CN109346746B - 一种密闭空间用燃料电池的供氧装置以及供氧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种密闭空间用燃料电池的供氧装置以及供氧方法，属于燃料电池组件技术领域，解决了现有技术中供氧系统存在的储氧密度低、长期存储困难、安全性差、加注操作性差等问题。上述装置包括供氧单元、制氧单元和气体增压泵，燃料电池堆的阴极、气体增压泵和制氧单元构成气体回路，制氧单元与阴极进气口之间的连接管路上设有供氧单元，制氧单元内装有超氧化物。上述供氧方法为开启供氧单元，供氧单元中的氧气供入燃料电池堆的阴极中；阴极产生的气体通过气体增压泵增压后流入制氧单元；生成的氧气通过阴极进气口供入阴极。上述供氧装置和供氧方法可用于燃料电池供氧。

Description

一种密闭空间用燃料电池的供氧装置以及供氧方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组件，尤其涉及一种密闭空间用燃料电池的供氧装置以及供氧方法。
背景技术
燃料电池是一种利用燃料(如氢气、甲醇、天然气等)与氧气(空气或纯氧)进行电化学反应，将燃料的化学能直接转化成电能输出的发电装置，可应用于交通运输、固定式发电、便携式电源、飞机、舰艇等众多领域。燃料电池按照燃料的种类主要可以分为氢燃料电池和甲醇燃料电池，其中，
氢燃料电池的总反应为：2H2+O2→2H2O+电能；
甲醇燃料电池的总反应为：2CH3OH+3O2→4H2O+2CO2+电能；
但是，对于类似于密闭空间的应用场合(例如，深海、深空、地下)，由于环境中缺乏氧气，使得燃料电池的应用受限。
现有技术中，对于密闭空间用燃料电池，一般采用高压存储、液氧存储或双氧水催化分解制氧的方式存储氧气。其中，高压氧气瓶的压力有一定的限度，压力太高容易带来存储安全隐患，且氧气瓶储氧密度低，在外界剧烈的冲击下存在气瓶爆裂危险；液氧储存技术的难点在于保温技术，液氧要保存在-183℃以下，液氧储罐要采取双层真空保温设计，即便是采取双层真空保温技术，液氧还是容易不断的气化蒸发，不能长期存储，且仅适用于规模存储。同时，高压氧气和液氢的加注均需要配备特种装备，操作条件要求高。双氧水催化分解制氧的方法供氧，双氧水存在稳定差、储氧密度低、携带不方便等问题，应用场合受限。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种密闭空间用燃料电池的供氧装置以及供氧方法，解决了现有技术中供氧系统存在的储氧密度低、长期存储困难、安全性差、加注操作性差等问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种密闭空间用燃料电池的供氧装置，包括供氧单元、制氧单元和气体增压泵，燃料电池堆的阴极、气体增压泵和制氧单元构成气体回路，制氧单元与阴极进气口之间的连接管路上设有供氧单元，制氧单元内装有超氧化物。
在一种可能的设计中，还包括与制氧单元并联的流量控制器。
在一种可能的设计中，气体回路中设有汽水分离器。
在一种可能的设计中，汽水分离器设置在制氧单元与阴极进气口之间的连接管路上。
在一种可能的设计中，汽水分离器设置在阴极出气口与气体增压泵之间的连接管路上。
在一种可能的设计中，制氧单元与阴极进气口之间的连接管路上设有制氧散热器。
在一种可能的设计中，沿制氧单元至阴极进气口方向，制氧散热器设在汽水分离器之前。
在一种可能的设计中，供氧单元的出气口设有用于控制供氧单元启闭的氧气供给阀。
在一种可能的设计中，制氧单元为可更换单元。
本发明还提供了一种密闭空间用燃料电池的供氧方法，采用上述密闭空间用燃料电池的供氧装置，供氧方法包括如下步骤：
步骤1：开启供氧单元，供氧单元中的氧气供入燃料电池堆的阴极中，阴极的氧气和阳极的燃料之间发生电化学反应，释放电能，并产生水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳的混合气体；
步骤2：水蒸汽或混合气体通过气体增压泵增压后流入制氧单元，在制氧单元中，水蒸汽或混合气体与超氧化物发生化学反应，生成氧气；
