CN106099143A - 一种缓解电池水淹的燃料电池*** - Google Patents

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涂正凯
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王俊
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Abstract

本发明公开了一种缓解电池水淹的燃料电池***，该***包括利用含氧气体和含氢气体之间的电化学反应产生电的电堆、用于向所述电堆供应加湿的含氧气体的空气供应装置、用于向所述电堆供应含氢气体的氢气供应装置以及用于将所述电堆在发电过程中产生的热量与导入的冷却水之间进行热交换的冷却装置，所述冷却装置包括冷却水箱、冷却水泵以及设置在所述电堆内的冷却流道；该***还包括设置在所述电堆的空气出口处用于冷凝空气尾气的冷凝装置，所述冷凝装置的气体出口与外部连通，所述冷凝装置的液态水出口与所述冷却水箱连接。本发明能有效缓解电池水淹，提高电堆功率。

Description

一种缓解电池水淹的燃料电池***
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种缓解电池水淹的燃料电池***。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化成电能的能量转化装置，以其能量转换效率高、可靠性高、环境友好、噪音低、工作温度低、应用范围广以及寿命长等突出等优点，越来越受到广泛的关注，被誉为优秀的动力源。水气管理是燃料电池急需解决的关键问题之一。在燃料电池运行过程中，电池内部的水应严格地维持平衡，以解决膜的水润化需求以及防止电池阴极水淹两者之间的矛盾。目前通常对反应气体进行加湿来保持电极较高的含水量以确保合理的质子电导率。然而，在运行过程中阴极持续不断生成水，当水蒸气分压达到其饱和蒸汽压力时会有液态水析出，特别是在高功率下反应生成的液态水速率加快，若液态水不能及时排出将会引起“水淹”。“水淹”区域气体传输通道被堵塞，降低了电池的有效发电面积，引起性能急剧下降，严重则会引起电池反极，对电池造成不可逆的损坏。
传统燃料电池***的氢气尾气通常直接排放大气中，这会带来多方面不利的影响，同时也降低了氢气利用率，一般氢气利用率约为65％-95％。相关研究人员通过尾气催化燃料的方法将未反应的氢气直接燃烧掉，避免了氢气直接排放到大气中造成危害，但这不能解决氢气利用率问题。此外，需要额外设置尾气处理器，往往需要贵金属作为催化剂，这增加了***的体积、重量和成本。
基于这些存在的问题，有必要发明一种新的燃料电池***。
发明内容
本发明的目的在于提供一种缓解电池水淹的燃料电池***，它能有效缓解电池水淹，提高电堆功率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种缓解电池水淹的燃料电池***，该***包括利用含氧气体和含氢气体之间的电化学反应产生电的电堆、用于向所述电堆供应加湿的含氧气体的空气供应装置、用于向所述电堆供应含氢气体的氢气供应装置以及用于将所述电堆在发电过程中产生的热量与导入的冷却水之间进行热交换的冷却装置，所述冷却装置包括冷却水箱、冷却水泵以及设置在所述电堆内的冷却流道；
该***还包括设置在所述电堆的空气出口处用于冷凝空气尾气的冷凝装置，所述冷凝装置的气体出口与外部连通，所述冷凝装置的液态水出口与所述冷却水箱连接。
按上述技术方案，所述冷凝装置包括冷凝箱以及设置在所述冷凝箱内的冷凝风扇，所述冷凝箱的空气入口与电堆连接，所述冷凝箱的液态水出口与所述冷却水箱连接，所述冷凝箱的空气出口与外部大气连通。
按上述技术方案，所述冷却水箱还与冷却流道的出口连接，所述冷却水箱与冷却水泵之间设置有用于将冷却流道流出的高温冷却水降温为低温冷却水的换热器。
按上述技术方案，所述氢气供应装置包括氢气反应器，所述氢气反应器的入口通过氢气反应器水泵与冷却水箱连接，所述氢气反应器的出口通过单向阀与所述电堆的氢气入口连接。
按上述技术方案，所述氢气反应器为氢化镁水解制氢反应器。
按上述技术方案，所述氢气供应装置还包括用于回收所述电堆内未参与反应氢气的氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐通过氢气循环泵与所述电堆的氢气入口连接。
按上述技术方案，所述氢气缓冲罐上还设置有用于排放罐内氢气的电磁阀。
按上述技术方案，所述空气供应装置包括依次连接的空气过滤器、空气压缩机、压力调节阀和空气加湿器，所述空气过滤器与外部大气连接，所述空气加湿器与所述电堆的空气入口连接。
