CN207690925U - 一种质子交换膜燃料电池的氢气循环系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，属于燃料电池技术领域。它解决了现有的技术对反应产生的热量以及氢气和水分离后气体的湿度等情况仍没有解决的问题。本质子交换膜燃料电池的氢气循环系统包括储氢罐、燃料电池堆和气液分离器，燃料电池堆的进口与储氢罐的出口联接，燃料电池堆的出口与气液分离器的进口连接，气液分离器的出口与储氢罐的进口之间还依次联接有氢气循环泵和氢气压缩机，氢气循环系统还包括热量交换器和干燥器，热量交换器联接在燃料电池堆的出口和气液分离器的进口之间，干燥器联接在气液分离器的出口与氢气循环泵的进口之间。本氢气循环系统能够提高氢气的再利用率。

Description

一种质子交换膜燃料电池的氢气循环系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池的氢气循环系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可用于移动式、固定式和便携式应用的前景光明的清洁发电设备。其基本结构主要包括四部分，分别为阳极、阴极、电解质和外部电路。通常阳极为氢电极，阴极为氧电极。阳极和阴极上都需要含有一定量的电催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两电极之间是电解质质子交换膜。由于燃料电池模块化、功率范围广和燃料多样化等特点，能被应用于多种场合：小至代步车电源、移动充电装置，大至兆瓦级发电站。PEMFC电池温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池。

质子交换膜燃料电池工作时直接将燃料气的化学能转化为电能，其产物为水对环境无污染。燃料电池的尾气主要是来自于电池阳极侧剩余的氢气，与此同时也含有一部分水。目前尾气处理方法是在阳极侧设置电磁阀对阳极侧氢气进行不间断排放，其中的水分采用阳极侧过量燃料氢气携带出。这种方式不仅造成燃料气的资源浪费，提高电池制造成本，也带来环境的污染，严重时会造成爆炸安全隐患。

针对上述存在的问题，现有中国专利文献提供了一种燃料电池无动力消耗氢气循环方法与装置【申请号：CN200510101323.0】。该方法是储氢罐中的高压氢气进入氢气循环压缩泵驱动端，并带动氢气循环压缩泵的活塞运动，高压氢气在推动活塞运动一定的位置后，进入缓冲罐，随后进入燃料电池堆，经燃料电池堆反应后的过量氢气和反应生成的水同时进入水氢分离器，再进入氢气循环压缩泵的压缩端，经氢气循环压缩泵增压，增压后的氢气再进入缓冲罐，并与来自氢气循环压缩泵驱动端排放的氢气进行混合。该装置包括储氢罐、氢气循环压缩泵、缓冲罐、燃料电池堆、水氢分离器。该发明虽然能够循环利用氢气，但是该发明对反应产生的热量以及氢气和水分离后气体的湿度等情况仍没有解决，影响氢气再利用的利用率以及氢气再利用的安全性。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，该质子交换膜燃料电池的氢气循环系统所要解决的技术问题是：如何提高氢气的再利用率。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，包括储氢罐、燃料电池堆和气液分离器，所述燃料电池堆的进口与储氢罐的出口联接，所述燃料电池堆的出口与气液分离器的进口连接，所述气液分离器的出口与储氢罐的进口之间还依次联接有氢气循环泵和氢气压缩机，所述氢气循环系统还包括热量交换器和干燥器，所述热量交换器联接在燃料电池堆出口和气液分离器的进口之间，所述干燥器联接在气液分离器的出口与氢气循环泵的进口之间。

