CN1909276A - 一种质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及质子交换膜燃料电池堆，具体地说是一种质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，所述质子交换膜燃料电池为由二个或二个以上的燃料电池堆组成的燃料电池模块，电气采用堆间串联，空气采用堆间并联，氢气采用堆间串联的方式。本发明解决了阳极增湿和排水问题，提高氢气的利用率和电池的均匀性、稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池堆，具体地说是一种质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)直接把储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，不受卡诺循环限制，可以获得高的能量效率，没有环境污染，因此比常规的内燃机有许多优点。PEMFC设计简单，操作噪音低，经济独立，因此，可以用在缺少电网基础设施的发展中国家作为区域发电站，交通运输工具动力源和通讯设备便携电源。
PEMFC的核心是质子导体的固体聚合物薄膜和其两面上的多孔气体扩散电极，氢气和氧气分别在阳极和阴极发生氧化和还原反应，在向外输出电能的同时，排出产物水和废热。
为了获得良好的性能，必须优化燃料电池内的各个参数，良好的燃料电池必须满足(1)阳极和阴极催化点到电流收集板的良好电子传导；(2)从阳极催化点到阴极催化点的良好质子传导；(3)阳极和阴极通道内的反应气能够顺利到达催化点。(4)液体或气体反应产物能够迅速从催化点离开。
为了获得较高的可以实际应用的电压，通常把多个单电池通过双极板串联在一起，构成电池堆。燃料或氧化剂通过公用管道进入电池堆，尾气也是通过共用通道排出电池堆。这种布局，存在的问题是，气体进入公用通道后，很难保证各个单电池获得相同的气体量。同时，由于操作过程中产生的温度不均匀分布，导致了电极和流道内的液态水不均匀分布。由于液态水的粘度很大，水的不均匀分布导致了电池堆内各个电池之间的气体不均匀分布。一旦某一个电池集水，这个电池的阻力将增大，进气量将减少，气量的减少将进一步减少水的排出，最终导致这节电池处于气体匮乏状态，性能大幅度衰减。反应气匮乏条件会导致电池反极，电池电压为负值，水在电池内发生电解反应，在氢电极产生氧气，在氧电极产生氢气，结果氢气和氧气在同一电极内发生化学反应，放出热量，在膜电极上形成热点烧毁膜电极。为了解决电池堆内气体在各个单电池内的均匀分配问题，研究者通常采用高的气体流率(低的气体利用率)，以及设计流场结构使电池堆具有高的压力降，以防止一个电池或一组电池通过大部分气体，而其它节电池处于气体匮乏状态。
随着PEMFC技术的进步，和为了实际应用，通常采用廉价的空气代替氧气为氧化剂，在PEMFC发电系统内氧气的利用率为50％左右，这样进入电池内的空气大约有90％的未参与反应，而是以尾气的形式排出电池，尾气的排出有足够的流速和流量将液态水带出电池，因此，当采用空气为氧化剂时，只要设计合理，阴极水淹电极的问题是可以避免的。另一方面，为了提高燃料电池的性能，所采用的电解质膜越来越薄，厚度已经达到20～50μm，在这样薄的电解质条件下，阴极水通过反扩散到达阳极的量远大于电迁移从阳极传递到阴极的水量，水的净传递是从阴极传向阳极，这样，阳极的水管理，关键不是防止电解质膜阳极失水，而是在高氢气利用率条件下，如何把阳极累积的液态水排出电池。
针对纯氢/纯氧PEMFC，Perry[文献1.Perry Jr.；John H，Person A et al.Closed loop reactant/product management system for electrochemical galvanicenergy devices [P]，US5316869(1995-5-31)]等采用尾气循环的方式，实现阳极、阴极的排水和增湿，其优点是可以实现气体的闭路循环。但是，如果采用喷射器，不能适合变功率要求，因为喷射器的只能在一定的流量范围有较高的回流比；如果采用循环风机，对于氢气循环，需要较大的功耗、体积和重量。
Strasser[文献2.Strasser；K.Method and apparatus for disposing of waterand/or inert gas from a fuel cell block[P]，USRE36148(1999-03-16).]提出提出把一个电池堆分解成多个部分，在一个部分内各节电池内的气体流动是并联的，各个部分之间气体的流动是串联的，电气则是完全串联的。这样可以降低各个部分的气体利用率，提高流速和尾气排水能力。问题是气体经过多次不同方向的流动，阻力降较大，适合于潜艇等高压氢和高压氧气的PEMFC，不适合低压操作的以空气为氧化剂的PEMFC汽车发动机。