本发明，具有以下有益效果：由于电堆反应过程中会生成水，这会引起靠近电堆出口区域“水淹”，从而造成电堆性能急剧下降，甚至会引起反极以及电堆失效等，本发明通过设置冷凝装置，对电堆空气出口处的空气尾气进行强制冷凝，一方面可以提高电堆内外水蒸气浓度梯度，由菲克定律可知，这样可以加速水蒸气从浓度高的电堆流向浓度低的冷凝装置，且在冷凝装置内被冷凝成液态水，另一方面，由于电堆内水蒸气的流失，促使液态水蒸发成水蒸气，从而将液态水从电堆内部转移到冷凝装置，缓解了电堆“水淹”，提高了电堆功率，尾气冷凝出的液态水可以送入冷却水箱进行回收利用，冷凝后的空气直接排入大气中。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图。
图中：1-氢气反应器，2-单向阀，3-电堆，4-氢气缓冲罐，5-氢气循环泵，6-电磁阀，7-空气压缩机，8-空气过滤器，9-压力调节阀，10-空气加湿器，11-冷却水泵，12-换热器，13-冷却水箱，14-冷凝箱，15-冷凝风扇，16-氢气反应器水泵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的较佳实施例中，如图1所示，一种缓解电池水淹的燃料电池***，该***包括利用含氧气体和含氢气体之间的电化学反应产生电的电堆3、用于向电堆3供应加湿的含氧气体的空气供应装置、用于向电堆3供应含氢气体的氢气供应装置以及用于将电堆3在发电过程中产生的热量与导入的冷却水之间进行热交换的冷却装置，冷却装置包括冷却水箱13、冷却水泵11以及设置在电堆3内的冷却流道；
该***还包括设置在电堆3的空气出口处用于冷凝空气尾气的冷凝装置，冷凝装置的气体出口与外部连通，冷凝装置的液态水出口与冷却水箱13连接。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，冷凝装置包括冷凝箱14以及设置在冷凝箱14内的冷凝风扇15，冷凝箱14的空气入口与电堆3连接，冷凝箱14的液态水出口与冷却水箱12连接，冷凝箱14的空气出口与外部大气连通。该冷凝装置结构简单、效果好、成本小。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，冷却水箱13还与冷却流道的出口连接，冷却水箱13与冷却水泵11之间设置有用于将冷却流道流出的高温冷却水降温为低温冷却水的换热器12。本发明还对高温冷却水进行回收利用，形成冷却水循环。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，氢气供应装置包括氢气反应器1，氢气反应器1的入口通过氢气反应器水泵16与冷却水箱13连接，氢气反应器1的出口通过单向阀2与电堆3的氢气入口连接，其中，氢气反应器1为氢化镁水解制氢反应器。氢气反应器设置在电堆的氢气入口前端，氢气反应器内发生氢化镁水解制氢反应，其反应化学方程式：
MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2 (1)
氢化态镁与水反应制氢，这种方法充分发挥了镁的大容量储氢功能，理论储氢量可达15.31wt％，其与水在低温就能发生反应，且产氢速率快，可以满足电堆发电在线需求，氢气反应器所需的水由冷却水箱提供，并通过氢气反应器水泵根据氢气反应量对水量的需求输送至氢气反应器。冷却水箱中水的温度通常高于常温，高温水可以提高制氢速率。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，氢气供应装置还包括用于回收电堆3内未参与反应氢气的氢气缓冲罐4，氢气缓冲罐通4过氢气循环泵5与电堆3的氢气入口连接。未参与反应的氢气储存在氢气缓冲罐内，通过氢气循环泵运送至电堆氢气入口重新进行反应，从而形成了氢气循环回路，提高了***的氢气利用率。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，氢气缓冲罐4上还设置有用于排放罐内氢气的电磁阀6。遇到紧急情况时可以打开电磁阀，及时排放氢气缓冲罐内的氢气，避免其对***造成危害，起到保护***的作用。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，空气供应装置包括依次连接的空气过滤器8、空气压缩机7、压力调节阀9和空气加湿器10，空气过滤器8与外部大气连接，空气加湿器10与电堆的空气入口连接。空气经过空气过滤器由空气压缩机提升压力，经过压力调节阀稳压后到达空气加湿器，经过加湿的空气进入电堆进行反应，电堆空气尾气被强制冷凝后从空气冷凝箱出口排入大气中。为了提高电堆的功率，往往需要对空气进行加湿，以提高质子电导率。
本发明在具体应用时，使用氢气反应器取代氢气瓶作为氢气源，氢气反应器内发生氢化镁水解制氢反应，直接在线供氢给电堆进行发电，减小了氢气供应装置的重量、体积和成本。氢气通过单向阀运送至电堆内，可以避免循环回路的氢气倒流入氢气反应器，确保氢气单向流动，防止对***造成危害。氢气反应器制氢所需的水由冷却水箱提供，通过氢气反应器水泵运行至氢气反应器内，反应过程中无需对氢气进行额外加湿，简化了氢气供应装置的氢气加湿器。未参与反应的氢气储存在氢气缓冲罐内，通过氢气循环泵运送至电堆氢气入口重新进行反应。遇到紧急情况时可以及时电磁阀，排放氢气缓冲罐内的氢气。本发明还在电堆出口设置冷凝箱，通过冷凝风扇对出口空气尾气进行强制冷凝，提高电堆内外水蒸气浓度梯度，加速水从电堆内排出，缓解电池水淹，冷凝箱可收集出口尾气冷凝出的液态水，并将其送入冷却水箱，实现循环利用。
