CN115121080B - 一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，涉及燃料电池技术领域，包括：燃料电池电堆组件；化学过滤装置，位于所述燃料电池电堆组件的进气端，通过化学方法对进入所述燃料电池电堆组件中的空气进行过滤；抽风装置，由于在所述燃料电池电堆组件内形成负压。燃料电池电堆组件利用氢气和氧气发生电化学反应产生电能，而化学过滤装置用于对通过燃料电池电堆组件进气端空气进行过滤，一方面对粉尘进行过滤吸附；另一方面对空气中携带的细菌和过敏源进行灭杀，避免质子交换膜的稳定性和活性受到破坏，使得质子交换膜使用寿命得到延长，进而提高燃料电池系统的使用寿命和工作效率。

Description

一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置。
背景技术
目前的燃料电池大多使用氢气和空气中的氧气发生电化学反应产生电能，在燃料电池的负极：氢气分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜进入正极，电子经外部负载进入正极，在燃料电池的正极：质子、电子和氧气重新结合以形成水。燃料电池在工作过程中，质子交换膜的稳定可靠非常关键。
由于燃料电池所需要的氧气均来自于空气，但是，空气中存在的污染物和杂质，例如粉尘、细菌、过敏源等破坏质子交换膜的稳定性和活性，使得质子交换膜使用寿命降低，进而降低燃料电池系统的寿命。
公开号为CN211670279，专利名称为一种具有空气净化功能的燃料电池系统，其采用的技术方案为：在空气进化装置的进风端处设置多层滤网，用以对空气进行吸附过滤。这种过滤方式较为传统，且随着时间的推移，过滤效果不仅会下降；同时，随着过滤层上吸附物的增加，还会影响空气通过率，进而导致燃料电池堆的发电效率下降。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术过滤方式较为传统，且随着时间的推移，过滤效果不仅会下降；同时，随着过滤层上吸附物的增加，还会影响空气通过率，进而导致燃料电池堆的发电效率下降的技术问题，提供了一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，该电池箱具有过滤效果好，且持久有效的优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，包括：
燃料电池电堆组件；
化学过滤装置，位于所述燃料电池电堆组件的进气端，通过化学方法对进入所述燃料电池电堆组件中的空气进行过滤；
抽风装置，由于在所述燃料电池电堆组件内形成负压，以便外部空气通过所述化学过滤装置进入所述燃料电池电堆组件内，为所述燃料电池电堆组件提供化学反应所需的氧气。
优选地，所述化学过滤装置包括：
箱体，位于所述燃料电池电堆组件的进气端，且侧面上的槽口将所述箱体和所述燃料电池电堆组件连通；
半透膜，位于所述槽口上，用于分隔所述箱体和所述燃料电池电堆组件，所述半透膜仅允许气体通过；
隔板，交错设于所述箱体内，将所述箱体内部空间分隔成S形流道；
进液端口，位于所述箱体上，并与所述流道的一端连通；
出液端口，位于所述箱体上，并与所述流道的另一端连通；
进气端口，位于所述箱体上，并与所述流道连通。
优选地，所述进液端口位于所述箱体上部一侧，并与所述流道上端连通；
所述出液端口位于所述箱体下部一侧，并与所述流道下端连通；
所述进气端口位于所述箱体顶面，且靠近所述进液端口处。
优选地，所述隔板的一端与所述箱体固定，另一端与所述箱体构内壁之间构成一个通道，所述通道上设有格栅网。
优选地，所述进液端口、所述出液端口和所述进气端口上均设有第一控制阀。
优选地，所述进液端口的端口处设有仅能液体通过的防护膜。
优选地，所述化学过滤装置包括：
三维蜂窝催化板，位于所述半透膜与所述燃料电池电堆组件之间，用于分解空气中的有机有害气体；
灯柱，均匀分布于所述三维蜂窝催化板内，用于配合所述三维蜂窝催化板分解有机有害气体；
集水箱，位于所述燃料电池电堆组件底部，与所述灯柱的排料端对应。
优选地，所述燃料电池电堆组件包括：
燃料电池电堆；
外部框体，用于保护和安装所述燃料电池电堆，一侧壁内设有与燃料电池电堆连通的分流腔；
