專利名稱:一種提高燃料電池氫氣利用率的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及ー種燃料電池,尤其是涉及ー種提高燃料電池氫氣利用率的方法。
背景技術(shù):
氫PEMFC燃料電池是ー種把H2和O2反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置,因為該電池具有室溫啟動,轉(zhuǎn)化效率高,高體積比功率密度,產(chǎn)物零污染等特點,因而成為當(dāng)前國際社會的研究熱點.對于一般燃料電池而言,我們定義氫發(fā)電效率近似為氫發(fā)電凈輸出電能/氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的能量(氣態(tài)排水)X100%=氫氣利用率X (電池平均單片運行電壓/I. 2V-輔助消耗電能/總發(fā)電能)。對于ー個電池平均運行電壓為0. 66V的燃料電池,如果氫氣利用率為95% (5%沒有參加電化學(xué)反應(yīng)),輔助系統(tǒng)消耗10%的能量。氫發(fā)電效率 為0. 95 X (0.66/1.2-10% ) =42.8%。如果我們要提高氫氣發(fā)電效率,可以從降低燃料電池輔助系統(tǒng)消耗,提高燃料運行電壓,提高氫氣利用率方面入手。燃料電池系統(tǒng)中,大部分的系統(tǒng)輔助消耗能量主要來自與空氣泵,空氣泵主要為電池系統(tǒng)運行時提供電池反應(yīng)用空氣消耗,為了降低輔助系統(tǒng)耗能,降低空氣進(jìn)入燃料電池的壓頭可以大幅度降低其耗能,對于ー種熱門的空氣冷卻型燃料電池,空氣進(jìn)入電池的壓頭只有幾十Pa,輔助消耗比較低,一般在3%以下。此外我們可以通過提高燃料電池運行時單片電池的電壓。提高電池運行電壓的方式可以通過降低催化劑的活性,降低燃料電池陰極的氣體反應(yīng)解離過電位,這種方法牽扯到催化劑方面的深入研究,非常不確定,雖然眾多科研工作者投入大量的研究精力做此方面的工作,提高作用不大。此外降低電極單位面積發(fā)電電流密度,可以提高電池氫發(fā)電效率,這意味著需要更大的電池電極面積來產(chǎn)生我們所需要的發(fā)電功率,直接増加了電池的體積重量,材料用量和成本。提高氫氣利用率,降低氫氣排放,我們可以通過增加系統(tǒng)中氫氣循環(huán)裝置等方法來減少氫氣的排放,不過這也増加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。對于間歇時排氫燃料電池系統(tǒng),為了維持燃料電池的穩(wěn)定運行,氫氣出口往往采用間歇式排放的方式。大部分情況下,氫氣直接排放到空氣中。其氫發(fā)電效率可按照上面的表達(dá)式進(jìn)行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種提高燃料電池氫氣利用率的方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種提高燃料電池氫氣利用率的方法,其特征在于,該方法是在燃料電池堆的氫氣出口處設(shè)置排氫電磁閥,燃料電池在運行吋,將陽極燃料氫氣通過排氣電磁閥排出后進(jìn)入燃料電池陰極,氫氣和空氣混合,在陰極電極催化層的作用下直接化合反應(yīng),提高電池運行電壓,降低燃料電池運行電流,從而提高電池運行效率。所述的陽極燃料氫氣是通過燃料電池堆陽極后排出的氫氣,該氫氣中含有雜質(zhì)CO2 和 H2O。所述的氫氣通過排氣電磁閥被間歇式的排入燃料電池堆陰極,同燃料電池堆陰極的空氣混合,所述的排氣電磁閥的關(guān)閉/開啟排氣時間比例在30-3000之間。所述的氫氣和空氣混合的混合氣體直接在燃料電池堆陰極反應(yīng)時,在同等電流輸出情況下,短暫的降低電池輸出電壓,其中單片電池電壓下降到接近0V。所述的燃料電池堆由1-500個單片電池疊加組成,所有的單片電池分成幾部分,每一次氫氣排放同空氣形成混合氣體進(jìn)入其中一部分。
所述的燃料電池堆所有的單片電池分成1-10部分,氫氣與空氣的混合氣體進(jìn)入燃料電池堆其中一部分的燃料電池陰極,該部分電池短時間內(nèi)電壓可降到接近0V,整個電池堆整體保持一定的電壓,電流輸出,電壓波動期間,燃料發(fā)電效率降低。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明燃料電池在運行時,將陽極燃料氫氣通過排氣電磁閥間歇式排出后進(jìn)入電池陰極,氫氣和空氣混合,在陰極催化劑的作用下直接化合反應(yīng),經(jīng)過該操作后,在同等輸出功率情況下,電池平均運行電壓提高,從而提高燃料電池的氫發(fā)電效率。同直接氫氣排放相比,氫發(fā)電明顯提高。