尾气冷凝箱收集的液态水主要由两部分组成，分别是电堆反应生成的水以及空气加湿水。其中电堆反应生成的水：2H2+O2→2H2O (2)
空气加湿水根据空气量，相对湿度以及温度来确定。由公式(1)和(2)可知，理论上电堆反应生成的水正好可以满足制氢量的需求。但实际上反应生成的水不能完全冷凝成液态水，此外，部分水会留在电池内，然而这两部分损失水可以由空气加湿水来弥补。因此，通过合理的空气加湿以及提高冷凝效率，冷凝箱收集的液态水可以单独满足氢气反应器的要求。冷凝箱收集的液态水通过管道导入冷却水箱循环利用。由于从冷凝箱导入的液态水可以抵消氢气反应器用水，因而电堆运行过程中不需对冷却水箱进行补水。
电堆在发电过程中产生的热量通过冷却装置进行热交换，从电堆出来的高温水先流入冷却水箱，在冷却水泵的驱动下，冷却水在散热器内进行热交换后重新进入电堆，如此形成冷却水循环，将电堆产生的热量带走。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种缓解电池水淹的燃料电池***，该***包括利用含氧气体和含氢气体之间的电化学反应产生电的电堆、用于向所述电堆供应加湿的含氧气体的空气供应装置、用于向所述电堆供应含氢气体的氢气供应装置以及用于将所述电堆在发电过程中产生的热量与导入的冷却水之间进行热交换的冷却装置，所述冷却装置包括冷却水箱、冷却水泵以及设置在所述电堆内的冷却流道；
其特征在于，该***还包括设置在所述电堆的空气出口处用于冷凝空气尾气的冷凝装置，所述冷凝装置的气体出口与外部连通，所述冷凝装置的液态水出口与所述冷却水箱连接。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述冷凝装置包括冷凝箱以及设置在所述冷凝箱内的冷凝风扇，所述冷凝箱的空气入口与电堆连接，所述冷凝箱的液态水出口与所述冷却水箱连接，所述冷凝箱的空气出口与外部大气连通。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述冷却水箱还与冷却流道的出口连接，所述冷却水箱与冷却水泵之间设置有用于将冷却流道流出的高温冷却水降温为低温冷却水的换热器。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述氢气供应装置包括氢气反应器，所述氢气反应器的入口通过氢气反应器水泵与冷却水箱连接，所述氢气反应器的出口通过单向阀与所述电堆的氢气入口连接。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述氢气反应器为氢化镁水解制氢反应器。
6.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述氢气供应装置还包括用于回收所述电堆内未参与反应氢气的氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐通过氢气循环泵与所述电堆的氢气入口连接。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述氢气缓冲罐上还设置有用于排放罐内氢气的电磁阀。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述空气供应装置包括依次连接的空气过滤器、空气压缩机、压力调节阀和空气加湿器，所述空气过滤器与外部大气连接，所述空气加湿器与所述电堆的空气入口连接。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108400353A (zh) * 2018-02-01 2018-08-14 广东国鸿氢能科技有限公司 船用氢燃料电池***
CN109280935A (zh) * 2018-11-15 2019-01-29 深圳市凯豪达氢能源有限公司 制氢装置
CN111063916A (zh) * 2019-12-27 2020-04-24 电子科技大学 燃料电池阳极水管理***与控制方法
CN112599818A (zh) * 2020-12-14 2021-04-02 上海矗鑫实业有限公司 一种质子燃料电池水管理***
CN112682691A (zh) * 2021-01-12 2021-04-20 江苏国富氢能技术装备股份有限公司 用于液氢储运型加氢站的氢气加注***
CN115000474A (zh) * 2022-07-01 2022-09-02 国家电投集团氢能科技发展有限公司 空冷型氢燃料电池尾气处理***和空冷型氢燃料电池***

