CN104134810A - 一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源*** - Google Patents

一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源*** Download PDF

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Abstract

本发明为一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其包括燃料电堆模块和与所述燃料电堆模块连接的氢气回路、空气回路、电堆冷却回路及负载，所述氢气回路上设有氢气背压控制阀及氢气增湿器，所述氢气背压控制阀与所述氢气增湿器连接，所述空气回路上设有空气背压控制阀及空气增湿器，所述空气背压控制阀与所述空气增湿器连接。与现有技术相比，本发明通过背压处理，能够根据实际负载需求对***燃料供给流量进行控制，提高了燃料的利用率，节约了成本，通过同时对氢气回路和空气回路的增湿保证了质子交换膜在低电流密度下有足够的湿度，从而提高了质子交换膜的质子传导率，并且延长了质子交换膜的使用寿命。

Description

一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***
【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池电源***，尤其涉及一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***。
【背景技术】
为保护环境，减少大气污染，解决当前的全球能源危机，科学家们正在寻找一种新型的能源技术来代替传统的化石燃料。以氢气和氧气为燃料的质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，因此受到了越来越多的关注。目前，PEMFC在交通、通讯等领域均有一定的应用。PEMFC以氢气与氧气为反应物，氢气在催化剂的作用下解离成氢离子，即质子，并释放出电子。氢离子穿过电解质膜到达阴极，实现质子导电。电子则通过外电路到达阴极，而阴极的氧气与氢离子和电子发生电化学反应生成水，整个过程的产物有水、电能和热能。其反应过程如下列方程式表示：
阳极(负极)：H2→2H++2e
阴极(正极)：1/2O2+2H++2e→H2O
电池反应：H2+1/2O2→H2O
燃料的压力不仅影响化学反应中的吉布斯自由能，进而直接影响到燃料电池的效率极限，还和气体扩散以及燃料电池内部排水有关，而且燃料压力的波动会使质子交换膜受损，因此在电堆的运行过程中燃料的压力应当控制在一个固定的值。同时，在不同负载电流下燃料的消耗量不同，所以应根据实际的负载的需求合理调整燃料的流量，以使得燃料的利用率最大。因此，为提高燃料电池电堆发电功率、发电效率及使用寿命，燃料电池***应对燃料的流量及压力进行精确而稳定的控制。与此同时，在低电流密度下电堆产生的水分较少，质子交换膜的湿度难以得到保证，影响了质子交换膜的质子传导率，进而降低了电堆的工作性能和质子交换膜的寿命，所以燃料在进入电堆前应具有一定的湿度。
因此，有必要提供一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种燃料利用率高、寿命长的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其包括燃料电堆模块和与所述燃料电堆模块连接的氢气回路、空气回路、电堆冷却回路及负载，所述氢气回路上设有氢气背压控制阀及氢气增湿器，所述氢气背压控制阀与所述氢气增湿器连接，所述空气回路上设有空气背压控制阀及空气增湿器，所述空气背压控制阀与所述空气增湿器连接。
与现有技术相比，本发明高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***的有益效果在于：本发明高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***通过背压处理，能够根据实际负载需求对***燃料供给流量进行控制，通过对氢气回路和空气回路的增湿保证了质子交换膜在低电流密度下有足够的湿度。
【附图说明】
图1为本发明高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***的结构示意图。
图2为图1中氢气回路的结构示意图。
图3为图1中空气回路的结构示意图。