步骤3：生成的氧气通过阴极进气口供入阴极，与阳极的燃料发生反应，保证燃料电池的氧气供给。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
a)本发明提供的密闭空间用燃料电池的供氧装置，采用固体超氧化物与燃料电池的阴极排气(水或水和二氧化碳的混合气体)反应来制备氧气，超氧化物的制氧单元的结构比较紧凑，单位体积和单位质量制氧单元的制氧量高，制备工艺相对简单；制氧单元为全固态装置，无高压、低温、易分解等物理化学特征，安全性高，易于运输、存储；制氧单元更换方便，与高压氧、液氧、双氧水等相比无需特种加注设备。
b)本发明提供的密闭空间用燃料电池的供氧装置中，充分利用了阴极排气参与氧气的制备，阴极、气体增压泵和制氧单元构成气体回路，从而能够省略燃料电池中用于排放阴极排气的组件，简化了燃料电池的整体结构。
c)本发明提供的密闭空间用燃料电池的供氧装置中，供氧单元只需存储燃料电池启动过程中需要的氧气，氧气单元的体积小、压力低。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例一的密闭空间用燃料电池的供氧装置的结构示意图。
附图标记：
1-燃料电池堆；2-进气电磁阀；3-出气电磁阀；4-散热器；5-冷却液流量调节阀；6-冷却液泵；7-冷却液箱；8-气体增压泵；9-制氧单元；10-供氧单元；11-氧气供给阀；12-流量控制器；13-汽水；14-制氧散热器。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例一
本实施例提供了一种密闭空间用燃料电池的供氧装置，如图1所示，包括供氧单元10、制氧单元9和气体增压泵8，燃料电池堆1的阴极、气体增压泵8和制氧单元9构成气体回路，制氧单元9与阴极进气口之间的连接管路上设有供氧单元10，制氧单元9内装有超氧化物。
在燃料电池系统启动初期，开启供氧单元10，供氧单元10中一定体积的氧气供入燃料电池堆1的阴极中，阴极的氧气和阳极的燃料之间发生电化学反应，释放电能，并产生水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳的混合气体；阴极产生的气体通过气体增压泵8增压后流入制氧单元9，在制氧单元9中，阴极产生的气体按照公式(1)、(2)、(3)与超氧化物发生化学反应，生成氧气；生成的氧气通过阴极进气口供入阴极，进一步与阳极的燃料发生反应，保证燃料电池的氧气供给。
上述阴极产生的气体与超氧化物的反应方程式如下：
MO2+H2O→MOH+2/3O2+热量 (1)
MOH+CO2→M2CO3+H2O+热量 (2)
MOH+CO2→MHCO3+H2O+热量 (3)
其中，M为碱金属，如Li、Na、K或Ca。
与现有技术相比，本实施例提供的密闭空间用燃料电池的供氧装置，采用固体超氧化物与燃料电池的阴极排气(水或水和二氧化碳的混合气体)反应来制备氧气，超氧化物的制氧单元9的结构比较紧凑，单位体积和单位质量制氧单元9的制氧量高，制备工艺相对简单；制氧单元9为全固态装置，无高压、低温、易分解等物理化学特征，安全性高，易于运输、存储；制氧单元9更换方便，与高压氧、液氧、双氧水等相比无需特种加注设备。
同时，上述供氧装置中，充分利用了阴极排气参与氧气的制备，阴极、气体增压泵8和制氧单元9构成气体回路，从而能够省略燃料电池中用于排放阴极排气的组件，简化了燃料电池的整体结构。
此外，上述供氧装置中，供氧单元10只需存储燃料电池启动过程中需要的氧气，氧气单元的体积小、压力低。
为了控制流入制氧单元9中的气体流量，上述供氧装置还可以包括与制氧单元9并联的流量控制器12，通过流量控制器12调节流入制氧单元9的气体流量，制氧单元9制备的氧气和流经流量控制器12的阴极排气混合后供入阴极入口。示例性地，流量控制器12的开度调小，流入制氧单元9中的气体流量增大；流量控制器12的开度调大，流入制氧单元9中的气体流量减小。这样，可以控制参与制氧反应的水蒸汽和CO2量，进而控制产生氧气的量。