氢气供气管，与所述分流腔连通。
优选地，所述燃料电池电堆横置或竖置在所述外部框体内。
优选地，所述抽风装置包括：
导风板，位于所述燃料电池电堆的出风端，且位于所述外部框体的内部，其上均匀设有与所述燃料电池电堆位置对应的导风槽；
负压出风管，位于所述外部框体的端部，且与所述导风板位置对应，所述负压出风管与所述外部框体内部连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，燃料电池电堆组件利用氢气和氧气发生电化学反应产生电能，而化学过滤装置用于对通过燃料电池电堆组件进气端空气进行过滤，一方面对粉尘进行过滤吸附；另一方面对空气中携带的细菌和过敏源进行灭杀，避免质子交换膜的稳定性和活性受到破坏，使得质子交换膜使用寿命得到延长，进而提高燃料电池系统的使用寿命和工作效率；
2、本发明中，箱体内部空间被隔板分隔成S形流道，液体通过进液端口进入流道内，并沿着流道向另一端流动，由于半透膜的存在，液体不能通过而气体可以通过半透膜，进而穿过槽口进入燃料电池电堆组件内，在液体进入流道后，进气端口也将空气倒入到流道中，使得液体的流动迫使空气向下移动，而越向下部移动，则空气受到的压力越大，通过半透膜的速度就越快，直至在流出箱体时全部通过半透膜。而在流经流道过程中，液体将空气中的粉尘溶解，以及灭杀细菌和过敏源，并随液体的排出而排出，保证半透膜的通过效率；
3、本发明中，催化板可采用的现有的光催化板，将其设置为三维蜂窝结构是为了增加光照面积，以及光催化反应的面积，灯柱可采用紫外灯，当紫外光照射在三维蜂窝催化板上后，即可对流经的有机有害气体进行分解，产生的水直接流入集水箱中，而二氧化碳则随空气流走，从而完成对有机有害气体进行分解过滤。集水箱的底部可以设置一个排水管，排水管上也可设置一个控制阀，当集水箱内部蓄积的水达到一个量时，通过控制阀的开启来完成水的排出。
附图说明
图1为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的立体图；
图2为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的端面示意图；
图3为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的正视图；
图4为图3中A-A处的剖视图；
图5为图3中B-B处的剖视图；
图6为图3中C-C处的剖视图；
图7为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的内部结构示意图。
图中：
1、燃料电池电堆组件；101、燃料电池电堆；102、外部框体；103、分流腔；104、氢气供气管；
2、化学过滤装置；201、箱体；202、槽口；203、半透膜；204、隔板；205、进液端口；206、出液端口；207、进气端口；208、格栅网；209、第一控制阀；210、防护膜；211、三维蜂窝催化板；212、灯柱；213、集水箱；
3、抽风装置；301、风板；302、导风槽；303、负压出风管。
具体实施方式
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，所描述的实施条例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
图1为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的立体图；图2为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的端面示意图；图3为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的正视图；图4为图3中A-A处的剖视图；图5为图3中B-B处的剖视图；图6为图3中C-C处的剖视图；图7为本发明一个实施方式中一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置的内部结构示意图。
