CN108832157A - 一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置，包括储氢罐、引射器、第一预热器、液位传感器、信号处理器、电磁阀和第一聚液排气箱，所述储氢罐与引射器的第一入口连通，引射器的出口通过三通阀A与第一预热器的入口连通，第一预热器的出口与燃料电池的阳极入口连通；所述液位传感器内置于燃料电池的阳极流道场内，液位传感器通过信号处理器与电磁阀相连；电磁阀的入口与燃料电池的阳极出口连通，电磁阀的出口通过管道连接第一聚液排气箱，第一聚液排气箱的内顶部通过管道与引射器的第二入口连通。本发明的有益效果为：液位传感器配合信号处理器实现电磁阀的开闭，电磁阀关闭时，燃料电池的阳极闭口，提高了氢气的利用率；电磁阀开启时，可有效防止电池水淹，还可通过引射器回收氢气。

Description

一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术，具体涉及一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置。
背景技术
进入21世纪以来，随着各国政府和研发机构在氢能研究上的巨额投入，氢能利用过程中的如高效氢气制备、氢气的安全储运、新型燃料电池等诸多关键技术被逐步攻克，越来越多的基于氢能的产品进入人们的生产生活。
电堆本身是一个包括气体扩散、质量转移与电化学反应等多种物理、化学反应过程的复杂机体。燃料电池通常是在催化剂的作用下直接将化学能转化成电能，理论上只要能够及时地为燃料电池补充燃料，那么其能量输出可以认为是无限的，因此燃料电池被视为现阶段化石燃料最理想的替代产品之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种低温燃料电池，由于其电解质是由质子(H+)导电聚合物构成而得其名，在原理上相当于水电解的“逆”装置。PEMFC的半电池反应和总反应可表示如下：
阳极反应为：H2→2H++2e-
阴极反应为：
总反应:
质子交换膜燃料电池性能优越，结构简单，燃料易得且便于储存，比能量密度高，燃料补充迅速。此外，还具备以下特点：工作温度低，在室温下可快速启动；可以氢气、天然气/甲醇重整气等为燃料，以空气为氧化剂；运行安静，污染排放低；功率密度高，机动性好，在催化剂的作用下与氧气快速反应放电。因此，质子交换膜燃料电池具有代替锂离子电池等可充电电源的巨大潜力，其已经成为新能源汽车、分布式电站和移动电源的理想电源。
然而，如何进一步提高燃料电池的效率是当今研究的热点，燃料电池需要在一定的温度和湿度下工作，通过控制和调节燃料的温度以及湿度使燃料电池的性能达到最佳，从而提高燃料电池的运行效率，加湿以及加热氢气到指定温度和湿度，提高燃料电池的启动速度、保证定量供给燃料到电池阳极。对氢气的回收利用也是极为可观，研究怎样高效安全利用氢气能源。
阳极开放式PEMFC可分为流通模式和循环模式，在流通模式，为了电池稳定工作，会供应过量氢气到阳极，剩余未反应氢气从阳极出口排出，这种模式氢气利用率低；在循环模式中，未参与反应的氢气通过泵再循环到供应线，该模式氢气利用率可达100％，但需要较多配件，消耗较大的额外能量。阳极封闭式PEMFC通过改进电池结构使氢气的利用率得到提高，但在阳极封闭式PEMFC中液态水会逐渐聚集在流道中，导致电池电流的分布不均和运行性能的下降。
PEMFC电堆中一般采用高压贮氢罐进行阳极供气，高压贮氢罐的压力约为20-45MPa，甚至更高，而阴极出于降低成本考虑一般采用空气来代替纯氧，因此阴极极会存在一定的压力差。在电堆运行过程中，阴阳极较大压差会造成质子交换膜破裂，导致气体泄漏；同时，为了平衡膜内的水含量防止水淹，通常采用排氢的方法将内部生成的水和废气排出。排氢频率过低，解决不了水淹，同时内部废气累积导致电堆性能下降；频率过高，造成了燃料氢气的浪费。为保证稳定的输出功率和较高的氢气利用率，可采用氢气循环的方法，即根据电堆的工况特性，利用氢气循环装置，把从电堆阳极出口排出的氢气循环送到电堆阳极重复使用。氢气循环装置需要满足压力调整和气体循环利用两种性能，传统的氢气循环装置采用机械循环泵、容积式压缩泵、风机等。这些装置都存在消耗功率大，不易密封，工作范围小等缺陷。因此可以将应用于制冷系统和固体氧化物燃料电池的引射器应用到质子交换膜燃料电池电堆中。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种响应速度快、氢气利用率高的质子交换膜燃料电池氢气回收装置。
