CN111261897A - 一种具有尾气能量回收功能的pem燃料电池发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，包括燃料电池堆、储氢罐、空压机、蓄电池、水电解槽、氧气缓存罐、残余氢气缓存罐、氢气增压泵、涡轮机构、发电机及气体分配器；燃料电池堆的双极板表面开设有气体导流槽，气体导流槽呈六边形结构，气体导流槽内部平行分布有若干条导流脊，相邻导流脊之间的间隙构成导流主槽，每条导流脊均由直线排列的若干三角形凸块组成，相邻三角形凸块之间互为倒置，相邻三角形凸块之间的间隙构成导流支槽；本发明能够实现尾气能量的回收和利用，通过改进的燃料电池堆内双极板的导流槽结构，有效改善了PEM燃料电池的电流密度均匀性和功率密度，进一步提升了PEM燃料电池的性能。

Description

一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置
技术领域
本发明属于PEM燃料电池技术领域，特别是涉及一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置。
背景技术
PEM(质子交换膜)燃料电池的工作过程相当于水电解的逆过程，其作为单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，而质子交换膜作为电解质，其作为单电池工作时相当于直流电源，其中单电池的阳极为电源负极，单电池的阴极作为电源正极。当PEM燃料电池在实际应用中作为供电电源使用时，需要将多个单电池以串联方式层叠组合构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆，且燃料电池堆中双极板与质子交换膜交替叠合时，要确保氢气和氧气能够通过气体通道顺利到达每个单电池，并通过双极板上加工的导流槽使气体均匀扩散，保证电化学反应的稳定进行。PEM燃料电池的应用前景也十分广泛，不但可以作为便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，还可以作为电动交通工具的动力源，甚至还可以作为分散型电站的发电组件使用。
但是，传统的PEM燃料电池在电流密度均匀性和功率密度方面仍有待提高，而且在发电过程中很少考虑尾气能量的回收和循环利用问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，实现了尾气能量的回收和利用，同时改进了燃料电池堆内双极板的导流槽结构，有效改善了PEM燃料电池的电流密度均匀性和功率密度，进一步提升了PEM燃料电池的性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，包括燃料电池堆、储氢罐、空压机、蓄电池、水电解槽、氧气缓存罐、残余氢气缓存罐、氢气增压泵、涡轮机构及发电机；所述储氢罐的出气口与燃料电池堆的氢气输入口相连通，燃料电池堆上设有残余氢气排出口，燃料电池堆的残余氢气排出口与残余氢气缓存罐的进气口相连通，残余氢气缓存罐的出气口与氢气增压泵的进气口相连通；所述储氢罐的进气口分两路输入，第一路与氢气增压泵的出气口相连通，第二路与氢燃料加注口相连通；所述燃料电池堆的氧气输入口与空压机的出气口相连通，空压机的进气口分两路输入，第一路与氧气缓存罐的出气口相连通，第二路与大气相连通，所述空压机内置有空气滤清器；所述氧气缓存罐的进气口与水电解槽的氧气输出口相连通，水电解槽的氢气输出口与残余氢气缓存罐的进气口相连通；所述燃料电池堆的尾气排出口与涡轮机构的进气口相连通，通过涡轮机构将尾气的压力能转换为涡轮轴的旋转动能，所述发电机的电机轴与涡轮机构的涡轮轴相固连；所述燃料电池堆的供电端口外接负载，所述蓄电池的充电端口与燃料电池堆的供电端口相连，通过燃料电池堆对蓄电池进行充电；所述发电机的供电端口与蓄电池的充电端口相连，发电机产生的电能由蓄电池进行存储；所述水电解槽的阳极与蓄电池的供电端口正极相连，水电解槽的阴极与蓄电池的供电端口负极相连。
在所述储氢罐的出气口与燃料电池堆的氢气输入口之间的气路管线上依次安装有第一电磁开关阀、第一气体压力传感器及第一加湿器；在所述氧气缓存罐的出气口与空压机的进气口之间气路管线上安装有第二电磁开关阀；在所述燃料电池堆的氧气输入口与空压机的出气口之间的气路管线上依次安装有第二气体压力传感器及第二加湿器。
在所述燃料电池堆的双极板表面开设有气体导流槽，气体导流槽呈六边形结构，在气体导流槽内部平行分布有若干条导流脊，相邻导流脊之间的间隙构成导流主槽；每条所述导流脊均由直线排列的若干三角形凸块组成，相邻三角形凸块之间互为倒置，且相邻三角形凸块之间的间隙构成导流支槽；所述三角形凸块采用等腰三角形，且等腰三角形的两个底角均为37.5°。
