CN1280936C - 带有空气部分循环的质子交换膜燃料电池系统 - Google Patents

带有空气部分循环的质子交换膜燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

一种带有空气部分循环的质子交换膜燃料电池系统，设有氢气回路、空气回路和冷却水回路。本发明的重点为空气循环回路。该空气循环回路的主要流程为：空气由空压机进入燃料电池的阴极，经过电化学反应后，由分水器进行气水分离；分离出的空气一部分通过循环泵返回到电池阴极的入口参加空气回路的循环，一部分空气排放至大气中。空气回路的空气循环比为0.015-0.065。气水分离出的水返回到燃料电池冷却腔的入口处，参加水路的循环。

Description

带有空气部分循环的质子交换膜燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池系统，该系统采用空气部分循环的方法，采用此种方法，可以达到电池阴极增湿的目的，从而取代常规的增湿器，使系统得以简化；另外，采用空气循环的方法，也可以增大电池阴极侧空气的流速，使流场内气体的线速度增加，有利于生成水的排出；采用空气部分循环的方法，可以在一定程度上提高空气的利用率，减少空压机的负荷。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。它不受卡诺循环的限制，可以高效地将化学能转化为电能。至今人们已开发出碱性、磷酸型、熔融碳酸盐型、高温固体电解质型和质子交换膜型等五种类型的燃料电池。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)有着广阔的应用前景，它能低温启动，结构简单、操作方便；已被公认为电动汽车、区域性电站、移动式电源、潜艇、航天器等的首选能源。
PEM燃料电池是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质、氢或净化重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂的燃料电池，电池工作时在催化剂的作用下，阳极反应为：
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经电解质膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水：
生成的水大部分以液态形式存在，通常通过电极随反应尾气排水。
燃料电池发电装置除了由燃料电池模块组成外，还包括与之相匹配的系统，如燃料与氧化剂的供给系统、水热管理系统、控制系统等。燃料与氧化剂供给系统是用来提供燃料电池发电所需要的化学反应物；水热管理系统是用来管理电池生成的水与热及电池的增湿；控制系统是通过一些阀件及传感器件实现对电池工作状态进行控制或监控。合理的系统设计，可以改善电池的电输出性能，可以使系统尽可能简化，从而减少系统寄生负荷，提高燃料电池的发电系统效率。
文献1(Jefferson YS Yang，″Anode stream recirculation system for a fuelcell″，[P].US：2002/0150801，2002.)；文献2(Naoto Kashiwagi，″Fuel CellPower Plant″，[P]US：2002/0136942，2002)；文献3(Robert D.Merritt，Brian N.Gorbell，″Electrochemical Fuel Cell System with a Regulated Vacuum Electorfor Recirculation of the Fluid Fuel Stream″，[P]US：5441821)采用了阳极气体燃料(通常为氢气或重整气)循环的方法，可以实现提高燃料的利用率及在燃料气进入电池之前的增湿目的。
图1为文献1的流程安排，阳极燃料气(如氢气)从氢罐1进入燃料电池的阳极，经反应后的尾气，经过分水罐5分水后返回氢气的入口，这样的一个氢循环回路6的形成，是依靠氢气喷射泵3实现的。氧气从氧罐7进入电池的阴极，经过反应后的尾气经过分水罐9排放到大气中，分出的水进入水箱10，参加水回路11循环。
文献2采用与文献1类似的思想，但采用两个氢气循环回路5C和5D，如图2所示。这是考虑一定型号的喷射泵只能在一定的氢气流速范围内有效，对于低负荷即燃料电池低功率发电时，入口氢气流量较低，喷射泵在此范围内起不到氢气回流作用，因此，文献2把氢气回流分成两个支路5C、5D，回路5D是靠喷射泵6实现氢气回流，而在电池小负荷放电时，依靠回流泵11经过回路5C回流。在该发明中氧气或空气尾气是直接排放到大气中的。
文献3提出另外一种氢气循环方法，如图3所示，从氢罐1而来的氢气经过稳压阀3进入电池4，当传感器6测得的压力大于一个给定值P1时，关闭电磁阀2，此时，没有新鲜气体进入电池，氢气尾气经过止逆阀5，增湿器7和止逆阀8返回电池4，形成自循环；当传感器检测到氢气尾气的压力低于另一给定值P2时，电磁阀2打开，新鲜气重新进入电池，重复上述过程。这里入口的氢气不是一个等压过程。
文献4(Hiroshi Shimanuki，Yoshio Kusano，Toshiktsu Katagiri，MotohiroSuzuki，″Fuel Cell System″，[P]US2002/0119356)中阴极侧需要设置增湿器进行增湿。
上述几篇文献均是涉及阳极氢气的循环方法，对于阴极空气或氧气侧均采用尾气直接排放的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有空气部分循环的质子交换膜燃料电池系统。