图4为图1中电堆冷却回路的结构示意图。
附图中各部件的标记如下：1、燃料电堆模块，2、氢气回路，3、空气回路，4、电堆冷却回路，5、负载，6、氢气气源，7、氢气减压阀，8、氢气过滤器，9、氢气流量控制阀，10、氢气增湿器，11、氢进电磁阀，12、氢排电磁阀，13、氢气背压控制阀，14、氢气泄压电磁阀，15、氢气气液分离器，16、排水电磁阀，17、氢气循环泵，18、单向阀，19、氧气气源，20、空气过滤器，21、空气增湿器，22、空进电磁阀，23、空排电磁阀，24、空气背压控制阀，25、空气泄压电磁阀，26、水箱，27、第一电磁阀，28、第二电磁阀，29、去离子水处理装置，30、第三电磁阀，31、水泵，32、液体流量计，33、散热装置，34、水质监测仪，201、第一管道，202、第二管道，203、第三管道，204、第四管道，305、第五管道，306、第六管道，307、第七管道，308、第八管道，409、第九管道，410、第十管道。
【具体实施方式】
请参照图1-4所示，本发明一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其包括燃料电堆模块1和与所述燃料电堆模块1连接的氢气回路2、空气回路3、电堆冷却回路4及负载5。
氢气回路2包括第一管道201，所述第一管道201的一端连接有供应氢气的氢气气源6，所述第一管道201的另一端有两路分支，一路为第二管道202，另一路为第三管道303，氢气经过所述第一管道201分别输送至所述第二管道202和所述第三管道203，所述第二管道202与所述第三管道203形成第一连接点P，所述氢气气源6与所述第一连接点P之间按氢气流向依次串联有氢气减压阀7和氢气过滤器8，所述第二管道202上按氢气流向依次串联有氢气流量控制阀9、氢气增湿器10、氢进电磁阀11和氢排电磁阀12，所述氢排电磁阀12与所述氢气增湿器10连接，所述燃料电堆模1块位于氢进电磁阀11与所述氢排电磁阀12之间，所述第三管道203的末端与所述第一管道201连接形成第二连接点Q，所述第二连接点Q位于所述氢气过滤器8与所述第一连接点P之间，所述第三管道203上按氢气流向依次串联有氢气背压控制阀13、氢气气液分离器15、氢气循环泵17、单向阀18，所述氢气背压控制阀13上设有第四管道204，所述第四管道204上设有氢气泄压电磁阀14，所述氢气增湿器10与所述第四管道204连接，形成第三连接点R，所述第三连接点R位于所述氢气背压控制阀13与所述氢气泄压电磁阀14之间，所述氢气气液分离器15的末端连接有排水电磁阀16，所述氢气流量控制阀9为质量流量控制器或比例阀或伺服阀，所述氢气增湿器10为膜增湿器或焓轮增湿器，所述氢气背压控制阀13为比例阀或开度可调节的阀门，所述的氢气泄压电磁阀14为安全阀或泄压阀或电磁阀。
氢气回路的工作原理为：氢气从氢气气源6流出，进入第一管道201，经过氢气减压阀7和氢气过滤器8后在第一连接点P分为两路，一路进入第二管道202，先通过氢气流量控制阀9，再进入氢气增湿器10进行增湿，再通过氢进电磁阀11进入燃料电堆模块1与氧气发生反应后，尾排氢气经过氢排电磁阀12进入氢气增湿器10用于增湿干燥的氢气，另一路进入第三管道203，进入氢气背压控制阀24后，在第四管道204上的第三连接点R处遇到从氢气增湿器10中排出的氢气尾气后，相当于对尾气进行了“气堵”，因而燃料电堆模块1的氢气进气压力会升高，当压力达到预设的电堆工作压力值时，尾气会冲破“气堵”的障碍通过氢气背压控制阀24的排空出口进入氢气气液分离器15，从氢气气液分离器15流出的氢气则经过氢气循环泵17及单向阀18被泵回到第一管道201内。其中，***通过比较预设的电堆工作压力值与实际检测到的氢进压力值，然后对氢气背压控制阀24的背压值进行调节以改变氢气背压控制阀9出气口的压力或流量，从而调节燃料电池堆的氢气进气压力，并使之稳定在燃料电池堆实际所需的工作压力值；当***出现故障导致***氢气进气压力过高时，***会立刻做停机处理，并打开氢气泄压电磁阀14对***进行保护，本氢气回路根据实际负载需求对***燃料供给流量进行控制，在低电流密度运行时不会出现燃料过度浪费的现象，提高了燃料的利用率，节约了***运营成本。对燃料作了背压处理，提高了燃料电池堆的性能，同时，该背压***简单易控制，因而成本较低，适用于实际应用。
