CN110474071A - 一种燃料电池系统的供氢装置及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以保护燃料电池，延长燃料电池使用寿命的供氢装置及其运行方法。该供氢装置包括大容量储氢装置，第一关断阀，小容量储氢装置，第二关断阀，减压阀等。所述的小容量储氢装置在燃料电池工作时自动被充满燃料气体，当燃料电池处于待机条件时，通过控制第二关断阀的开关时间和周期，将燃料气体输送进入燃料电池内，来实现对燃料电池的保护，延长燃料电池寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地涉及一种燃料电池的供氢装置及其运行方法。
背景技术
燃料电池，能以较高的效率将氢气与氧气(通常是空气中的氧气)直接转化为电能，反应副产品是纯水。因此具有节能、环保等优点。而燃料电池系统待机时燃料电池的保护，对于燃料电池的寿命有非常大的影响。由于燃料电池系统待机的时候，外部大容量的储氢装置关闭，无法维持阳极的氢气的供应，燃料电池自身不是完全的密封，导致系统内部阳极的氢气会慢慢被阴极的空气置换，导致每次重新开机的时候，阳极充满空气，当氢气进入阳极时，燃料电池的寿命就会受到影响。因此，本领域急需开发一种新的能够保护燃料电池，增加燃料电池寿命的供氢装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种在燃料电池待机时能够维持燃料电池内部供氢的供氢装置。
在本发明中，本发明提供了一种燃料电池的供氢装置及其运行方法。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种燃料电池系统的供氢装置。所述供氢装置设于燃料电池堆之前，所述装置包括包含大容量储氢装置、第一关断阀、小容量储氢装置、第二关断阀以及减压装置，所述大容量储氢装置与所述第一关断阀连接，所述小容量储氢装置设在所述大容量储氢装置与燃料电池堆之间；
所述大容量储氢装置、第一关断阀、小容量储氢装置、第二关断阀以及所述减压装置通过氢气管路相互连接；
其中，所述小容量储氢装置的储氢量小于等于所述大容量储氢装置的储氢量的千分之一。
使用时，所述小容量储氢装置的压力小于所述大容量储氢罐内的压力。
在另一优选例中，所述第一关断阀和所述小容量储氢装置之间设有第一减压装置。
在另一优选例中，所述小容量储氢装置和燃料电池电堆之间设有第二减压装置。
优选地，所述大容量储氢装置为高压储氢罐，所述高压储氢罐的最高储氢压力为35兆帕-70兆帕。
优选地，所述小容量储氢装置为低压储氢罐，所述低压储氢罐的最高储氢压力为0.2兆帕到4兆帕。
优选地，所述小容量储氢装置中包括氢气吸附材料，所述氢气吸附材料用于在压力、温度等环境条件发生变化时吸附或释放氢气。
在另一优选例中，所述小容量储氢装置包括过滤器，所述过滤器用于防止氢气吸附材料进入燃料电池堆或氢气管路。
在另一优选例中，所述小容量储氢装置和所述第二关断阀串联在所述大容量储氢装置和所述第一关断阀之后，设于燃料电池堆之前。
在另一优选例中，所述小容量储氢装置和所述第二关断阀并联在从所述大容量储氢装置到燃料电池堆和所述减压装置之前的氢气管路上。
所述氢气吸附材料为碳纳米管或金属储氢合金。
所述氢气吸附材料能够在零下30度到零上70度范围内吸附和释放氢气。
所述大容量储氢装置用于为主负载供氢，所述小容量储氢装置用于辅助功能的供氢。
所述辅助功能在主负载不运行时运行。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种燃料电池的供氢装置的运行方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一燃料电池堆；
(b)提供一如权利要求1所述的供氢装置，其中所述小容量储氢装置和所述第二关断阀并联在从所述大容量储氢装置到燃料电池堆和所述减压装置之前的氢气管路上；其中，所述小容量储氢装置的腔体内充有氢气；
(c)将所述第一关断阀和第二关断阀同时打开，高压氢气通过所述第一减压阀向氢气管路输送氢气；
(d)运行燃料电池堆，使所述小容量储氢装置被氢气充满，关闭所述第二关断阀；以及
(e)停止运行所述燃料电池堆，将所述第一关断阀关闭，将第二关断阀打开，将所述小容量储氢装置里的纯氢释放出来。
在本发明的第三方面，本发明提供了另一种燃料电池的供氢装置的运行方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一燃料电池堆；
(b)提供一如权利要求1所述的供氢装置，其中所述所述小容量储氢装置和所述第二关断阀串联在所述大容量储氢装置和所述第一关断阀之后，设于燃料电池堆之前；
