專利名稱：用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)。
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，簡稱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 上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉬催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電 物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(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，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達 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 滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負離 子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(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 含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(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，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫 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，陽極 反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達陽極反應(yīng)H2— 2H++2e陰極反應(yīng)l/202+2H++2e— H20在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA) —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壓鑄、充壓或機械銑刻，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 的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子 交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(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械支撐， 導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池 運行過程中生成的水的通道。為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏?過直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(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膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又 可作為另一個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一定 方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進口和導(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)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo) 流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(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，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、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作移動式、固定 式的發(fā)電裝置。目前典型的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括三路流體管路氫氣循環(huán)回路、空氣路和冷 卻流體路。其中氫氣循環(huán)回路必須保證氫氣暢通，不能堵水，而且要使氫氣的利用率盡可 能高，為達到這個目的，氫氣必須將燃料電池堆內(nèi)的氫氣側(cè)的水帶出，氫氣側(cè)的水主要來源 于1.參與反應(yīng)的氫氣有一定的濕度，2.反應(yīng)生成水從空氣側(cè)反滲透到氫氣側(cè)，要將這兩種 水帶出的先決條件就是氫氣要達到一定的流速，氫氣流速太小，就會堵水，加拿大Ballard power system公司的燃料電池氫氣采用高壓方式運行，需采用一種容積壓縮型的壓機裝 置，如氫、模片泵、渦旋式壓縮機等，使得燃料電池氫入口與氫出口的壓力差A(yù) P大于0. 