空气回路包括第五管道305，所述第五管道305的一端连接有供应氧气的氧气气源19，所述氧气气源19为用于鼓动动气的鼓风机，也可为其他氧气气源，如氧气瓶等，所述第五管道305的另一端有两路分支，一路为第六管道306，另一路为第七管道307，空气经过所述第五管道305分别输送至所述第六管道306和所述第七管道307，所述第六管道306与所述第七管道307形成第四连接点S，所述氧气气源19与所述第四连接点S之间设有空气过滤器20，所述第六管道306上按空气流向依次串联有空气增湿器21、空进电磁阀22和空排电磁阀23，所述空排电磁阀23与所述空气增湿器21连接，所述燃料电堆模块1位于所述空进电磁阀22与所述空排电磁阀23之间，所述第七管道307上设有空气背压控制阀24，所述空气背压控制阀24上设有第八管道308，所述第八管道308上设有空气泄压电磁阀25，所述空气增湿器21与所述第八管道308连接，形成第五连接点T，所述第五连接点T位于所述空气背压控制阀24与所述空气泄压电磁阀25之间，所述鼓风机可以通过调节风机的频率来改变鼓风量，所述空气增湿器21为膜增湿器或焓轮增湿器，所述的空气背压控制阀24为比例阀或开度可调节的阀门，所述空气泄压电磁阀25为安全阀或泄压阀或电磁阀。
空气回路的工作原理为：从鼓风机鼓出的空气经空气进入第五管道305，经过空气过滤器20后在第四连接点S分为两路，一路进入第六管道306，先通过空气增湿器21进行增湿，增湿后的空气经过空进电磁阀22后进入燃料电堆模块1与氢气发生反应，尾排空气经过空排电磁阀23进入空气增湿器21用于增湿干燥的空气，另一路则第七管道307，进入空气背压控制阀24，在第八管道308上的第五连接点T遇到从空气增湿器21排出的空气尾气后，相当于对尾气进行了“气堵”，因而燃料电堆模块的空气进气压力会升高，当压力达到预设的电堆工作压力值时，尾气会冲破“气堵”的障碍通过空气背压控制阀24的排空出口排人大气。其中，***通过比较预设的电堆工作压力值与实际检测到的空进压力值，然后对空气背压控制阀24的背压值进行调节以改变空气背压控制阀24出气口的压力或流量，从而调节燃料电堆模块的空气进气压力，并使之稳定在燃料电池堆实际所需的工作压力值；当***出现故障导致***空气进气压力过高时，***会立刻做停机处理，并打开空气泄压电磁阀25对***进行保护。本空气回路根据实际负载需求对***燃料供给流量进行控制，在低电流密度运行时不会出现燃料过度浪费的现象，提高了燃料的利用率，节约了***运营成本。对燃料作了背压处理，提高了燃料电池堆的性能，同时，该背压***简单易控制，因而成本较低，适用于实际应用。由于在低电流密度下，燃料电池堆反应产生的水分较少，只自增湿阴极燃料或只自增湿阳极燃料都难以保证质子交换膜有足够的湿度，而本发明同时对阴、阳极的燃料进行自增湿处理，一方面保证了质子交换膜在低电流密度下有足够的湿度，从而提高了质子交换膜的质子传导率，并且延长了质子交换膜的使用寿命，另一方面由于增湿器的增湿能力有限，因此在高电流时不会出现质子交换膜“水淹”的现象。与此同时，在增湿过程中也伴随有热量的传递，尾气中含有的部分热量传给了即将进入燃料电堆模块的燃料，提高了燃料的进气温度，从而提高了燃料电池堆的性能。
电堆冷却回路包括第九管道409，所述第九管道409为循环回路，其上依次设有水箱26、水泵31、第一电磁阀27、液体流量计32和散热装置33，所述散热装置33为散热风扇，也可为其他散热装置，所述燃料电池电堆1位于所述液体流量计32与所述散热装置33之间，所述第九管道409上连接第十管道410，所述第九管道409与所述第十管道410形成第六连接点U和第七连接点V，所述第六连接点U位于所述水泵31与所述第一电磁阀27之间，所述第七连接点V位于所述第一电磁阀27与所述液体流量计32之间，所述第十管路410上设有第二电磁阀28、去离子水处理装置29和第三电磁阀30，所述第二电磁阀28位于所述第六连接点U与所述去离子水处理装置29之间，所述第三电磁阀30位于所述去离子水处理装置29与所述第七连接点V之间，所述水箱26内设有用于测量去离子水的电导率的的水质监测仪34，所述的去离子水处理装置29为填充了阳离子交换树脂或阴离子交换树脂或混床树脂的单级或多级水过滤处理装置。
