一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括利用含氧氣體和含氫氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電的電堆、用于向所述電堆供應(yīng)加濕的含氧氣體的空氣供應(yīng)裝置、用于向所述電堆供應(yīng)含氫氣體的氫氣供應(yīng)裝置以及用于將所述電堆在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)入的冷卻水之間進(jìn)行熱交換的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括冷卻水箱、冷卻水泵以及設(shè)置在所述電堆內(nèi)的冷卻流道；該系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述電堆的空氣出口處用于冷凝空氣尾氣的冷凝裝置，所述冷凝裝置的氣體出口與外部連通，所述冷凝裝置的液態(tài)水出口與所述冷卻水箱連接。本發(fā)明能有效緩解電池水淹，提高電堆功率。
【專利說明】
一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)化裝置，以其能量轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、環(huán)境友好、噪音低、工作溫度低、應(yīng)用范圍廣以及壽命長等突出等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到廣泛的關(guān)注，被譽(yù)為優(yōu)秀的動(dòng)力源。水氣管理是燃料電池急需解決的關(guān)鍵問題之一。在燃料電池運(yùn)行過程中，電池內(nèi)部的水應(yīng)嚴(yán)格地維持平衡，以解決膜的水潤化需求以及防止電池陰極水淹兩者之間的矛盾。目前通常對反應(yīng)氣體進(jìn)行加濕來保持電極較高的含水量以確保合理的質(zhì)子電導(dǎo)率。然而，在運(yùn)行過程中陰極持續(xù)不斷生成水，當(dāng)水蒸氣分壓達(dá)到其飽和蒸汽壓力時(shí)會有液態(tài)水析出，特別是在高功率下反應(yīng)生成的液態(tài)水速率加快，若液態(tài)水不能及時(shí)排出將會引起“水淹”?！八汀眳^(qū)域氣體傳輸通道被堵塞，降低了電池的有效發(fā)電面積，引起性能急劇下降，嚴(yán)重則會引起電池反極，對電池造成不可逆的損壞。
[0003]傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的氫氣尾氣通常直接排放大氣中，這會帶來多方面不利的影響，同時(shí)也降低了氫氣利用率，一般氫氣利用率約為65%-95%。相關(guān)研究人員通過尾氣催化燃料的方法將未反應(yīng)的氫氣直接燃燒掉，避免了氫氣直接排放到大氣中造成危害，但這不能解決氫氣利用率問題。此外，需要額外設(shè)置尾氣處理器，往往需要貴金屬作為催化劑，這增加了系統(tǒng)的體積、重量和成本。
[0004]基于這些存在的問題，有必要發(fā)明一種新的燃料電池系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)，它能有效緩解電池水淹，提高電堆功率。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括利用含氧氣體和含氫氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電的電堆、用于向所述電堆供應(yīng)加濕的含氧氣體的空氣供應(yīng)裝置、用于向所述電堆供應(yīng)含氫氣體的氫氣供應(yīng)裝置以及用于將所述電堆在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)入的冷卻水之間進(jìn)行熱交換的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括冷卻水箱、冷卻水栗以及設(shè)置在所述電堆內(nèi)的冷卻流道；
[0008]該系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述電堆的空氣出口處用于冷凝空氣尾氣的冷凝裝置，所述冷凝裝置的氣體出口與外部連通，所述冷凝裝置的液態(tài)水出口與所述冷卻水箱連接。
[0009]按上述技術(shù)方案，所述冷凝裝置包括冷凝箱以及設(shè)置在所述冷凝箱內(nèi)的冷凝風(fēng)扇，所述冷凝箱的空氣入口與電堆連接，所述冷凝箱的液態(tài)水出口與所述冷卻水箱連接，所述冷凝箱的空氣出口與外部大氣連通。
