氫氧型質子交換膜燃料電池及其供氣、排水方法技術

本發明專利技術公開了一種氫氧型質子交換膜燃料電池及其供氣、排水方法，在電池的尾氣管路設置儲氣容器，在反應氣管路入口部位設置閥門，該電池工作時閥門大部分時間處于關閉狀態，每過一段時間開啟較短時間，從而依靠前期反應氣消耗所形成的壓差而產生較大的瞬時沖擊氣流，帶走反應氣流道內前期生成的水，同時尾氣不排放或間隔很長時間排放，這樣就能使反應氣的凈排放接近于零，從而產生較高的能源效率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及燃料電池，尤其涉及氫氧型質子交換膜燃料電池。
技術介紹
氫氧型質子交換膜燃料電池是一種將氫氣和氧氣通過電池反應產生電能的裝置，如圖1所示，一般包括電池堆、O2氣源、H2氣源、加濕系統、冷卻系統、控制系統等部分，圖中，21-氫氣氣源，22-氫氣加濕器，23-氧氣氣源，24-氧氣加濕器，25-氫氣減壓閥，26-氧氣減壓閥，27-氫氣排放閥，28-氧氣排放閥，29-氫氣循環泵，30-冷卻系統，31-外接負載，32-電池堆。氫氣循環泵29在許多系統中是省略的，故在圖中連線斷開表示。其中，冷卻系統分液冷和空冷兩種方式，空冷主要用于千瓦以下級別的電池，它們的熱量較小，用空冷方式冷卻，只要一臺低壓風機就能解決問題。而千瓦及以上級別的電池由于熱量較多，只有采用液冷方式才能把熱量散出去，這種冷卻方式需要水泵、換熱器、水處理裝置等，相對比較復雜。氫氧型質子交換膜燃料電池的主要部件電池堆32內部結構主要包括膜電極和流場板，其中膜電極是電池反應發生的場所，由質子交換膜和其兩側的催化層和氣體擴散層組成。流場板是上面刻有氣體導流槽的導電石墨板或金屬板，作用是為膜電極提供反應氣體并把產生的電能和尾氣導出電池，只有導流槽暢通反應氣才能順利到達催化層表面，電池反應才能順利地進行。燃料電池的電池反應如下陽極，陰極總反應從上面的電池反應可以看出，每通過1Ah的電量，每組單電池將產生0.0187mol(0.34g)的水，這些水均在電池的陰極產生。當燃料電池連續工作時，這些生成水必須排放到電池外部，否則將造成流場板上的導流槽積水而無法通過反應氣。這些生成水要么蒸發成氣態，隨著反應氣排出電池，要么直接以液態形式直接隨著反應氣排出。在氫氧型燃料電池中，由于理論耗氧量只有氫空型燃料電池的21％，因此相同功率的情況下前者的尾氣排放量要遠小于后者，即使在不加濕的情況下前者的反應生成水也主要以液態形式排放。氫空電池的尾氣主要是空氣中的氮氣等雜質；純氧氣中也有0.01％的雜質氣，如果連續工作數小時不排氣，則流道內的雜質氣體濃度也會超過10％，從而影響電池性能；同時尾氣還有排水作用，因此，為了將反應生成水順利排出電池，必須保證反應氣相當高的流速，但這樣勢必加大反應氣的流量，使反應氣同時大量逸出，降低系統的能源效率。現有的技術一般是通過改進流場板的設計，減小導流槽的橫截面積來提高反應氣流速，從而提高反應氣的排水能力，減小反應氣的消耗。但由于氧氣的理論消耗量很小，受排水能力所限，即使經過流場優化設計，氧氣的實際消耗量也仍然需要理論消耗量的2倍以上。為提高反應氣的利用率，較先進的燃料電池系統則采用反應氣尾氣回收的方法，即將尾氣通過氣水分離裝置后通過加壓泵再送回反應氣管路循環利用。這樣的確能降低反應氣的消耗，但系統功耗將加大，總的能源效率增加并不高，同時系統的復雜性也較高。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服以上現有技術存在的不足，提供一種低排放、高能效的。為實現上述目的，本專利技術提出一種氫氧型質子交換膜燃料電池，包括氫氧氣源、電池堆、加濕系統、冷卻系統、控制系統，所述氫氧氣源通過所述加濕系統與電池堆由氣路連接，所述冷卻系統用于對所述電池堆進行降溫，所述控制系統用于控制各項工作狀態；還包括供氧閥門3、儲氧容器1，所述供氧閥門3設置于所述電池堆的供氧氣路入口，所述儲氧容器1與所述電池堆氧尾氣出口由氣路連接，所述儲氧容器1于底部設置有排水閥9，用于排放多余的液態水；上部設置有排氣閥7，用于排放反應尾氣。上述的燃料電池，包括供氫閥門4、儲氫容器2，所述供氫閥門4設置于所述電池堆的供氫氣路入口，所述儲氫容器2與所述電池堆燃料尾氣出口由氣路連接；所述儲氫容器2于底部設置有排水閥10，用于排放多余的液態水；上部設置有排氣閥8，用于排放反應尾氣。