CN1180500C - 一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，包括电池组、氢气瓶、氧化剂瓶以及冷却水循环系统，其特征在于，所述的冷却水循环系统包括一至两台吸水泵、一至两个水箱、一循环水泵，当电池组的冷却水高速通过吸水泵并排入水箱中时，吸水泵的吸气口会将电池组内部的生成水吸出并带进水箱；它克服了现有技术中需要依靠过量氢气和氧化剂将生成水带出的缺陷，从而使氢气和氧化剂得到充分利用。

Description

一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池

技术领域

本发明涉及电化学燃料电池，尤其涉及一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

在阳极区的正氢离子迁移穿过质子交换膜，通常需要携带大量的水分子一起通过，所以膜的两边表面必须保持水分子存在，才能使正氢离子的迁移电导不受影响。因此，燃料与氧化剂气体在进入燃料电池活性区进行反应之前，必须进行湿化，以便保证膜电极中的膜处于水湿化饱和状态。

燃料电池在采用纯氢为燃料，纯氧为氧化剂时，为了将燃料电池内部生成的水带出，并增加燃料电池运行性能，往往需要燃料氢气、氧化剂氧气在大于1的计量比状态下进行运行，而大于计量比1的部分会携带燃料电池内部生成的水直接排放到电池外部，但这样往往浪费了宝贵的燃料氢气与氧化剂氧气。

为了既能将燃料氢气与氧化剂氧气充分利用，又能将燃料电池内部生成的水带出，美国专利US Patent 5441821(1995年)采用了一种叫弹射泵的技术，如图1所示。采用这种技术的原理就是利用一种弹射泵，如图2，这种弹射泵在气体(氢气或氧气)快速通过狭窄通道A时，可以在B入口处产生一定的真空吸引，从而把大于计量比1的多余燃料或氧化剂吸回来。但采用这种技术有以下缺点：弹射泵的加工要求很高，而且每种加工的弹射泵只能在特定的工作条件下工作，缺乏自动变化，例如，在弹射泵前端的气体工作压力不变的情况下，一定的流量进入燃料电池只能吸回一定流量的返回气体，当进入燃料电池的流量变化时或静止流动时，弹射泵就缺乏自我变化功能，尤其在弹射泵前端气体静止流动的情况下，该弹射泵无法吸回气体。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种其电池组的生成水可以被持续地吸出，从而使氢气和氧化剂得到充分利用的燃料电池。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，包括电池组、氢气瓶、氧化剂瓶以及冷却水循环系统，所述的电池组包括氢气进口、氧化剂进口、生成水出口、冷却水进口、冷却水出口，所述的氢气瓶出口处设有氢气减压阀，所述的氧化剂瓶出口处设有氧化剂减压阀，其特点是，所述的冷却水循环系统包括一至两台吸水泵、一至两个水箱、一循环水泵，所述的吸水泵包括内壳、外壳，该内壳与外壳之间构成一夹套，所述的内壳顶部设有进水口，该进水口与电池组的冷却水出口连接，所述的内壳底部设有一节流口，该节流口与夹套相通，所述的外壳底部设有喷水口，该喷水口与水箱相通，所述的外壳侧上部设有吸气口，该吸气口的一端与电池组的生成水出口连接，另一端与夹套相通，当电池组的冷却水高速通过吸水泵并排入水箱中时，吸水泵的吸气口会将电池组内部的生成水吸出并带进水箱，所述的循环水泵设在水箱出口与电池组的冷却水进口之间，该循环水泵为电池组冷却水的循环提供动力。

所述的氧化剂为氧气，所述的一至两台吸水泵是指两台吸水泵，分别为第一吸水泵、第二吸水泵，所述的一至两个水箱是指两个水箱，分别为第一水箱、第二水箱，所述的生成水出口包括第一生成水出口、第二生成水出口，所述的第一吸水泵设在第一水箱内，该第一吸水泵的吸气口与第一生成水出口连接，所述的第二吸水泵设在第二水箱内，该第二吸水泵的吸气口与第二生成水出口连接，所述的第一水箱、第二水箱的出口并联后与循环水泵的入口连接。