本发明采用的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置，主要包括储氢罐、引射器、第一预热器、液位传感器、信号处理器、电磁阀和第一聚液排气箱，所述储氢罐与引射器的第一入口连通，引射器的出口通过三通阀A与第一预热器的入口连通，第一预热器的出口与燃料电池的阳极入口连通；所述液位传感器内置于燃料电池的阳极流道场内，液位传感器通过信号处理器与电磁阀相连；电磁阀的入口与燃料电池的阳极出口连通，电磁阀的出口通过管道连接第一聚液排气箱，第一聚液排气箱的内顶部通过管道与引射器的第二入口连通。
按上述方案，所述装置还包括氮气吹扫系统，所述氮气吹扫系统包括氮气罐和第二预热器,所述氮气罐通过三通阀A与第一预热器连通，氮气罐通过三通阀C与第二预热器的入口连通，第二预热器的出口与燃料电池的阴极入口连通；燃料电池的阴极出口连通有第二聚液排气箱。
按上述方案，所述装置还包括空气供给系统，所述空气供给系统包括空气罐，空气罐通过三通阀C与第二预热器连通。
按上述方案，所述液位传感器为光纤光栅气液两相传感器。
按上述方案，所述引射器包括进口管和出口管，进口管延伸部插入出口管延伸部内，进口管延伸部的外壁与出口管延伸部的内壁形成空腔，在出口管延伸部设有支管，支管与空腔连通；所述进口管为引射器的第一入口；所述支管为引射器的第二入口。
按上述方案，所述进口管延伸部为沿气体流向截面半径减小的锥体结构A，形成单向阀口。
按上述方案，所述出口管包括依次连通的混合段、扩压段和出口段；所述扩压段为沿气体流向截面半径增大的锥体结构B。
按上述方案，三通阀A通过第一加湿器与第一预热器的入口连通。
按上述方案，三通阀C通过第二加湿器与第二预热器的入口连通。
本发明的有益效果为：
1、本发明在燃料电池的阳极布置液位传感器，并配合信号处理器实现电磁阀的开闭，电磁阀关闭时，燃料电池的阳极闭口，提高了氢气的利用率；电磁阀开启时，可有效防止电池水淹，还可通过引射器回收氢气，实现氢气100％利用；本发明灵活多用，提高了燃料电池的性能；
2、本发明在氢气回收的同时利用阳极封闭式结构，出口间断开闭，气体周期排放，循环模式和阳极封闭式结构相结合，这对同时提高燃料电池的运行性能和耐久性，具有十分重要的意义；
3、本发明采用引射器，利用储氢罐和电堆之间的压力差来回收氢气，避免了寄生功率的损耗，且噪声小；
4、所述引射器的进口管延伸部为锥体结构，形成单向阀口，实现了氢气的单向流通和混合，还可调节氢气流量，实现氢气输送量的合理动态输送，合理利用能源，避免氢气的浪费，提高了燃料电池的性能；
5、燃料电池反应气体需要在一定的温度和湿度条件下才能使燃料电池达到最佳工作性能，为确保质子交换膜燃料电池工作性能最佳，本发明设置加湿器和加热器，在反应气体进入电池之前预先加湿加热气体；
6、燃料电池电化学反应氢气和空气不互相接触，氮气是惰性气体，不参与反应；本发明涉及氮气吹扫系统，清除阳极空气，避免空气与阳极氢气混合导致电化学反应异常；
7、发明所述结构合理，可行性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例中引射器的结构示意图。
其中：1、储氢罐；2、引射器；2.1、空腔；2.2、引射器出口；2.3、扩压段；2.4、混合段；2.5、进口管延伸部；2.6、支管；2.7、进口管；2.8、出口管延伸段；3、干燥气体装置；4、闸阀；5、第一聚液排气箱；6、电磁阀；7、信号输送线；8、信号处理器；9、负载；10、燃料电池流场板；11、溢流阀；12、第二聚液排气箱；13、液位传感器；14、背压阀；15、第一预热器；16、第一加湿器；17、三通阀B；18、第一质量流量计；19、减压阀；20、三通阀A；21、单向阀；22、氮气罐；23、空气罐；24、燃料电池；25、阳极入口；26、阳极出口；27、阴极入口；28、阴极出口；29、第二加湿器；30、第二预热器；31、第二质量流量计。