CN1159790C - 一种含有余气自循环装置的燃料电池发电系统 - Google Patents

一种含有余气自循环装置的燃料电池发电系统 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池发电系统，其中包括至少一个燃料电池堆、一套燃料气和氧化剂气供气、排气系统。发电过程中，未参加反应的余气通过一种结构简单的自吸循环装置，可不消耗额外能量，而将余气从低压排气管路返回到高压供气管路中循环利用。此种发电系统克服了余气排放到周围空间而造成的浪费和不安全，提高了利用率，降低了发电系统运行成本，是一种节能、高效的燃料电池发电系统。

Description

一种含有余气自循环装置的燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池发电系统。更确切地说，是涉及一种含有余气自循环装置的燃料电池发电系统。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的电化学发电装置。燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池，除了在发电时无污染、噪音低外，还具有无腐蚀、启动快、制备容易、维修简单、功率密度大、发电效率高、使用寿命长等许多优点，因此在航天、航空、军事、潜艇、交通工具、发电设备等各个领域有着广阔的应用前景。
燃料电池发电时，需要一定压力和流量的燃料气和氧化剂气体进行电化学反应。为了保证燃料电池发电所需的必要条件，在实际应用时，需要将燃料电池堆和一些辅助设备共同组成燃料电池发电系统，辅助设备主要包括燃料供应系统、氧化剂供应系统、电堆冷却系统、气体加湿系统、控制系统、余气循环装置等。本发明就是一种可将燃料余气自动循环的燃料电池发电系统。
通常情况下，燃料电池发电系统工作时，作为燃料的氢气、甲醇、天然气、汽油、柴油等重整氢气与作为氧化剂的氧气(或空气)，分别通过供气管路进入燃料电池堆，在燃料电池堆里发生电化学反应，并产生电能，一些未反应完的燃料、氧化剂余气则通过排气管路排出电堆，经气水分离后，余气排入周围大气(排空)。显然，这部分余气能源白白浪费了，这种方式的发电系统在实验室里经常被采用。
然而，在实际应用时，从安全和运行费用上考虑，一般要把余气回收再利用。通常的作法是在余气排空的管路上安装一个增压泵，由增压泵把余气压力提高到供气管路中的压力，使余气得以循环使用。这种余气循环系统的特点是使用了增压泵，这无疑增加了发电系统额外的能源消耗(增压泵的动力)，从经济上是不合算的。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种不增加额外的能量消耗，就可将余气自动从低压排气管路返回到高压供气管路中加以利用的装置，以达到节能、安全的目的，同时也提高了燃料电池发电系统的效率。
为达到以上目的本发明提供了一种含有余气自循环装置的燃料电池发电系统，其包括至少一个燃料电池堆，一个燃料气供气系统，一个氧化剂气供气系统，一个燃料气排气系统，一个氧化剂气排气系统，在供气与排气系统间至少有一个余气自循环装置，其特征在于余气自循环装置的进气口、出气口连接于燃料气供气管路上，余气自循环装置的余气进气口连接于余气排气管上，且余气自循环装置的进气口和出气口之间的供气通道有一段的通道截面积设置为小于供气管路的通道截面积，从而得到供气管路内的气压P1＞余气排气管路内的气压P2＞余气循环装置中所述段内的气压P3，余气进气口连通在所述段上，在该处形成空吸作用，从而可不消耗额外能源而将燃料电池堆余气排气管中的余气自动“吸回”供气管路循环利用。
附图说明
图1是含有余气自循环装置的燃料电池发电系统示意图。
图2是余气自循环装置的结构示意图。
具体实施方式
下面概述说明本发明的工作过程。
图1中，来自高压容器2、7的氢气和氧气，通过减压阀3、8和湿化器5、10，以工作压力从供气管路6、11进入燃料电池堆1，燃料和氧化剂在催化剂作用下，发生电化学反应发出电并生成水，电能在外电路的可变负载12得到应用，生成水则随余气经排气管路13、22排出燃料电池堆1，余气(主要指氢气)经排气管进入余气自循环装置17中，余气中的水分被分离并通过排水口20自动排出，而余气则被自循环装置17“吸入”供气管路4循环使用。为了保证电堆1具有最佳的工作温度，在发电系统中还设有散热器26、储水罐27和循环水泵28。
下面结合附图2详细介绍本发明的原理及实施例：
本发明中的余气自循环装置17具有三项功能：一是将未反应的余气自动“吸回”供气管路；二是将余气中的生成水、冷凝水分离并自动排出；三是控制电堆1向外排出余气的流量。
1)余气自循环：
容器2为高压氢气源，气压可达15～20MPa，经减压阀3后，进入供气管路4，供气管路4内的氢气压力为燃料电池堆1所要求的工作压力，一般为0.1～0.5MPa。燃料气(氢气)在燃料电池堆里与来自供气管道11内的氧气发生电化学反应后，绝大部分被消耗，剩余的未反应燃料气量很少，排出燃料电池堆1时其气压已低于供气管路4中的压力(主要由于沿程阻力损失)。若假设供气管路4内气压为P1，电堆1排气管路13内的余气压为P2，则P1＞P2。也就是说，这时排气管路13中的低压余气不可能直接返回到相对高压的供气管路4中去。
当在排气管路13与供气管路4之间增加一个本发明中的关键设备-余气自循环装置17后，情况就发生了变化。余气经排气管13和单向阀15，通过余气进气  16进入余气自循环装置17。余气自循环装置17是一个与外界有4个管口联通的腔体，燃料气进气口18、燃料气出气口19、余气进气口16和排水口20。装置17的燃料气进气口18和燃料气出气口19联接在供气管路4上，这样一来，从燃料气源2供应电堆1的燃料气，都要通过装置17上的通道172。燃料气进气口18和燃料气出气口19的通径与供气管路4是相同的，而通道172通径却很细，这样，供气管路4内流动的燃料气，在流过通道172时，流速将增大。根据流体力学的基本原理，通道172内的气压(压强)，将低于供气管路4内的气压。假设通道172内的气压为P3，则P1＞P3。只要设计足够细的通道172，就可使通道172内的气压P3，低于排气管路中的余气压力P2，即P1＞P2＞P3。由于排气管路13与装置17上的余气进气口16、管路171、175都是连通的，气压都是P2，这样，管路175内的气压就高于通道172内的气压，管路175内的气体(燃料余气)就会自动“压入”通道172内，随供气管路4内的燃料气再次进入燃料电池堆1。这就完成了余气自循环过程。
2)气水分离并自动排出：
本发明的发电系统在工作中，从燃料电池堆1排出的余气，也把电化学反应中的生成水带出，余气自身也含有一定水分，并具有一定温度(约80℃)。当余气进入余气自循环装置17后，生成水和由于温度下降，余气中的冷凝水，都流入余气自循环装置17腔体。余气自循环装置17腔内有一个浮子177，当余气中的生成水和冷凝水经小孔176落入下腔体并集聚到一定水位时，由于浮力作用，浮子177将上浮，针阀178开启，余气自循环装置17腔内集聚的水就通过排水口20排出。这就完成了气水分离并自动排出过程。为了防止外部空气进入余气自循环装置17腔内，在排水管路上有单向阀21。
3)余气流量控制：燃料电池堆1在工作时，为了保持电堆内燃料气、氧化剂气体的压力、反应时间和浓度要求，需要控制余气的排放流量。通常情况下，余气流量控制阀设在余气管路13与余气自循环装置17的余气进气口16之间，把余气流量控制阀装在余气自循环装置17上，减少了设备现场连接的困难，减少了工作准备程序。调整手柄173，使针杆174与通道175的间隙改变，即可调整电堆排出余气的流量，也就是调整余气自循环装置17中流入供气系统的余气的流量。
在含有余气自循环装置的燃料电池发电系统中，由于“空吸作用”而实现了不消耗额外能源而使燃料气最大限度的得到利用。但在很长时间不间断发电过程中，循环的燃料气由于累积作用，而使气体纯度下降，进而使发电效率下降。为此本发明的发电系统中在余气排气管路13上装有一个放空阀14，可以定时或不定时地把排气管路的气体放空一段时间，以保持管内循环气体的纯度。
以上描述了本发明的一个优选实施例，其中气水分离自动排出部分以及余气流量控制装置也可以与余气自循环装置分离，设置在燃料电池堆(1)的余气排出管(13)与余气自循环装置(17)的余气进气口(16)之间。这种余气自循环装置可用于燃料气，也可以用于氧化剂气体。
上述的实施例仅是解释性、示例性的，而非限定性的。在不脱离本发明的精神的情况下，本领域内的熟练技术人员能够作出修改。在本发明的范围之内会有多种变形和修改。所以，保护范围不由上述描述所限制，而仅受权利要求书的限制，权利要求书的范围概括了所要求保护的主题的全部等效内容。