结合附图，在本实施方式中，一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，可以包括：燃料电池电堆组件1、化学过滤装置2和抽风装置3。其中，燃料电池电堆组件1利用氢气和氧气发生电化学反应产生电能，而化学过滤装置2用于对通过燃料电池电堆组件1进气端空气进行过滤，一方面对粉尘进行过滤吸附；另一方面对空气中携带的细菌和过敏源进行灭杀，避免质子交换膜的稳定性和活性受到破坏，使得质子交换膜使用寿命得到延长，进而提高燃料电池系统的使用寿命和工作效率。
在本实施方式中，通入化学过滤装置2中的物质可为3％-8％浓度的双氧水，这种浓度的双氧水不稳定，在与细菌和过敏源相遇时，立即分解产生氧，这种尚未结合成氧分子的氧原子，具有很强的氧化性，在与细菌和过敏源相遇时，能破坏细菌菌体，杀死细菌。且不会产生二次污染的同时增加空气中的氧浓度。在应用到本实施方式中时，能够提高燃料电池电堆组件1中的氧浓度，进而提高氢气和氧气之间的电化学反应质量。
为使本领域的技术人员更加清楚的理解本申请的技术方案，故对化学过滤装置2的结构作出进一步说明。在本实施方式中，化学过滤装置2可以包括：箱体201、槽口202、半透膜203、隔板204、进液端口205、出液端口206和进气端口207。其中，箱体201位于燃料电池电堆组件1的进气端，且侧面上的槽口202将箱体201和燃料电池电堆组件1连通；半透膜203位于槽口202上，用于分隔箱体201和燃料电池电堆组件1，半透膜203仅允许气体通过；隔板204交错设于箱体201内，将箱体201内部空间分隔成S形流道；进液端口205位于箱体201上，并与流道的一端连通；出液端口206位于箱体201上，并与流道的另一端连通；进气端口207位于箱体201上，并与流道连通。具体的，箱体201为密封结构，内部空间被隔板204分隔成S形流道，液体通过进液端口205进入流道内，并沿着流道向另一端流动，由于半透膜203的存在，液体不能通过而气体可以通过半透膜203，进而穿过槽口202进入燃料电池电堆组件1内，在液体进入流道后，进气端口207也将空气倒入到流道中，使得液体的流动迫使空气向下移动，而越向下部移动，则空气受到的压力越大，通过半透膜203的速度就越快，直至在流出箱体201时全部通过半透膜203。而在流经流道过程中，液体将空气中的粉尘溶解，以及灭杀细菌和过敏源，并随液体的排出而排出，保证半透膜203的通过效率。
在本实施方式中，为进一步提高液体对粉尘、菌和过敏源的过滤效果，故将进液端口205设置在箱体201的上部一侧，并与流道上端连通，使得进入箱体201中的液体自动的从上往下流动。出液端口206设置在箱体201下部一侧，并与流道下端连通，用于及时稳定的排出液体，减少液体在箱体201内部的蓄积，进而保证过滤效果。进气端口207设置在箱体201顶面，且靠近进液端口205处，使得空气和液体进入箱体201后，立即混合，并使得液体的流动推动空气向下移动，使空气受到更大的压力作用，以便更快的通过半透膜203。
由于通过进气端口207进入液体后极易形成较大的气泡或气团，导致液体与空气的接触有限，从而影响过滤效果。在本实施方式中，隔板204的一端与箱体201固定，另一端与箱体201构内壁之间构成一个通道，通道上设有格栅网208。具体的，格栅网208设置在液体和空气必经的流道上，当液体推动气泡或气团时，气泡或气团会被格栅网208上的细小网孔分割成若干个小气泡，从而大大提高了气泡的比表面积，使得液体与空气的接触的更充分，如此经过多个格栅网208后，空气中的粉尘、细菌和过敏源被液体过滤完全。
为了进一步提高空气透过半透膜203的效率，以及提高对空气中的粉尘、细菌和过敏源过滤质量，在本实施方式中，进液端口205、出液端口206和进气端口207上均设有第一控制阀209。具体的，第一控制阀209可采用压力阀，通过设定阀的工作压力值，来提高箱体201内部的压力，从而使得空气在高压作用下，尽快通过半透膜203。于此同时，液体的流速也将加快，以便提高对粉尘、细菌和过敏源的代谢，保证液体始终处于一个较好的过滤状态。
为避免通入箱体201中的空气从进液端口205溢出，在本实施方式中，进液端口205的端口处设有仅能液体通过的防护膜210，其作用与半透膜203的作用相反，用于阻挡空气通过。因此，通入箱体201中的空气只能随液体向下移动，并逐渐通过半透膜203进入燃料电池电堆组件1内。
