CN1770527A - 对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，其特点是，其中的总进氢气通道为一平滑管道，水平设置在一集流端面板的外侧或集流中间面板内，由总进氢气通道侧面分流出多个支进氢气通道分别与各燃料电池堆模块的支氢气进口相连；其中的各燃料电池堆模块的支出氢气通道分别直接从另一集流端面板或集流中间面板引出；其中的氢气循环利用装置设置了组合电磁阀，组合电磁阀中各单阀的进口分别连通各燃料电池堆模块的支出氢气通道。采用本发明的技术，能避免冷凝水积存在总进氢气通道内，可全部由过量的氢气及时带出燃料电池，还具有节能、降噪和少占空间的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种能够将燃料与氧化剂发生电化学反应时产生的化学能转变成电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极由一张质子交换膜和夹在膜两面的两张可导电多孔性扩散材料(如碳纸)组成，在质子交换膜与导电材料接触的两边界面上均匀分布有细小分散的可引发电化学反应的催化剂(如金属铂)。膜电极两边用导电物体将发生电化学反应过程中产生的电子通过外电路引出，就构成了电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(如碳纸)，并在催化剂表面发生电化学反应，失去电子形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端—阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体(如空气)，通过渗透穿过多孔性扩散材料(如碳纸)，并在催化剂表面发生电化学反应，得到电子形成负离子，该负离子进一步与从阳极端迁移过来的正离子结合，形成反应产物。
在以氢气为燃料、以含有氧气的空气为氧化剂(或以纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区发生失去电子的催化电化学反应，形成氢正离子(质子)，其电化学反应方程式为：
阳极反应：
氧气在阴极区发生得到电子的催化电化学反应，形成负离子，该负离子进一步与从阳极端迁移过来的氢正离子结合，形成反应产物水。其电化学反应方程式为：
阴极反应：
燃料电池中的质子交换膜除了用于发生电化学反应以及迁移交换反应中产生的质子外，其作用还包括将含有燃料氢气的气流与含有氧化剂(氧气)的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆炸式反应。
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极一般放在两块导电的极板之间，两极板上均开设有导流槽，因此又称作导流极板。导流槽开设在与膜电极接触的表面上，通过压铸、冲压或机械铣刻形成，其数量在一条以上。导流极板可以由金属材料制成，也可以由石墨材料制成。导流极板上的导流槽的作用是将燃料或氧化剂分别导入膜电极两边的阳极区或阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极和两块导流极板，两块导流极板分设在膜电极两边，一个作为阳极燃料的导流极板，另一个作为阴极氧化剂的导流极板。这两块导流极板既作为电流集流板，也是膜电极两边的机械支撑。导流极板上的导流槽既是燃料或氧化剂进入阳极或阴极表面的通道，也是将电池运行过程中生成的水带走的出水通道。
为了增大质子交换膜燃料电池的功率，通常将两个或两个以上的单电池通过直叠的方式或平铺的方式连在一起组成电池组，或称作电池堆。这种电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。在电池组中，位于两质子交换膜之间的极板的两面都设有导流槽，称为双极板。双极板的其中一面作为一个膜电极的阳极导流面，另一面则作为另一个相邻膜电极的阴极导流面。一个典型的电池组通常还包括：1)、燃料及氧化剂气体的进口和导流通道。其作用是将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；2)、冷却流体(如水)的进、出口与导流通道。其作用是将冷却流体均匀地分布到各个电池组内的冷却通道中，吸收燃料电池内产生的反应热并将其带出电池组进行散热；3)、燃料与氧化剂气体的出口与导流通道。其作用是将没有参与反应的多余燃料气体和氧化剂排出，同时将反应生成的液态或气态的水带出。上述燃料进出口、氧化剂进出口和冷却流体的进出口通常都开设在燃料电池组的一个端板上或分别开设在两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可制作成移动式或固定式的发电装置。