[0010]按上述技術(shù)方案，所述冷卻水箱還與冷卻流道的出口連接，所述冷卻水箱與冷卻水栗之間設(shè)置有用于將冷卻流道流出的高溫冷卻水降溫為低溫冷卻水的換熱器。[0011 ]按上述技術(shù)方案，所述氫氣供應(yīng)裝置包括氫氣反應(yīng)器，所述氫氣反應(yīng)器的入口通過氫氣反應(yīng)器水栗與冷卻水箱連接，所述氫氣反應(yīng)器的出口通過單向閥與所述電堆的氫氣入口連接。
[0012]按上述技術(shù)方案，所述氫氣反應(yīng)器為氫化鎂水解制氫反應(yīng)器。
[0013]按上述技術(shù)方案，所述氫氣供應(yīng)裝置還包括用于回收所述電堆內(nèi)未參與反應(yīng)氫氣的氫氣緩沖罐，所述氫氣緩沖罐通過氫氣循環(huán)栗與所述電堆的氫氣入口連接。
[0014]按上述技術(shù)方案，所述氫氣緩沖罐上還設(shè)置有用于排放罐內(nèi)氫氣的電磁閥。
[0015]按上述技術(shù)方案，所述空氣供應(yīng)裝置包括依次連接的空氣過濾器、空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥和空氣加濕器，所述空氣過濾器與外部大氣連接，所述空氣加濕器與所述電堆的空氣入口連接。
[0016]本發(fā)明，具有以下有益效果:由于電堆反應(yīng)過程中會生成水，這會引起靠近電堆出口區(qū)域“水淹”，從而造成電堆性能急劇下降，甚至?xí)鸱礃O以及電堆失效等，本發(fā)明通過設(shè)置冷凝裝置，對電堆空氣出口處的空氣尾氣進(jìn)行強(qiáng)制冷凝，一方面可以提高電堆內(nèi)外水蒸氣濃度梯度，由菲克定律可知，這樣可以加速水蒸氣從濃度高的電堆流向濃度低的冷凝裝置，且在冷凝裝置內(nèi)被冷凝成液態(tài)水，另一方面，由于電堆內(nèi)水蒸氣的流失，促使液態(tài)水蒸發(fā)成水蒸氣，從而將液態(tài)水從電堆內(nèi)部轉(zhuǎn)移到冷凝裝置，緩解了電堆“水淹”，提高了電堆功率，尾氣冷凝出的液態(tài)水可以送入冷卻水箱進(jìn)行回收利用，冷凝后的空氣直接排入大氣中。
【附圖說明】
[0017]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中:1-氫氣反應(yīng)器，2-單向閥，3-電堆，4-氫氣緩沖罐，5-氫氣循環(huán)栗，6-電磁閥，7-空氣壓縮機(jī)，8-空氣過濾器，9-壓力調(diào)節(jié)閥，10-空氣加濕器，11-冷卻水栗，12-換熱器，13-7令卻水箱，14-冷凝箱，15-冷凝風(fēng)扇，16-氫氣反應(yīng)器水栗。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，如圖1所示，一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括利用含氧氣體和含氫氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電的電堆3、用于向電堆3供應(yīng)加濕的含氧氣體的空氣供應(yīng)裝置、用于向電堆3供應(yīng)含氫氣體的氫氣供應(yīng)裝置以及用于將電堆3在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)入的冷卻水之間進(jìn)行熱交換的冷卻裝置，冷卻裝置包括冷卻水箱13、冷卻水栗11以及設(shè)置在電堆3內(nèi)的冷卻流道；
[0022]該系統(tǒng)還包括設(shè)置在電堆3的空氣出口處用于冷凝空氣尾氣的冷凝裝置，冷凝裝置的氣體出口與外部連通，冷凝裝置的液態(tài)水出口與冷卻水箱13連接。
[0023]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，冷凝裝置包括冷凝箱14以及設(shè)置在冷凝箱14內(nèi)的冷凝風(fēng)扇15，冷凝箱14的空氣入口與電堆3連接，冷凝箱14的液態(tài)水出口與冷卻水箱12連接，冷凝箱14的空氣出口與外部大氣連通。該冷凝裝置結(jié)構(gòu)簡單、效果好、成本小。
[0024]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，冷卻水箱13還與冷卻流道的出口連接，7令卻水箱13與冷卻水栗11之間設(shè)置有用于將冷卻流道流出的高溫冷卻水降溫為低溫冷卻水的換熱器12。本發(fā)明還對高溫冷卻水進(jìn)行回收利用，形成冷卻水循環(huán)。