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置，主要包括储氢罐1、引射器2、第一加湿器16、第一预热器15、液位传感器13、信号处理器8、电磁阀6和第一聚液排气箱5，所述储氢罐1与引射器2的第一入口连通，引射器2的出口经减压阀19与三通阀A20的第一入口连通，三通阀A20的出口经第一质量流量计18与三通阀B17的第一入口连通，三通阀B17的第一出口与第一加湿器16的入口连通，第一加湿器16的出口与第一预热器15的入口连通，三通阀B17的第二出口与第一预热器15的入口连通，第一预热器15的出口与燃料电池24的阳极入口25连通；所述液位传感器13内置于燃料电池24的阳极流道场内，液位传感器13通过信号处理器8与电磁阀6相连；电磁阀6的入口通过管道B与燃料电池24的阳极出口26连通，电磁阀6的出口连接有管道C，管道C的出口伸入第一聚液排气箱5的液面以下，第一聚液排气箱5的底部设有闸阀4，第一聚液排气箱5的内顶部通过管道D与引射器2的第二入口连通。背压阀14也通过管道B与燃料电池阳极出口连接，背压阀14的作用是在电磁阀6关闭时起到背压的作用，但是当电磁阀出现故障无法打开排水排气的时候，背压阀14也起到安全阀的作用，电池内的压力达到安全范围上限时打开阀门，排出电池内部气体和水，特别的，在电磁阀6正常工作时，背压阀14处于关闭状态。
本发明中,所述质子交换膜燃料电池包括连接负载9，负载9将质子交换膜燃料电池阴阳极连接成闭合回路，这样的闭合回路才能够让电池反应生成的电子流动生成电流，电池能够在正常运行的情况下进行氢气回收并检测电池氢气回收后的性能。燃料电池流场板10为空气通入电池后的流道，同时液位传感器13也同样布置在燃料电池阳极流场板上面。
优选地，所述装置还包括氮气吹扫系统，所述氮气吹扫系统包括氮气罐22、第二加湿器29和第二预热器30,所述氮气罐22通过单向阀与三通阀A20的第二入口连通，其通过三通阀A20与第一质量流量计18和第一预热器15连通；氮气罐22通过单向阀与三通阀C的第一入口连通，三通阀C的出口通过第二质量流量计31与三通阀D的第一入口连通，三通阀D的出口与第二加湿器29的入口连通，第二加湿器29的出口与第二预热器30的入口连通，第二预热器30的入口与三通阀D的第二出口连通；第二预热器30的出口与燃料电池24的阴极入口27连通；燃料电池24的阴极出口28通过管道E连通有第二聚液排气箱32，管道E上配置溢流阀11。优选地，所述装置还包括空气供给系统，所述空气供给系统包括空气罐23，空气罐23与三通阀C的第二入口连通。
优选地，所述液位传感器13为光纤光栅传感器。
本发明中，如图2所示，所述引射器2包括进口管2.7和出口管，进口管延伸部2.5插入出口管延伸部2.8内，进口管延伸部2.5的外壁与出口管延伸部2.8的内壁形成空腔2.1，在出口管延伸部2.8设有支管2.6，支管2.6与空腔2.1连通；所述支管2.6为回收气体入口，也即引射器2的第二入口，与干燥气体装置3连通；所述进口管2.7为工作气体入口，也即引射器2的第一入口，进口管与储氢罐1连通。本实施例中，所述进口管延伸部2.5为沿气体流向截面半径减小的锥体结构A，形成单向阀口；所述出口管包括依次连通的混合段2.4、扩压段2.3和出口段2.2；所述扩压段2.3为沿气体流向截面半径增大的锥体结构B。储氢罐1内的氢气从进口管2.7进入，进口管延伸部2.5加速喷出，进入混合段2.4；回收的氢气(也即自干燥气体装置3流出的氢气)从回收气体入口也即支管2.6进入，到达空腔2.1，由于工作氢气高速喷入混合段2.4会形成低压区，进入空腔2.1内压力高于混合段2.4内的压力，在压差作用下空腔2.1内的氢气带入混合段2.4与工作氢气混合均匀后传到扩压段2.3扩压，最后经由出口段2.2喷出，经第一加湿器16和第一预热器15后进入燃料电池24的阳极入口25。
本发明的工作原理为：储氢罐1内的氢气自引射器2流出后，经过减压阀19减压，通过第一质量流量计18调节氢气流量后，由第一加湿器16加湿第一预热器15加热后进入燃料电池24的阳极入口25(调节流量后的氢气可直接通过第一预热器15预热后进入燃料电池24的阳极入口25)；氢气在燃料电池24的阳极反应；反应过程中，液位传感器13检测燃料电池24的阳极流道场内的水位并将检测的水位信号发送至信号处理器8，信号处理器8判断接收的水位信号，当水位信号超过设定的最高阈值时(说明燃料电池24内部积水过多，水过多会影响气体传输，同时阴极反扩散受到抑制，可能造成阴极水淹，降低燃料电池24的性能)，发送信号打开电磁阀6，此时燃料电池24内的氢气随液态水从阳极出口26排出(阳极反应不会产生水，但加湿的水可能从阳极排出)，经电磁阀6进入第一聚液排气箱5，部分液体水溶于第一聚液排气箱5内，同时氢气溢出，经干燥气体装置3干燥后引入引射器2；回收的氢气在引射器2内与储氢罐1内引入的氢气混合，再次循环输送到燃料电池24的阳极入口25；当信号处理器8判断液位传感器13检测的水位信号低于设定的最低阈值时，发送信号关闭电磁阀6，整个燃料电池24的阳极封闭，氢气利用率达到100％，保证阳极适量的水分有利于质子交换膜的润湿，有利于质子传输，提高电池性能。