所述的氧化剂为氧气，所述的一至两台吸水泵是指两台吸水泵，分别为第一吸水泵、第二吸水泵，所述的一至两个水箱是指两个水箱，分别为第一水箱、第二水箱，所述的生成水出口包括第一生成水出口、第二生成水出口，所述的第一吸水泵的喷水口设在第一水箱内，其余部分设在第一水箱外，该第一吸水泵的吸气口与第一生成水出口连接，所述的第二吸水泵的喷水口设在第二水箱内，其余部分设在第二水箱外，该第二吸水泵的吸气口与第二生成水出口连接，所述的第一水箱、第二水箱的出口并联后与循环水泵的入口连接。

所述的第一水箱、第二水箱可以中间分隔整体加工。

所述的氧化剂为空气，所述的一至两台吸水泵是指一台吸水泵，所述的一至两个水箱是指一个水箱，所述的吸水泵设在水箱内。

所述的氧化剂为空气，所述的一至两台吸水泵是指一台吸水泵，所述的一至两个水箱是指一个水箱，所述的吸水泵的喷水口设在水箱内，其余部分设在水箱外。

所述的水箱上侧部设有氢气或氧化剂回收口，该氢气或氧化剂回收口与电池组的氢气进口或氧化剂进口连接。

所述的吸水泵采用聚四氟乙烯工程塑料或不锈钢材料制作。

本发明由于采用了以上技术方案，因此具有以下特点：

1、不需要弹射泵，氢气与氧化剂均衡同等压力作用于燃料电池。

2、利用吸水泵原理，当循环水泵将冷却水高速打入吸水泵并排入水箱中时，吸水泵的吸气口会将电池组内部的水吸出并带进水箱。

3、只要循环水泵不停地工作，电池组生成的水就会源源不断地被吸出，而氢气、氧化剂不需要排出燃料电池，达到100％利用。

4、当采用空气为氧化剂时也一样，但只需要氢气这一边用吸水泵，而空气可以直接携带水排出燃料电池。

5、这种设计简化与改进了现有燃料电池的整个系统。

6、本发明吸水泵的材料采用工程塑料，如聚四氟乙烯、316不锈钢等材料，从而不会对水造成污染。

附图说明

图1为现有技术中一种改进的燃料电池的结构示意图；

图2为图1中弹射泵的结构示意图；

图3为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图3所示，一种可使氢气和氧气充分利用的燃料电池，包括电池组1、氢气瓶2、氧气瓶3以及冷却水循环系统4；所述的电池组1包括氢气进口11、氧气进口12、第一生成水出口13、第二生成水出口14、冷却水进口15、冷却水出口16，所述的氢气瓶2出口处设有氢气减压阀21，所述的氧气瓶3出口处设有氧气减压阀31；其特点是，所述的冷却水循环系统4包括第一吸水泵41、第二吸水泵42、第一水箱43、第二水箱44、循环水泵45、冷却水46，所述的第一吸水泵41包括内壳411、外壳412，该内壳与外壳之间构成一夹套413，所述的内壳411顶部设有进水口414，该进水口414与电池组1的冷却水出口16连接，所述的内壳411底部设有一节流口415，该节流口415与夹套413相通，所述的外壳412底部设有喷水口416，该喷水口416与第一水箱43相通，所述的外壳412侧上部设有吸气口417，该吸气口417的一端与电池组1的第一生成水出口13连接，另一端与夹套413相通；所述的第二吸水泵42的结构与第一吸水泵41完全相同，该第二吸水泵42的吸气口427与电池组1的第二生成水出口14连接；所述的第一吸水泵41设在第一水箱43内，所述的第二吸水泵42设在第二水箱44内，所述的第一水箱43的底部设有出口431，第二水箱44的底部设有出口441，两个水箱的出口431、441并联后与循环水泵45的入口连接。当电池组1的冷却水46高速通过吸水泵41、42并排入水箱43、44中时，吸水泵41、42的吸气口417、427会将电池组1内部的生成水吸出并带进水箱43、44，所述的循环水泵45设在水箱出口431、441与电池组1的冷却水进口15之间，该循环水泵45为电池组冷却水46的循环提供动力。此外，所述的水箱43、44上侧部分别设有氢气回收口432、氧气回收口442，该氢气或氧气回收口432、442分别与电池组1的氢气进口11、氧气进口12连接；所述的第一水箱43、第二水箱44采用中间分隔整体加工方式制作；所述的吸水泵41、42采用聚四氟乙烯工程塑料或不锈钢材料制作。

