CN1567635A - 一种适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置，包括储氢罐、氢气调节阀、燃料电池堆、氢气压力计、水氢分离器、管路风机，所述的储氢罐通过氢气调节阀与燃料电池堆的氢气进口连接，所述的压力计设在燃料电池堆的氢气进出口处，所述的水氢分离器的进口与燃料电池堆的氢气出口连接，其出口与管路风机的进口连接，所述的管路风机的出口与燃料电池堆的氢气进口连接，所述的燃料电池堆的氢气进口压力与出口压力差很小。与现有技术相比，本发明具有结构简单、能耗较低、使用安全等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的辅助装置，尤其涉及一种适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢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发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，每块导流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。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流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板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流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。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式和固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池作为运载工具的动力系统，用作发电站时一般以纯氢为燃料，以空气为氧化剂。燃料电池处于运行状态放电时，一般都伴随着大量产物水生成。生成的产物水可以在燃料电池的阴极区出现，也可以在燃料电池的阳极区出现。为了保证燃料电池的正常运行与性能不下降，往往需要用过量的燃料氢气、氧化剂空气将燃料电池内部生成的水带出，即燃料电池必须需要燃料氢气、氧化剂空气在大于1的计量比的状态下进行运行，这样过量的燃料氢气与过量的空气部分会携带燃料电池内部的水直接排放到电池外部。
虽然采用过量的空气携带燃料电池内部生成的水一同直接排放到燃料电池外部，是既安全又可行的；但是采用过量的燃料氢气携带燃料电池阳极区的水一同排放到燃料电池外部是不可行的，因为这样做往往浪费了宝贵的燃料氢气，而且氢气直接往外排放是很危险的。为了既可以将燃料氢气充分利用，又能将燃料电池内部生成的水带出，一般采用一种氢气循环泵，这种氢气循环泵设置在燃料电池氢气排出口与循环回燃料电池氢气入口之间。如图1所示，包括储氢罐1a、氢气调节阀2a、燃料电池堆3a、氢气压力计P1a、P2a、水氢分离器4a、氢气循环压缩泵5a。
目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所设计的燃料电池堆一般在压力下运行。运行空气与氢气的相对压力一般在一个大气压以上；并且，燃料电池堆的设计一般也适合在压力下运行，其主要特点是燃料电池进口空气压力与出口空气压力，以及燃料电池进口氢气压力与出口氢气压力之间的压差ΔP较大，大约在0.2～0.4个大气压之间。
对于目前这种较高压力运行的燃料电池堆，由于进燃料电池堆的流体需要克服燃料电池堆内部的阻力而产生了较大的进、出口流体压力差(ΔP)，使氢气循环泵在应用要求上产生了如下的特点：
(1)氢气循环泵一般是容积式的流体压缩泵，如隔膜式，活塞式，涡旋式的氢气压缩泵，这种泵可以在泵的吸入口与吐出口达到较大的氢气压力差。
(2)这种容积式的流体压缩泵在循环较大流量的氢气时〔如数百升/分钟流量〕需要消耗较大的功率。
(3)这种容积式的流体压缩泵噪声较大，而且不易密封，容易产生氢气泄漏。
另外，一种能将燃料电池堆排出的氢气循环回来的技术是美国专利US Patent5441821(1995年)，该专利技术采用了一种弹射泵的技术，如图2所示。这种弹射泵在高压气体(氢气)快速通过弹射泵的狭窄通道时，可以产生一定的真空吸引，从而把多余的氢气从燃料电池堆排出口吸回来。但采用这种技术有以下缺点：
(1)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堆只能吸回一定流量的返回循环氢气。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。如图2所示，包括储氢罐1b，燃料电池堆3b，水-氢分离器4b，压力计Pb，弹射泵6b，氢气出口7b，水箱8b，泵9b，空气10b，水-气分离器11b。
(2)这种弹射泵只能在高压气体快速流动时才会出现吸回一定流量的返回氢气，所以也只适合于高压运行的燃料电池。
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结构简单、能耗较低的适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置，包括储氢罐、氢气调节阀、燃料电池堆、氢气压力计、水氢分离器、氢气循环输送器，所述的储氢罐通过氢气调节阀与燃料电池堆的氢气进口连接，所述的压力计设在燃料电池堆的氢气进出口处，所述的水氢分离器的进口与燃料电池堆的氢气出口连接，其出口与氢气循环输送器的进口连接，所述的氢气循环输送器的出口与燃料电池堆的氢气进口连接，其特征在于，所述的燃料电池堆的氢气进口压力与出口压力差很小，所述的氢气循环输送器为管路风机。
所述的燃料电池堆的氢气进口压力与出口压力差小于3/14个大气压。
所述的管路风机的叶轮与壳体为独立的一体，无接触磨擦，无泄漏。
所述的叶轮与壳体采用工程塑料、陶瓷或不锈钢材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)利用管路风机来实现氢气循环，利用了其具有运行噪声低、运行压力低的特点。
(2)氢气密封主要在轴承密封，也可以用磁力驱动叶轮，这样，整个风机壳与叶轮就成为独立的一体，氢气密封就安全、简单了。
(3)由于氢气进燃料电池压力与出燃料电池出口压差很小，本身运行压力也低，采用管路风机可以将大流量的氢气循环回来，同时功率消耗又很小。
(4)风机叶轮与壳体无接触磨擦，一般由工程塑料材料、陶瓷材料、不锈钢等制作，价格低廉。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图；
图2为另一现有技术的结构示意图；
图3为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图3所示，一种适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置，包括储氢罐1、氢气调节阀2、燃料电池堆3、氢气压力计P1、P2、水氢分离器4、管路风机5，所述的储氢罐1通过氢气调节阀2与燃料电池堆3的氢气进口连接，所述的压力计P1、P2分别设在燃料电池堆3的氢气进出口处，所述的水氢分离器4的进口与燃料电池堆3的氢气出口连接，其出口与管路风机5的进口连接，所述的管路风机5的出口与燃料电池堆3的氢气进口连接。
本发明在燃料电池堆工程设计上改变氢气、空气导流极板的流场，使氢气、空气在流经导流极板的流场过程中流动阻力很小，大约小于3/14个大气压。保证燃料电池堆在很小的氢气、空气压力下运行，甚至在接近常压下运行。这样，燃料电池堆氢气进口压力与氢气出口压力差就可以非常小(小于3/14个大气压)。在这种情况下的氢气循环利用装置可以使用管路式风机，这种管路式风机不是容积式的流体压缩装置，而是一种靠快速旋转的叶轮来带动氢气等流体快速流动并达到压缩效果的装置。
Claims (4)
1.一种适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置，包括储氢罐、氢气调节阀、燃料电池堆、氢气压力计、水氢分离器、氢气循环输送器，所述的储氢罐通过氢气调节阀与燃料电池堆的氢气进口连接，所述的压力计设在燃料电池堆的氢气进出口处，所述的水氢分离器的进口与燃料电池堆的氢气出口连接，其出口与氢气循环输送器的进口连接，所述的氢气循环输送器的出口与燃料电池堆的氢气进口连接，其特征在于，所述的燃料电池堆的氢气进口压力与出口压力差很小，所述的氢气循环输送器为管路风机。
2.根据权利要求1所述的适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置，其特征在于，所述的燃料电池堆的氢气进口压力与出口压力差小于3/14个大气压。
3.根据权利要求1所述的适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置，其特征在于，所述的管路风机的叶轮与壳体为独立的一体，无接触磨擦，无泄漏。
4.根据权利要求1或3所述的适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置，其特征在于，所述的叶轮与壳体采用工程塑料、陶瓷或不锈钢材料。
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