阳极供应氢气的同时，阴极供应空气。空气罐23内的空气经过第二预热器30预热，或者先通过第二加湿器29加热后进入第二预热器30预热，再输送至燃料电池24的阴极入口27，燃料电池24阴极反应产生的水随同空气从燃料电池24的阴极出口28排出，排出的水储存至第二聚液排气箱12，当第二聚液排气箱12内的水位上升到一定高度时溢流阀11开启排水；空气溢出第二聚液排气箱12后直接排放。氮气吹扫系统为燃料电池24提供清洁的反应环境，确保燃料电池反应能够安全正常进行。氮气罐22内的氮气经过第一预热器15预热，或者先通过第一加湿器16加热后进入第一预热器15预热，再输送至燃料电池24的阳极入口25，对燃料电池24的阳极内部空气进行吹扫，清除阳极空气，避免其与阳极氢气混合导致电化学反应异常；同时，氮气罐22内的氮气经过第二预热器30预热，或者先通过第二加湿器29加热后进入第二预热器30预热，再输送至燃料电池24的阴极入口27，对氢气进行吹扫。氮气吹扫一段时间后(一般几分钟)，氮气停止输送；接着，燃料电池24的阴极输送空气，燃料电池24的阳极输送氢气。本发明中各组件实际为有机整体，阳极输氢气，阴极输送空气；通过各组件合理组配，达到燃料电池24的最佳工作状态。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，主要包括储氢罐、引射器、第一预热器、液位传感器、信号处理器、电磁阀和第一聚液排气箱，所述储氢罐与引射器的第一入口连通，引射器的出口通过三通阀A与第一预热器的入口连通，第一预热器的出口与燃料电池的阳极入口连通；所述液位传感器内置于燃料电池的阳极流道场内，液位传感器通过信号处理器与电磁阀相连；电磁阀的入口与燃料电池的阳极出口连通，电磁阀的出口通过管道连接第一聚液排气箱，第一聚液排气箱的内顶部通过管道与引射器的第二入口连通。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，所述装置还包括氮气吹扫系统，所述氮气吹扫系统包括氮气罐和第二预热器,所述氮气罐通过三通阀A与第一预热器连通，氮气罐通过三通阀C与第二预热器的入口连通，第二预热器的出口与燃料电池的阴极入口连通；燃料电池的阴极出口连通有第二聚液排气箱。
3.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，所述装置还包括空气供给系统，所述空气供给系统包括空气罐，空气罐通过三通阀C与第二预热器连通。
4.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，所述液位传感器为光纤光栅气液两相传感器。
5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，所述引射器包括进口管和出口管，进口管延伸部插入出口管延伸部内，进口管延伸部的外壁与出口管延伸部的内壁形成空腔，在出口管延伸部设有支管，支管与空腔连通；所述进口管为引射器的第一入口；所述支管为引射器的第二入口。
6.如权利要求5所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，所述进口管延伸部为沿气体流向截面半径减小的锥体结构A，形成单向阀口。
7.如权利要求5所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，所述出口管包括依次连通的混合段、扩压段和出口段；所述扩压段为沿气体流向截面半径增大的锥体结构B。
8.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，三通阀A通过第一加湿器与第一预热器的入口连通。
9.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池氢气回收装置，其特征在于，三通阀C通过第二加湿器与第二预热器的入口连通。
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