氢气入口连通，所述第一支管道的另一端与所述空气管道连通；
其中，当所述电堆关闭时，所述第一电磁阀切换至所述第一支管道的一端与主管道的一端导通的状态，使空气同时自所述氢气入口和空气入口进入电堆，以使所述电堆内的残余氢气及反应生成的液态水从所述电堆的废料出口排出。
2.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述氢气管道上设有第二电磁阀和用于调控所述氢气管道内的氢气压力及对氢气进行除杂的保护组件。
3.根据权利要求2所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述保护组件包括沿所述氢气的流动方向依次设置的：
第一压力传感器，其用于感测氢气管道中氢气的压力；
压力调节部，其用于调节氢气的压力；
第二压力传感器，其用于感测经所述压力调节部调节后的氢气的压力；以及
第一水气分离器，其用于分离出氢气中的水，分离出的水通过排污管道排出；
其中，所述第二电磁阀位于所述第一压力传感器与压力调节部之间。
4.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述空气管道上沿空气的流动方向依次设有：空气过滤器、空气流量计、空气泵以及湿热交换器，所述湿热交换器与所述电堆的空气入口、高温废气出口间均通过连接管道连通，所述湿热交换器上还连接有所述排污管道；所述第一支管道的另一端与连接所述空气入口的连接管道相连。
5.根据权利要求4所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述泄压管道还包括第二支管道，所述主管道上设有循环泵，所述第二支管道的一端通过所述第一电磁阀与所述主管道的一端连通，所述第二支管道的另一端与所述电堆的废料出口连通；所述第二支管道上设有用于分离自所述废料出口流出的氢气和液态水的第二水气分离器，所述第一水气分离器和第二水气分离器均通过排水管道与所述排污管道连通；
其中，当电堆运行时，所述第一电磁阀切换至所述第二支管道的一端和主管道的一端导通的状态，经所述第二水气分离器分离出的氢气经所述循环泵进入电堆，分离出的液态水通过排水管道进入排污管道中。
6.根据权利要求5所述的氢氧燃料电池，其特征在于，
所述主管道经过所述第一水气分离器与所述氢气入口相连通，以使经所述第二水气分离器分离出的氢气经过所述第一水气分离器的二次过滤后进入所述电堆。
7.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述冷却系统包括：
第一水循环管道，其两端分别与所述电堆的低温水入口和高温水出口相连通，所述第一水循环管道上装设有换热器；以及
第二水循环管道，其与换热器相连通，用于为所述换热器提供冷媒。
8.根据权利要求7所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述第一循环管道上还设有第一温度传感器、去离子器、第一水泵、压力开关和溢流阀。
9.根据权利要求8所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述第二循环管道上设有注水口、排水口、第二温度传感器、散热器和第二水泵。
10.根据权利要求8所述的氢氧燃料电池，其特征在于，所述第一循环管道上还设有补水箱，其用于向所述第一循环管道中补水。
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