CN209592194U - 一种质子交换膜燃料电池集成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池集成系统，包括电堆(7)、氢气供应装置、空气供应装置和水循环装置，其中电堆(7)用于氢气与氧气发生氧化还原反应；氢气供应装置包括分水器(14)和氢气循环泵(2)，所述的分水器(14)入口与反应后气体出口连接，所述的氢气循环泵(2)的入口端与分水器(14)和原料氢气管连接；空气供应装置包括中冷器(3)、增湿器(12)和尾部排气管(17)，所述的中冷器(3)用于空气的冷却；水循环装置用于冷却电堆(7)以及中冷器(3)。与现有技术相比，本实用新型提高了燃料电池系统功率密度与空间利用率，实现了燃料电池系统轻量化。

Description

一种质子交换膜燃料电池集成系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池集成系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，在质子交换膜两侧发生氧化还原反应的电化学发电装置。由于其无污染、能量转换率高、响应速度快、无噪声、无移动部件且寿命长等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置。燃料电池运行时需要通过氢气装置供氢，空气装置供氧，水循环装置散热，以维持电堆内部在一定温度条件下的氢气与氧气的持续氧化还原反应。

质子交换膜燃料电池在零摄氏度以下温度环境中的低温保存、冷启动以及低温耐久性是限制其商业化的关键性问题之一，也是当前燃料电池研究中一个极具挑战性的前沿方向。

发明内容

本实用新型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质子交换膜燃料电池集成系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种质子交换膜燃料电池集成系统，燃料电池集成系统设置于四层框架结构中，燃料电池集成系统包括电堆、氢气供应装置、空气供应装置和水循环装置，其中，电堆设于第一层框架结构中，用于氢气与氧气发生氧化还原反应，电堆上设有氢气入口、空气入口和反应后气体出口；设于第二层与第四层框架结构中，包括分水器和氢气循环泵，所述的分水器入口与反应后气体出口连接，分水器用于反应后的氢气与水的分离，所述的氢气循环泵的入口端与分水器出口端连接，氢气循环泵的出口端与氢气入口连接；空气供应装置设于第三层和第四层框架结构中，包括中冷器、增湿器和尾部排气管，所述的中冷器用于空气的冷却，所述的增湿器入口端与中冷器连接，增湿器出口端与空气入口连接，增湿器用于冷却后空气的增湿并通入电堆，所述的尾部排气管与反应后气体出口连接，尾部排气管用于电堆中反应后气体的排放；水循环装置设于第二层框架结构中，用于冷却电堆以及中冷器，包括去离子器和水加热总成，所述的去离子器用于去除循环水中的自由离子，所述的水加热总成为加热循环水并用于电堆以及中冷器提供热量。

进一步地，所述的氢气循环泵后接有氢气喷射器，氢气喷射器用于将氢气喷入电堆。

进一步地，所述的尾部排气管与反应后气体出口间设有排氢电磁阀。

进一步地，所述的氢气喷射器入口端设有压力传感器，氢气喷射器出口端分别与电堆和背压阀连通，所述的背压阀与排氢电磁阀的出口端连接。

进一步地，所述的尾部排气管处连接有氮气供应管，氮气供应管用于向尾部排气管中掺入氮气。

进一步地，所述的水加热总成为电磁加热器或者电加热器。

进一步地，所述的尾部排气管上设有四通，所述的三通的第一接口与尾部排气管的出口端连接，第二接口与氮气供应管连接，第三接口用于向外界排空，第四接口连接于增湿器入口端上。

进一步地，所述的四层框架结构为铝合金框架，四层框架结构上设有吊耳和可伸缩的地脚。

为保证经分水器冷却凝结的水流出，电堆出口经分水器中部到排氢阀再到尾部排气管需保证空间位置由高到低。控制空气压缩机的速度，可维持理想流量，空气装置的中冷器与增湿器将压缩后的空气冷却并湿润，向电堆供应，并将反应后的空气经背压阀，在尾部排气管处于反应后的氢气混合，排放到外界。

氢气供应装置将电堆内部产生的液态水经分水器进行分离，使得来自出口处的饱和热气经过氢气循环泵后，能够与经过两级减压的干燥氢气混合，以在入口处得到期望湿度，一部分氢气得以重新利用，提高氢气利用率，降低能耗，一部分氢气经排氢阀与氮气混合，经尾部排气管排出，降低排放氢气的浓度，保证安全性。根据采集到的氢气出、入处压力传感器数据，得到氢气出、入口压力，控制氢气喷射器喷氢量，保证质子交换膜湿度适宜，利于反应的发生。

控制空气压缩机的速度，可维持理想流量，空气供应装置的中冷器与增湿器将压缩后的空气冷却并湿润，向电堆供应，并将反应后的空气经背压阀，在尾部排气管处于反应后的氢气混合，排放到外界。

