一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置的製作方法
2023-04-26 00:06:06
專利名稱：一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的輔助裝置，尤其涉及一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，並在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在採用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，並與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在採用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、衝壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，並作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收並帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可用作手提式、移動式和固定式的發電裝置。
質子交換膜燃料電池作為運載工具的動力系統，用作發電站時一般以純氫為燃料，以空氣為氧化劑。燃料電池處於運行狀態放電時，一般都伴隨著大量產物水生成。生成的產物水可以在燃料電池的陰極區出現，也可以在燃料電池的陽極區出現。為了保證燃料電池的正常運行與性能不下降，往往需要用過量的燃料氫氣、氧化劑空氣將燃料電池內部生成的水帶出，即燃料電池必須需要燃料氫氣、氧化劑空氣在大於1的計量比的狀態下進行運行，這樣過量的燃料氫氣與過量的空氣部分會攜帶燃料電池內部的水直接排放到電池外部。
雖然採用過量的空氣攜帶燃料電池內部生成的水一同直接排放到燃料電池外部，是既安全又可行的；但是採用過量的燃料氫氣攜帶燃料電池陽極區的水一同排放到燃料電池外部是不可行的，因為這樣做往往浪費了寶貴的燃料氫氣，而且氫氣直接往外排放是很危險的。為了既可以將燃料氫氣充分利用，又能將燃料電池內部生成的水帶出，一般採用一種氫氣循環泵，這種氫氣循環泵設置在燃料電池氫氣排出口與循環回燃料電池氫氣入口之間。如圖1所示，包括儲氫罐1a、氫氣調節閥2a、燃料電池堆3a、氫氣壓力計P1a、P2a、水氫分離器4a、氫氣循環壓縮泵5a。
目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所設計的燃料電池堆一般在壓力下運行。運行空氣與氫氣的相對壓力一般在一個大氣壓以上；並且，燃料電池堆的設計一般也適合在壓力下運行，其主要特點是燃料電池進口空氣壓力與出口空氣壓力，以及燃料電池進口氫氣壓力與出口氫氣壓力之間的壓差ΔP較大，大約在0.2～0.4個大氣壓之間。
對於目前這種較高壓力運行的燃料電池堆，由於進燃料電池堆的流體需要克服燃料電池堆內部的阻力而產生了較大的進、出口流體壓力差(ΔP)，使氫氣循環泵在應用要求上產生了如下的特點(1)氫氣循環泵一般是容積式的流體壓縮泵，如隔膜式，活塞式，渦旋式的氫氣壓縮泵，這種泵可以在泵的吸入口與吐出口達到較大的氫氣壓力差。
(2)這種容積式的流體壓縮泵在循環較大流量的氫氣時〔如數百升/分鐘流量〕需要消耗較大的功率。
(3)這種容積式的流體壓縮泵噪聲較大，而且不易密封，容易產生氫氣洩漏。
另外，一種能將燃料電池堆排出的氫氣循環回來的技術是美國專利US Patent5441821(1995年)，該專利技術採用了一種彈射泵的技術，如圖2所示。這種彈射泵在高壓氣體(氫氣)快速通過彈射泵的狹窄通道時，可以產生一定的真空吸引，從而把多餘的氫氣從燃料電池堆排出口吸回來。但採用這種技術有以下缺點(1)彈射泵的加工要求很高，而且每種加工的彈射泵只能在特定的工作條件下工作，缺乏自動變化，例如在彈射泵前端的氣體工作壓力不變的情況下，一定的流量進入燃料電池堆只能吸回一定流量的返回循環氫氣。當進入燃料電池的流量變化時或靜止流動時，彈射泵就缺乏自我變化功能。如圖2所示，包括儲氫罐1b，燃料電池堆3b，水-氫分離器4b，壓力計Pb，彈射泵6b，氫氣出口7b，水箱8b，泵9b，空氣10b，水-氣分離器11b。
