專利名稱：一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置。
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(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ㄟ^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(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，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(yùn)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。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船動力系統(tǒng)或移動式和固定式發(fā)電站時，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)、自動控制及電能輸出各個部分。
圖1為現(xiàn)有燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，在圖1中1為燃料電池堆，2為貯氫瓶或其他貯氫裝置，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’、6為水—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為充氫閥。
質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)用作車、船等運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)，或用作移動式、固定式的發(fā)電裝置時，都會遇到火災(zāi)、碰撞等事故。當(dāng)高壓貯氫裝置2受到火災(zāi)劇熱或超過承受能力的事故性撞擊時都會發(fā)生殼體爆裂，進(jìn)而引發(fā)大量氫氣外泄及燃燒。由于爆裂的位置是隨機(jī)的，如大量氫氣外泄燃燒方向恰好是對準(zhǔn)乘客或在場人員的，那么就會造成人員傷亡事故。
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安全性好的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置。
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)一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，包括高壓貯氫瓶、氫穩(wěn)壓閥、充氫閥，其特征在于，還包括組合閥，該組合閥由電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥、壓力與溫度傳感器、氫氣泄放管組成，所述的電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥設(shè)在高壓貯氫瓶的外部，所述的壓力與溫度傳感器設(shè)在高壓貯氫瓶內(nèi)部，所述的氫氣泄放管由高壓貯氫瓶內(nèi)部向外部引出并分成兩條支管，所述的電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥分別設(shè)在該兩條支管上，所述的電磁泄放閥與所述的壓力與溫度傳感器電連接。
所述的電磁泄放閥設(shè)有泄放口；當(dāng)高壓貯氫瓶內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，壓力與溫度傳感器則指令電磁泄放閥開啟，氫氣從該泄放口排出。
所述的機(jī)械泄放閥設(shè)有活塞、彈簧、泄放口，所述的活塞、彈簧設(shè)在同一氫氣泄放支管內(nèi)，且活塞設(shè)在近高壓貯氣瓶端，所述的泄放口設(shè)在與上述彈簧位置相應(yīng)的氫氣泄放支管上；當(dāng)高壓貯氣瓶內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，活塞被頂起，而該活塞又將彈簧頂起，使活塞密封水平超過該泄放口，從而使機(jī)械泄放閥自動泄放氫氣。
所述的機(jī)械泄放閥設(shè)有閥門、膜片，所述的閥門、膜片設(shè)在同一氫氣泄放支管內(nèi)，且膜片設(shè)在近高壓貯氣瓶端；當(dāng)高壓貯氣瓶內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，上述膜片破裂，從而使機(jī)械泄放閥自動泄放氫氣。
所述的電磁泄放閥與機(jī)械泄放閥的泄放口采用不銹鋼管連接且并聯(lián)后延伸引向地面，且管口正對地面。
所述的組合閥設(shè)在高壓貯氫瓶的瓶口端。
本實(shí)用新型就是為了防止人員傷亡事故而設(shè)計的一種技術(shù)方案，該方案采用的高壓貯氫裝置的瓶口端多設(shè)了一個兼具機(jī)械破裂泄放方式與電磁泄放方式二種功能的組合閥，該組合閥的探頭(即壓力與溫度傳感器)深入到氫氣貯罐內(nèi)，當(dāng)探頭探測到溫度與壓力超過安全設(shè)定范圍時都會打開電磁泄放閥。為了防止電磁閥失靈，組合閥同時設(shè)有機(jī)械泄放閥，該閥在貯氫裝置內(nèi)部壓力超過安全設(shè)定值時會自動打開泄放掉氫氣，當(dāng)罐內(nèi)氫氣壓力高于某一設(shè)定值時彈簧被頂起，將活塞頂起，活塞密封水平超過泄放口，而自動泄放氫氣。本實(shí)用新型組合閥同時還可以設(shè)置另一種機(jī)械泄放閥，該閥設(shè)有閥門及膜片，當(dāng)高壓貯氣瓶內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，上述膜片破裂，從而使機(jī)械泄放閥自動泄放氫氣。