本集成方式中空气供应装置经中冷器冷却后的干燥空气对电堆吹扫，可以在较短时间里有效移除电池内的水，并且对电池性能没有不可恢复的损伤，实现燃料电池低温操作的预除水措施。

燃料电池需要充分有效的冷却以保持优化的运行温度，同时也避免堆内温度梯度的产生，其中，高功率密度的车用电池堆通常采用主动的液体冷却来代替主动的气体冷却，同时，为保证绝缘性，循环水必须是去离子的。本集成方式中水循环装置中循环水流经去离子器，实现电堆去离子循环水的供应，并利用水加热总成对水加热，为电堆供应适宜温度的水。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)将各个装置均安装于集成框架内，采用四层的布置方式，有利于清晰的排布管路，节约了装配空间，各层之间可实现线下独立拆装，便于日后的检查和维修，该集成框架采用铝合金焊接框架，体积小，重量轻，有效提高系统功率密度，并设计吊耳结构与地脚结构，可实现吊起操作以及适应不平接触面放置。

2)经空气压缩机压缩后的高温空气经中冷器冷却，并经过增湿器增湿后进入电堆，实现电堆内部质子交换膜空气侧的反应物稳定供应。

3)经过背压阀的线控，与流经排氢阀的氢气一同排放，降低排氢浓度并节省空间，尾部排气管与反应后气体出口间，设有排氢电磁阀，通过排氢电磁阀的调节，控制氢气排放的浓度，减少安全隐患。

4)水循环装置集成了去离子器、水加热总成等零部件，设于电堆的上一层，节省了循环水管路的排布空间，去离子器减少电堆水循环中自由离子，降低电导率，另一方面，水加热总成在低温启动时，消耗电堆功率将去离子循环水加热，实现低温冷启动。

5)氢气供应装置中集成了氮气管路，可保证对电堆进行保压与维护时氮气的有效供应。

附图说明

图1为本实用新型中质子交换膜燃料电池集成系统的结构示意图；

图2为本实用新型中质子交换膜燃料电池集成系统的另一种结构示意图；

图中：1、承载式主框架，2、氢气循环泵，3、中冷器，4、水加热总成，5、压力传感器，6、温度传感器，7、电堆，8、吊耳，9、地脚，10、排氢阀，11、氢气喷射器，12、增湿器，13、去离子器及固定支架，14、分水器，15、水加热总成，16背压阀，17、尾部排气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

质子交换膜燃料电池集成系统，燃料电池集成系统设置于四层框架结构中，燃料电池集成系统包括电堆装置7、氢气供应装置、空气供应装置和水循环装置。所述的四层框架结构为铝合金框架，四层框架结构上设有吊耳8和可伸缩的地脚9，可实现吊起操作，并可适应安装不平接触面。

电堆装置7部分：设于第一层框架结构中，用于氢气与氧气发生氧化还原反应，电堆装置7上设有氢气入口、空气入口和反应后气体出口；

氢气供应装置部分：设于第二层与第四层框架结构中，包括分水器装置14和氢气循环泵装置2，所述的分水器装置14入口与反应后气体出口连接，分水器装置14用于反应后的氢气与水的分离，所述的氢气循环泵2的入口端与分水器14出口端连接，氢气循环泵装置2的出口端与氢气入口连接；空气供应装置设于第三层和第四层框架结构中，包括中冷器装置3、增湿器装置12和尾部排气管17，所述的中冷器装置3用于空气的冷却，所述的增湿器装置12入口端与中冷器装置3连接，增湿器装置12出口端与空气入口连接，增湿器装置12用于冷却后空气的增湿并通入电堆装置7，所述的尾部排气管17与反应后气体出口连接，尾部排气管17用于电堆装置7中反应后气体的排放，所述的氢气循环泵装置2后接有氢气喷射器装置12，氢气喷射器装置12用于将氢气喷入电堆装置7。所述的尾部排气管17与反应后气体出口间设有排氢电磁阀。所述的氢气喷射器装置12入口端设有压力传感器，氢气喷射器装置12出口端分别与电堆装置7和背压阀装置16连通，所述的背压阀装置16与排氢电磁阀的入口端连接。所述的尾部排气管17处连接有氮气供应管，氮气供应管用于向尾部排气管17中掺入氮气。所述的尾部排气管17上设有四通，所述的三通的第一接口与尾部排气管17的出口端连接，第二接口与氮气供应管连接，第三接口用于向外界排空，第四接口连接于增湿器装置12入口端上。