在质子交换膜燃料电池用作车、船的动力系统和移动式或固定式的发电装置时，必须包括电池堆、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制机构及电能输出机构各个部分。
图1为燃料电池发电系统的基本组成示意图。图中标号，1为燃料电池堆，2为储氢瓶或其它储氢装置，3为减压阀，4为空气过滤装置，5为空气压缩供应装置，6、6’为水—汽分离器，7为水箱，8为冷却流体循环泵，9为散热器，10为氢循环泵，11、12为增湿装置，13为氢稳压阀。
为了提高燃料电池整个发电系统的能量转换效率，除了提高燃料电池的电极性能以外，提高燃料电池发电系统的氢气利用率非常重要。氢气供应及循环利用对提高燃料电池发电系统的氢气利用率，及保证燃料电池发电系统的运行稳定性有关键作用。燃料氢气经过减压、稳压后，又经过增湿装置输送进入燃料电池堆与电极另一侧的氧化剂发生电化学发应。在电极的氢气供应一侧随着反应不断进行，会慢慢产生水。这些水主要来自二个方面，一是增湿后的氢气携带一部分水进入燃料电池堆，氢气反应掉后，水就留下来；另一部分是在电极阴极侧由电化学反应生成的水经过膜电极反渗透到电极阳极侧。为了将这二部分水从电极阳极侧带出燃料电池堆，必须向燃料电池堆供应大于1.0计量比的氢气流量，使氢气过量，通过过量的氢气在离开燃料电池堆时将这二部分水带出。
为了同时做到既可以将过量的氢气循环使用，又可以将燃料电池堆中电极的氢气供应一侧的水带出，目前采用的技术是利用氢气循环泵或氢气循环装置的技术。如图1所示，在氢气出口管路上设置一台水汽分离器6，在水汽分离器6与氢气进口管道之间设置一台氢气循环泵10。通过氢气循环泵将过量的氢气回收，重新进入燃料电池堆参与反应，同时又可以将上述二部分水带出燃料电池堆。如专利技术“一种适合低压运行的燃料电池氢气循环利用装置”，中国专利号为03255444.3。
上述氢气循环利用技术对单燃料电池堆是比较合适的。但应用于由多个单燃料电池堆模块经集成方式构成的大型燃料电池堆时，就会出现问题。
实际上，目前燃料电池发电系统用于运载工具的动力系统或用作发电站，都要求有很高的功率输出。这种高的功率输出要求燃料电池堆必须实现高电压、大电流输出。为了实现大功率的燃料电池堆，有必要将多个单燃料电池堆模块经集成方式构成体积上较紧凑的大燃料电池堆。例如“US Patent5486430”的方法，将多个单燃料电池堆平行排列，每个单燃料电池堆的所有空气、氢气、冷却水的进口、出口统一集成到一块共用的前端面板上或后端面板上。前端面板与后端面板上设有供所有单燃料电池堆上的所有空气、氢气、冷却流体的进、出口共用的六大流体通道。再例如上海神力科技有限公司的专利“一种集成式的燃料电池(专利号：02265512.3)”所描述的方法，由多个燃料电池堆共用一块集流面板，该集流面板上的前、后集成了多个燃料电池堆。该集流面板设置在多个燃料电池堆的中间，所有燃料电池堆的空气、氢气、冷却流体的进、出口都统一集成到这块共用集流面板上。该集流面板上设有供所有燃料电池堆上的所有空气、氢气、冷却流体的进、出口共用的六大流体通道。
上述通过各种方法实现的集成式燃料电池，每个燃料电池堆模块虽然共用各流体通道，但每个模块都有自己的正、负集流母板，通过对所有的燃料电池模块上的正、负极母板进行串、并联连接，整个集成式燃料电池可以输出符合实际需要的高电压、大电流的要求。
对更大功率输出的燃料电池发电系统，原则上可以通过集成更多的燃料电池堆模块，并让所有的燃料电池堆模块上的所有空气、氢气、冷却流体的进、出口共用六大流体通道，即集成后的大燃料电池堆同样是一种具有总空气、总氢气、总冷却流体进、出口的六大流体通道的一体化结构。
为了使集成式燃料电池具有更高的体积、重量、功率密度，必须将集成式燃料电池前端集流面板、后端集流面板或中间总集流面板进行最紧凑的工程设计，例如：US Patent 6159629，对一种集成式燃料电池前端集流面板与后端集流面板，采用了一种导流层面结构歧管设计，如图2、图3、图4所示。