示例性地，流量控制器12的进气口可以与制氧单元9和气体增压泵8之间的连接管路连接，流量控制器12的出气口可以与制氧单元9和阴极进气口之间的连接管路连接，也就是说，流量控制器12与阴极的距离小于制氧单元9与阴极的距离，这样，阴极产生的气体会优先流入流量控制器12，使得流量控制器12的控制精度更好，进而提高流入制氧单元9的气体流量控制精度。
值得注意的是，随着反应的进行，生成的水蒸汽的量越来越大，容易出现水蒸汽冷凝为液态水的问题，因此，可以在上述气体回路中设置汽水分离器13。这是因为，燃料电池堆1的内部设有多个气体流道，液态水会堵塞上述气体流道，从而影响燃料电池堆1的工作性能，通过汽水分离器13可以有效地分离水蒸汽和液态水，液态水留存在汽水分离器13总，水蒸汽循环至阴极，参与后续的反应，从而减少了液态水对燃料电池堆1的影响，保证了燃料电池堆1的工作性能。
对于汽水分离器13的具体位置，示例性地，其可以设置在制氧单元9与阴极进气口之间的连接管路上。这是因为，水蒸汽主要是在制氧单元9中产生，也就是说，制氧单元9的气体出口位置处水蒸汽浓度较高，水蒸汽在此处较容易冷凝为液态水，在在制氧单元9与阴极进气口之间的连接管路上设置汽水分离器13，可以有效地去除液态水，进一步减少液态水对燃料电池堆1的影响。
或者，汽水分离器13也可以设置在阴极出气口与气体增压泵8之间的连接管路上。这是因为，液态水同样会对气体增压泵8的工作性能造成影响，在阴极出气口与气体增压泵8之间的连接管路上设置汽水分离器13，可以有效去除流入气体增压泵8中的液态水，从而保证气体增压泵8的工作性能。
可以理解的是，同时保证燃料电池堆1和气体增压泵8两者的工作性能，可以在制氧单元9与阴极进气口之间的连接管路以及阴极出气口与气体增压泵8之间的连接管路上均设置汽水分离器13。
考虑到制氧单元9中的反应属于放热反应，为了保证装置整体的温度均衡，制氧单元9与阴极进气口之间的连接管路上也可以设置制氧散热器14，通过制氧散热器14吸收制氧单元9中产生的热量，降低制氧单元9排出气体的温度，避免随着反应的进行，制氧单元9和燃料电池堆1的内部温度过高，从而保证了装置整体的温度均衡，提高了装置的工作安全性。
需要说明的是，当制氧单元9与阴极进气口之间的连接管路上同时设置汽水分离器13和制氧散热器14时，沿制氧单元9至阴极进气口方向，制氧散热器14应该设置在汽水分离器13之前。这是因为，制氧散热器14主要用于降低制氧单元9排出的气体温度，上述气体包括水蒸汽，随着气体温度的降低，水蒸汽会有一部分冷凝为液态水，将汽水分离器13设置在制氧散热器14之后，可以有效去除由于散热器的设置产生的液体水，进一步保证燃料电池堆1的工作性能。
为了实现供氧单元10的自动控制，供氧单元10的出气口可以设置用于控制供氧单元10启闭的氧气供给阀11，通过氧气供给阀11控制制氧单元9的自动启闭，在燃料电池系统启动初期，开启供氧单元10，使得供氧单元10与阴极进气口连通，向阴极供入氧气，当供氧量达到阈值(足以使得阴极的氧气与阳极的燃料发生反应)时，关闭供氧单元10，供氧装置整体形成一个循环回路，不需要再次补给氧气。
考虑到制氧单元9中的超氧化物存储量有限，因此，上述制氧单元9可以为可更换单元，也就是说，制氧单元9的进气口与气体增压泵8可拆卸连接，制氧单元9的出气口与阴极进气口可拆卸连接，当制氧单元9内部的超氧化物消耗完后，可以直接更换制氧单元9，而无需更换整个供氧单元10。
需要说明的是，对于燃料电池堆1的阳极来说，由于其并未形成气体回路，因此，阳极的进气口需要设置进气电磁阀2，用于控制阳极进气口的启闭；同样地，阳极的出气口也需要设置出气电磁阀3，用于控制阳极出气口的启闭。
同样地，对于燃料电池堆1来说，为了保证燃料电池堆1的温度均衡和工作安全性，上述燃料电池堆1还可以包括冷却单元，该冷却单元包括依次连接的散热器4、冷却液流量调节阀5、冷却液泵6和冷却液箱7。通过冷却单元降低燃料反应堆的内部温度，保证燃料电池堆1的温度均衡和工作安全性。
实施例二
本实施例提供了一种密闭空间用燃料电池的供氧方法，包括如下步骤：