Nguyen[文献3.Nguyen T V.Methodology and apparatus for supplyof reactant fluids to and purging of product and inert fluids fromcells of fuel cell stack[P]，US6503651(2003-1-7).文献4.NguyenT V and Knobbe M W.A Liquid Water Management Strategy for PEM FuelCell Stacks[J].J Power Sources，2003，114(1)：70-79]提出每一节双极板上开有一个排气孔，各个孔交替地排气，这样，把一个电池堆的尾排气体量在某一瞬间从某一节电池内排出，在不降低电池堆气体利用效率的前提下，提高了气体在电极表面的流速和流量，有利于把液态水带出电池。存在的问题是双极板开气孔后厚度增加，如果采用作者提出的转盘的方式，交替排气又过于复杂，很难解决密封等问题。
如燃料电池汽车发动机，为了增大电池系统的灵活性和可维修性，燃料电池模块通常由多个燃料电池堆构成。图1是传统的四个电池堆构成的电池模块的电气、氢气和空气系统的连接方式。电气四个堆采用串联，氢气和空气均采用并联。即氢气和空气分别同时进入四个电池堆。图2类同于图1，所不同的是氢气增加了回流部分，适合高压和恒功率操作。
发明内容
本发明针对由多个燃料电池堆组成的燃料电池模块，提出了一种质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，解决阳极增湿和排水问题，提高氢气的利用率和电池的均匀性、稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，所述质子交换膜燃料电池为由二个或二个以上的燃料电池堆组成的燃料电池模块，电气采用堆间串联，空气采用堆间并联，氢气采用堆间串联的方式。
通常在堆间串联的氢气管路上应设置有分水器；所述燃料电池堆的数量通常为2-6个，最好为4-6个；当燃料电池堆的数量为三个或三个以上时，氢气可采用任意相邻两堆间并联后再与其它电池堆串联的混连(并串联结合)流通方式。所述电池堆是由多个单电池通过双极板串联在一起构成；燃料或氧化剂通过公用管道进入电池堆，尾气通过共用通道排出电池堆。
本发明具有如下优点：
1.燃料电池模块稳定性好，燃料利用率高。本发明通过把燃料电池模块内多个电池堆的氢气在堆与堆之间实现串联，或并串联结合，在不降低燃料电池模块总氢气利用率条件下，降低了各个电池堆的氢气利用率，从而提高了氢气在各个电池堆内的流速，使电池堆内氢气分配均匀，液态水可以有效地排出电池，提高了电池堆的稳定性。或者在保证各个电池堆氢气利用率不大于某个值条件下，可以在保证各个电池堆稳定运行的前提下，大幅度提高燃料电池模块的总的氢气利用率。
2.实现了阳极水平衡，提高了燃料电池系统的可靠性。本发明采用氢气在堆与堆之间实现串联，有利于阳极排水和阳极气体的均匀分配与分布。本发明利用第一个或第一组电池堆的出口饱和氢气给入口总的氢气增湿，即利用阳极水增湿阳极气体，实现了阳极水平衡，不用外加水增湿阳极，有效地简化了系统操作，提高了燃料电池系统的可靠性。
3.对于单一电池堆采用一半氢气U型流动，另一半氢气Z型流动，出口共有管道中间用盲板堵死，氢气在电池堆的两部分之间交替地间歇排放，对于少电池堆的燃料电池模块同样能够获得本发明的效果。
附图说明
图1为传统的四个电池堆构成的电池模块的电气、氢气和空气系统的连接方式之一；
图2为传统的四个电池堆构成的电池模块的电气、氢气和空气系统的连接方式之二；
图3为本发明的四个电池堆为例构成的电池模块的电气、氢气和空气系统的连接方式之一；
图4为本发明的四个电池堆为例构成的电池模块的电气、氢气和空气系统的连接方式之二；
图5为本发明的四个电池堆为例构成的电池模块的电气、氢气和空气系统的连接方式之三；
图6为本发明的二个电池堆为例构成的电池模块的电气、氢气和空气系统的连接方式；
图中：1为氢气减压器，2为膜增湿器，3为燃料电池堆，4为常闭电磁阀，5为分水器，6为增湿器，7为风机，8为回流器，A为氢气，B为空气。
具体实施方式
实施例1
如图3所示，图3是本发明的四个电池堆为例的模块连接方式，电气同样采用四个堆串联；空气B四个堆并联；
氢气四个堆串联，在两个堆之间加一个分水器5，同时，氢气A入口端的第一个电池堆1的出口氢气经过一个膜增湿器2后再进入第二个电池堆，而第一个电池堆的入口氢气也通过上述的膜增湿器后再进入第一个电池堆；即第一个电池堆出口氢气进入一个膜增湿器，给第一个电池堆入口氢气增湿；其余三个电池堆的入口氢气，都分别是另一个电池堆的出口水饱和氢气，不用增湿。这样，就实现了阳极的封闭增湿和排水。
实施例2
如图4所示，本实施例类同于实施例1，所不同的是四个电池堆的氢气采用了分别两并联，再串联的混连连接方式。
实施例3
如图5所示，本实施例类同于实施例1，所不同的是氢气采用前两个电池堆并联，再与后两个电池堆串联的连接方式。
实施例4
如图6所示，本实施例是只有两个电池堆模块的连接方式，其中电气和空气同前，即电气同样采用二个堆串联；空气B二个堆并联；氢气的两个电池堆串联；