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009099534A (ja) * 2007-09-28 2009-05-07 Bio Coke Lab Co Ltd 発電装置、発電方法及び水素化マグネシウム粒子の製造方法
CN103337644A (zh) * 2013-05-28 2013-10-02 武汉理工大学 一种氢氧燃料电池尾气净化***
CN103579652A (zh) * 2013-06-25 2014-02-12 哈尔滨工业大学（威海） 一种氢化镁水解供氢的燃料电池发电***

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009099534A (ja) * 2007-09-28 2009-05-07 Bio Coke Lab Co Ltd 発電装置、発電方法及び水素化マグネシウム粒子の製造方法
CN103337644A (zh) * 2013-05-28 2013-10-02 武汉理工大学 一种氢氧燃料电池尾气净化***
CN103579652A (zh) * 2013-06-25 2014-02-12 哈尔滨工业大学（威海） 一种氢化镁水解供氢的燃料电池发电***

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中国电工技术学会编: "《电工高新技术丛书 第1卷》", 31 January 2001, 机械工业出版社 *
涂正凯等: ""PEMFC尾气冷凝的自增湿运行"", 《工程热物理学报》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108400353A (zh) * 2018-02-01 2018-08-14 广东国鸿氢能科技有限公司 船用氢燃料电池***
CN109280935A (zh) * 2018-11-15 2019-01-29 深圳市凯豪达氢能源有限公司 制氢装置
CN109280935B (zh) * 2018-11-15 2024-03-15 深圳市凯豪达氢能源有限公司 制氢装置
CN111063916A (zh) * 2019-12-27 2020-04-24 电子科技大学 燃料电池阳极水管理***与控制方法
CN111063916B (zh) * 2019-12-27 2020-08-11 电子科技大学 燃料电池阳极水管理***与控制方法
CN112599818A (zh) * 2020-12-14 2021-04-02 上海矗鑫实业有限公司 一种质子燃料电池水管理***
CN112682691A (zh) * 2021-01-12 2021-04-20 江苏国富氢能技术装备股份有限公司 用于液氢储运型加氢站的氢气加注***
CN115000474A (zh) * 2022-07-01 2022-09-02 国家电投集团氢能科技发展有限公司 空冷型氢燃料电池尾气处理***和空冷型氢燃料电池***

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