水循环装置部分：设于第二层框架结构中，用于冷却电堆装置7以及中冷器装置3，包括去离子器装置13和水加热总成装置15，所述的去离子器装置13用于去除循环水中的自由离子，所述的水加热总成装置15为加热循环水并用于电堆装置7以及中冷器装置3提供热量。

在具体安装过程中，四层框架结构作为承载式主框架1主要承载作用，安装时需先将电堆装置7模块置入框架第一层并固定，将二、三、四层各部件线下组装完成依次安装至主框架上。参见图1与图2其中第二层自下而上依次安装氢气喷射器11、分水器14、排氢阀10、去离子器及固定支架13、水加热总成及固定支架15；第三层自下而上依次安装增湿器12和中冷器3；第四层自下而上依次安装背压阀16、尾部排气管17和氢气循环泵2。其中中冷器3、增湿器12、背压阀16空间距离较近，可有效减少空气路管道长度，降低成本。

在具体运行过程中，参见图1，氢气在电堆7参与反应后，经分水器14分离水汽，一部分进入氢气循环泵2，在电堆7氢气入口处与来自储氢罐的干燥氢气混合，增加氢气湿度，一部分经排氢阀10，与氮气在尾部排气管17混合，降低氢气浓度，以满足相应法规对氢气排放的相关要求。空气供应装置将经过空气压缩机压缩后的高温空气经中冷器3进行冷却，一部分进入电堆7，将电堆7中反应产生的水汽带出，实现低温启动的预除水措施，一部分进入电堆7空气入口，电堆7空气入口同时安置空气温度传感器，监测入口温度。空气在电堆7内部参与反应后，剩余成分主要为氮气，携带反应生成的大量水汽进入增湿器12，补充两侧带出的水，实现水平衡。通过控制背压阀16开合程度，氮气不同程度地混入经排氢阀10调节后的氢气中，实现对尾部排气管17中氢气浓度的调节，同时，尾部排气管17连接有电堆7的空气吹扫出口，进一步降低氢气浓度。水循环装置将外界经散热后的水汇入电堆7入口，电堆7入口同时安置压力传感器与温度传感器，监测入口压力与温度，循环水一部分流入中冷器与水加热总成，为中冷器3散热，同时在低温冷启动时为循环水加热，一部分流入去离子器，去除循环水中的自由离子。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池集成系统，其特征在于，燃料电池集成系统设置于四层框架结构中，燃料电池集成系统包括：

电堆(7)：设于第一层框架结构中，用于氢气与氧气发生氧化还原反应，电堆(7)上设有氢气入口、空气入口和反应后气体出口；

氢气供应装置：设于第二层与第四层框架结构中，包括分水器(14)和氢气循环泵(2)，所述的分水器(14)入口与反应后气体出口连接，分水器(14)用于反应后的氢气与水的分离，所述的氢气循环泵(2)的入口端与分水器(14)出口端连接，氢气循环泵(2)的出口端与氢气入口连接；

空气供应装置：设于第三层和第四层框架结构中，包括中冷器(3)、增湿器(12)和尾部排气管(17)，所述的中冷器(3)用于空气的冷却，所述的增湿器(12)入口端与中冷器(3)连接，增湿器(12)出口端与空气入口连接，增湿器(12)用于冷却后空气的增湿并通入电堆(7)，所述的尾部排气管(17)与反应后气体出口连接，尾部排气管(17)用于电堆(7)中反应后气体的排放；

水循环装置：设于第二层框架结构中，用于冷却电堆(7)以及中冷器(3)，包括去离子器(13)和水加热总成(15)，所述的去离子器(13)用于去除循环水中的自由离子，所述的水加热总成(15)为加热循环水并用于电堆(7)以及中冷器(3)提供热量。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池集成系统，其特征在于，所述的氢气循环泵(2)后接有氢气喷射器(11)，氢气喷射器(11)用于将氢气喷入电堆(7)。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池集成系统，其特征在于，所述的尾部排气管(17)与反应后气体出口间设有排氢电磁阀。

4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池集成系统，其特征在于，所述的氢气喷射器(11)入口端设有压力传感器，氢气喷射器(11)出口端分别与电堆(7)和背压阀(16)连通，所述的背压阀(16)与排氢电磁阀的入口端连接。

5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池集成系统，其特征在于，所述的尾部排气管(17)处连接有氮气供应管，氮气供应管用于向尾部排气管(17) 中掺入氮气。

6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池集成系统，其特征在于，所述的尾部排气管(17)上设有四通，所述的四通的第一接口与尾部排气管(17)的出口端连接，第二接口与氮气供应管连接，第三接口用于向外界排空，第四接口连接于增湿器(12)入口端上。

7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池集成系统，其特征在于，所述的四层框架结构为铝合金框架，四层框架结构上设有吊耳(8)和可伸缩的地脚(9)。