CN209104279U - 一种氢燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种氢燃料电池，包括燃料电池堆、空气增湿器、氢气增湿器、第一气水分离器、第二气水分离器、第一换热器、第二换热器、水泵、水箱、空气流量计、氢气流量计、空气储罐、氢气储罐和氮气储罐，各个部件之间通过管道对应连接。本氢燃料电池结构简单，通过在燃料电池堆的空气出口和氢气出口处分别安装第一气水分离器和第二气水分离器，可以实现反应后气体与液体的气液分离，并且通过第一换热器和第二换热器实现对气体中热量的回收，通过水箱收集温度较高的热水，可以实现液体中热量的循环利用，从而可以提高氢燃料电池的热利用率。

Description

一种氢燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池。

背景技术

燃料电池是很有发展前途的新动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极.和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在电池内部的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量；而燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置。这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点。

氢氧燃料电池是以氢气燃料作为还原剂，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。

氢氧燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。这时在氢电极上有多余的电子而带负电，在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。

工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(氧气)。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。

现有的氢氧燃料电池工作系统复杂，在工作过程中产生的热量往往跟随产生的水气直接排放，热回收效率低。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种氢燃料电池，可以高效回收氢氧燃料电池中的热能。

为实现上述技术方案，本实用新型提供了一种氢燃料电池，包括：燃料电池堆、空气增湿器、氢气增湿器、第一气水分离器、第二气水分离器、第一换热器、第二换热器、水泵、水箱、空气流量计、氢气流量计、空气储罐、氢气储罐和氮气储罐，所述空气储罐的出气口通过管道与空气增湿器的进气口连接，所述空气增湿器的出气口通过管道连接到燃料电池堆的空气入口，所述燃料电池堆的空气出口与第一气水分离器的进口通过管道连接，所述第一气水分离器的出气口通过管道与第一换热器进气口连接，所述第一换热器的出气口与空气流量计进气口通过管道连接，所述氢气储罐和氮气储罐的出气口分别通过管道与氢气增湿器的进气口连接，所述氢气增湿器的出气口通过管道与燃料电池堆的氢气入口连接，所述燃料电池堆的氢气出口与第二气水分离器的进气口通过管道连接，所述第二气水分离器的出气口通过管道与第二换热器进气口连接，所述第二换热器的出气口与氢气流量计进气口通过管道连接，所述第一气水分离器的出水口通过水泵与水箱进水口连接，所述第二气水分离器的出水口通过管道连接到水箱进水口。

优选的，所述燃料电池堆包括壳体，所述壳体的中部安装有质子交换膜，所述质子交换膜的左右两侧对称安装有阴极催化层和阳极催化层，所述阳极催化层的右侧安装有阳极柱，所述阴极催化层的左侧安装有阴极柱，所述阳极柱的右侧上端设置有氢气入口，所述阳极柱的右侧下端设置有氢气出口，所述阴极柱的左侧上端设置有空气入口，所述阴极柱的右侧下端设置有空气出口，阳极柱和阴极柱分别通过导线与负载连接。

优选的，空气储罐出气口与空气增湿器进气口连接管道上安装有第一电磁阀，空气增湿器出气口与燃料电池堆空气入口连接的管道上安装有第二电磁阀，燃料电池堆的空气出口与第一气水分离器进口连接的管道上安装有第九电磁阀，第一气水分离器的出气口处安装有第十三电磁阀，第一气水分离器的出水口处安装有第十一电磁阀，第一换热器出气口与空气流量计进气口连接管道上安装有第十四电磁阀，氢气储罐与氢气增湿器连接管道上安装有第三电磁阀，氮气储罐与氢气增湿器连接管道上安装有第四电磁阀，氢气增湿器进气口处安装有第五电磁阀，氢气增湿器出气口与燃料电池堆的氢气入口连接的管道上安装有第六电磁阀，燃料电池堆的氢气出口与第二气水分离器进气口连接管道上安装有第十电磁阀，第二气水分离器的出气口处安装有第十五电磁阀，第二气水分离器的出水口处安装有第十二电磁阀，第二换热器出气口与氢气流量计进气口连接管道上安装有第十六电磁阀，水箱的出水口处安装有第十七电磁阀。

优选的，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第九电磁阀和第十电磁阀上均安装有压力计。

优选的，所述空气增湿器和氢气增湿器上均安装有温度计。

本实用新型提供的一种氢燃料电池的有益效果在于：本氢燃料电池结构简单，通过在燃料电池堆的空气出口和氢气出口处分别安装第一气水分离器和第二气水分离器，可以实现反应后气体与液体的气液分离，并且通过第一换热器和第二换热器实现对气体中热量的回收，通过水箱收集温度较高的热水，可以实现液体中热量的循环利用，从而可以提高氢燃料电池的热利用率。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构连接示意图。

