專利名稱：一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(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(jiǎn)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(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(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，正離子可通過遷移穿過質(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，通過滲透穿過多孔性擴(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(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(dá)
陽極反應(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(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)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過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)以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯(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(gè)膜電極的陽極導(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一定方式連在一起而組成一個(gè)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(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、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式和固定式發(fā)電站時(shí)，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部分。
圖1為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，在圖1中1為燃料電池堆；2為儲(chǔ)氫瓶或其他儲(chǔ)氫裝置；3為減壓閥；4為空氣過濾裝置；5為空氣壓縮供應(yīng)裝置；6為氫氣水-汽分離器、6’為空氣水-汽分離器；7為水箱；8為冷卻流體循環(huán)泵；9為散熱器；10為氫循環(huán)泵；11、12為增濕裝置；13為氫穩(wěn)壓閥；14為排水、排氫電磁閥。
為了保證燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能穩(wěn)定性，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的氫氣燃料供應(yīng)與循環(huán)回路子系統(tǒng)中必須保證純度很高的燃料氫氣均勻、充足地供應(yīng)給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中地燃料電池堆中的每個(gè)單電池。并且，保證每個(gè)單電池氫氣側(cè)氫氣導(dǎo)流槽中不堵水。為了達(dá)到上述目的，現(xiàn)行的技術(shù)采用一個(gè)排水、排氫的電磁閥14，如圖1所示，該電磁閥每間隔一段時(shí)間將開啟一次，以保證以下功能作用(1)有利于燃料電池堆中氫氣側(cè)排水，防止堵水發(fā)生。因?yàn)楫?dāng)該電磁閥14打開時(shí)，燃料電池堆中的氫側(cè)氫氣運(yùn)行壓力高于外部大氣壓，燃料電池堆的氫氣出口氫氣將以較快的流速，從該電磁閥排出，并攜帶出電堆中氫側(cè)及水器分離器中的水。
(2)一般來說燃料氫氣純度不可能是100％。主要含有極微量的氮?dú)獾入s質(zhì)氣體。當(dāng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)工作時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于大量氫氣的輸入與長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)，會(huì)積累一定量的雜質(zhì)氣體，而且隨著運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，積累的雜質(zhì)氣體濃度也越高，不利于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，所以電磁閥14也需要打開排出一定量的氫氣內(nèi)含的雜質(zhì)氣體。
目前電磁閥14在開啟時(shí)一般會(huì)持續(xù)時(shí)間0.1-2秒，所以排出的氫氣量也較大。氫氣直接排入到大氣中是較危險(xiǎn)的。在排放的周圍有起爆能超過氫氣爆炸的起爆能時(shí)，都會(huì)引起在大氣中爆炸、燃燒。由于氫氣起爆能很低，任何煙火、靜電都可以引起上述事故。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型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)合理、使用安全的帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、減壓閥、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、氫氣水-汽分離器、空氣水-汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、氫循環(huán)泵、氫氣增濕裝置、空氣增濕裝置、氫穩(wěn)壓閥、排水排氫電磁閥，所述的空氣水-汽分離器設(shè)有空氣排放管，其特征在于，還包括單向閥，該單向閥設(shè)在排水排氫電磁閥后面延續(xù)的管道上，所述的單向閥后再延續(xù)一段管道，該管道延伸深入到上述空氣排放管中。
所述的單向閥為低氣阻單向閥。
所述的單向閥后續(xù)管道垂直延伸插入空氣排放管中。
所述的單向閥后續(xù)管道插入空氣排放管中的端部設(shè)有一彎頭，該彎頭朝向空氣排放管中的空氣流向。
所述的單向閥后續(xù)管道以與空氣排放管中空氣流向呈銳角延伸插入空氣排放管中。
所述的空氣排放管的直徑比延伸進(jìn)來的單向閥后續(xù)管道直徑大得多。
所述的排水排氫電磁閥在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，并在空氣排放管中有大量空氣排出后開啟。
本實(shí)用新型由于采用了以上技術(shù)方案，因此使得氫氣的排放不會(huì)引起任何爆炸、燃燒的事故，有利于安全運(yùn)行。