(c)运行所述燃料电池堆，将所述第一关断阀和所述第二关断阀同时打开，将高压氢气从所述大容量储氢装置里释放出来，向所述小容量储氢装置灌充氢气，同时向所述燃料电池堆提供所需氢气；以及
(d)停止运行所述燃料电池堆，将所述第一关断阀和所述第二关断阀同时关闭，一段时间后，将所述第二关断阀打开，将所述小容量储氢装置里的纯氢释放出来。
所述供气装置及其运行方法的优点是无需在系统管路中设计接入其他保护气体，如氮气等，从而减少管路设计的复杂程度及成本，减少一种额外气体的使用，仅使用同种气体即可实现对系统的保护。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为本发明的燃料电池的供氢装置的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的燃料电池的供氢装置的另一个实施例的结构示意图。
附图中各标记如下：
1-大容量储氢装置；2-第一关断阀；3-第一减压阀；4-小容量储氢装置；5-第二关断阀；6-第二减压阀；7-燃料电池堆。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种针对燃料电池待机时，保护燃料电池的供氢装置。本发明的燃料电池的供氢装置包括大容量储氢装置和小容量的储氢装置，该小容量储氢装置用于燃料电池待机时维持燃料电池内部的供氢。这样每次重新启动时，外部的大容量的储氢装置就会自动的把内部的小容量的储氢装置充满。而系统关机后等待再次启动的过程中，内部的小容量的储氢装置就会持续的维持燃料电池阳极的氢气供应。由于燃料电池处于相对封闭的空间，系统不运行时，氢气的损耗也是非常少的，所以这个小容量的储氢装置，不需要太多的氢气，也能维持非常长的待机的时间。同时由于储氢装置储氢的氢气量非常少，所以整个系统没有安全隐患。
在此基础上完成了本发明。
本发明的主要优点包括：
(a)本发明的系统显著增加了燃料电池的寿命，克服了长时间以来影响燃料电池使用寿命的最大困难。
(b)本发明的系统无需使用除燃料气体以外的其他气体，免除了反复补充气体的操作，节约精力的同时，降低了经济成本。
(c)本发明的系统无需增加额外气体供应装置，使得整个燃料电池系统的结构设计更加简便而轻巧。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
如图1所示，本发明的燃料电池的供氢装置的一个实施例。该供氢装置设在燃料电池堆7之前，该装置包括大容量储氢装置1、第一关断阀2、第一减压阀3、小容量储氢装置4、第二关断阀5以及第二减压阀6。其中，大容量储氢装置1与第一关断阀2以及第一减压阀3依次连接；小容量储氢装置4与第二关断阀5并联在大容量储氢装置1与燃料电池堆7之间；第二减压阀6设于第二关断阀与燃料电池堆7之间。大容量储氢装置1、第一关断阀2、第一减压阀3、小容量储氢装置4、第二关断阀5、第二减压阀6以及燃料电池堆7通过氢气管路流体连通。大容量储氢装置1用于为主负载供氢，小容量储氢装置4用于辅助功能的供氢，辅助功能在主负载不运行时运行。燃料电池堆7重新启动时，外部的大容量储氢装置1就会自动的把内部的小容量储氢装置4充满。而关机后等待再次启动的过程中，内部的小容量储氢装置4就会持续地维持燃料电池阳极的氢气供应。
将小容量储氢装置和第二关断阀并联接在支路氢气通道里，当第一关断阀和第二关断阀同时打开时，高压氢气通过第一减压阀向主氢气通道和支路氢气通道输送氢气。该并联方式要求小容量储氢装置在接入系统前就必须保证其腔体内已经充有氢气，不能有空气在内。在燃料电池堆运行的过程中，小容量储氢装置同时被充满。当小容量储氢装置被充满后，即使在运行过程中，也可关闭第二关断阀。其优点是小容量储氢装置和第二关断阀在管道支路里，可独立开关，当第二关断阀关闭时，可降低系统功率损耗。当燃料电池堆需要停止工作时，将第一关断阀关闭，在短时间内，燃料电池堆里还保有一定压力的纯氢，一段时间后，由于气体自由扩散的原因，燃料电池堆里的氢气压力下降，氢气纯度下降，不纯的氢气停留在不运行的燃料电池堆里时，会对燃料电池堆造成致命的损害，此时将第二关断阀打开，将小容量储氢装置里的纯氢释放出来，提高燃料电池堆里的氢气压力和纯度，从而实现对燃料电池堆的保护。
实施例2
如图2所示，本发明的燃料电池的供氢装置的另一个实施例。该供氢装置设在燃料电池堆7之前，该装置包括依次相连并通过氢气管路流体连通的大容量储氢装置1、第一关断阀2、第一减压阀3、小容量储氢装置4、第二关断阀5以及第二减压阀6。大大容量储氢装置1用于为主负载供氢，小容量储氢装置4用于辅助功能的供氢，辅助功能在主负载不运行时运行。燃料电池堆7重新启动时，外部的大容量储氢装置1就会自动的把内部的小容量储氢装置4充满。而关机后等待再次启动的过程中，内部的小容量储氢装置4就会持续地维持燃料电池阳极的氢气供应。