在所述气体导流槽的一个六边形顶角处设置有主进气孔，在主进气孔对侧的气体导流槽的另一个六边形顶角处设置有出气孔；在与所述出气孔相邻的三角形凸块底边上开设有内置副进气孔，在所述双极板的边沿上开设有外置副进气孔，外置副进气孔与内置副进气孔相连通；所述外置副进气孔连接有气体分配器，气体分配器的进气端与空压机的出气口相连通。
本发明的有益效果：
本发明的具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，实现了尾气能量的回收和利用，同时改进了燃料电池堆内双极板的导流槽结构，有效改善了PEM燃料电池的电流密度均匀性和功率密度，进一步提升了PEM燃料电池的性能。
附图说明
图1为本发明的一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置的结构原理图；
图2为本发明的燃料电池堆内双极板的结构示意图；
图中，1—燃料电池堆，2—储氢罐，3—空压机，4—蓄电池，5—水电解槽，6—氧气缓存罐，7—残余氢气缓存罐，8—氢气增压泵，9—涡轮机构，10—发电机，11—燃料电池堆的氢气输入口，12—燃料电池堆的残余氢气排出口，13—氢燃料加注口，14—燃料电池堆的氧气输入口，15—大气，16—第一电磁开关阀，17—第一气体压力传感器，18—第一加湿器，19—第二电磁开关阀，20—第二气体压力传感器，21—第二加湿器，22—燃料电池堆的尾气排出口，23—双极板，24—气体导流槽，25—导流脊，26—主进气孔，27—出气孔，28—内置副进气孔，29—外置副进气孔，30—气体分配器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，包括燃料电池堆1、储氢罐2、空压机3、蓄电池4、水电解槽5、氧气缓存罐6、残余氢气缓存罐7、氢气增压泵8、涡轮机构9及发电机10；所述储氢罐2的出气口与燃料电池堆1的氢气输入口11相连通，燃料电池堆1上设有残余氢气排出口12，燃料电池堆1的残余氢气排出口12与残余氢气缓存罐7的进气口相连通，残余氢气缓存罐7的出气口与氢气增压泵8的进气口相连通；所述储氢罐2的进气口分两路输入，第一路与氢气增压泵8的出气口相连通，第二路与氢燃料加注口13相连通；所述燃料电池堆1的氧气输入口14与空压机3的出气口相连通，空压机3的进气口分两路输入，第一路与氧气缓存罐6的出气口相连通，第二路与大气15相连通，所述空压机3内置有空气滤清器；所述氧气缓存罐6的进气口与水电解槽5的氧气输出口相连通，水电解槽5的氢气输出口与残余氢气缓存罐7的进气口相连通；所述燃料电池堆1的尾气排出口22与涡轮机构9的进气口相连通，通过涡轮机构9将尾气的压力能转换为涡轮轴的旋转动能，所述发电机10的电机轴与涡轮机构9的涡轮轴相固连；所述燃料电池堆1的供电端口外接负载，所述蓄电池4的充电端口与燃料电池堆1的供电端口相连，通过燃料电池堆1对蓄电池4进行充电；所述发电机10的供电端口与蓄电池4的充电端口相连，发电机10产生的电能由蓄电池4进行存储；所述水电解槽5的阳极与蓄电池4的供电端口正极相连，水电解槽5的阴极与蓄电池4的供电端口负极相连。
在所述储氢罐2的出气口与燃料电池堆1的氢气输入口11之间的气路管线上依次安装有第一电磁开关阀16、第一气体压力传感器17及第一加湿器18；在所述氧气缓存罐6的出气口与空压机3的进气口之间气路管线上安装有第二电磁开关阀19；在所述燃料电池堆1的氧气输入口14与空压机3的出气口之间的气路管线上依次安装有第二气体压力传感器20及第二加湿器21。
在所述燃料电池堆1的双极板23表面开设有气体导流槽24，气体导流槽24呈六边形结构，在气体导流槽24内部平行分布有若干条导流脊25，相邻导流脊25之间的间隙构成导流主槽；每条所述导流脊25均由直线排列的若干三角形凸块组成，相邻三角形凸块之间互为倒置，且相邻三角形凸块之间的间隙构成导流支槽；所述三角形凸块采用等腰三角形，且等腰三角形的两个底角均为37.5°。
在所述气体导流槽24的一个六边形顶角处设置有主进气孔26，在主进气孔26对侧的气体导流槽24的另一个六边形顶角处设置有出气孔27；在与所述出气孔27相邻的三角形凸块底边上开设有内置副进气孔28，在所述双极板23的边沿上开设有外置副进气孔29，外置副进气孔29与内置副进气孔28相连通；所述外置副进气孔29连接有气体分配器30，气体分配器30的进气端与空压机3的出气口相连通。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
以本发明应用于氢燃料汽车为例。首先在加氢站通过氢燃料加注口13向储氢罐2内加注氢气，当氢气加注完成后，开启第一电磁开关阀16，同时启动空压机3。当第一电磁开关阀16开启后，储氢罐2内的氢气依次经过第一气体压力传感器17及第一加湿器18并从氢气输入口11进入燃料电池堆1内。当空压机3启动后，经过滤后的空气依次通过第二气体压力传感器20及第二加湿器21并从氧气输入口14进入燃料电池堆1内。