圖I為傳統(tǒng)間歇排氣氫氣的電池運行曲線與本發(fā)明排氫的電池運行曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。對比例I傳統(tǒng)間歇排氣氫氣的發(fā)電效率對于ー個10片單電池組成的燃料電池空氣冷卻型燃料電池測得電池堆運行時電堆的電壓為6. 5V (平均單片電池電壓為0. 65V)。風(fēng)扇等輔助耗能2W。電磁閥排氣時間為0. 3S。負(fù)載采用恒流模式的電子負(fù)載,燃料電池額定輸出電流為11A氫氣電磁閥排氣間隔周期為150s,姆次排除量為50ml氫氣,電磁閥排氣時間為
0.3S,電池運行曲線如圖I中運行方法I所示。50ml氫氣相當(dāng)于50ml/22. 4L/mol = 2. 23Xl(T3mol.因為每個氫分子反應(yīng)有兩個電子轉(zhuǎn)移,所以氫氣排放的相當(dāng)于有2X 2. 23X 10_3mol X96500庫侖/mol = 430. 4庫侖電
量損失。150S時間內(nèi),電池堆共有150SX11AX10 = 16500庫侖電子轉(zhuǎn)移氫氣利用率:16500/(430.4+16500) X 100%= 97. 46%氫氣的發(fā)電效率為97.46% X (0. 65/1. 2-2W/6. 5VX11A) =97. 46% X51. 4% =50%實施例I氫氣進(jìn)入燃料電池陰極側(cè)的影響對于ー個10片單電池組成的燃料電池空氣冷卻型燃料電池,電池堆運行時電堆的電壓為6. 5V (平均單片電池電壓為0. 65V)??諝怙L(fēng)扇及其他耗能21燃料電池額定輸出電流為11A,凈輸出功率為輸出功率69. 5W氫氣電磁閥排氣間隔周期為150s,姆次排除量為50ml氫氣,電磁閥排氣時間為
0.3S。我們將整個燃料電池作為ー個部分進(jìn)行,不再分成幾部分,電池運行曲線如圖I中運行方法2所示。50ml氫氣相當(dāng)于50ml/22. 4L/mol = 2. 23Xl(T3mol.因為每個氫分子反應(yīng)有兩個電子轉(zhuǎn)移,所以氫氣排放的,相當(dāng)于有2 X 2. 23 X 10_3mol X 96500庫侖/mol = 430. 4庫侖電
量損失150S時間內(nèi),電池堆共有150SX11AX10 = 16500庫侖電子轉(zhuǎn)移.氫氣進(jìn)入燃料電池陰極側(cè),一方面造成燃料電池堆因為瞬時電壓下降造成氫轉(zhuǎn)化效率下降。另ー方面造成電池堆在恒定電流下,由于H2進(jìn)入燃料電池陰極對電池催化劑層的清洗,燃料電池催化劑活性提高,平均運行電壓提高,在恒定IlA的電流情況下,單片電池的運行平均電壓提高到0. 69V。單片電池平均電壓恢復(fù)0. 69V的時間為2S,因為氫氣進(jìn)入電池陰極的影響,電池的運行效率提高。 2S時間內(nèi),燃料電池電壓變化近似為線形變化,功率-時間波動曲線為等腰三角形。2S內(nèi),燃料電池發(fā)電能量近似表示為2SX6. 9VX11AX0. 5 = 75. 9ff. S此時每次的間歇排氣轉(zhuǎn)化效率降低導(dǎo)致能量損失75. 9ff. S氫氣間歇排氣周期內(nèi)150S的周期內(nèi),氫氣發(fā)電能量為11AX6. 9VX 148S+75. 91 S = 11309. Iff. S。因為排放的氫氣相當(dāng)于430. 4バ430. 4+16500) X 100%= 2. 54%的損失。氫轉(zhuǎn)化效率為97.46 % X (0. 69/1. 2-75. 9ff. S/(11309. 1+75. 9)ff. S-2W/6. 9V*11A) = 97. 46% X54.3%=53%。因此本發(fā)明中,氫氣間歇式排放進(jìn)入電池陰極和傳統(tǒng)式間歇排氣相比(直接排放氫氣)相比,氫氣發(fā)電效率提高了 53% -50%= 3%。相對轉(zhuǎn)化效率提高了 3 % /50 % = 6 %。上述轉(zhuǎn)化效率是在恒定電流的條件下測到的結(jié)果。對于一個負(fù)載恒定的燃料電池來說維持額定功率為69. 5W燃料電池,電池電流為10A,平均電池電壓為0. 71V。150S內(nèi)的氫氣耗氫量降低接近(I 1-10)/10X 100%= 10%,因此在相同的電池發(fā)電量的情況下,通過本發(fā)明的氫氣間歇式排放進(jìn)入電池陰極的實施,同傳統(tǒng)式間歇排氣相比(直接排放氫氣)相比,燃料電池發(fā)電對氫氣利用率提高可接近10%,提升效果顯著。排氣間隔對該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響實例中給出了 150S內(nèi)排放一次的情況,氫氣排放頻率越高,氫氣間歇式排放進(jìn)入電池陰極同傳統(tǒng)式間歇排氣相比(直接排放氫氣)相比,氫氣進(jìn)入燃料電池陰極側(cè),造成燃料電池堆因為瞬時電壓下降造成氫轉(zhuǎn)化效率下降次數(shù)越多。在一定的氫氣排氣頻率下,氫發(fā)電效率提高部分因效率降低部分相等而抵消,此時,如果再進(jìn)一步提高氫氣進(jìn)入陰極的頻率,兩者相比,本發(fā)明的氫發(fā)電效率反而會降低。7. IVX (Il-IO)AX (150-2N+N)S = NX7. 1VX10AX2SX0. 5計算得知N = 16. 6次,也即是在150S內(nèi)排氣16. 6次時,兩種情況下相比,燃料電池效率相等,排氣頻率可以表示為(16. 6/150) X60 = 6. 6次/分鐘。一般設(shè)定電池出口電池閥毎次打開的時間為0.3S,6. 6次/分鐘的打開時間為