图2为本实用新型中燃料电池堆的结构示意图。

图中：1、燃料电池堆；2、空气增湿器；3、氢气增湿器；4、第一气水分离器；5、第二气水分离器；6、第一换热器；7、第二换热器；8、水泵；9、水箱；10、空气流量计；11、氢气流量计；12、空气储罐；13、氢气储罐；14、氮气储罐；21、第一电磁阀；22、第二电磁阀；23、第三电磁阀；24、第四电磁阀；25、第五电磁阀；26、第六电磁阀；27、第七电磁阀；28、第八电磁阀；29、第九电磁阀；30、第十电磁阀；31、第十一电磁阀；32、第十二电磁阀；33、第十三电磁阀；34、第十四电磁阀；35、第十五电磁阀；36、第十六电磁阀；37、第十七电磁阀；40、温度计；50、压力计；101、空气入口；102、空气出口；103、氢气入口；104、氢气出口；105、阴极柱；106、阳极柱；107、阴极催化层；108、阳极催化层；109、质子交换膜；110、负载。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本实用新型的保护范围。

实施例：一种氢燃料电池。

参照图1和图2所示，一种氢燃料电池，包括：燃料电池堆1、空气增湿器2、氢气增湿器3、第一气水分离器4、第二气水分离器5、第一换热器6、第二换热器7、水泵8、水箱9、空气流量计10、氢气流量计11、空气储罐12、氢气储罐13和氮气储罐14，所述空气储罐12的出气口通过管道与空气增湿器2的进气口连接，并且空气储罐12出气口与空气增湿器2进气口连接管道上安装有第一电磁阀21，所述空气增湿器2的出气口通过管道连接到燃料电池堆1的空气入口101，空气增湿器2出气口与燃料电池堆1空气入口连接的管道上安装有第二电磁阀22，空气增湿器2的排液口处安装有第七电磁阀27，所述燃料电池堆1包括壳体，所述壳体的中部安装有全氟磺酸质子交换膜109，所述质子交换膜109的左右两侧对称安装有阴极催化层107和阳极催化层108，所述阳极催化层108的右侧安装有阳极柱106，所述阴极催化层107的左侧安装有阴极柱105，所述阳极柱106的右侧上端设置有氢气入口103，所述阳极柱106的右侧下端设置有氢气出口104，所述阴极柱105的左侧上端设置有空气入口101，所述阴极柱105的右侧下端设置有空气出口102，阳极柱106和阴极柱105分别通过导线与负载110连接；所述燃料电池堆1的空气出口102与第一气水分离器4的进口通过管道连接，并且燃料电池堆1的空气出口102与第一气水分离器4进口连接的管道上安装有第九电磁阀29，所述第一气水分离器4的出气口通过管道与第一换热器6进气口连接，第一气水分离器4的出气口处安装有第十三电磁阀33，所述第一换热器6的出气口与空气流量计10进气口通过管道连接，第一换热器6出气口与空气流量计10进气口连接管道上安装有第十四电磁阀34，所述氢气储罐13和氮气储罐14的出气口分别通过管道与氢气增湿器3的进气口连接，并且氢气储罐13与氢气增湿器3连接管道上安装有第三电磁阀23，氢气增湿器3的排液口安装有第八电磁阀28，氮气储罐14与氢气增湿器3连接管道上安装有第四电磁阀24，氢气增湿器3进气口处安装有第五电磁阀25，所述氢气增湿器3的出气口通过管道与燃料电池堆1的氢气入口103连接，氢气增湿器3出气口与燃料电池堆1的氢气入口103连接的管道上安装有第六电磁阀26，所述燃料电池堆1的氢气出口104与第二气水分离器5的进气口通过管道连接，燃料电池堆1的氢气出口104与第二气水分离器5进气口连接管道上安装有第十电磁阀30，所述第二气水分离器5的出气口通过管道与第二换热器7进气口连接，第二气水分离器5的出气口处安装有第十五电磁阀35，所述第二换热器7的出气口与氢气流量计11进气口通过管道连接，第二换热器7出气口与氢气流量计11进气口连接管道上安装有第十六电磁阀36，所述第一气水分离器4的出水口通过水泵8与水箱9进水口连接，所述第二气水分离器5的出水口通过管道连接到水箱9进水口，第一气水分离器4的出水口处安装有第十一电磁阀31，第二气水分离器5的出水口处安装有第十二电磁阀32，水箱9的出水口处安装有第十七电磁阀37，其中第一电磁阀21、第二电磁阀22、第五电磁阀25、第六电磁阀26、第九电磁阀29和第十电磁阀30上均安装有压力计50，空气增湿器2和氢气增湿器3上均安装有温度计40。