1 0. 5個標準大氣壓，達到燃料電池中未反應(yīng)的過量氫氣循環(huán)回來。這種方法雖然能將燃料電 池堆氫氣側(cè)的水帶出，但是氫氣流速較大，過量的氫氣較多，循環(huán)量需要很高，就要求氫氣 循環(huán)泵的功率需很大。目前采用的技術(shù)方案主要有以下三種1.通過氫氣循環(huán)泵使多余氫氣循環(huán)使用，但是這種方法要求氫氣循環(huán)泵強大，而 且消耗功率大，噪聲大，自耗功率大；2.經(jīng)常性間歇性排氫，但是這種方法有危險性，如果在排出氫氣時碰到明火就是 發(fā)生爆炸；3.采用引射泵，通過形成真空將多余氫氣吸回，但是氫氣進入燃料電池堆的量較 少時，就不可能實現(xiàn)引射作用，因此當?shù)∷?，發(fā)電量少，氫氣量少時就不構(gòu)成引射效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服上述缺陷而提供一種自耗功率小，氫氣利用率高的用于燃 料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氫氣罐、減壓閥、比例開關(guān)電磁閥、引射泵、燃料電池堆、排氧電磁閥和氫氣 循環(huán)泵，所述的氫氣罐依次通過減壓閥、比例開關(guān)電磁閥、引射泵連接到燃料電池堆的氫氣 入口，燃料電池堆的氫氣出口連接排氫電磁閥，其特征在于，還包括穩(wěn)壓罐A、穩(wěn)壓罐B，所 述的穩(wěn)壓罐A設(shè)置在引射泵與燃料電池堆的氫氣入口之間，所述的穩(wěn)壓罐B連接排氫電磁 閥，所述的氫氣循環(huán)泵分別連接穩(wěn)壓罐A和穩(wěn)壓罐B，氫氣進入穩(wěn)壓罐A經(jīng)水汽分離進入燃 料電池堆參與反應(yīng)，過量氫氣通過排氫電磁閥排入穩(wěn)壓罐B，穩(wěn)壓罐B內(nèi)的氫氣通過氫氣循 環(huán)泵返回穩(wěn)壓罐A。
所述的引射泵通過管道直接連接燃料電池的氫氣出口，燃料電池堆的氫氣出口處 氫氣壓力大時，引射泵將過量氫氣直接吸回并送入穩(wěn)壓罐A。所述的穩(wěn)壓罐A和穩(wěn)壓罐B下端連接排水電磁閥，穩(wěn)壓罐A和穩(wěn)壓罐B對進入罐 內(nèi)的氫氣進行穩(wěn)壓和水汽分離，分離后的多余水份通過排水電磁閥排出，穩(wěn)壓罐A分離出 的氫氣輸入燃料電池堆，穩(wěn)壓罐B分離出的氫氣通過氫氣循環(huán)泵返回穩(wěn)壓罐A。所述的系統(tǒng)同時使用了二種氫循環(huán)方式，一種排氫及排水方式，當氫氣過量太大 時通過引射泵實現(xiàn)循環(huán)，氫氣過量太小時通過穩(wěn)壓罐和氫氣循環(huán)泵實現(xiàn)循環(huán)，并通過排氫 電磁閥間歇性地排入穩(wěn)壓罐，對氫氣循環(huán)泵的要求較低，而且自耗功率較小，使用壽命提 尚ο與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了引射泵、排氫電磁閥和氫氣循環(huán)泵三種裝置，通 過三種方式是燃料電池系統(tǒng)中的氫氣循環(huán)利用1.在燃料電池堆前設(shè)置引射泵，并通過管 道將引射泵直接連接燃料電池堆的氫氣出口，當燃料電池堆中的氫氣過量較多時，引射泵 通過管道將過量氫氣吸回，輸送到燃料電池堆的氫氣入口重新參與反應(yīng)；2.燃料電池堆的 氫氣出口連接一排氫電磁閥，不能通過引射泵吸回的過量氫氣可通過該排氫電磁閥排出； 3.在燃料電池堆的氫氣入口前設(shè)有穩(wěn)壓罐A，在排氫電磁閥后設(shè)有穩(wěn)壓罐B，并通過氫氣循 環(huán)泵連接穩(wěn)壓罐A和穩(wěn)壓罐B，排氫電磁閥中排出的氫氣進入穩(wěn)壓罐B，然后通過氫氣循環(huán) 泵輸送至穩(wěn)壓罐A，進行循環(huán)反應(yīng)。整個氫氣循環(huán)系統(tǒng)為密閉系統(tǒng)，使氫氣循環(huán)利用率大大提高，而且由于同時使用 了三種排氫方式，當氫氣過量太大時可通過引射泵實現(xiàn)循環(huán)，氫氣過量太小時可通過穩(wěn)壓 罐和氫氣循環(huán)泵實現(xiàn)循環(huán)，對氫氣循環(huán)泵功率及請求循環(huán)量的要求較低，而且自耗功率較 小，使用壽命提高。


圖1為本發(fā)明燃料電池氫氣密閉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。實施例1如圖1所示，用于50KW燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氫氣罐1、減壓 閥2、比例開關(guān)電磁閥3、引射泵4、穩(wěn)壓罐A5、燃料電池堆6、排氫電磁閥7、穩(wěn)壓罐B8和200W 膜片式氫氣循環(huán)泵9，所述的氫氣罐1依次通過減壓閥2、比例開關(guān)電磁閥3、引射泵4連接 到燃料電池堆6的氫氣入口，燃料電池堆6的氫氣出口連接排氫電磁閥7，所述的穩(wěn)壓罐A5 設(shè)置在引射泵4與燃料電池堆6的氫氣入口之間，所述的穩(wěn)壓罐B8連接排氫電磁閥7，所述 的氫氣循環(huán)泵9分別連接穩(wěn)壓罐A5和穩(wěn)壓罐B8，氫氣從氫氣罐1出來后經(jīng)減壓閥2減壓， 再經(jīng)過比例開關(guān)電磁閥3和引射泵4進入穩(wěn)壓罐A5，穩(wěn)壓罐A5可使氫氣穩(wěn)壓，并對氫氣進 行水汽分離，水汽分離后的氫氣進入燃料電池堆6參與反應(yīng)，并通過進入燃料電池堆6的氫 氣量調(diào)節(jié)比例開關(guān)電磁閥3的開關(guān)頻率和大小，從而控制氫氣進入燃料電池堆的量。