CN1231988C - 燃料电池运行中的去离子系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池运行中的去离子系统，包括燃料电池、流体循环泵、去离子器、节流阀、主辅热交换器，以及连接上述各操作单元的流体管路、在该管路内流动的流体，所述的辅热交换器设在去离子器之前构成去离子管路，所述的流体经主热交换器降温，再经流体循环泵打入节流阀与去离子管路构成的并联管路后进入燃料电池循环使用。与现有技术相比，本发明可减少管路的循环阻力、提高去离子器使用寿命。

Description

燃料电池运行中的去离子系统

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及燃料电池运行中的去离子系统。

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。

目前，在所有质子交换膜燃料电池运行系统中，都装有去离子器，任何与膜电极有直接或间接接触的流体，都应不含任何对膜电极造成潜在危害的离子，包括正离子与负离子。在燃料电池运行过程中，由于各种流体对管路及各种控制阀门的磨损与侵蚀，也会产生额外的对膜电极有危害的离子，所以，装去离子器非常重要。目前燃料电池运行系统中的去离子器均是直接接入流体循环管路中，如图1所示，这种工艺方法存在以下缺陷；

1).去离子器直接纳入循环管道中，增加了管道阻力，从而增加了额外的能耗，如要减少阻力必然增大了去离子器的体积。

2).一般来说循环冷却水温度较高接近80℃，而这样的冷却水直接进入去离子器会使去离子器内部的树脂变性，加速分解失效。

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可减少管路的循环阻力、提高去离子器使用寿命的燃料电池运行中的去离子系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：燃料电池运行中的去离子系统，包括燃料电池、主热交换器、流体循环泵、去离子器以及连接上述各操作单元的流体管路、在该管路内流动的流体，所述的主热交换器设在燃料电池出口端与流体循环泵进口端之间的流体管路上，其特点是，还包括辅热交换器、节流阀，所述的辅热交换器设在去离子器之前构成去离子管路，所述的节流阀与该去离子管路并联后接入流体管路，所述的流体循环泵设在主热交换器出口端与该并联流体管路进口端之间的流体管路上，所述的流体从燃料电池出来后经主热交换器散热降温，再经流体循环泵打入节流阀与去离子管路构成的并联管路，大部分流体经节流阀直接进入燃料电池循环，少部分流体经辅热交换器散热降温后进入去离子器去除离子再进入燃料电池循环。

所述的流体为循环冷却水。

所述的流体从燃料电池出来后经主热交换器散热降温至80℃。

所述的流体经辅热交换器散热降温至40℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1).冷却水只是部分进入去离子器，进入去离子器部分多少，用节流阀来控制，从而减少了管路中冷却水的循环阻力。

2).在去离子器前面加一个外散热器，使冷却水进外散热器之后温度从80℃降至40℃，从而使去离子器内的树脂能延长寿命，高效使用。

3).这种设计能保证内部循环冷却水内的离子浓度一直保持很低，而且颗粒性杂质也很少。

附图说明

图1为现有技术的去离子系统示意图；

图2为本发明的去离子系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明。

实施例

燃料电池运行中的去离子系统，包括燃料电池1、主热交换器2、冷却水循环泵3、辅热交换器4、节流阀5、去离子器6以及连接上述各操作单元的冷却水管路7、在该管路内流动的冷却水(图未示)，所述的主热交换器2设在燃料电池1出口端与冷却水循环泵3进口端之间的冷却水管路上，所述的辅热交换器4设在去离子器6之前构成去离子管路，所述的节流阀5与该去离子管路并联后接入冷却水管路7；所述的冷却水从燃料电池1出来后经主热交换器2散热降温至80℃，再经冷却水循环泵3打入节流阀与去离子管路构成的并联管路，大部分冷却水经节流阀5直接进入燃料电池循环，少部分冷却水经辅热交换器4散热降温至40℃后进入去离子器6去除离子再进入燃料电池循环。按这种工艺方法，冷却水的离子浓度从10μs可以降至1μs。

Claims (3)

1.燃料电池运行中的去离子系统，包括燃料电池、主热交换器、流体循环泵、去离子器以及连接上述各操作单元的流体管路、在该管路内流动的流体，所述的主热交换器设在燃料电池出口端与流体循环泵进口端之间的流体管路上，其特征在于，还包括辅热交换器、节流阀，所述的辅热交换器设在去离子器之前构成去离子管路，所述的节流阀与该去离子管路并联后接入流体管路，所述的流体循环泵设在主热交换器出口端与该并联流体管路进口端之间的流体管路上，所述的流体从燃料电池出来后经主热交换器散热降温，再经流体循环泵打入节流阀与去离子管路构成的并联管路，大部分流体经节流阀直接进入燃料电池循环，少部分流体经辅热交换器散热降温后进入去离子器去除离子再进入燃料电池循环；所述的流体从燃料电池出来后经主热交换器散热降温至80℃。

2.根据权利要求1所述的燃料电池运行中的去离子系统，其特征在于，所述的流体为循环冷却水。

3.根据权利要求1所述的燃料电池运行中的去离子系统，其特征在于，所述的流体经辅热交换器散热降温至40℃。

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