上述集成式燃料电池集流面板上的导流层面歧管设计技术可以让集成式燃料电池中每个燃料电池堆模块上的所有空气、氢气、冷却流体的进、出口共用六大流体通道，每一总流体通道构成了集流面板内部的一个层面，而每一个层面都有单独的导流管道口引出，构成集成式燃料电池总空气、总氢气、总冷却流体进出口的六大流体口。
上述技术虽然在设计上使集成式燃料电池达到了体积紧凑，大大提高体积功率密度的目的，但是在进行氢燃料循环利用时，会有以下技术缺陷：
1、每种流体先从集成式燃料电池集流面板的总进流体口进入，先充满一个层面，再分流到各个燃料电池模块。为了增加集成式燃料电池体积功率密度，往往这个总进流体通道构成的整个层面比较窄，而各个燃料电池模块的各个支进流体口并不是完全占据了整个层面的面积，而是只占据了整个层面的一小部分(如图3、图4、图5所示)。当总进流体是单一相的流体，如冷却流体—水时，由流体完全充满整个窄层层面的总进流体通道，然后均匀地从各个燃料电池模块的各个分进流体口进入，不会产生什么问题。但是当流体是由大部分气、少量液组成的二相流动状态时，气相流体很容易充满整个窄层层面的总进流体通道，并可以均匀地在各个燃料电池模块的各个分进流体口进入，而少量液态流体(往往是冷凝水)则会积留在窄层层面的总进流体通道中，并且当积聚很多后，往往会导致随机分配到某个燃料电池模块中，造成气相流动的导流槽充满液态水而堵塞。
上述情况在集成式燃料电池中的总进氢气通道中经常发生，增湿后的氢气由于发生流速变化及温度变化而冷凝出少部分液态水，长时间积聚很多水后，容易随氢气流动，并造成各个燃料电池模块中某个或数个单电池中的氢气导流槽中发生堵水。某个单电池氢气导流槽中堵水会造成该单电池燃料氢处于饥饿状态，电压急剧下降，严重时会烧坏该电极。
2、在采用氢气循环泵等氢气循环利用装置时，为了将整个集成式燃料电池堆中每个燃料电池堆模块中氢侧的水带出来，必须采用循环流量很大的氢气循环泵或氢气循环利用装置，这种总循环氢流量很大的装置需要消耗很大的功率，降低了整个燃料电池发电系统的发电效率，即燃料氢气的转换效率。而且这种总循环氢流量很大的装置往往占据了整个燃料电池发电系统中很大的体积空间，并增加了重量，往往噪声也较大。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，它能避免冷凝水积存在总进氢气通道内。
本发明的目的是这样实现的：一种对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，包括由至少两个燃料电池堆模块组成的集成式燃料电池堆和氢气循环利用装置，在集成式燃料电池堆的两端各设有集流端面板，或在集成式燃料电池堆的中间设有集流中间面板，在一集流端面板上或在集流中间面板内设有总进氢气通道，各燃料电池堆模块分别设有支进氢气通道和支出氢气通道，氢气循环利用装置包括氢循环泵和水汽分离器，其特点是：
所述的总进氢气通道为一平滑管道，其水平设置在一集流端面板的外侧或集流中间面板内，由总进氢气通道侧面分流出多个支进氢气通道分别与各燃料电池堆模块的支氢气进口相连；
所述的各燃料电池堆模块的支出氢气通道分别直接从另一集流端面板或集流中间面板引出；
所述的氢气循环利用装置还包括一组合电磁阀，组合电磁阀中各单阀的进口分别连通各燃料电池堆模块的支出氢气通道，组合电磁阀中各单阀的出口分别通过一根总管与水汽分离器连通。
所述的各支进氢气通道的有效通径小于总进氢气通道的有效通径。
所述的组合电磁阀中的各单阀可以分别依次导通，实现间歇式、脉冲式的对各燃料电池堆模块的氢燃料进行循环。
所述的集成式燃料电池堆由六个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由六个单电磁阀组合而成。
所述的集成式燃料电池堆由三个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由三个单电磁阀组合而成。
所述的集成式燃料电池堆由八个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由八个单电磁阀组合而成。
所述的集成式燃料电池堆由十个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由十个单电磁阀组合而成。