实施例2

请参考图3，一种可使燃料氢气充分利用的燃料电池，其氧化剂采用空气。该电池包括电池组1、氢气瓶2、冷却水循环系统4，所述的电池组1包括氢气进口11、空气进口12、生成水出口13、空气出口14、冷却水进口15、冷却水出口16，所述的氢气瓶2出口处设有氢气减压阀21，其特点是，所述的冷却水循环系统4包括一吸水泵41、一水箱43、一循环水泵45以及冷却水46，所述的吸水泵41包括内壳411、外壳412，该内壳411与外壳412之间构成一夹套413，所述的内壳411顶部设有进水口414，该进水口414与电池组1的冷却水出口16连接，所述的内壳411底部设有一节流口415，该节流口415与夹套413相通，所述的外壳412底部设有喷水口416，该喷水口416与水箱43相通，所述的外壳412侧上部设有吸气口417，该吸气口417的一端与电池组1的生成水出口13连接，另一端与夹套413相通，所述的吸水泵41设在水箱43内，当电池组1的冷却水46高速通过吸水泵41并排入水箱43中时，吸水泵41的吸气口417会将电池组1内部的生成水吸出并带进水箱43；由于这种电池采用空气作为氧化剂，因此只需要氢气这一边用吸水泵，而空气可以直接携带生成水从电池组1的空气出口14排出；所述的循环水泵45设在水箱43的出口431与电池组1的冷却水进口15之间，该循环水泵45为电池组冷却水46的循环提供动力。此外，所述的水箱43上侧部设有氢气回收口432，该氢气回收口432与电池组1的氢气进口11连接；所述的吸水泵41采用聚四氟乙烯工程塑料或不锈钢材料制作。

实施例3

请参考图3，一种可使燃料氢气充分利用的燃料电池，其氧化剂采用空气。该电池包括电池组1、氢气瓶2、冷却水循环系统4，所述的电池组1包括氢气进口11、空气进口12、生成水出口13、空气出口14、冷却水进口15、冷却水出口16，所述的氢气瓶2出口处设有氢气减压阀21，其特点是，所述的冷却水循环系统4包括一吸水泵41、一水箱43、一循环水泵45以及冷却水46，所述的吸水泵41包括内壳411、外壳412，该内壳411与外壳412之间构成一夹套413，所述的内壳411顶部设有进水口414，该进水口414与电池组1的冷却水出口16连接，所述的内壳411底部设有一节流口415，该节流口415与夹套413相通，所述的外壳412底部设有喷水口416，该喷水口416与水箱43相通，所述的外壳412侧上部设有吸气口417，该吸气口417的一端与电池组1的生成水出口13连接，另一端与夹套413相通，所述的吸水泵41的喷水口416设在水箱43内，其余部分设在水箱43外；当电池组1的冷却水46高速通过吸水泵41并排入水箱43中时，吸水泵41的吸气口417会将电池组1内部的生成水吸出并带进水箱43；由于这种电池采用空气作为氧化剂，因此只需要氢气这一边用吸水泵，而空气可以直接携带生成水从电池组1的空气出口14排出；所述的循环水泵45设在水箱43的出口431与电池组1的冷却水进口15之间，该循环水泵45为电池组冷却水46的循环提供动力。此外，所述的水箱43上侧部设有氢气回收口432，该氢气回收口432与电池组1的氢气进口11连接；所述的吸水泵41采用聚四氟乙烯工程塑料或不锈钢材料制作。

