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一种具有气体预热功能的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有气体预热功能的燃料电池系统，包括燃料电池电堆和气体预热装置；所述气体预热装置内部设置有一同时具有冷空气进口和预热空气出口的冷通道，所述冷通道的冷空气进口与外界大气或一空气气源相连通；所述预热空气出口与所述燃料电池电堆阴极空气进口相连通；所述气体预热装置热源为燃料电池电堆、燃料电池电堆所排放的阴极尾气、带重整器的燃料电池电堆的重整器、带重整器的燃料电池电堆重整器的尾气中的一种或二种以上。所述燃料电池系统包括一重整装置，所述重整装置，所述气体预热装置通过所述重整装置或重整装置中的重整器出口气体为其加热。

Description

一种具有气体预热功能的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体的说涉及一种高温燃料电池电堆及气体预热装置。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池通常由阳极、阴极及质子交换膜组成。在电池运行过程中，燃料在阳极催化剂表面发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，氧气在阴极催化剂表面与质子发生还原反应生成水，电子则通过外电路做功到达阴极。
燃料电池放电过程阴极不断消耗氧气，因而需要不断地向电池中通入氧气，一般而言，电池阴极通过风机鼓入周围环境的空气进行氧的供给。然而，空气温度低于电池运行温度，直接将空气中的空气通入到电池中会导致电池入口温度偏低，从而使电池内存在较大的温度差异，影响电池运行过程中的性能及寿命。
发明内容
本发明的目的是为了解决环境中空气直接通入到电池中会导致电池入口温度较低，使电池进出口存在较大温差的问题，提出了一种有效对进入电池中的空气进行预热的方法。
本发明采用以下具体方式来实现：
一种具有气体预热功能的燃料电池系统，包括燃料电池电堆和气体预热装置；所述气体预热装置内部设置有一同时具有冷空气进口和预热空气出口的冷通道，所述冷通道的冷空气进口与外界大气或一空气气源相连通；所述预热空气出口与所述燃料电池电堆阴极空气进口相连通；所述气体预热装置热源为燃料电池电堆、燃料电池电堆所排放的阴极尾气、带重整器的燃料电池电堆的重整器、带重整器的燃料电池电堆重整器的尾气中的一种或二种以上。
利用燃料电池电堆作为热源时，所述气体预热装置的冷通道通过与燃料电池电堆贴接的方式为流经的冷空气预热；
利用重整器作为热源时，所述气体预热装置的冷通道通过与重整器贴接的方式为流经的冷空气预热；
利用燃料电池电堆所排放的阴极尾气作为热源时，换热过程为下述中的一种或二种以上，所述气体预热装置的冷通道通过与阴极尾气排放管外壁面贴接的方式为流经的冷空气预热；或于冷通道外部设有一套管，套管套设于冷通道外部，套管二端与冷通道外壁面间密闭连接，套管上设有阴极尾气的入口和出口；或阴极尾气排放管中的一段管路从冷通道内穿过，形成套管式结构；或，阴极 尾气排放管和冷通道同时穿过一密闭容器；
利用重整器的尾气作为热源时，换热过程为下述中的一种或二种以上，所述气体预热装置的冷通道通过与尾气排放管外壁面贴接的方式为流经的冷空气预热；或于冷通道外部设有一套管，套管套设于冷通道外部，套管二端与冷通道外壁面间密闭连接，套管上设有尾气的入口和出口；或，尾气排放管中的一段管路从冷通道内穿过，形成套管式结构；或，尾气排放管和冷通道同时穿过一密闭容器。
该气体预热器通过电池运行过程中产生的多余的热量进行加热。
根据本发明设计，可有效解决燃料电池由于气体进入电池时温度较低而导致的电池温度分布不均从而使电池性能及寿命衰减的问题。提高了电池运行过程中的稳定性，使电池寿命得以提升。解决了电池运行过程中由于进口气体温度低于电池运行温度而导致的电池进出口温度分布产生明显差异的现象，使电池电堆中反应温度更加均匀，从而使电池内各处反应速率更加一致，提高电池放电过程中的均匀性和一致性。本发明所述气体预热方法操作简单，能够在不消耗外部能量的条件下进行有效气体预热。
附图说明
图1为热传导方式预热示意图；
图2为电堆尾气预热方式示意图；
图3为重整器尾气预热方式示意图；
图中，1、端板；2、电池电堆；3、阳极催化层；4、质子交换膜；5、阴极催化层；6、双极板；7、空气预热器；8、热气通道；9、冷气通道；10、重整器
具体实施方式
下面参照附图等来说明本发明的具体实施方式。
在图1-3中，电池电堆2，用于输出电能；阳极催化层3，催化燃料的氧化反应；质子交换膜4，传输质子，隔绝阴阳极反应物；阴极催化层5，催化氧气的还原反应；双极板6，阴阳极反应物的流体分配；空气预热器7，用于预热进入电堆阴极的空气；热气通道8，系统中高温尾气通道，用于预热进入电堆阴极的空气；冷气通道9，进入电堆阴极的空气通道；重整器10，用于燃料重整。
工作原理：
空气预热器7主要用于预热进入电池电堆2阴极的空气，置于阴极气体入口之前。
在电池运行过程中，燃料在阳极催化剂表面发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，氧气在阴极催化剂表面与质子发生还原反应生成水，电子则通过外电路做功到达阴极。
电池电堆2放电过程阴极不断消耗氧气，因而需要不断地向电池中通入氧气，一般而言，电池电堆2阴极通过风机鼓入周围环境的空气进行氧的供给。然而，空气温度低于电池运行温度，直接将空气中的空气通入到电池中会导致 电池入口温度偏低，从而使电池内存在较大的温度差异，影响电池运行过程中的性能及寿命。
通过将进入电池电堆2阴极的空气进行预热的方法，可有效解决电池电堆2由于气体进入电池时温度较低而导致的电池温度分布不均从而使电池性能及寿命衰减的问题。提高了电池电堆2运行过程中的稳定性，使电池电堆2寿命得以提升。解决了电池电堆2运行过程中由于进口气体温度低于电池运行温度而导致的电池进出口温度分布产生明显差异的现象，使电池电堆2中反应温度更加均匀，从而使电池电堆2内各处反应速率更加一致，提高电池电堆2放电过程中的均匀性和一致性。
实施例1：将空气预热器7紧贴电池电堆2放置，尽量加大其接触面积，通过电池电堆2表面较高的温度为空气预热器7进行加热，从而使空气预热器7的温度尽可能与电池电堆2温度一致。通过风机鼓入的环境温度的冷空气进入空气预热器7进行加热，过程中需使冷空气在空气预热器7中具有一定的停留时间，使冷空气与空气预热器7进行充分换热后再进入电池电堆2的阴极。使进入电池电堆2阴极的温度与电池内温度相接近。从而减小电池电堆2内进出口的温度差异，提高电池电堆2的稳定性、均匀性、一致性和寿命。
实施例2：将空气预热器7分为热气通道8和冷气通道9两个腔室。电池电堆2运行过程中起阴极出口处会排出大量的高温尾气，此部分尾气一般直接排放至大气中无法进行热量的回收利用。现将该部分高温尾气通过空气预热器7的热气通道为空气预热器7冷气通道9中的低温空气进行充分换热后再进行放空，除了可以实现高温尾气热量回收之外还可以为冷空气进行加热，使进入电池电堆2阴极的温度与电池内温度相接近。从而减小电池电堆2内进出口的温度差异，提高电池电堆2的稳定性、均匀性、一致性和寿命。
实施例3：将空气预热器7分为热气通道8和冷气通道9两个腔室。对于具有重整器的燃料电池电堆系统，其重整器10的燃烧室排出的尾气具有很高的温度，一般情况下，此部分尾气直接排放至大气中无法进行热量的回收利用。现将该部分高温尾气通过空气预热器7的热气通道为空气预热器7冷气通道9中的低温空气进行充分换热后再进行放空，除了可以实现高温尾气热量回收之外还可以为冷空气进行加热，使进入电池电堆2阴极的温度与电池内温度相接近。从而减小电池电堆2内进出口的温度差异，提高电池电堆2的稳定性、均匀性、一致性和寿命。
本实施方式，可有效解决燃料电池由于气体进入电池时温度较低而导致的电池温度分布不均从而使电池性能及寿命衰减的问题。提高了电池运行过程中的稳定性，使电池寿命得以提升。解决了电池运行过程中由于进口气体温度低于电池运行温度而导致的电池进出口温度分布产生明显差异的现象，使电池电堆中反应温度更加均匀，从而使电池内各处反应速率更加一致，提高电池放电过程中的均匀性和一致性。本发明所述气体预热方法操作简单，能够在不消耗外部能量的条件下进行有效气体预热。