本发明提供的质子交换膜燃料电池系统，设有氢气回路、空气回路和冷却水回路，该空气循环回路是由一空压机和一循环泵通过燃料电池的阴极连接组成。
本发明提供上述系统其流程为：空气由空压机进入燃料电池的阴极，经过电化学反应后，进行气水分离。分离出的空气一部分返回到电池阴极参加空气回路的循环，一部分排放到大气中。分离出的水返回到燃料电池冷却腔的入口处，参加水路的循环。
在本发明中，规定了空气循环比的范围。这里给定循环比的定义为：循环气量与总尾排气量之比。这里推荐最佳的空气循环比范围推荐为：0.015-0.065。
本发明空气部分循环的作用是：
1)给燃料电池入口空气增湿，避免系统另设空气增湿器；
如前所述，质子交换膜燃料电池工作时，阳极反应是氢的氧化反应，生成的氢离子是通过质子交换膜(现在通常采用杜邦公司的Nafion全氟磺酸膜)传递到阴极的，从而与阴极中的氧气还原反应生成水，质子交换膜是一种固体电解质，只有在水的润湿状态下，才能传导质子，因此，为了保证电池的良好电输出性能，在反应气的入口处，通常要对干气进行增湿，通常采用的方法是设置增湿器(如文献4)，使干气在进入电池前先经过增湿，带入一部分水分，保证反应的顺利进行。采用本发明的部分空气循环的办法，可以起到入口气增湿的目的。这是因为，随着电池内电化学反应的进行，阴极会不断地生成水，这些水除了一部分渗透、迁移到阳极外，大部分会在聚集在阴极并随着阴极的空气或氧气尾气排出，本发明正是利用尾气的部分循环，使一部分生成水变为增湿水，因而可以不必另增湿器，使系统得到简化。
2)增大阴极气体的流速，增加对燃料电池内生成水的吹扫；
水是质子交换膜燃料电池主要产物之一，燃料电池的生成水需要及时排出，防止水在电极上的积累即电极的水淹现象的发生。如果电极发生水淹，会增加反应气向催化界面扩散的阻力，影响电池内电化学反应的进行，将直接引起电池性能的衰减。一般燃料电池生成水的排出是通过气体的吹扫夹带完成的，因此就需要反应气体在流场内具有一定的线速度。通过空气部分循环，可以在原有的基础上提高空气在流场内流动的速度，提高对电池生成水的吹扫能力，保证电池运行的稳定性。
3)提高反应阴极气体的利用率，减少系统的寄生负荷，提高燃料电池效率；
燃料电池反应气体的利用率通常被定义为在一定功率下，参加电池化学反应气体消耗的气量与实际供给气量之比。提高气体的利用率，可以提高燃料电池的效率。采用空气或氧气部分循环的方法，可以相应地提高气体的利用率，在本发明中，空气利用率可以提高到60％以上，减少了系统寄生负荷，如在同样的功率下，空压机的功率消耗可以降低10％左右，从而提高了燃料电池的净输出功率。
本发明的关于空气部分循环方法，目前还未见有公开报道。
附图说明
图1、图2、图3分别为文献1、2、3的氢气回流系统示意图。
图4为本发明的空气部分循环系统流程示意图。
具体实施方式
实施例1
如图4所示，为本发明的带有空气部分循环的燃料电池系统流程示意图，由燃料电池模块2、空气回路A与冷却水循环回路W组成，其中空气循环回路是本发明的重点(因为本发明不涉及阳极氢气回路，这里予以忽略)。
从空压机1而来的空气进入燃料电池2的阴极，经过电化学反应后，进入分水器3进行气水分离，分水后的空气一部分经过阀7排放到大气中，另一部分经过循环泵4，返回到燃料电池4阴极的入口参加空气回路A的循环。从分水器分出的水依靠压力进入水箱5，经过水泵6打到燃料电池2冷却腔的入口处，参加水路W的循环。
按上述发明构思，设计了如图4所示的质子交换膜燃料电池系统，燃料电池的额定功率为20kW，阳极采用高压氢气瓶提供氢气，阴极采用空气压缩机提供空气。氢气经过减压器与稳压器进入电池，入口压力为0.2MPa；空气的入口压力为0.21MPa。在额定输出功率下，空气的流量为80Nm3/h，利用循环泵使部分空气循环，循环比分别为0.02和0.05，其电池性能与传统的没有空气循环的性能比较如表1所示。在功率输出相同时，空压机的内耗可分别减少12.8％和18.0％。
        表1采用空气部分循环电池性能比较
  循环比   额定功率   峰值功率   空气利用率
  0   20kW   21.1kW   40％
  0.02   20kW   23.8kW   50％
  0.05   20kW   24.9kW   65％
发明的效果：
1、采用本发明技术，质子交换膜燃料电池空气侧可以不设增湿器，简化了系统；
2、采用本发明技术，可以在同样的供气量的情况下，使燃料电池的电输出性能有明显提高；
3、采用本发明技术，在同样电输出的情况下，可以使空压机的内耗减少，提高了燃料电池系统效率；
4、本发明的系统流程简洁，易于实现。

Claims (4)

1、一种带有空气部分循环的质子交换膜燃料电池系统，设有氢气回路、空气循环回路和冷却水回路，该空气回路由一空压机和一循环泵通过燃料电池的阴极连接组成；
该空气循环回路的主要流程为：空气由空压机进入燃料电池的阴极，经过电化学反应后，进行气水分离；分离出的空气一部分通过循环泵返回到电池阴极的入口参加空气回路的循环，另一部分空气排放至大气中。
2、如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统，其特征在于，所述空气回路的空气循环比为0.015-0.065。
3、如权利要求1所述的质子交换燃料电池系统，其特征在于，所述气水分离出的水返回到燃料电池冷却腔的入口处，参加水路的循环。
4、如权利要求1或3所述的质子交换燃料电池系统，其特征在于，所述气水分离是由分水器进行分离。
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