氢气在第一个电池堆内串联连接，与第一个电池堆不同之处在于，在后一个电池堆内在排出氢气尾气的共用通道上下两端均开设有尾气排出口，中间用盲板堵死，那么在后一个电池堆内氢气的流动被分成两部分，一部分U型流动，另一部分Z型流动，这样这个电池堆的氢气排放可以实现两部分交替间歇排放，在不改变利用率条件下，增大尾气流量和流速，有利于排水。
表1是四个电池组成模块在相同氢气利用率条件下，各个电池堆的氢气利用率，假定各个电池堆消耗相同的氢气量，其中氢气全部并联是现有技术，其它是本发明技术。
表1各种氢气管路连接方式条件下，电池模块中各个电池堆的氢气利用率
| 利用率(％) | 氢气全 | 氢气全 | 一、二并联，三、四并 | 一、二堆并再与 |
| 部并联 | 部串联 | 联，二者再串联 | 三、四堆串联 | |
| 模块 | 95 | 95 | 95 | 95 |
| 第一个电池堆 | 95 | 21.25 | 47.5 | 47.5 |
| 第二个电池堆 | 95 | 40.0 | 47.5 | 47.5 |
| 第三个电池堆 | 95 | 44.2 | 90.5 | 45.2 |
| 第四个电池堆 | 95 | 80.0 | 90.5 | 82.6 |
另一方面，为了把电池阳极内累积的液态水排出，氢气利用率不能太高，采取的方式一是直接连续排放，另一是间歇排放。采用本发明可以在保证阳极不被水淹的前提下，提高燃料电池模块的氢气利用率。通常为了有效地保证阳极排水和气体在各节电池内的均匀性，电池堆内氢气利用效率不能高于85％。现在以电池堆效率小于等于85％为前提，假定各个电池堆消耗相同的氢气量，计算本发明的燃料电池模块系统效率和传统燃料电池模块系统效率，见表2。
表2在燃料电池堆效率一定条件下，本发明和传统电池模块系统效率的比较
| 利用率(％) | 氢气全部并联 | 氢气全部串联 | 一、二并联，三、四并联，二者再串联 | 一、二堆并再与三、四堆串联 |
| 第一个电池堆 | 85 | 23.9 | 46 | 48 |
| 第二个电池堆 | 85 | 31.3 | 46 | 48 |
| 第三个电池堆 | 85 | 45.8 | 85 | 46 |
| 第四个电池堆 | 85 | 85.0 | 85 | 85.0 |
| 模块系统 | 85 | 95.7 | 92 | 96.0 |
从表2中可以明显看出，同现有技术“氢气全部并联”相比，在维持电池堆氢气利用率不变条件下，采用本发明，可以大幅度提高系统的氢气利用率。
为了排除通过膜从阴极进入阳极的以及阳极增湿带入的水所形成的液态水，同时排除氢气内的杂质，燃料电池堆的氢气利用率不会大于90％。假定燃料电池堆的稳定允许需要氢气利用率为90％，一个燃料电池模块由三个电池堆够成，那么采用传统的氢气三个堆并联连接方式，燃料电池模块的氢气利用率是90％。如果采用本发明的氢气三个堆的氢气串联，则第一个堆氢气利用率为32.1％，第二个堆氢气利用率为52.6％，第三个堆氢气利用率为90％，燃料电池模块为96.4％.提高氢气利用率6.4％.如果燃料电池模块的功率是50kW，每小时消耗氢气约为30标准立方米，传统技术氢气要排放3标准立方米氢气/小时，采用本发明可以节约1.92立方米氢气/小时。
Claims (8)
1.一种质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，所述质子交换膜燃料电池为由二个或二个以上的燃料电池堆组成的燃料电池模块，电气采用堆间串联，空气采用堆间并联，其特征在于：氢气采用堆间串联的方式。
2.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，其特征在于：在堆间串联的氢气管路上设置有分水器。
3.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，其特征在于：氢气入口端的第一个电池堆的出口氢气经过一个膜增湿器后再进入第二个电池堆，而第一个电池堆的入口氢气也通过上述的膜增湿器后再进入第一个电池堆。
4.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，其特征在于：所述燃料电池堆的数量为2-6个。
5.按照权利要求4所述的质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，其特征在于：所述燃料电池堆的数量为4-6个。
6.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，其特征在于：当燃料电池堆的数量为三个或三个以上时，氢气可采用任意相邻两堆间并联后再与其它电池堆串联的混连流通方式。
7.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，其特征在于：所述电池堆是由多个单电池通过双极板串联在一起构成；燃料或氧化剂通过公用管道进入电池堆，尾气通过共用通道排出电池堆。
8.按照权利要求7所述的质子交换膜燃料电池阳极水的管理办法，其特征在于：所述燃料为氢气，在排出氢气尾气的共用通道两端均开设有尾气排出口，尾气共用通道中间设置有盲板。
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