圖1為現(xiàn)有燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖2為本實(shí)用新型系統(tǒng)中氫氣間歇性安全排放裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
如圖1、圖2所示，一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池堆1、儲(chǔ)氫裝置2、減壓閥3、空氣過濾裝置4、空氣壓縮供應(yīng)裝置5、氫氣水-汽分離器6、空氣水-汽分離器6’、水箱7、冷卻流體循環(huán)泵8、散熱器9、氫循環(huán)泵10、氫氣增濕裝置11、空氣增濕裝置12、氫穩(wěn)壓閥13、排水排氫電磁閥14，低氣阻單向閥15，所述的空氣水-汽分離器6’設(shè)有空氣排放管16，所述的單向閥15設(shè)在排水排氫電磁閥14后面延續(xù)的管道17上，所述的單向閥15后再延續(xù)一段管道18，該管道18垂直延伸深入到上述空氣水-汽分離器的空氣排放管16中。
本實(shí)施例連接電磁閥14、單向閥15及深入到空氣排放管16中的管子均為不銹鋼管，管徑內(nèi)徑為10mm，空氣排放管16也為不銹鋼管，管徑內(nèi)徑為60mm。電磁閥14每隔5分鐘排放一次，排放持續(xù)時(shí)間為1秒。經(jīng)試驗(yàn)，在空氣排放管末端放置火苗，任何情況下不發(fā)生燃燒、爆炸。
本實(shí)施例將氫氣排放電磁閥后面再延續(xù)管道，并隨后再設(shè)置一個(gè)阻力很小的單向閥15，單向閥后而再延續(xù)一段管道，并延伸深入到燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的空氣排放管中。一般來說空氣排放管的直徑比延伸進(jìn)來的氫氣排放管道直徑大得多，所以不影響空氣排放，不構(gòu)成空氣排放的流動(dòng)阻力。
氫氣排放電磁閥只有在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)才有可能開啟。也就是說，任何打開排放氫氣時(shí)，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的空氣排放管都有大量的過量濕空氣與大量的除去氧氣后的濕氮?dú)饧耙簯B(tài)水排出，當(dāng)氫氣排入到這種氧氣濃度很低的濕態(tài)氮?dú)庵袝r(shí)，不但氫氣濃度很快被高速流動(dòng)的上述混合氣體稀釋，而且在遇到任何引爆物、引爆條件時(shí)，由于氧氣濃度低，不會(huì)引起燃燒、爆炸。
實(shí)施例2如圖1、圖2所示，一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本與實(shí)施例1相同，不同之處在于單向閥15后續(xù)管道18插入空氣排放管16中的端部設(shè)有一彎頭19，該彎頭19朝向空氣排放管中的空氣流向(圖2中箭頭所指方向)。
實(shí)施例3如圖1、圖2所示，一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本與實(shí)施例1相同，不同之處在于單向閥15后續(xù)管道18以與空氣排放管16中空氣流向呈60度或30度銳角延伸插入空氣排放管16中(圖未示)。
實(shí)施例4如圖1、圖2所示，一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的50千瓦燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，用作燃料電池車用發(fā)動(dòng)機(jī)。本實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。其中，連接電磁閥14、單向閥15及深入到空氣排放管16中的管子均為不銹鋼管，管徑內(nèi)徑為10mm，空氣排放管16也為不銹鋼管，管徑內(nèi)徑為60mm。電磁閥14每隔8分鐘排放一次，排放持續(xù)時(shí)間為1.5秒。經(jīng)試驗(yàn)，在空氣排放管末端放置火苗，任何情況下不發(fā)生燃燒、爆炸。
權(quán)利要求1.一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、減壓閥、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、氫氣水—汽分離器、空氣水—汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、氫循環(huán)泵、氫氣增濕裝置、空氣增濕裝置、氫穩(wěn)壓閥、排水排氫電磁閥，所述的空氣水—汽分離器設(shè)有空氣排放管，其特征在于，還包括單向閥，該單向閥設(shè)在排水排氫電磁閥后面延續(xù)的管道上，所述的單向閥后再延續(xù)一段管道，該管道延伸深入到上述空氣排放管中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的單向閥為低氣阻單向閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的單向閥后續(xù)管道垂直延伸插入空氣排放管中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的單向閥后續(xù)管道插入空氣排放管中的端部設(shè)有一彎頭，該彎頭朝向空氣排放管中的空氣流向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的單向閥后續(xù)管道以與空氣排放管中空氣流向呈銳角延伸插入空氣排放管中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的空氣排放管的直徑比延伸進(jìn)來的單向閥后續(xù)管道直徑大得多。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的排水排氫電磁閥在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，并在空氣排放管中有大量空氣排出后開啟。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種帶有氫氣間歇性安全排放裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料電池堆、儲(chǔ)氫裝置、減壓閥、空氣過濾裝置、空氣壓縮供應(yīng)裝置、氫氣水－汽分離器、空氣水－汽分離器、水箱、冷卻流體循環(huán)泵、散熱器、氫循環(huán)泵、氫氣增濕裝置、空氣增濕裝置、氫穩(wěn)壓閥、排水排氫電磁閥、單向閥，所述的空氣水－汽分離器設(shè)有空氣排放管，所述的單向閥設(shè)在排水排氫電磁閥后面延續(xù)的管道上，所述的單向閥后再延續(xù)一段管道，該管道延伸深入到上述空氣排放管中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)合理、使用安全等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/00GK2720652SQ200420081669
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 郭偉良 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司