本实用新型的工作原理如下：氢气储罐13内的氢气在进入燃料电池堆1的氢气入口103前先通入一段时间的氮气作为保护气体，去除管道内可能存在的空气，然后通入氢气，氢气经过氢气增湿器3增湿后进入燃料电池堆1的氢气入口103，同时空气储罐12内经过过滤稳定后的空气经过空气增湿器2增湿到相应湿度后进入燃料电池堆1的空气入口101，氢在阳极柱106分解成正离子H⁺和电子e^-，当氢离子进入全氟磺酸质子交换膜109中，而电子就沿外部电路移向阴极柱105，用电的负载110就接在外部电路中，在阴极柱105上，空气中的氧同氢离子吸收抵达阴极柱105上的电子形成水，反应生成的水跟随过量的空气从空气出口102排出，由于反应过程中产生热量，使得生成的水及排出的空气温度很高，为了回收反应过程中生成的热量，特在在燃料电池堆1的空气出口102和氢气出口104处分别安装第一气水分离器4和第二气水分离器5，通过第一气水分离器4和第二气水分离器5可以实现反应后气体与液体的气液分离，并且通过第一换热器6和第二换热器7实现对气体中热量的回收，通过水箱9收集温度较高的热水，可以实现液体中热量的循环利用，从而可以提高氢燃料电池的热利用率。

本实用新型使用到空气增湿器2、氢气增湿器3、第一气水分离器4、第二气水分离器5、第一换热器6、第二换热器7、水泵8、水箱9、空气流量计10、氢气流量计11、空气储罐12、氢气储罐13和氮气储罐14等标准件均可以从市场上购买，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，气路、电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (5)

1.一种氢燃料电池，其特征在于包括：燃料电池堆、空气增湿器、氢气增湿器、第一气水分离器、第二气水分离器、第一换热器、第二换热器、水泵、水箱、空气流量计、氢气流量计、空气储罐、氢气储罐和氮气储罐，所述空气储罐的出气口通过管道与空气增湿器的进气口连接，所述空气增湿器的出气口通过管道连接到燃料电池堆的空气入口，所述燃料电池堆的空气出口与第一气水分离器的进口通过管道连接，所述第一气水分离器的出气口通过管道与第一换热器进气口连接，所述第一换热器的出气口与空气流量计进气口通过管道连接，所述氢气储罐和氮气储罐的出气口分别通过管道与氢气增湿器的进气口连接，所述氢气增湿器的出气口通过管道与燃料电池堆的氢气入口连接，所述燃料电池堆的氢气出口与第二气水分离器的进气口通过管道连接，所述第二气水分离器的出气口通过管道与第二换热器进气口连接，所述第二换热器的出气口与氢气流量计进气口通过管道连接，所述第一气水分离器的出水口通过水泵与水箱进水口连接，所述第二气水分离器的出水口通过管道连接到水箱进水口。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于：所述燃料电池堆包括壳体，所述壳体的中部安装有质子交换膜，所述质子交换膜的左右两侧对称安装有阴极催化层和阳极催化层，所述阳极催化层的右侧安装有阳极柱，所述阴极催化层的左侧安装有阴极柱，所述阳极柱的右侧上端设置有氢气入口，所述阳极柱的右侧下端设置有氢气出口，所述阴极柱的左侧上端设置有空气入口，所述阴极柱的右侧下端设置有空气出口，阳极柱和阴极柱分别通过导线与负载连接。

3.如权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于：空气储罐出气口与空气增湿器进气口连接管道上安装有第一电磁阀，空气增湿器出气口与燃料电池堆空气入口连接的管道上安装有第二电磁阀，燃料电池堆的空气出口与第一气水分离器进口连接的管道上安装有第九电磁阀，第一气水分离器的出气口处安装有第十三电磁阀，第一气水分离器的出水口处安装有第十一电磁阀，第一换热器出气口与空气流量计进气口连接管道上安装有第十四电磁阀，氢气储罐与氢气增湿器连接管道上安装有第三电磁阀，氮气储罐与氢气增湿器连接管道上安装有第四电磁阀，氢气增湿器进气口处安装有第五电磁阀，氢气增湿器出气口与燃料电池堆的氢气入口连接的管道上安装有第六电磁阀，燃料电池堆的氢气出口与第二气水分离器进气口连接管道上安装有第十电磁阀，第二气水分离器的出气口处安装有第十五电磁阀，第二气水分离器的出水口处安装有第十二电磁阀，第二换热器出气口与氢气流量计进气口连接管道上安装有第十六电磁阀，水箱的出水口处安装有第十七电磁阀。

4.如权利要求3所述的氢燃料电池，其特征在于：所述第一电磁阀、第二电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第九电磁阀和第十电磁阀上均安装有压力计。

5.如权利要求4所述的氢燃料电池，其特征在于：所述空气增湿器和氢气增湿器上均安装有温度计。