随着氧气和氢气的输入，氧气和氢气分别通过各自的气体通道进入每个单电池中，并通过双极板23表面开设的气体导流槽24实现气体的均匀扩散，最终使电化学反应稳定进行并产生电能，所产生的电能直接供汽车的电动机使用，实现对汽车的驱动。
随着电化学反应的持续进行，对于没有参与到电化学反应中的残留氢气直接由残余氢气排出口12流出燃料电池堆1，这些残余氢气直接流入残余氢气缓存罐7进行存储。
随着电化学反应的持续进行，包含有氧气和水汽的具有一定压力的尾气直接由尾气排出口22流出燃料电池堆1，这些具有一定压力的尾气直接流入涡轮机构9中驱动涡轮轴转动，进而带动发电机10的电机轴转动，从而将动能转化为电能，由发电机10产生的电能直接输入蓄电池4中进行存储，最终实现了尾气能量的回收和利用。另外，尾气中包含的水汽通过冷凝处理后还可作为水电解槽5的原料水使用。
在电化学反应进行过程中，可以启动水电解槽5，水电解槽5产生的氢气直接流入残余氢气缓存罐7进行存储，水电解槽5产生的氧气直接流入氧气缓存罐6中进行存储。
当残余氢气缓存罐7内的氢气存储到一定量后，可以启动氢气增压泵8，通过氢气增压泵8将氢气缓存罐7内的氢气加压输入储氢罐2内，从而实现了氢气的循环利用。
当氧气缓存罐6内的氧气存储到一定量后，开启第二电磁开关阀19，可以将氧气缓存罐6内的氧气混入空气中并一同由空压机3输入燃料电池堆1内，从而实现了氧气的循环利用。
本发明在双极板23上增设了外置副进气孔29和内置副进气孔28，同时配置了气体分配器30，由空压机3输出的氧气除了可以通过常规路径进入燃料电池堆1内，还可以通过气体分配器30这条辅助路径进入燃料电池堆1内，有效弥补燃料电池堆1内氧气供应不足的情况。
当汽车用电量加大时，空压机3的功率可自动增大，提高单位时间内氧气的供应量，当汽车用电量减小时，空压机3的功率可自动降低，从而减小单位时间内氧气的供应量，进而实现能量的合理分配。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，其特征在于：包括燃料电池堆、储氢罐、空压机、蓄电池、水电解槽、氧气缓存罐、残余氢气缓存罐、氢气增压泵、涡轮机构及发电机；所述储氢罐的出气口与燃料电池堆的氢气输入口相连通，燃料电池堆上设有残余氢气排出口，燃料电池堆的残余氢气排出口与残余氢气缓存罐的进气口相连通，残余氢气缓存罐的出气口与氢气增压泵的进气口相连通；所述储氢罐的进气口分两路输入，第一路与氢气增压泵的出气口相连通，第二路与氢燃料加注口相连通；所述燃料电池堆的氧气输入口与空压机的出气口相连通，空压机的进气口分两路输入，第一路与氧气缓存罐的出气口相连通，第二路与大气相连通，所述空压机内置有空气滤清器；所述氧气缓存罐的进气口与水电解槽的氧气输出口相连通，水电解槽的氢气输出口与残余氢气缓存罐的进气口相连通；所述燃料电池堆的尾气排出口与涡轮机构的进气口相连通，通过涡轮机构将尾气的压力能转换为涡轮轴的旋转动能，所述发电机的电机轴与涡轮机构的涡轮轴相固连；所述燃料电池堆的供电端口外接负载，所述蓄电池的充电端口与燃料电池堆的供电端口相连，通过燃料电池堆对蓄电池进行充电；所述发电机的供电端口与蓄电池的充电端口相连，发电机产生的电能由蓄电池进行存储；所述水电解槽的阳极与蓄电池的供电端口正极相连，水电解槽的阴极与蓄电池的供电端口负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，其特征在于：在所述储氢罐的出气口与燃料电池堆的氢气输入口之间的气路管线上依次安装有第一电磁开关阀、第一气体压力传感器及第一加湿器；在所述氧气缓存罐的出气口与空压机的进气口之间气路管线上安装有第二电磁开关阀；在所述燃料电池堆的氧气输入口与空压机的出气口之间的气路管线上依次安装有第二气体压力传感器及第二加湿器。
3.根据权利要求1所述的一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，其特征在于：在所述燃料电池堆的双极板表面开设有气体导流槽，气体导流槽呈六边形结构，在气体导流槽内部平行分布有若干条导流脊，相邻导流脊之间的间隙构成导流主槽；每条所述导流脊均由直线排列的若干三角形凸块组成，相邻三角形凸块之间互为倒置，且相邻三角形凸块之间的间隙构成导流支槽；所述三角形凸块采用等腰三角形，且等腰三角形的两个底角均为37.5°。
4.根据权利要求3所述的一种具有尾气能量回收功能的PEM燃料电池发电装置，其特征在于：在所述气体导流槽的一个六边形顶角处设置有主进气孔，在主进气孔对侧的气体导流槽的另一个六边形顶角处设置有出气孔；在与所述出气孔相邻的三角形凸块底边上开设有内置副进气孔，在所述双极板的边沿上开设有外置副进气孔，外置副进气孔与内置副进气孔相连通；所述外置副进气孔连接有气体分配器，气体分配器的进气端与空压机的出气口相连通。
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