本质子交换膜燃料电池的氢气循环系统的工作原理为：在使用时，储氢罐中的氢气由储氢罐出口进入到燃料电池堆的进口，燃料电池堆反应后，过量的氢气和反应生成的水进入到热量交换器内，对其进行降温，降温后的氢气和水进入到气液分离器内实现两者的分离，分离后的氢气进入干燥器内实现对氢气的干燥处理，避免水氢分离后的氢气仍带有湿气，影响循环再利用的情况，经过干燥器后的氢气在氢气循环泵的作用下进入到氢气压缩机内，经过氢气压缩机压缩后重新回到储氢罐，实现对氢气的循环利用。在本氢气循环系统中通过热量交换器的使用能够避免热量过多对水氢分离过程的影响，提高气液分离器对水和氢气分离的效果，提高氢气的再利用率，通过干燥器进行干燥处理，能够提高回收氢气的湿气控制，提高氢气的回收率和再利用率。

在上述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统中，所述热量交换器包括换热管道，所述换热管道设置为梨型管道。换热管道设置为梨型管道，能够提高气体热量的转换率。

在上述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统中，所述气液分离器包括水氢分离层和排水阀。增加水氢分离层能够提高水和氢气分离的效果，提高氢气的再利用率；排水阀能够将气液分离器中所积累的水进行排除。

在上述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统中，所述干燥器包括若干个干燥层，各干燥层均匀排布。均匀排布的干燥层能够形成均匀的气体干燥通路，提高对氢气干燥的效果，提高氢气的再利用率。

在上述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统中，所述储氢罐的出口联接有氢气出气阀，所述燃料电池堆的出口联接有电堆氢气出口阀。氢气出气阀的设置，能够在氢气循环再利用时，使储氢罐内的氢气和再循环的氢气充分混合后再输送给燃料电池堆；电堆氢气出口阀的设置，能够使氢气在燃料电池堆中充分运行一段时间，提高氢气的利用率。

在上述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统中，所述氢气出气阀为电磁阀，所述电堆氢气出口阀为电磁阀。

在上述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统中，所述氢气压缩机的出口和储氢罐的进口之间还联接有氢气回收阀。设置氢气回收阀，能够在储氢罐向燃料电池堆通入氢气时，避免再循环的氢气进入到储氢罐中，影响进入燃料电池堆中氢气的质量，提高电堆的能量利用率。

在上述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统中，所述氢气回收阀为电磁阀。

与现有技术相比，本质子交换膜燃料电池的氢气循环系统具有以下优点：

1、本实用新型在气液分离器前增加热量交换器，能够将经过燃料电池堆反应后排出的过量氢气和反应生成的水所带的热量进行降温，避免热量过多对水氢分离过程造成影响，有利于提高水氢分离的效果，提高氢气的再利用率。

2、本实用新型在气液分离器后增加干燥器，能够实现回收氢气的湿度控制，提高氢气再利用的质量，进而提高氢气的再利用率。

3、本实用新型能够回收未完全反应的阳极侧氢气，提高氢气的利用率，同时减少危险气体的排放。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中，1、燃料电池堆；2、储氢罐；3、氢气压缩机；4、氢气循环泵；5、气液分离器；51、水氢分离层；52、排水阀；6、热量交换器；61、换热管道；7、干燥器；71、干燥层；8、氢气出气阀；9、电堆氢气出口阀；10、氢气回收阀。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1所示，本质子交换膜燃料电池的氢气循环系统包括储氢罐2、燃料电池堆1、气液分离器5、热量交换器6和干燥器7，燃料电池堆1的进口与储氢罐2的出口联接，燃料电池堆1的出口与气液分离器5的进口连接，气液分离器5的出口与储氢罐2的进口之间还依次联接有氢气循环泵4和氢气压缩机3，热量交换器6联接在燃料电池堆1出口和气液分离器5的进口之间，干燥器7联接在气液分离器5的出口与氢气循环泵4的进口之间。

其中，储氢罐2的出口联接有氢气出气阀8，燃料电池堆1的出口联接有电堆氢气出口阀9。作为优选方案，氢气出气阀8为电磁阀，电堆氢气出口阀9为电磁阀。氢气出气阀8的设置，能够在氢气循环再利用时，使储氢罐2内的氢气和再循环的氢气充分混合后再输送给燃料电池堆1；电堆氢气出口阀9的设置，能够使氢气在燃料电池堆1中充分运行一段时间，提高氢气的利用率。