燃料電池堆6的出口通過管道分成連個支流，一個連接引射泵4，另一個連接排氫 電磁閥7，當燃料電池堆中的氫氣過量較多時，引射泵4通過管道將過量氫氣吸回，輸送到燃料電池堆的氫氣入口重新參與反應(yīng)。燃料電池堆中的氫氣過量不多，或者燃料電池處于 怠速狀態(tài)或者發(fā)電量小的時候，引射泵6不能構(gòu)成引射，多余氫氣通過排氫電磁閥7排出， 排氫電磁閥7連接穩(wěn)壓罐B8，并通過氫氣循環(huán)泵9連接穩(wěn)壓罐A5和穩(wěn)壓罐B8，排氫電磁閥 7中排出的氫氣進入穩(wěn)壓罐B8，穩(wěn)壓罐B8可使氫氣穩(wěn)壓，并對氫氣進行水汽分離，水汽分離 后的氫氣通過氫氣循環(huán)泵9輸送至穩(wěn)壓罐A5，進行循環(huán)反應(yīng)。穩(wěn)壓罐A5和穩(wěn)壓罐B8對氫氣進行水汽分離，分離出的水份富集到一定程度時，通 過連接穩(wěn)壓罐A5和穩(wěn)壓罐B8的排水電磁閥10排出。整個氫氣循環(huán)系統(tǒng)為密閉系統(tǒng)，使氫氣循環(huán)利用率大大提高，而且由于同時使用 了二種氫循環(huán)方式，一種排氫及排水方式，當氫氣過量太大時可通過引射泵實現(xiàn)循環(huán)，氫氣 過量太小時可通過穩(wěn)壓罐和氫氣循環(huán)泵實現(xiàn)循環(huán)，并通過排氫電磁閥7間歇性地排入穩(wěn)壓 罐8，對氫氣循環(huán)泵的要求較低，50KW的燃料電池堆只要用200W氫循環(huán)膜片泵即可，而且自 耗功率較小，使用壽命提高。
權(quán)利要求
用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氫氣罐、減壓閥、比例開關(guān)電磁閥、引射泵、燃料電池堆、排氫電磁閥和氫氣循環(huán)泵，所述的氫氣罐依次通過減壓閥、比例開關(guān)電磁閥、引射泵連接到燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口連接排氫電磁閥，其特征在于，還包括穩(wěn)壓罐A、穩(wěn)壓罐B，所述的穩(wěn)壓罐A設(shè)置在引射泵與燃料電池堆的氫氣入口之間，所述的穩(wěn)壓罐B連接排氫電磁閥，所述的氫氣循環(huán)泵分別連接穩(wěn)壓罐A和穩(wěn)壓罐B，氫氣進入穩(wěn)壓罐A經(jīng)水汽分離進入燃料電池堆參與反應(yīng)，過量氫氣通過排氫電磁閥排入穩(wěn)壓罐B，穩(wěn)壓罐B內(nèi)的氫氣通過氫氣循環(huán)泵返回穩(wěn)壓罐A。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的引 射泵通過管道直接連接燃料電池的氫氣出口，燃料電池堆的氫氣出口處氫氣壓力大時，弓丨 射泵將過量氫氣直接吸回并送入穩(wěn)壓罐A。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的穩(wěn) 壓罐A和穩(wěn)壓罐B下端連接排水電磁閥，穩(wěn)壓罐A和穩(wěn)壓罐B對進入罐內(nèi)的氫氣進行穩(wěn)壓 和水汽分離，分離后的多余水份通過排水電磁閥排出，穩(wěn)壓罐A分離出的氫氣輸入燃料電 池堆，穩(wěn)壓罐B分離出的氫氣通過氫氣循環(huán)泵返回穩(wěn)壓罐A。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述的系 統(tǒng)同時使用了二種氫循環(huán)方式，一種排氫及排水方式，當氫氣過量太大時通過引射泵實現(xiàn) 循環(huán)，氫氣過量太小時通過穩(wěn)壓罐和氫氣循環(huán)泵實現(xiàn)循環(huán)，并通過排氫電磁閥間歇性地排 入穩(wěn)壓罐，對氫氣循環(huán)泵的要求較低，而且自耗功率較小，使用壽命提高。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池的氫氣密閉循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氫氣罐、減壓閥、比例開關(guān)電磁閥、引射泵、燃料電池堆、排氫電磁閥和氫氣循環(huán)泵，所述的氫氣罐依次通過減壓閥、比例開關(guān)電磁閥、引射泵連接到燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口連接排氫電磁閥，還包括穩(wěn)壓罐A、穩(wěn)壓罐B，所述的穩(wěn)壓罐A設(shè)置在引射泵與燃料電池堆的氫氣入口之間，所述的穩(wěn)壓罐B連接排氫電磁閥，所述的氫氣循環(huán)泵分別連接穩(wěn)壓罐A和穩(wěn)壓罐B，氫氣進入穩(wěn)壓罐A經(jīng)水汽分離進入燃料電池堆參與反應(yīng)，過量氫氣通過排氫電磁閥排入穩(wěn)壓罐B，穩(wěn)壓罐B內(nèi)的氫氣通過氫氣循環(huán)泵返回穩(wěn)壓罐A。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有自耗功率小，氫氣利用率高等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/04GK101887981SQ200910051129
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者王澤民, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司