CN113644297B - 一种燃料电池阳极排水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池阳极排水方法，其通过中空纤维膜的排水阻气特性，将氢气中水蒸气的冷凝和液态水的排出集合在一起，利用低温冷却水来控制阳极氢气的露点，起到快速高效排水的效果，同时具有结构紧凑、简单可靠的优点。本发明解决了碱性膜燃料电池阳极排水问题，在推进碱性膜燃料电池电堆的工程应用方面有应用前景。

Description

一种燃料电池阳极排水方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言是一种燃料电池阳极排水方法，尤其涉及燃料电池阳极水管理。
背景技术
与质子交换膜燃料电池不同，碱性阴离子交换膜燃料电池在阳极生成水，产物水需要靠氢气从扩散层中吹扫或携带出去，这要求氢气具有大的循环比，并且出入口氢气的含水量差别大，即阳极具有很强的排水能力。
现有的阳极水管理通常是针对PEMFC来开发的，而PEMFC阳极本身的液态水含量少，通常采用氢气循环泵或者引射器将阳极的氢气进行循环，在氢循环管路中加入离心式分水器或重力分水器将水排出，具有良好的液态水分离效果。然而对于碱性膜燃料电池，由于阳极产生水，其产水量远大于PEMFC的阳极，尤其是碱性膜燃料电池的阳极需要通过控制电堆阳极氢气入口和出口的相对湿度来使阳极水分排出，而传统的传统离心式分水器没有冷凝功能，分水效果不够，不能满足排水需要，若氢循环管路中多余的水分不能及时排出，在进行电化学反应时，多余的水分会覆盖催化剂，使得氢气不能充分传递至催化剂表面。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池阳极排水方法。本发明主要利用微孔纤维膜的排水阻气特性和压差，将氢气的冷凝和液态水的排出功能集合到一个器件上，从而起到快速高效排水的效果，同时具有结构紧凑、简单可靠的优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种碱性阴离子交换膜燃料电池阳极排水方法，所述燃料电池氢气出口的气态水通过排水装置排出，氢气进入燃料电池氢气入口循环使用；所述排水装置利用燃料电池氢气出口与循环水的温差将水冷凝排出。
基于上述方案，优选地，所述排水装置包括具有排水阻气功能的中空纤维束；所述中空纤维束在使用过程中管壁内的温度和压力高于管壁外的温度和压力。
基于上述方案，优选地，所述中空纤维束使用时管壁外部设有循环水，循环水的温度低于管壁内部含水氢气的温度；中空纤维束管壁内通入含水氢气时管壁内的压力高于管壁外的压力；含水氢气在经过中空纤维束的过程中，携带的液态水和在内外温差下冷凝的液态水在压力差作用下通过中空纤维束的外壁排出。
基于上述方案，优选地，所述中空纤维束的成分为聚醚砜、聚醋酸纤维酯等。
基于上述方案，优选地，根据不同温度下饱和蒸汽压的不同设计循环水与氢气的温差，控制冷凝水的水量。
基于上述方案，优选地，所述排水装置包括设置于燃料电池氢气出口和燃料电池氢气入口之间的排水器；所述排水器设有水循环支路；所述排水器沿氢气流动方向依次设置氢气腔I、密封胶I、水腔、密封胶II、氢气腔II，氢气腔I和氢气腔II通过中空纤维束相连，所述中空纤维束润湿状态下在有压差存在时具有透水阻气功能，中空纤维束的两端贯通密封胶，且为开口管；密封胶I将氢气腔I和水腔隔离；密封胶II将氢气腔II和水腔隔离；氢气腔I设有氢气腔I氢气入口，所述氢气腔I氢气入口与燃料电池氢气出口相连通；氢气腔II设有氢气腔II氢气出口，所述氢气腔II氢气出口与燃料电池氢气入口相连通；水腔具有两个接口，分别为循环水入口和循环水出口，液态水在中空纤维束管壁外。
上述排水器使用时，水腔中水的压力低于中空纤维束中气体的压力，水腔中水的温度低于中空纤维束中气体的温度，氢气从氢气腔I通过中空纤维束传输到氢气腔II的过程中，氢气中的气态水在循环水的温差下冷凝成液态水，冷凝液态水和氢气携带的液态水在压差作用下通过中空纤维束的外壁排入水腔，然后通过循环水出口排出；排水装置与燃料电池堆组合在一起，形成了燃料电池的阳极排水系统。
基于上述方案，优选地，所述排水装置还包括回流泵；所述回流泵位于排水器与燃料电池氢气入口之间，用于为排水后的氢气增压。
基于上述方案，优选地，所述回流泵为氢气循环泵或引射器，电堆阳极出口富含水汽的氢气经过排水器冷凝排水后进入回流泵，进而进入电堆内部，实现高的氢气利用率。
基于上述方案，优选地，将排水器，回流泵，燃料电池堆依次连接，并在排水器的水腔端口连接循环冷却水，构成了阳极排水系统；通过控制燃料电池电堆温度和气压、回流泵的回流量、水循环支路中水的温度和压力，以控制电堆入口氢气的含水量和气体流量，从而控制阳极的水含量。
本发明的有益效果：
1、本发明的装置将液态水的排出与氢气相对湿度的控制融为一体，具有排水效果好、结构紧凑、简单可靠的优点。
2、本发明的装置排水及时、充分，兼顾了饱和蒸汽冷凝和液态水排出；避免了氢循环管路中多余的水分不能及时排出对电化学反应的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为阳极排水系统的结构示意图。
图中，1-燃料电池电堆；2-燃料电池氢气出口；3-氢气腔I氢气入口；4-氢气腔I；5-水腔；6-氢气腔II；7-中空纤维束；8-循环水出口；9-循环水入口；10-氢气腔II氢气出口；11-回流泵；12-氢源；13-燃料电池氢气入口。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种燃料电池阳极排水装置。排水装置包括在燃料电池氢气出口2和燃料电池氢气入口13之间依次设置的排水器和回流泵；排水器沿氢气流动方向依次设置氢气腔I 4、密封胶I、水腔5、密封胶II、氢气腔II 6，氢气腔I 4和氢气腔II 6通过中空纤维束7相连，中空纤维束7润湿状态下在有压差存在时具有透水阻气功能，中空纤维束7的两端贯通密封胶，且为开口管；密封胶I将氢气腔I 4和水腔5隔离；密封胶II将氢气腔II 6和水腔 5隔离；氢气腔I 4设有氢气腔I氢气入口3，所述氢气腔I氢气入口3与燃料电池氢气出口2相连通；氢气腔II 6设有氢气腔II氢气出口10，所述氢气腔II氢气出口10通过回流泵11与燃料电池氢气入口13相连通；水腔具有两个接口，分别为循环水入口9和循环水出口 8，液态水在中空纤维束管壁外；氢气从氢气腔I 4通过中空纤维束 7传输到氢气腔II6的过程中，氢气中的气态水在循环水的温差下冷凝成液态水，冷凝液态水和氢气携带的液态水在压差作用下通过中空纤维束 7的外壁排入水腔5，然后通过循环水出口8排出。其中，排水器采用聚醚砜的中空纤维束、环氧树脂密封圈和塑料外壳构成，中空纤维束在润湿状态下具有排水阻气功能。冷却水、排水器、氢回流泵和电堆共同组成了阳极排水系统。
系统工作时，碱性阴离子交换膜燃料电池运行温度为80oC，其阳极氢气压力为表压0.1MPa，运行电流密度为500mA/cm2，回流泵为氢循环泵，循环泵转数为4000转/每分钟。电堆出口为温度为80oC的携带有饱和蒸汽和液态产物水的氢气，氢气经过排水器后通过氢气循环泵增压，与氢源的氢气一起进入燃料电池电堆。冷却水温度为30oC，压力为常压。电堆阳极循环氢气中的冷凝水和液态水一起，在0.1MPa的压差下穿透中空纤维束管壁进入循环水中，实现阳极排水。排水前，氢气中水蒸气的分压为47.4kPa，且含有液态水；而排水后水蒸气分压为4.3kPa，且无液态水。
实施例2
采用同实施例1的排水装置。系统工作时，碱性阴离子交换膜燃料电池运行温度为90oC，其阳极氢气压力为表压0.2MPa，运行电流密度为400mA/cm2，回流泵为氢循环泵，循环泵转数为3500转/每分钟。电堆出口为温度为70oC的携带有饱和蒸汽和液态产物水的氢气，氢气经过排水器后通过回流泵增压，与氢源的氢气一起进入燃料电池电堆。冷却水温度为40oC，压力为常压。电堆阳极循环氢气中的冷凝水和液态水一起，在0.2MPa的压差下穿透中空纤维束管壁进入循环水中，实现阳极排水。排水前，氢气中水蒸气的分压为70.1kPa，且含有液态水；而排水后水蒸气分压为7.4 kPa，且无液态水。