为了进一步对有机气有毒气体进行过滤净化，以实现无害排放。在本实施方式中，化学过滤装置2还包括：三维蜂窝催化板211、灯柱212和集水箱213。其中，灯柱212产生的光照在三维蜂窝催化板211上，加速三维蜂窝催化板211对空气中有机有害气体的分解，使得有害气体分解成水和二氧化碳，水通过三维蜂窝催化板211上的孔洞流至集水箱213中排出。具体的，催化板可采用的现有的光催化板，将其设置为三维蜂窝结构是为了增加光照面积，以及光催化反应的面积，灯柱212可采用紫外灯，当紫外光照射在三维蜂窝催化板211上后，即可对流经的有机有害气体进行分解，产生的水直接流入集水箱213中，而二氧化碳则随空气流走，从而完成对有机有害气体进行分解过滤。优选地，集水箱213的底部可以设置一个排水管，排水管上也可设置一个控制阀，当集水箱213内部蓄积的水达到一个量时，通过控制阀的开启来完成水的排出。
在本实施方式中，还对燃料电池电堆组件1进行了改进。燃料电池电堆组件1可以包括：燃料电池电堆101、外部框体102、分流腔103和氢气供气管104。其中，燃料电池电堆101通过氢气和氧气发生电化学反应产生电能，外部框体102用于保护和安装燃料电池电堆101，一侧壁内设有与燃料电池电堆101连通的分流腔103；氢气供气管104与分流腔103连通。具体的，氢气通过氢气供气管104进入分流腔103后，均匀分摊进入燃料电池电堆101中，与氧气发生电化学反应产生电能。外部框体102用于保护燃料电池电堆101以及内部反应空间，使得氢气与氧气能够发生稳定的电化学反应。
在本实施方式中，燃料电池电堆101横置或竖置在外部框体102内。当燃料电池电堆101横置在外部框体102中时，便于氢气的均匀分散，保证燃料电池电堆101的各个部分与氧气能够更好的反应。而当燃料电池电堆101竖置时，则利于反应后水的排出，排出的水可以进入集水箱213集中排出。
为使本领域的技术人员更加清楚的理解本申请的技术方案，故对抽风装置3的结构作出进一步说明。在本实施方式中，抽风装置3包括：导风板301、导风槽302和负压出风管303。其中，导风板301位于燃料电池电堆101的出风端，且位于外部框体102的内部，其上均匀设有与燃料电池电堆101位置对应的导风槽302；负压出风管303位于外部框体102的端部，且与导风板301位置对应，负压出风管303与外部框体102内部连通。具体的，与燃料电池电堆101反应后的空气通过导风板301上的导风槽302排出，再从负压出风管303上排出燃料电池电堆组件1，负压出风管303的出风端可连接一个轴流风机，以实现空气的排出流动。导风板301是为了避免燃料电池电堆101其他部分直接连通，导致与燃料电池电堆101反应后的空气在内部回流，影响燃料电池电堆101的发电效率。
在本发明中，燃料电池电堆组件1利用氢气和氧气发生电化学反应产生电能，而化学过滤装置2用于对通过燃料电池电堆组件1进气端空气进行过滤，一方面对粉尘进行过滤吸附；另一方面对空气中携带的细菌和过敏源进行灭杀，避免质子交换膜的稳定性和活性受到破坏，使得质子交换膜使用寿命得到延长，进而提高燃料电池系统的使用寿命和工作效率。
箱体201内部空间被隔板204分隔成S形流道，液体通过进液端口205进入流道内，并沿着流道向另一端流动，由于半透膜203的存在，液体不能通过而气体可以通过半透膜203，进而穿过槽口202进入燃料电池电堆组件1内，在液体进入流道后，进气端口207也将空气倒入到流道中，使得液体的流动迫使空气向下移动，而越向下部移动，则空气受到的压力越大，通过半透膜203的速度就越快，直至在流出箱体201时全部通过半透膜203。而在流经流道过程中，液体将空气中的粉尘溶解，以及灭杀细菌和过敏源，并随液体的排出而排出，保证半透膜203的通过效率。
催化板可采用的现有的光催化板，将其设置为三维蜂窝结构是为了增加光照面积，以及光催化反应的面积，灯柱212可采用紫外灯，当紫外光照射在三维蜂窝催化板211上后，即可对流经的有机有害气体进行分解，产生的水直接流入集水箱213中，而二氧化碳则随空气流走，从而完成对有机有害气体进行分解过滤。优选地，集水箱213的底部可以设置一个排水管，排水管上也可设置一个控制阀，当集水箱213内部蓄积的水达到一个量时，通过控制阀的开启来完成水的排出。
尽管参照前述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，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 (8)