电堆冷却回路的工作原理为：***启动后，水箱26中的水质监测仪34会对水箱26中的去离子水的电导率进行监测，而水箱中的去离子水在水泵31的作用下流出水箱，到达第六连接点U，若去离子水的电导率没有高于电导率预设值时，则第一电磁阀27打开、第二电磁阀28和第三电磁阀29关闭，去离子水经过第七连接点V后直接进入液体流量计；若去离子水的电导率高于电导率预设值时，则第一电磁阀27关闭、第二电磁阀28和第三电磁阀29打开，去离子水经过去离子水处理装置29后再进入液体流量计32。去离子水流出液体流量计32后即进入燃料电堆模块1对燃料电堆模块1进行冷却，然后排出燃料电堆模块，再经过散热风扇后流回水箱26中。其中，散热风扇的运行功率由去离子水的进堆温度T1与***设定的电堆工作温度的差值决定。本电堆冷却回路进行去离子化处理，从而可以确保去离子水的电导率处于较低的水平，则电堆可以高效地持续运行，而无需人工更换去离子水，节约了人力和物力。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其包括燃料电堆模块和与所述燃料电堆模块连接的氢气回路、空气回路、电堆冷却回路及负载，其特征在于：所述氢气回路上设有氢气背压控制阀及氢气增湿器，所述氢气背压控制阀与所述氢气增湿器连接，所述空气回路上设有空气背压控制阀及空气增湿器，所述空气背压控制阀与所述空气增湿器连接。
2.如权利要求1所述的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其特征在于：所述电堆冷却回路上设有用于对水进行去离子化的去离子水处理装置。
3.如权利要求1所述的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其特征在于：所述氢气回路包括第一管道，所述第一管道的一端连接有供应氢气的氢气气源，所述第一管道的另一端有两路分支，一路为第二管道，另一路为第三管道，氢气经过所述第一管道分别输送至所述第二管道和所述第三管道，所述第二管道与所述第三管道形成第一连接点，所述氢气气源与所述第一连接点之间按氢气流向依次串联有氢气减压阀和氢气过滤器，所述第二管道上按氢气流向依次串联有氢气流量控制阀、氢气增湿器、氢进电磁阀和氢排电磁阀，所述氢排电磁阀与所述氢气增湿器连接，所述燃料电堆模块位于氢进电磁阀与所述氢排电磁阀之间，所述第三管道的末端与所述第一管道连接形成第二连接点，所述第二连接点位于所述氢气过滤器与所述第一连接点之间，所述第三管道上按氢气流向依次串联有氢气背压控制阀、氢气气液分离器、氢气循环泵、单向阀，所述氢气背压控制阀上设有第四管道，所述第四管道上设有氢气泄压电磁阀，所述氢气增湿器与所述第四管道连接，形成第三连接点，所述第三连接点位于所述氢气背压控制阀与所述氢气泄压电磁阀之间。
4.如权利要求3所述的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其特征在于：所述氢气气液分离器的末端连接有排水电磁阀。
5.如权利要求1所述的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其特征在于：所述空气回路包括第五管道，所述第五管道的一端连接有供应氧气的氧气气源，所述第五管道的另一端有两路分支，一路为第六管道，另一路为第七管道，空气经过所述第五管道分别输送至所述第六管道和所述第七管道，所述第六管道与所述第七管道形成第四连接点，所述氧气气源与所述第四连接点之间设有空气过滤器，所述第六管道上按空气流向依次串联有空气增湿器、空进电磁阀和空排电磁阀，所述空排电磁阀与所述空气增湿器连接，所述燃料电堆模块位于所述空进电磁阀与所述空排电磁阀之间，所述第七管道上设有空气背压控制阀，所述空气背压控制阀上设有第八管道，所述第八管道上设有空气泄压电磁阀，所述空气增湿器与所述第八管道连接，形成第五连接点，所述第五连接点位于所述空气背压控制阀与所述空气泄压电磁阀之间。
6.如权利要求5所述的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其特征在于：所述氧气气源为用于鼓动动气的鼓风机。
7.如权利要求2所述的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其特征在于：所述电堆冷却回路包括第九管道，所述第九管道为循环回路，其上依次设有水箱、水泵、第一电磁阀、液体流量计和散热装置，所述燃料电池电堆位于所述液体流量计与所述散热装置之间，所述第九管道上连接第十管道，所述第九管道与所述第十管道形成第六连接点和第七连接点，所述第六连接点位于所述水泵与所述第一电磁阀之间，所述第七连接点位于所述第一电磁阀与所述液体流量计之间，所述第十管路上设有第二电磁阀、去离子水处理装置和第三电磁阀，所述第二电磁阀位于所述第六连接点与所述去离子水处理装置之间，所述第三电磁阀位于所述去离子水处理装置与所述第七连接点之间。
8.如权利要求7所述的高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源***，其特征在于：所述散热装置为散热风扇。
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