本发明对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、燃料氢气先在集流端面板或集流中间面板中一条平滑规则的总进氢通道流入，这条平滑规则的总进氢通道再分流出数条与各个燃料电池模块中的支氢气进相连的支进氢气通道，由于各支进氢气通道的有效通径比总进氢通道小，这样，当增湿后的氢气进入总进氢气通道后，再经支进氢气通道分流到各个燃料电池模块时，即使在最初产生的冷凝态水也无法积聚在总进氢气通道内，可全部由过量的氢气及时带出燃料电池。
2、由于对氢气循环利用装置进行了优化设计，增设了一个组合电磁阀，通过组合电磁阀中的各单阀分别与各支出氢气通道直接连通，通过将各单阀依次导通实现间歇性、脉冲式的对各个燃料电池堆模块的氢燃料进行循环，只需采用一个较小氢循环流量的氢气循环泵，并可以更加容易地带出每个燃料电池堆模块中氢侧的水。此外，由于采用了较小氢循环流量的氢气循环泵，还具有节能、降噪和少占空间的有益效果。
附图说明
通过以下对本发明对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：
图1是现有技术燃料电池发电系统的基本组成示意图；
图2、图3、图4是现有技术对集流端面板导流层面结构采用歧管设计的示意图；
图5是本发明中对氢气进出通道进行了优化设计的一种集成式燃料电池堆；
图6是本发明中对氢气进出通道进行了优化设计的另一种集成式燃料电池堆；
图7是本发明中对氢气循环利用进行了优化设计的氢气循环利用装置的主要组成示意图；
图8是本发明一实施例的基本组成示意图。
具体实施方式
参见图5、图6、图7。本发明对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，包括由至少两个燃料电池堆模块组成的集成式燃料电池堆1(如图5、图6所示)和氢气循环利用装置(如图7所示)，在集成式燃料电池堆1的两端各设有集流端面板101、102(如图5所示)，或在集成式燃料电池堆的中间设有集流中间面板103(如图6所示)，在一集流端面板(如101)的外侧(如图5所示)或在集流中间面板103内(如图6所示)设有总进氢气通道104，由总进氢气通道的侧面分出多个支进氢气通道104a、104b……分别与各燃料电池堆模块的氢气进口连通，各燃料电池堆模块的支出氢气通道105a、105b……分别直接从另一集流端面板(如102)或集流中间面板103引出，各支进氢气通道的有效通径小于总进氢气通道的有效通径。
氢气循环利用装置(参见图7)包括氢循环泵10、水汽分离器6和组合电磁阀14，组合电磁阀中各单阀的进口分别连通各燃料电池堆模块的支出氢气通道，组合电磁阀中各单阀的出口分别通过一根总管与水汽分离器连通。组合电磁阀中的各单阀可以分别依次导通，实现间歇式、脉冲式的对各燃料电池堆模块的氢燃料进行循环。
本发明一种对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池的主要结构组成和工作原理可通过以下实施例作进一步说明：
请参见图8，本发明一种对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池的一实施例中的集成式燃料电池堆1包括六个燃料电池堆模块，相应的氢气循环利用装置中设有由六个单电磁阀组成的组合电磁阀14。六个燃料电池堆模块共用一块集流中间面板103。增湿后的燃料氢气在集流中间面板上部从一条圆形的总进氢气通道104流入，再分流出六条与六个燃料电池堆模块中的支氢气进相连的支进氢气通道104a、104b、104c……，将增湿后的燃料氢气均匀分流到六个燃料电池堆模块的支进氢气通道；每个燃料电池堆模块的支出氢气通道105a、105b、105c……，分别单独直接从集流中间板104引出，并与组合式电磁阀14中各单阀的进口一一对应连接。图中其它标号，2为储氢瓶或其它储氢装置，3为减压阀，6为水—汽分离器，10为氢循环泵，11为增湿装置，13为氢稳压阀。
该集成式燃料电池额定输出功率是70千瓦，氢气供应量大约900标准立升/分钟，其中按氢气计量比1.2运行，大约有180标准立升/分钟的过量氢气需要经过氢气循环泵循环回来。如果不采用发明的技术方案，需要有一个循环流量为180升/分钟的大循环流量氢膜片泵，才能满足其循环量的要求。该泵消耗功率为600瓦，而且噪声高达80分贝，重达15公斤。由于各个燃料电池堆模块采用统一总进氢气通道与总出氢气通道，在氢循环流量达到180升/分钟时，平均每个燃料电池堆模块的氢循环流量仅为30升/分钟，该循环流量往往无法保证每个燃料电池堆模块中氢侧水的带出。