6.6*0. 3 = 2S,因此排氣電磁閥關(guān)閉/開啟排氣時間比例(60-2)/2 = 29。實施例2
ー種燃料電池堆由500個單片電池疊加組成,在燃料電池堆的氫氣出ロ處設(shè)置排氫電磁閥,燃料電池在運行時,將陽極燃料氫氣通過排氣電磁閥排出后間歇式的排入燃料電池陰極,所有的單片電池分成10部分,每一次氫氣排放同空氣形成混合氣體進(jìn)入其中一部分,氫氣中可含有少量的雜質(zhì)如C02,H2O,氫氣和空氣混合,在陰極電極催化層的作用下直接化合反應(yīng),在同等電流輸出情況下,短暫的降低電池輸出電壓,其中單片電池電壓下降到接近0V,排氣電磁閥關(guān)閉/開啟排氣時間比例在3000之間。氫空混合氣體進(jìn)入燃料電池中其中一部分的燃料電池陰極,該部門電池短時間內(nèi)電壓可降到接近0V,整個電池堆整體保持一定的電壓,電流輸出。電壓波動期間,燃料發(fā)電效率降低。所述的電磁閥關(guān)閉/開啟整個周期過程中,氫氣間歇排進(jìn)入燃料電池陰極同常規(guī)直接氫氣間歇式排放不進(jìn)入陰極相比燃料電池發(fā)電效率提高。實施例3 —種燃料電池堆由I個單片電池疊加組成,分成I部分,排氣電磁閥關(guān)閉/開啟排氣時間比例為30之間。其余同實施例I。
權(quán)利要求
1.一種提高燃料電池氫氣利用率的方法,其特征在于,該方法是在燃料電池堆的氫氣出口處設(shè)置排氫電磁閥,燃料電池在運行時,將陽極燃料氫氣通過排氣電磁閥排出后進(jìn)入燃料電池陰極,氫氣和空氣混合,在陰極電極催化層的作用下直接化合反應(yīng),提高電池運行電壓,降低燃料電池運行電流,從而提高電池運行效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種提高燃料電池氫氣利用率的方法,其特征在于,所述的陽極燃料氫氣是通過燃料電池堆陽極后排出的氫氣,該氫氣中含有雜質(zhì)CO2和h2o。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種提高燃料電池氫氣利用率的方法,其特征在于,所述的氫氣通過排氣電磁閥被間歇式的排入燃料電池堆陰極,同燃料電池堆陰極的空氣混合,所述的排氣電磁閥的關(guān)閉/開啟排氣時間比例在30-3000之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種提高燃料電池氫氣利用率的方法,其特征在于,所述的氫氣和空氣混合的混合氣體直接在燃料電池堆陰極反應(yīng)時,在同等電流輸出情況下,短暫的降低電池輸出電壓,其中單片電池電壓下降到接近OV。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種提高燃料電池氫氣利用率的方法,其特征在于,所述的燃料電池堆由1-500個單片電池疊加組成,所有的單片電池分成幾部分,每一次氫氣排放同空氣形成混合氣體進(jìn)入其中一部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種提高燃料電池氫氣利用率的方法,其特征在于,所述的燃料電池堆所有的單片電池分成1-10部分,氫氣與空氣的混合氣體進(jìn)入燃料電池堆其中一部分的燃料電池陰極,該部分電池短時間內(nèi)電壓可降到接近0V,整個電池堆整體保持一定的電壓,電流輸出,電壓波動期間,燃料發(fā)電效率降低。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高燃料電池氫氣利用率的方法,該方法是在燃料電池堆的氫氣出口處設(shè)置排氫電磁閥,燃料電池在運行時,將陽極燃料氫氣通過排氣電磁閥排出后進(jìn)入燃料電池陰極,氫氣和空氣混合,在陰極電極催化層的作用下直接化合反應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有提高電池運行電壓,降低燃料電池運行電流,從而提高電池運行效率等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK102646842SQ20111004223
公開日2012年8月22日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者田丙倫 申請人:上海攀業(yè)氫能源科技有限公司