Claims (3)

1.一种具有气体预热功能的燃料电池系统，其特征在于：包括燃料电池电堆和气体预热装置；所述气体预热装置包括一气体通道，气体通道为冷通道，气体通道的二端分别为冷空气进口和预热空气出口，所述冷通道的冷空气进口与外界大气或一空气气源相连通；所述预热空气出口与所述燃料电池电堆阴极空气进口相连通；
所述气体预热装置通过一热源为其加热。
2.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于：
所述热源为燃料电池电堆、燃料电池电堆所排放的阴极尾气、带重整器的燃料电池电堆的重整器、带重整器的燃料电池电堆重整器的尾气中的一种或二种以上；
利用燃料电池电堆作为热源时，所述气体预热装置的冷通道通过与燃料电池电堆贴接的方式为流经的冷空气预热；
利用重整器作为热源时，所述气体预热装置的冷通道通过与重整器贴接的方式为流经的冷空气预热；
利用燃料电池电堆所排放的阴极尾气作为热源时，换热过程为下述中的一种或二种以上，所述气体预热装置的冷通道通过与阴极尾气排放管外壁面贴接的方式为流经的冷空气预热；或于冷通道外部设有一套管，套管套设于冷通道外部，套管二端与冷通道外壁面间密闭连接，套管上设有阴极尾气的入口和出口；或阴极尾气排放管中的一段管路从冷通道内穿过，形成套管式结构；或，阴极尾气排放管和冷通道同时穿过一密闭容器；
利用重整器的尾气作为热源时，换热过程为下述中的一种或二种以上，所述气体预热装置的冷通道通过与尾气排放管外壁面贴接的方式为流经的冷空气预热；或于冷通道外部设有一套管，套管套设于冷通道外部，套管二端与冷通道外壁面间密闭连接，套管上设有尾气的入口和出口；或，尾气排放管中的一段管路从冷通道内穿过，形成套管式结构；或，尾气排放管和冷通道同时穿过一密闭容器。
3.如权利要求2所述燃料电池系统，其特征在于：所述贴接为冷通道盘绕于所述燃料电池电堆、阴极尾气排放管、重整器或尾气排放管外壁面上。
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