[0025]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，氫氣供應(yīng)裝置包括氫氣反應(yīng)器I，氫氣反應(yīng)器I的入口通過氫氣反應(yīng)器水栗16與冷卻水箱13連接，氫氣反應(yīng)器I的出口通過單向閥2與電堆3的氫氣入口連接，其中，氫氣反應(yīng)器I為氫化鎂水解制氫反應(yīng)器。氫氣反應(yīng)器設(shè)置在電堆的氫氣入口前端，氫氣反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生氫化鎂水解制氫反應(yīng)，其反應(yīng)化學(xué)方程式:
[0026]MgH2+2H20^Mg (OH) 2+2H2 (I)
[0027]氫化態(tài)鎂與水反應(yīng)制氫，這種方法充分發(fā)揮了鎂的大容量儲氫功能，理論儲氫量可達(dá)15.31wt%，其與水在低溫就能發(fā)生反應(yīng)，且產(chǎn)氫速率快，可以滿足電堆發(fā)電在線需求，氫氣反應(yīng)器所需的水由冷卻水箱提供，并通過氫氣反應(yīng)器水栗根據(jù)氫氣反應(yīng)量對水量的需求輸送至氫氣反應(yīng)器。冷卻水箱中水的溫度通常高于常溫，高溫水可以提高制氫速率。
[0028]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，氫氣供應(yīng)裝置還包括用于回收電堆3內(nèi)未參與反應(yīng)氫氣的氫氣緩沖罐4，氫氣緩沖罐通4過氫氣循環(huán)栗5與電堆3的氫氣入口連接。未參與反應(yīng)的氫氣儲存在氫氣緩沖罐內(nèi)，通過氫氣循環(huán)栗運(yùn)送至電堆氫氣入口重新進(jìn)行反應(yīng)，從而形成了氫氣循環(huán)回路，提高了系統(tǒng)的氫氣利用率。
[0029]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，氫氣緩沖罐4上還設(shè)置有用于排放罐內(nèi)氫氣的電磁閥6。遇到緊急情況時(shí)可以打開電磁閥，及時(shí)排放氫氣緩沖罐內(nèi)的氫氣，避免其對系統(tǒng)造成危害，起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。
[0030]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1所示，空氣供應(yīng)裝置包括依次連接的空氣過濾器
8、空氣壓縮機(jī)7、壓力調(diào)節(jié)閥9和空氣加濕器10，空氣過濾器8與外部大氣連接，空氣加濕器10與電堆的空氣入口連接?？諝饨?jīng)過空氣過濾器由空氣壓縮機(jī)提升壓力，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓后到達(dá)空氣加濕器，經(jīng)過加濕的空氣進(jìn)入電堆進(jìn)行反應(yīng)，電堆空氣尾氣被強(qiáng)制冷凝后從空氣冷凝箱出口排入大氣中。為了提高電堆的功率，往往需要對空氣進(jìn)行加濕，以提高質(zhì)子電導(dǎo)率。
[0031]本發(fā)明在具體應(yīng)用時(shí)，使用氫氣反應(yīng)器取代氫氣瓶作為氫氣源，氫氣反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生氫化鎂水解制氫反應(yīng)，直接在線供氫給電堆進(jìn)行發(fā)電，減小了氫氣供應(yīng)裝置的重量、體積和成本。氫氣通過單向閥運(yùn)送至電堆內(nèi)，可以避免循環(huán)回路的氫氣倒流入氫氣反應(yīng)器，確保氫氣單向流動(dòng)，防止對系統(tǒng)造成危害。氫氣反應(yīng)器制氫所需的水由冷卻水箱提供，通過氫氣反應(yīng)器水栗運(yùn)行至氫氣反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)過程中無需對氫氣進(jìn)行額外加濕，簡化了氫氣供應(yīng)裝置的氫氣加濕器。未參與反應(yīng)的氫氣儲存在氫氣緩沖罐內(nèi)，通過氫氣循環(huán)栗運(yùn)送至電堆氫氣入口重新進(jìn)行反應(yīng)。遇到緊急情況時(shí)可以及時(shí)電磁閥，排放氫氣緩沖罐內(nèi)的氫氣。本發(fā)明還在電堆出口設(shè)置冷凝箱，通過冷凝風(fēng)扇對出口空氣尾氣進(jìn)行強(qiáng)制冷凝，提高電堆內(nèi)外水蒸氣濃度梯度，加速水從電堆內(nèi)排出，緩解電池水淹，冷凝箱可收集出口尾氣冷凝出的液態(tài)水，并將其送入冷卻水箱，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。
[0032]尾氣冷凝箱收集的液態(tài)水主要由兩部分組成，分別是電堆反應(yīng)生成的水以及空氣加濕水。其中電堆反應(yīng)生成的水:2H2+02^2H20 (2)