Claims (9)

1.一种碱性阴离子交换膜燃料电池阳极排水方法，其特征在于，利用排水装置进行排水，
所述排水装置包括设置于燃料电池氢气出口和燃料电池氢气入口之间的排水器；所述排水器设有水循环支路；
所述排水器沿氢气流动方向依次设置氢气腔I、密封胶I、水腔、密封胶II、氢气腔II，氢气腔I和氢气腔II通过中空纤维束相连，所述中空纤维束润湿状态下在有压差存在时具有排水阻气功能，中空纤维束的两端贯通密封胶，且为开口管；密封胶I将氢气腔I和水腔隔离；密封胶II将氢气腔II和水腔隔离；氢气腔I设有氢气腔I氢气入口，所述氢气腔I氢气入口与燃料电池氢气出口相连通；氢气腔II设有氢气腔II氢气出口，所述氢气腔II氢气出口与燃料电池氢气入口相连通；水腔具有两个接口，分别为循环水入口和循环水出口；
所述燃料电池氢气出口排出的含水氢气通过排水装置进行排水，排水后的氢气进入燃料电池氢气入口循环使用；所述排水装置利用循环水与出口氢气的温差将水冷凝，并利用出口氢气与循环水的压差将液态水排出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排水装置包括具有排水阻气功能的中空纤维束；所述中空纤维束在使用过程中管壁内的温度和压力高于管壁外的温度和压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中空纤维束使用时管壁外部设有循环水，循环水的温度低于管壁内部含水氢气的温度；中空纤维束管壁内通入含水氢气时管壁内的压力高于管壁外的压力；含水氢气在经过中空纤维束的过程中，携带的液态水和在内外温差下冷凝的液态水在压力差作用下通过中空纤维束的外壁排出。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中空纤维束的成分为聚醚砜、聚醋酸纤维酯中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中空纤维束的管壁含有微孔，孔径小于1μm从而具有毛细作用；在润湿状态下，中空纤维束管壁在超过氢气压力的压差下不漏气。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据不同温度下饱和蒸汽压的不同设计循环水与含水氢气的温差，控制冷凝水的水量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排水装置还包括回流泵；所述回流泵位于排水器与燃料电池氢气入口之间，用于为排水后的氢气增压。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述回流泵为氢气循环泵或引射器。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制燃料电池电堆温度和气压、回流泵的回流量、水循环支路中水的温度和压力，以控制电堆入口氢气的含水量和气体流量，从而控制阳极的水含量。
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