上述的燃料電池，所述儲氧容器1或儲氫容器2采用耐蝕金屬材料或者設置有耐腐蝕內層。所述儲氧容器1或儲氫容器2的內部容量為電池堆內部反應氣流道總體積的150～1000倍，用于上述供氧閥門3和/或供氫閥門4閉合期間為電池反應提供工作氣，并容納電池反應產生的水。所述儲氧容器1或儲氫容器2與所述電池堆的接口位于容器的上部或頂部。所述供氧閥門3、供氫閥門4為電磁閥，其控制信號輸入端與所述控制系統連接。同時本專利技術提出一種提高能效的質子交換膜燃料電池供氣及排水方法在電池堆的供氣管路入口部位安裝供氣閥門，在相應的尾氣管路安裝設置有排水閥與排氣閥的儲氣容器；間歇式開啟所述供氣閥門為所述電池堆供氣；間歇式開啟所述排水閥排水、間歇式開啟所述排氣閥排放尾氣。上述的燃料電池供氣及排水方法所述供氣閥門間歇式開啟方式每次閉合的時間為0.5分鐘至2分鐘，每次開啟的時間為4秒鐘至15秒鐘。所述儲氣容器的內部容量為電池堆內部反應氣流道總體積的150～1000倍。當所述排氣閥處于開啟狀態排放尾氣時，相應的供氣閥門處于開啟狀態。由于采用了以上的方案，電池工作時，燃料電池的氧氣管路，供氧閥門間歇開啟，向電池堆及儲氧容器供氧，在供氧閥門關閉階段，由儲氧容器向電池堆供氧，在這段時間，供氧容器內的氣壓有一定下降，這時電池內部也有一定的積水(但對電池性能影響不大)；一段時間后，儲氧容器內的壓力下降和電池內部積水開始對電池性能產生明顯的影響，此時開啟供氧閥門，由于儲氧容器內的壓力較氣源壓力下降較多，因此反應氣將以較大的瞬時流速沖入容器，使容器內的反應氣得以補充，同時在高流速氣流的沖擊下，前期電池內部積存的反應生成水也被帶到容器中儲存起來；然后再關閉閥門，重復上面的操作，由于反應水可以由容器暫存，不需頻繁開啟排水，可實現連續較長時間無尾氣排放，大幅降低氧氣的消耗，氧氣的利用率均接近100％，達到較高的能源效率。同理，在供氫管路上增設供氫閥門和儲氫容器，可以大幅降低氫的消耗，氫氣的利用率接近100％，達到較高的能源效率。本技術方案易于實現，成本低。附圖說明圖1為現有技術的燃料電池結構示意圖，圖2為本專利技術的高能效燃料電池的結構示意圖。圖2中，1為儲氧容器，2為儲氫容器，3為供氧閥門，4為供氫閥門，5為氧氣源，6為氫氣源，7、8為排氣閥，9、10為排水閥，11為燃料電池堆。具體實施例方式下面通過具體的實施例并結合附圖對本專利技術作進一步詳細的描述。本例結合一個常規1.2kW氫氧型質子交換膜燃料電池，對本專利技術作進一步說明。該1.2kW燃料電池堆在采用如圖1所示的現有技術方案工作時，額定工作電流48V，額定工作電流25A，額定工作溫度75℃，額定工作氣壓為0.2MPa。額定狀況下工作時，氫氣實際耗量流量為20slpm，為理論耗量的1.7倍，氧氣實際耗量20slpm，為理論值的3.3倍，氫、氧氣的利用率分別為60％、30％，能源效率很低。本例中，如圖2所示，在該電池堆的尾氣出口處分別配以直徑35cm、高度25cm、內部容積0.020lm3的圓柱形儲氫容器2，直徑30cm、高度25cm、內部容積0.015lm3的圓柱形儲氧容器1。儲氣容器1、2各安裝排氣閥7、8和排水閥9、10，均采用普通手動球形截止閥，排氣閥7、8的作用是排放長時間工作后容器內積存的雜質氣，同時電池內部積水過多時也可通過該閥排氣來排水。排水閥9、10的作用是排出容器內過多的水。依據罐的大小，可能數十個小時或數天才需要本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氫氧型質子交換膜燃料電池，包括氫氧氣源、電池堆、加濕系統、冷卻系統、控制系統，所述氫氧氣源通過所述加濕系統與電池堆由氣路連接，所述冷卻系統用于對所述電池堆進行降溫，所述控制系統用于控制各項工作狀態；其特征是：還包括供氧閥門（３）、儲氧容器（１），所述供氧閥門（３）設置于所述電池堆的供氧氣路入口，所述儲氧容器（１）與所述電池堆氧尾氣出口由氣路連接，所述儲氧容器（１）于底部設置有排水閥（９），用于排放多余的液態水；上部設置有排氣閥（７），用于排放反應尾氣。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：董俊卿，
申請(專利權)人：比亞迪股份有限公司，
類型：發明
國別省市：94[中國|深圳]