1.一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于，包括：
燃料电池电堆组件(1)；
化学过滤装置(2)，位于所述燃料电池电堆组件(1)的进气端，通过化学方法对进入所述燃料电池电堆组件(1)中的空气进行过滤；
抽风装置(3)，由于在所述燃料电池电堆组件(1)内形成负压，以便外部空气通过所述化学过滤装置(2)进入所述燃料电池电堆组件(1)内，为所述燃料电池电堆组件(1)提供化学反应所需的氧气；
所述化学过滤装置(2)包括：
箱体(201)，位于所述燃料电池电堆组件(1)的进气端，且侧面上的槽口(202)将所述箱体(201)和所述燃料电池电堆组件(1)连通；
半透膜(203)，位于所述槽口(202)上，用于分隔所述箱体(201)和所述燃料电池电堆组件(1)，所述半透膜(203)仅允许气体通过；
隔板(204)，交错设于所述箱体(201)内，将所述箱体(201)内部空间分隔成S形流道；
进液端口(205)，位于所述箱体(201)上，并与所述流道的一端连通；
出液端口(206)，位于所述箱体(201)上，并与所述流道的另一端连通；
进气端口(207)，位于所述箱体(201)上，并与所述流道连通；
所述进液端口(205)位于所述箱体(201)上部一侧，并与所述流道上端连通；
所述出液端口(206)位于所述箱体(201)下部一侧，并与所述流道下端连通；
所述进气端口(207)位于所述箱体(201)顶面，且靠近所述进液端口(205)处。
2.根据权利要求1所述的一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于：
所述隔板(204)的一端与所述箱体(201)固定，另一端与所述箱体(201)构内壁之间构成一个通道，所述通道上设有格栅网(208)。
3.根据权利要求1所述的一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于：
所述进液端口(205)、所述出液端口(206)和所述进气端口(207)上均设有第一控制阀(209)。
4.根据权利要求3所述的一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于：
所述进液端口(205)的端口处设有仅能液体通过的防护膜(210)。
5.根据权利要求1所述的一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于：
所述化学过滤装置(2)包括：
三维蜂窝催化板(211)，位于所述半透膜(203)与所述燃料电池电堆组件(1)之间，用于分解空气中的有机有害气体；
灯柱(212)，均匀分布于所述三维蜂窝催化板(211)内，用于配合所述三维蜂窝催化板(211)分解有机有害气体；
集水箱(213)，位于所述燃料电池电堆组件(1)底部，与所述灯柱(212)的排料端对应。
6.根据权利要求1所述的一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于：
所述燃料电池电堆组件(1)包括：
燃料电池电堆(101)；
外部框体(102)，用于保护和安装所述燃料电池电堆(101)，一侧壁内设有与燃料电池电堆(101)连通的分流腔(103)；
氢气供气管(104)，与所述分流腔(103)连通。
7.根据权利要求6所述的一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于：
所述燃料电池电堆(101)横置或竖置在所述外部框体(102)内。
8.根据权利要求7所述的一种应用于燃料电池电堆的化学过滤装置，其特征在于：
所述抽风装置(3)包括：
导风板(301)，位于所述燃料电池电堆(101)的出风端，且位于所述外部框体(102)的内部，其上均匀设有与所述燃料电池电堆(101)位置对应的导风槽(302)；
负压出风管(303)，位于所述外部框体(102)的端部，且与所述导风板(301)位置对应，所述负压出风管(303)与所述外部框体(102)内部连通。
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