采用本发明的上述技术方案后，仅需要一个循环流量为90升/分钟的中等循环流量的氢膜片泵，就可满足其循环量的要求。该泵消耗功率仅为250瓦，而且噪声仅为60分贝，重量仅为3公斤。
当集成式燃料电池额定输出功率为70千瓦时，氢气供应量大约为900立升/分钟，按氢气计量比1.1运行，其中仅90升/分钟过量氢气经过氢气循环泵循环回来。由于采用了本发明的技术方案，该集成式燃料电池堆由六个燃料电池堆模块组成，每个模块的支出氢气通道分别从集流中间面板引出，并与组合电磁阀中的六个单电磁阀分别连接。该组合电磁阀在任何时间内仅开启一个电磁阀，仅使一个燃料电池堆模块的氢气出口有氢气进入循环，所以每个燃料电池堆模块的氢气循环流量高达90升/分钟，在这样大的氢气循环流量作用下，该模块中的氢侧水很容易被带出燃料电池堆。
组合电磁阀中的各单阀依次按固定顺序循环进行开启，造成每个燃料电池堆模块的氢气循环也是间歇脉冲式的，实际运行的效果证明，这种优化设计的氢气循环利用装置使每个燃料电池堆排水更干净了。并且具有节能和降低噪声的优点。
本发明对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池中的集成式燃料电池堆可以由两个以上数目的燃料电池堆模块组成，例如3个、8个、10个等等，相应的氢气循环利用装置中的组合电磁阀也由两个以上数目的单电磁阀组成，例如3个、8个、10个等等。
Claims (7)
1.一种对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，包括由至少两个燃料电池堆模块组成的集成式燃料电池堆和氢气循环利用装置，在集成式燃料电池堆的两端各设有集流端面板，或在集成式燃料电池堆的中间设有集流中间面板，在一集流端面板上或在集流中间面板内设有总进氢气通道，各燃料电池堆模块分别设有支进氢气通道和支出氢气通道，氢气循环利用装置包括氢循环泵和水汽分离器，其特征在于：
所述的总进氢气通道为一平滑管道，其水平设置在一集流端面板的外侧或集流中间面板内，由总进氢气通道侧面分流出多个支进氢气通道分别与各燃料电池堆模块的支氢气进口相连；
所述的各燃料电池堆模块的支出氢气通道分别直接从另一集流端面板或集流中间面板引出；
所述的氢气循环利用装置还包括一组合电磁阀，组合电磁阀中各单阀的进口分别连通各燃料电池堆模块的支出氢气通道，组合电磁阀中各单阀的出口分别通过一根总管与水汽分离器连通。
2.如权利要求1所述的对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，其特征在于：所述的各支进氢气通道的有效通径小于总进氢气通道的有效通径。
3.如权利要求1所述的对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，其特征在于：所述的组合电磁阀中的各单阀可以分别依次导通，实现间歇式、脉冲式的对各燃料电池堆模块的氢燃料进行循环。
4.如权利要求1所述的对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，其特征在于：所述的集成式燃料电池堆由六个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由六个单电磁阀组合而成。
5.如权利要求1所述的对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，其特征在于：所述的集成式燃料电池堆由三个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由三个单电磁阀组合而成。
6.如权利要求1所述的对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，其特征在于：所述的集成式燃料电池堆由八个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由八个单电磁阀组合而成。
7.如权利要求1所述的对氢气进出通道及循环利用优化设计的集成式燃料电池，其特征在于：所述的集成式燃料电池堆由十个燃料电池堆模块组成，相应氢气循环利用装置中的组合电磁阀由十个单电磁阀组合而成。
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