将小容量储氢装置和第二关断阀串联在主氢气通道里。当燃料电池堆需要运行时，需要将第一关断阀和第二关断阀同时打开，高压氢气从大容量储氢装置里释放出来，灌充小容量储氢装置的同时，给燃料电池堆提供所需氢气。该方法的优点是小容量储氢装置在氢气主通道内起到缓冲作用，且小容量储氢装置无需在接入系统前就充满氢气，当第一关断阀和第二关断阀同时打开时，从大容量储氢装置内释放出来的高压氢气会直接吹扫主氢气通道和小容量储氢装置，将杂气排出主氢气通道。当燃料电池堆需要停止运行时，将第一关断阀和第二关断阀同时关闭，在短时间内，燃料电池堆里还保有一定压力的纯氢，一段时间后，由于气体自由扩散的原因，燃料电池堆里的氢气压力下降，氢气纯度下降，不纯的氢气停留在不运行的燃料电池堆里时，会对燃料电池堆造成致命的损害，此时将第二关断阀打开，将小容量储氢装置里的纯氢释放出来，提高燃料电池堆里的氢气压力和纯度，从而实现对燃料电池堆的保护。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统的供氢装置，其特征在于，所述供氢装置设于燃料电池堆之前，所述装置包括包含大容量储氢装置、第一关断阀、小容量储氢装置、第二关断阀以及减压装置，所述大容量储氢装置与所述第一关断阀连接，所述小容量储氢装置设在所述大容量储氢装置与燃料电池堆之间；
所述大容量储氢装置、第一关断阀、小容量储氢装置、第二关断阀以及所述减压装置通过氢气管路相互连接；
其中，所述小容量储氢装置的储氢量小于等于所述大容量储氢装置的储氢量的千分之一。
2.如权利要求1所述的供氢装置，其特征在于，使用时，所述小容量储氢装置的压力小于所述大容量储氢罐内的压力。
3.如权利要求1所述的供氢装置，其特征在于，所述第一关断阀和所述小容量储氢装置之间设有第一减压装置。
4.如权利要求1所述的供氢装置，其特征在于，所述小容量储氢装置和燃料电池电堆之间设有第二减压装置。
5.如权利要求1所述的供氢装置，其特征在于，所述大容量储氢装置为高压储氢罐，所述高压储氢罐的最高储氢压力为35兆帕-70兆帕。
6.如权利要求1所述的供氢装置，其特征在于，所述小容量储氢装置为低压储氢罐，所述低压储氢罐的最高储氢压力为0.2兆帕到4兆帕；
优选地，所述小容量储氢装置中包括氢气吸附材料，所述氢气吸附材料用于在压力、温度等环境条件发生变化时吸附或释放氢气；
优选地，所述小容量储氢装置包括过滤器，所述过滤器用于防止氢气吸附材料进入燃料电池堆或氢气管路。
7.如权利要求1所述的供氢装置，其特征在于，所述小容量储氢装置和所述第二关断阀串联在所述大容量储氢装置和所述第一关断阀之后，设于燃料电池堆之前。
8.如权利要求1所述的供氢装置，其特征在于，所述小容量储氢装置和所述第二关断阀并联在从所述大容量储氢装置到燃料电池堆和所述减压装置之前的氢气管路上；
优选地，所述氢气吸附材料为碳纳米管或金属储氢合金；
优选地，所述氢气吸附材料能够在零下30度到零上70度范围内吸附和释放氢气；
所述大容量储氢装置用于为主负载供氢，所述小容量储氢装置用于辅助功能的供氢。
9.一种燃料电池的供氢装置的运行方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一燃料电池堆；
(b)提供一如权利要求1所述的供氢装置，其中所述小容量储氢装置和所述第二关断阀并联在从所述大容量储氢装置到燃料电池堆和所述减压装置之前的氢气管路上；其中，所述小容量储氢装置的腔体内充有氢气；
(c)将所述第一关断阀和第二关断阀同时打开，高压氢气通过所述第一减压阀向氢气管路输送氢气；
(d)运行燃料电池堆，使所述小容量储氢装置被氢气充满，关闭所述第二关断阀；以及
(e)停止运行所述燃料电池堆，将所述第一关断阀关闭，将第二关断阀打开，将所述小容量储氢装置里的纯氢释放出来。
10.一种燃料电池的供氢装置的运行方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一燃料电池堆；
(b)提供一如权利要求1所述的供氢装置，其中所述所述小容量储氢装置和所述第二关断阀串联在所述大容量储氢装置和所述第一关断阀之后，设于燃料电池堆之前；
(c)运行所述燃料电池堆，将所述第一关断阀和所述第二关断阀同时打开，将高压氢气从所述大容量储氢装置里释放出来，向所述小容量储氢装置灌充氢气，同时向所述燃料电池堆提供所需氢气；以及
(d)停止运行所述燃料电池堆，将所述第一关断阀和所述第二关断阀同时关闭，一段时间后，将所述第二关断阀打开，将所述小容量储氢装置里的纯氢释放出来。
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