Claims (5)

1.一种含有余气自循环装置的燃料电池发电系统，其包括至少一个燃料电池堆(1)，一个燃料气供气系统，一个氧化剂气供气系统，一个燃料气排气系统，一个氧化剂气排气系统，在供气与排气系统间至少有一个余气自循环装置(17)，其特征在于余气自循环装置(17)的进气口(18)、出气口(19)连接于燃料气供气管路(4)上，余气自循环装置(17)的余气进气口(16)连接于余气排气管(13)上，且余气自循环装置(17)的进气口(18)和出气口(19)之间的供气通道有一段(172)的通道截面积设置为小于供气管路(4)的通道截面积，从而得到供气管路(4)内的气压P1＞余气排气管路(13)内的气压P2＞余气循环装置(17)中所述段(172)内的气压P3，余气进气口(16)连通在所述段(172)上，在该处形成空吸作用，从而可不消耗额外能源而将燃料电池堆(1)余气排气管(13)中的余气自动“吸回”供气管路(4)循环利用。
2.如权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于余气自循环装置包含气水分离自动排水部分。
3.如权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于气水分离自动排水部分联接于燃料电池堆(1)的余气排出管(13)与余气自循环装置(17)的余气进气口(16)之间。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池发电系统，其特征在于余气自循环装置包含余气流量控制装置。
5.如权利要求4所述的燃料电池发电系统，其特征在于余气流量控制装置联接于燃料电池堆(1)的余气排出管(13)与余气自循环装置(17)的余气进气口(16)之间。
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