專(zhuān)利名稱(chēng)：一種適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的輔助裝置，尤其涉及一種適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱(chēng)MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)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(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)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(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)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(dǎo)流極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車(chē)、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動(dòng)式和固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池作為運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，用作發(fā)電站時(shí)一般以純氫為燃料，以空氣為氧化劑。燃料電池處于運(yùn)行狀態(tài)放電時(shí)，一般都伴隨著大量產(chǎn)物水生成。生成的產(chǎn)物水可以在燃料電池的陰極區(qū)出現(xiàn)，也可以在燃料電池的陽(yáng)極區(qū)出現(xiàn)。為了保證燃料電池的正常運(yùn)行與性能不下降，往往需要用過(guò)量的燃料氫氣、氧化劑空氣將燃料電池內(nèi)部生成的水帶出，即燃料電池必須需要燃料氫氣、氧化劑空氣在大于1的計(jì)量比的狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)行，這樣過(guò)量的燃料氫氣與過(guò)量的空氣部分會(huì)攜帶燃料電池內(nèi)部的水直接排放到電池外部。
雖然采用過(guò)量的空氣攜帶燃料電池內(nèi)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；但是采用過(guò)量的燃料氫氣攜帶燃料電池陽(yáng)極區(qū)的水一同排放到燃料電池外部是不可行的，因?yàn)檫@樣做往往浪費(fèi)了寶貴的燃料氫氣，而且氫氣直接往外排放是很危險(xiǎn)的。為了既可以將燃料氫氣充分利用，又能將燃料電池內(nèi)部生成的水帶出，一般采用一種氫氣循環(huán)泵，這種氫氣循環(huán)泵設(shè)置在燃料電池氫氣排出口與循環(huán)回燃料電池氫氣入口之間。如圖1所示，包括儲(chǔ)氫罐1a、氫氣調(diào)節(jié)閥2a、燃料電池堆3a、氫氣壓力計(jì)P1a、P2a、水氫分離器4a、氫氣循環(huán)壓縮泵5a。
目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所設(shè)計(jì)的燃料電池堆一般在壓力下運(yùn)行。運(yùn)行空氣與氫氣的相對(duì)壓力一般在一個(gè)大氣壓以上；并且，燃料電池堆的設(shè)計(jì)一般也適合在壓力下運(yùn)行，其主要特點(diǎn)是燃料電池進(jìn)口空氣壓力與出口空氣壓力，以及燃料電池進(jìn)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(gè)大氣壓之間。
對(duì)于目前這種較高壓力運(yùn)行的燃料電池堆，由于進(jìn)燃料電池堆的流體需要克服燃料電池堆內(nèi)部的阻力而產(chǎn)生了較大的進(jìn)、出口流體壓力差(ΔP)，使氫氣循環(huán)泵在應(yīng)用要求上產(chǎn)生了如下的特點(diǎn)(1)氫氣循環(huán)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(dá)到較大的氫氣壓力差。
(2)這種容積式的流體壓縮泵在循環(huán)較大流量的氫氣時(shí)〔如數(shù)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(chǎn)生氫氣泄漏。
另外，一種能將燃料電池堆排出的氫氣循環(huán)回來(lái)的技術(shù)是美國(guó)專(zhuān)利US Patent5441821(1995年)，該專(zhuān)利技術(shù)采用了一種彈射泵的技術(shù)，如圖2所示。這種彈射泵在高壓氣體(氫氣)快速通過(guò)彈射泵的狹窄通道時(shí)，可以產(chǎn)生一定的真空吸引，從而把多余的氫氣從燃料電池堆排出口吸回來(lái)。但采用這種技術(shù)有以下缺點(diǎn)(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(dòng)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(jìn)入燃料電池堆只能吸回一定流量的返回循環(huán)氫氣。當(dāng)進(jìn)入燃料電池的流量變化時(shí)或靜止流動(dòng)時(shí)，彈射泵就缺乏自我變化功能。如圖2所示，包括儲(chǔ)氫罐1b，燃料電池堆3b，水-氫分離器4b，壓力計(jì)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(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)吸回一定流量的返回氫氣，所以也只適合于高壓運(yùn)行的燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低的適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置，包括儲(chǔ)氫罐、氫氣調(diào)節(jié)閥、燃料電池堆、氫氣壓力計(jì)、水氫分離器、氫氣循環(huán)輸送器，所述的儲(chǔ)氫罐通過(guò)氫氣調(diào)節(jié)閥與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口連接，所述的壓力計(jì)設(shè)在燃料電池堆的氫氣進(jìn)出口處，所述的水氫分離器的進(jìn)口與燃料電池堆的氫氣出口連接，其出口與氫氣循環(huán)輸送器的進(jìn)口連接，所述的氫氣循環(huán)輸送器的出口與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口連接，其特征在于，所述的燃料電池堆的氫氣進(jìn)口壓力與出口壓力差很小，所述的氫氣循環(huán)輸送器為管路風(fēng)機(jī)。