步骤1：开启供氧单元，供氧单元中的氧气供入燃料电池堆的阴极中，关闭供氧单元，阴极的氧气和阳极的燃料之间发生电化学反应，释放电能，并产生水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳的混合气体；
步骤2：水蒸汽或混合气体通过气体增压泵增压后流入制氧单元，在制氧单元中，水蒸汽或混合气体与超氧化物发生化学反应，生成氧气；
步骤3：生成的氧气通过阴极进气口供入阴极，与阳极的燃料发生反应，保证燃料电池的氧气供给。
与现有技术相比，本实施例提供的密闭空间用燃料电池的供氧方法的有益效果与实施例一提供的密闭空间用燃料电池的供氧装置的有益效果基本相同，在此不一一赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，包括供氧单元、制氧单元和气体增压泵，燃料电池堆的阴极、气体增压泵和制氧单元构成气体回路，制氧单元与阴极进气口之间的连接管路上设有供氧单元，制氧单元内装有超氧化物；
所述供氧装置的供氧方法包括如下步骤：
步骤1：开启供氧单元，供氧单元中的氧气供入燃料电池堆的阴极中，阴极的氧气和阳极的燃料之间发生电化学反应，释放电能，并产生水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳的混合气体；
步骤2：所述水蒸汽或混合气体通过气体增压泵增压后流入制氧单元，在制氧单元中，所述水蒸汽或混合气体与超氧化物发生化学反应，生成氧气；
步骤3：步骤2生成的氧气通过阴极进气口供入阴极，与阳极的燃料发生反应，保证燃料电池的氧气供给。
2.根据权利要求1所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，还包括与制氧单元并联的流量控制器。
3.根据权利要求1所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，所述气体回路中设有汽水分离器。
4.根据权利要求3所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，所述汽水分离器设置在制氧单元与阴极进气口之间的连接管路上。
5.根据权利要求3所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，所述汽水分离器设置在阴极出气口与气体增压泵之间的连接管路上。
6.根据权利要求4所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，所述制氧单元与阴极进气口之间的连接管路上设有制氧散热器。
7.根据权利要求6所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，沿制氧单元至阴极进气口方向，所述制氧散热器设在汽水分离器之前。
8.根据权利要求1所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，所述供氧单元的出气口设有用于控制供氧单元启闭的氧气供给阀。
9.根据权利要求1所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，其特征在于，所述制氧单元为可更换单元。
10.一种密闭空间用燃料电池的供氧方法，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的密闭空间用燃料电池的供氧装置，所述供氧方法包括如下步骤：
步骤1：开启供氧单元，供氧单元中的氧气供入燃料电池堆的阴极中，阴极的氧气和阳极的燃料之间发生电化学反应，释放电能，并产生水蒸汽或水蒸汽和二氧化碳的混合气体；
步骤2：所述水蒸汽或混合气体通过气体增压泵增压后流入制氧单元，在制氧单元中，所述水蒸汽或混合气体与超氧化物发生化学反应，生成氧气；
步骤3：步骤2生成的氧气通过阴极进气口供入阴极，与阳极的燃料发生反应，保证燃料电池的氧气供给。
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