[0033]空氣加濕水根據(jù)空氣量，相對濕度以及溫度來確定。由公式(I)和(2)可知，理論上電堆反應(yīng)生成的水正好可以滿足制氫量的需求。但實(shí)際上反應(yīng)生成的水不能完全冷凝成液態(tài)水，此外，部分水會留在電池內(nèi)，然而這兩部分損失水可以由空氣加濕水來彌補(bǔ)。因此，通過合理的空氣加濕以及提高冷凝效率，冷凝箱收集的液態(tài)水可以單獨(dú)滿足氫氣反應(yīng)器的要求。冷凝箱收集的液態(tài)水通過管道導(dǎo)入冷卻水箱循環(huán)利用。由于從冷凝箱導(dǎo)入的液態(tài)水可以抵消氫氣反應(yīng)器用水，因而電堆運(yùn)行過程中不需對冷卻水箱進(jìn)行補(bǔ)水。
[0034]電堆在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量通過冷卻裝置進(jìn)行熱交換，從電堆出來的高溫水先流入冷卻水箱，在冷卻水栗的驅(qū)動(dòng)下，冷卻水在散熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換后重新進(jìn)入電堆，如此形成冷卻水循環(huán)，將電堆產(chǎn)生的熱量帶走。
[0035]應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種緩解電池水淹的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括利用含氧氣體和含氫氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電的電堆、用于向所述電堆供應(yīng)加濕的含氧氣體的空氣供應(yīng)裝置、用于向所述電堆供應(yīng)含氫氣體的氫氣供應(yīng)裝置以及用于將所述電堆在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)入的冷卻水之間進(jìn)行熱交換的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括冷卻水箱、冷卻水栗以及設(shè)置在所述電堆內(nèi)的冷卻流道； 其特征在于，該系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述電堆的空氣出口處用于冷凝空氣尾氣的冷凝裝置，所述冷凝裝置的氣體出口與外部連通，所述冷凝裝置的液態(tài)水出口與所述冷卻水箱連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝裝置包括冷凝箱以及設(shè)置在所述冷凝箱內(nèi)的冷凝風(fēng)扇，所述冷凝箱的空氣入口與電堆連接，所述冷凝箱的液態(tài)水出口與所述冷卻水箱連接，所述冷凝箱的空氣出口與外部大氣連通。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻水箱還與冷卻流道的出口連接，所述冷卻水箱與冷卻水栗之間設(shè)置有用于將冷卻流道流出的高溫冷卻水降溫為低溫冷卻水的換熱器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣供應(yīng)裝置包括氫氣反應(yīng)器，所述氫氣反應(yīng)器的入口通過氫氣反應(yīng)器水栗與冷卻水箱連接，所述氫氣反應(yīng)器的出口通過單向閥與所述電堆的氫氣入口連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣反應(yīng)器為氫化鎂水解制氫反應(yīng)器。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣供應(yīng)裝置還包括用于回收所述電堆內(nèi)未參與反應(yīng)氫氣的氫氣緩沖罐，所述氫氣緩沖罐通過氫氣循環(huán)栗與所述電堆的氫氣入口連接。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣緩沖罐上還設(shè)置有用于排放罐內(nèi)氫氣的電磁閥。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣供應(yīng)裝置包括依次連接的空氣過濾器、空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥和空氣加濕器，所述空氣過濾器與外部大氣連接，所述空氣加濕器與所述電堆的空氣入口連接。
【文檔編號】H01M8/04828GK106099143SQ201610472255
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】陳奔, 涂正凱, 羅馬吉, 王俊, 吳凡, 潘牧
【申請人】武漢理工大學(xué)