所述的燃料電池堆的氫氣進(jìn)口壓力與出口壓力差小于3/14個(gè)大氣壓。
所述的管路風(fēng)機(jī)的葉輪與殼體為獨(dú)立的一體，無(wú)接觸磨擦，無(wú)泄漏。
所述的葉輪與殼體采用工程塑料、陶瓷或不銹鋼材料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)利用管路風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)，利用了其具有運(yùn)行噪聲低、運(yùn)行壓力低的特點(diǎn)。
(2)氫氣密封主要在軸承密封，也可以用磁力驅(qū)動(dòng)葉輪，這樣，整個(gè)風(fēng)機(jī)殼與葉輪就成為獨(dú)立的一體，氫氣密封就安全、簡(jiǎn)單了。
(3)由于氫氣進(jìn)燃料電池壓力與出燃料電池出口壓差很小，本身運(yùn)行壓力也低，采用管路風(fēng)機(jī)可以將大流量的氫氣循環(huán)回來(lái)，同時(shí)功率消耗又很小。
(4)風(fēng)機(jī)葉輪與殼體無(wú)接觸磨擦，一般由工程塑料材料、陶瓷材料、不銹鋼等制作，價(jià)格低廉。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為另一現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3所示，一種適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置，包括儲(chǔ)氫罐1、氫氣調(diào)節(jié)閥2、燃料電池堆3、氫氣壓力計(jì)P1、P2、水氫分離器4、管路風(fēng)機(jī)5，所述的儲(chǔ)氫罐1通過(guò)氫氣調(diào)節(jié)閥2與燃料電池堆3的氫氣進(jìn)口連接，所述的壓力計(jì)P1、P2分別設(shè)在燃料電池堆3的氫氣進(jìn)出口處，所述的水氫分離器4的進(jìn)口與燃料電池堆3的氫氣出口連接，其出口與管路風(fēng)機(jī)5的進(jìn)口連接，所述的管路風(fēng)機(jī)5的出口與燃料電池堆3的氫氣進(jìn)口連接。
本發(fā)明在燃料電池堆工程設(shè)計(jì)上改變氫氣、空氣導(dǎo)流極板的流場(chǎng)，使氫氣、空氣在流經(jīng)導(dǎo)流極板的流場(chǎng)過(guò)程中流動(dòng)阻力很小，大約小于3/14個(gè)大氣壓。保證燃料電池堆在很小的氫氣、空氣壓力下運(yùn)行，甚至在接近常壓下運(yùn)行。這樣，燃料電池堆氫氣進(jìn)口壓力與氫氣出口壓力差就可以非常小(小于3/14個(gè)大氣壓)。在這種情況下的氫氣循環(huán)利用裝置可以使用管路式風(fēng)機(jī)，這種管路式風(fēng)機(jī)不是容積式的流體壓縮裝置，而是一種靠快速旋轉(zhuǎn)的葉輪來(lái)帶動(dòng)氫氣等流體快速流動(dòng)并達(dá)到壓縮效果的裝置。
權(quán)利要求
1.一種適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置，包括儲(chǔ)氫罐、氫氣調(diào)節(jié)閥、燃料電池堆、氫氣壓力計(jì)、水氫分離器、氫氣循環(huán)輸送器，所述的儲(chǔ)氫罐通過(guò)氫氣調(diào)節(jié)閥與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口連接，所述的壓力計(jì)設(shè)在燃料電池堆的氫氣進(jìn)出口處，所述的水氫分離器的進(jìn)口與燃料電池堆的氫氣出口連接，其出口與氫氣循環(huán)輸送器的進(jìn)口連接，所述的氫氣循環(huán)輸送器的出口與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口連接，其特征在于，所述的燃料電池堆的氫氣進(jìn)口壓力與出口壓力差很小，所述的氫氣循環(huán)輸送器為管路風(fēng)機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆的氫氣進(jìn)口壓力與出口壓力差小于3/14個(gè)大氣壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置，其特征在于，所述的管路風(fēng)機(jī)的葉輪與殼體為獨(dú)立的一體，無(wú)接觸磨擦，無(wú)泄漏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置，其特征在于，所述的葉輪與殼體采用工程塑料、陶瓷或不銹鋼材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置，包括儲(chǔ)氫罐、氫氣調(diào)節(jié)閥、燃料電池堆、氫氣壓力計(jì)、水氫分離器、管路風(fēng)機(jī)，所述的儲(chǔ)氫罐通過(guò)氫氣調(diào)節(jié)閥與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口連接，所述的壓力計(jì)設(shè)在燃料電池堆的氫氣進(jìn)出口處，所述的水氫分離器的進(jìn)口與燃料電池堆的氫氣出口連接，其出口與管路風(fēng)機(jī)的進(jìn)口連接，所述的管路風(fēng)機(jī)的出口與燃料電池堆的氫氣進(jìn)口連接，所述的燃料電池堆的氫氣進(jìn)口壓力與出口壓力差很小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1567635SQ03141478
公開(kāi)日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月9日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 章波 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司