氢气压缩机3的出口和储氢罐2的进口之间还联接有氢气回收阀10。作为优选方案，氢气回收阀10为电磁阀。设置氢气回收阀10，能够在储氢罐2向燃料电池堆1通入氢气时，避免再循环的氢气进入到储氢罐2中，影响进入燃料电池堆1中氢气的质量，提高电堆的能量利用率。

作为优选方案，热量交换器6包括换热管道61，换热管道61设置为梨型管道。换热管道61设置为梨型管道，能够提高气体热量的转换率。

作为优选方案，气液分离器5包括水氢分离层51和排水阀52。增加水氢分离层51能够提高水和氢气分离的效果，提高氢气的再利用率；排水阀52能够将气液分离器5中所积累的水进行排除。

作为优选方案，干燥器7包括若干个干燥层71，各干燥层71均匀排布。均匀排布的干燥层71能够形成均匀的气体干燥通路，提高对氢气干燥的效果，提高氢气的再利用率。

本质子交换膜燃料电池的氢气循环系统在应用时，打开氢气出气阀8，电堆氢气出口阀9、排水阀52以及氢气回收阀10则均处于关闭状态，储氢罐2中的氢气由储氢罐2出口进入到燃料电池堆1的进口，燃料电池堆1工作一段时间后，打开电堆氢气出口阀9和氢气回收阀10，关闭氢气出气阀8，过量的氢气和反应生成的水进入到热量交换器6内，对其进行降温，降温后的氢气和水进入到气液分离器5内，通过水氢分离层51对两者的进行分离，当燃料电池堆工作一段时间后，气液分离器5中会产生较大压力，此时开启排水阀52将气液分离器5中的水排出；通过气液分离器5对氢气和水进行分离后，氢气进入干燥器7内通过干燥层71实现对氢气的干燥处理，避免水氢分离后的氢气仍带有湿气，影响循环再利用的情况，经过干燥器7后的氢气在氢气循环泵4的作用下进入到氢气压缩机3内，经过氢气压缩机3压缩后重新回到储氢罐2，实现对氢气的循环利用。在本氢气循环系统中通过热量交换器6的使用能够避免热量过多对水氢分离过程的影响，提高气液分离器5对水和氢气分离的效果，提高氢气的再利用率，通过干燥器7进行干燥处理，能够提高回收氢气的湿气控制，提高氢气的回收率和再利用率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，包括储氢罐(2)、燃料电池堆(1)和气液分离器(5)，所述燃料电池堆(1)的进口与储氢罐(2)的出口联接，所述燃料电池堆(1)的出口与气液分离器(5)的进口连接，所述气液分离器(5)的出口与储氢罐(2)的进口之间还依次联接有氢气循环泵(4)和氢气压缩机(3)，其特征在于，所述氢气循环系统还包括热量交换器(6)和干燥器(7)，所述热量交换器(6)联接在燃料电池堆(1)出口和气液分离器(5)的进口之间，所述干燥器(7)联接在气液分离器(5)的出口与氢气循环泵(4)的进口之间。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其特征在于，所述热量交换器(6)包括换热管道(61)，所述换热管道(61)设置为梨型管道。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其特征在于，所述气液分离器(5)包括水氢分离层(51)和排水阀(52)。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其特征在于，所述干燥器(7)包括若干个干燥层(71)，各干燥层(71)均匀排布。

5.根据权利要求1至4任一项所述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其特征在于，所述储氢罐(2)的出口联接有氢气出气阀(8)，所述燃料电池堆(1)的出口联接有电堆氢气出口阀(9)。

6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其特征在于，所述氢气出气阀(8)为电磁阀，所述电堆氢气出口阀(9)为电磁阀。

7.根据权利要求1至4任一项所述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其特征在于，所述氢气压缩机(3)的出口和储氢罐(2)的进口之间还联接有氢气回收阀(10)。

8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其特征在于，所述氢气回收阀(10)为电磁阀。