(2)這種彈射泵只能在高壓氣體快速流動時才會出現吸回一定流量的返回氫氣，所以也只適合於高壓運行的燃料電池。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種結構簡單、能耗較低的適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置，包括儲氫罐、氫氣調節閥、燃料電池堆、氫氣壓力計、水氫分離器、氫氣循環輸送器，所述的儲氫罐通過氫氣調節閥與燃料電池堆的氫氣進口連接，所述的壓力計設在燃料電池堆的氫氣進出口處，所述的水氫分離器的進口與燃料電池堆的氫氣出口連接，其出口與氫氣循環輸送器的進口連接，所述的氫氣循環輸送器的出口與燃料電池堆的氫氣進口連接，其特徵在於，所述的燃料電池堆的氫氣進口壓力與出口壓力差很小，所述的氫氣循環輸送器為管路風機。
所述的燃料電池堆的氫氣進口壓力與出口壓力差小於3/14個大氣壓。
所述的管路風機的葉輪與殼體為獨立的一體，無接觸磨擦，無洩漏。
所述的葉輪與殼體採用工程塑料、陶瓷或不鏽鋼材料。
與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果(1)利用管路風機來實現氫氣循環，利用了其具有運行噪聲低、運行壓力低的特點。
(2)氫氣密封主要在軸承密封，也可以用磁力驅動葉輪，這樣，整個風機殼與葉輪就成為獨立的一體，氫氣密封就安全、簡單了。
(3)由於氫氣進燃料電池壓力與出燃料電池出口壓差很小，本身運行壓力也低，採用管路風機可以將大流量的氫氣循環回來，同時功率消耗又很小。
(4)風機葉輪與殼體無接觸磨擦，一般由工程塑料材料、陶瓷材料、不鏽鋼等製作，價格低廉。
圖1為現有技術的結構示意圖；圖2為另一現有技術的結構示意圖；圖3為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖3所示，一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置，包括儲氫罐1、氫氣調節閥2、燃料電池堆3、氫氣壓力計P1、P2、水氫分離器4、管路風機5，所述的儲氫罐1通過氫氣調節閥2與燃料電池堆3的氫氣進口連接，所述的壓力計P1、P2分別設在燃料電池堆3的氫氣進出口處，所述的水氫分離器4的進口與燃料電池堆3的氫氣出口連接，其出口與管路風機5的進口連接，所述的管路風機5的出口與燃料電池堆3的氫氣進口連接。
本發明在燃料電池堆工程設計上改變氫氣、空氣導流極板的流場，使氫氣、空氣在流經導流極板的流場過程中流動阻力很小，大約小於3/14個大氣壓。保證燃料電池堆在很小的氫氣、空氣壓力下運行，甚至在接近常壓下運行。這樣，燃料電池堆氫氣進口壓力與氫氣出口壓力差就可以非常小(小於3/14個大氣壓)。在這種情況下的氫氣循環利用裝置可以使用管路式風機，這種管路式風機不是容積式的流體壓縮裝置，而是一種靠快速旋轉的葉輪來帶動氫氣等流體快速流動並達到壓縮效果的裝置。
權利要求
1.一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置，包括儲氫罐、氫氣調節閥、燃料電池堆、氫氣壓力計、水氫分離器、氫氣循環輸送器，所述的儲氫罐通過氫氣調節閥與燃料電池堆的氫氣進口連接，所述的壓力計設在燃料電池堆的氫氣進出口處，所述的水氫分離器的進口與燃料電池堆的氫氣出口連接，其出口與氫氣循環輸送器的進口連接，所述的氫氣循環輸送器的出口與燃料電池堆的氫氣進口連接，其特徵在於，所述的燃料電池堆的氫氣進口壓力與出口壓力差很小，所述的氫氣循環輸送器為管路風機。
2.根據權利要求1所述的適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置，其特徵在於，所述的燃料電池堆的氫氣進口壓力與出口壓力差小於3/14個大氣壓。
3.根據權利要求1所述的適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置，其特徵在於，所述的管路風機的葉輪與殼體為獨立的一體，無接觸磨擦，無洩漏。
4.根據權利要求1或3所述的適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置，其特徵在於，所述的葉輪與殼體採用工程塑料、陶瓷或不鏽鋼材料。
全文摘要
本發明涉及一種適合低壓運行的燃料電池氫氣循環利用裝置，包括儲氫罐、氫氣調節閥、燃料電池堆、氫氣壓力計、水氫分離器、管路風機，所述的儲氫罐通過氫氣調節閥與燃料電池堆的氫氣進口連接，所述的壓力計設在燃料電池堆的氫氣進出口處，所述的水氫分離器的進口與燃料電池堆的氫氣出口連接，其出口與管路風機的進口連接，所述的管路風機的出口與燃料電池堆的氫氣進口連接，所述的燃料電池堆的氫氣進口壓力與出口壓力差很小。與現有技術相比，本發明具有結構簡單、能耗較低、使用安全等優點。
文檔編號H01M8/04GK1567635SQ03141478
公開日2005年1月19日 申請日期2003年7月9日 優先權日2003年7月9日
發明者胡裡清, 夏建偉, 章波 申請人:上海神力科技有限公司