Claims (8)

1.一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，包括电池组、氢气瓶、氧化剂瓶以及冷却水循环系统，所述的电池组包括氢气进口、氧化剂进口、生成水出口、冷却水进口、冷却水出口，所述的氢气瓶出口处设有氢气减压阀，所述的氧化剂瓶出口处设有氧化剂减压阀，其特征在于，所述的冷却水循环系统包括一至两台吸水泵、一至两个水箱、一循环水泵，所述的吸水泵包括内壳、外壳，该内壳与外壳之间构成一夹套，所述的内壳顶部设有进水口，该进水口与电池组的冷却水出口连接，所述的内壳底部设有一节流口，该节流口与夹套相通，所述的外壳底部设有喷水口，该喷水口与水箱相通，所述的外壳侧上部设有吸气口，该吸气口的一端与电池组的生成水出口连接，另一端与夹套相通，当电池组的冷却水高速通过吸水泵并排入水箱中时，吸水泵的吸气口会将电池组内部的生成水吸出并带进水箱，所述的循环水泵设在水箱出口与电池组的冷却水进口之间，该循环水泵为电池组冷却水的循环提供动力。

2.根据权利要求1所述的一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，其特征在于，所述的氧化剂为氧气，所述的一至两台吸水泵是指两台吸水泵，分别为第一吸水泵、第二吸水泵，所述的一至两个水箱是指两个水箱，分别为第一水箱、第二水箱，所述的生成水出口包括第一生成水出口、第二生成水出口，所述的第一吸水泵设在第一水箱内，该第一吸水泵的吸气口与第一生成水出口连接，所述的第二吸水泵设在第二水箱内，该第二吸水泵的吸气口与第二生成水出口连接，所述的第一水箱、第二水箱的出口并联后与循环水泵的入口连接。

3.根据权利要求1所述的一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，其特征在于，所述的氧化剂为氧气，所述的一至两台吸水泵是指两台吸水泵，分别为第一吸水泵、第二吸水泵，所述的一至两个水箱是指两个水箱，分别为第一水箱、第二水箱，所述的生成水出口包括第一生成水出口、第二生成水出口，所述的第一吸水泵的喷水口设在第一水箱内，其余部分设在第一水箱外，该第一吸水泵的吸气口与第一生成水出口连接，所述的第二吸水泵的喷水口设在第二水箱内，其余部分设在第二水箱外，该第二吸水泵的吸气口与第二生成水出口连接，所述的第一水箱、第二水箱的出口并联后与循环水泵的入口连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，其特征在于，所述的第一水箱、第二水箱可以中间分隔整体加工。

5.根据权利要求1所述的一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，其特征在于，所述的氧化剂为空气，所述的一至两台吸水泵是指一台吸水泵，所述的一至两个水箱是指一个水箱，所述的吸水泵设在水箱内。

6.根据权利要求1所述的一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，其特征在于，所述的氧化剂为空气，所述的一至两台吸水泵是指一台吸水泵，所述的一至两个水箱是指一个水箱，所述的吸水泵的喷水口设在水箱内，其余部分设在水箱外。

7.根据权利要求1所述的一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，其特征在于，所述的水箱上侧部设有氢气或氧化剂回收口，该氢气或氧化剂回收口与电池组的氢气进口或氧化剂进口连接。

8.根据权利要求1所述的一种可使氢气和氧化剂充分利用的燃料电池，其特征在于，所述的吸水泵采用聚四氟乙烯工程塑料或不锈钢材料制作。

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