本技術(shù)方案另外一項最重要的措施是將一個或數(shù)個氫氣泄放口用不銹鋼管連接并延伸導(dǎo)向至地面，最終管口是對準(zhǔn)地面。這樣，當(dāng)氫氣大量泄放而燃燒時不會傷及乘客或在場人員。


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)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型組合閥中電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型組合閥中電磁泄放閥、另一種機(jī)械泄放閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例如圖2、圖3及圖4所示，一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，包括高壓貯氫瓶2、氫穩(wěn)壓閥13、充氫閥14、組合閥15，該組合閥15設(shè)在高壓貯氫瓶2的瓶口端，它由電磁泄放閥151、機(jī)械泄放閥152、壓力與溫度傳感器153、氫氣泄放管154組成，所述的電磁泄放閥151、機(jī)械泄放閥152設(shè)在高壓貯氫瓶2的外部，所述的壓力與溫度傳感器153設(shè)在高壓貯氫瓶2內(nèi)部，所述的氫氣泄放管154由高壓貯氫瓶2內(nèi)部向外部引出并分成兩條支管1541、1542，所述的電磁泄放閥151設(shè)在氫氣泄放支管1541上，所述的機(jī)械泄放閥152設(shè)在氫氣泄放支管1542上，所述的電磁泄放閥151與所述的壓力與溫度傳感器153電連接。
所述的電磁泄放閥151設(shè)有泄放口1511；當(dāng)高壓貯氫瓶2內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，壓力與溫度傳感器153則指令電磁泄放閥151開啟，氫氣從該泄放口1511排出。
如圖3，所述的機(jī)械泄放閥152設(shè)有活塞1521、彈簧1522、泄放口1523，所述的活塞1521、彈簧1522設(shè)在同一氫氣泄放支管1542內(nèi)，且活塞1521設(shè)在近高壓貯氣瓶端，所述的泄放口1523設(shè)在與上述彈簧1522位置相應(yīng)的氫氣泄放支管1542上；當(dāng)高壓貯氣瓶2內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，活塞1521被頂起，而該活塞1521又將彈簧1522頂起，使活塞1521密封水平超過該泄放口1523，從而使機(jī)械泄放閥152自動泄放氫氣。
如圖4，所述的另一種機(jī)械泄放閥150設(shè)有閥門1501、膜片1502，所述的閥門1501、膜片1502設(shè)在同一氫氣泄放支管1542內(nèi)，且膜片1502設(shè)在近高壓貯氣瓶端；當(dāng)高壓貯氣瓶2內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，上述膜片1502破裂，氫氣由閥門1501泄放。
所述的電磁泄放閥151的泄放口1511采用不銹鋼管1512連接引出，所述的機(jī)械泄放閥152的泄放口1523也采用不銹鋼管1524連接引出，由上述泄放口引出的不銹鋼管1512與不銹鋼管1524并聯(lián)后延伸引向地面，且管口正對地面。
本實(shí)施例應(yīng)用在50KW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，用作轎車燃料電池發(fā)動機(jī)。它采用二只50升容積鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞、環(huán)氧樹脂浸漬的高壓氣態(tài)氫貯罐。工作壓力200個大氣壓。
每只貯罐都有一個組合閥，每個組合閥的所有泄放口都用內(nèi)徑為20mm的不銹鋼管連接并且并聯(lián)在一起延伸導(dǎo)向到轎車尾部，并設(shè)放在底盤上，延伸導(dǎo)向管管口朝轎車車尾并偏向地面。
當(dāng)轎車遇到火災(zāi)或撞擊時，貯罐內(nèi)的溫度傳感器探測到氫氣溫度達(dá)到150℃，或壓力超過500個大氣壓，立即打開電磁泄放閥151排氫。當(dāng)電磁閥泄放151失靈時，罐內(nèi)氫氣壓力超過550個大氣壓，溫度達(dá)到170℃時，膜片1502破裂，氫氣從閥門1501泄放。
權(quán)利要求1.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，包括高壓貯氫瓶、氫穩(wěn)壓閥、充氫閥，其特征在于，還包括組合閥，該組合閥由電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥、壓力與溫度傳感器、氫氣泄放管組成，所述的電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥設(shè)在高壓貯氫瓶的外部，所述的壓力與溫度傳感器設(shè)在高壓貯氫瓶內(nèi)部，所述的氫氣泄放管由高壓貯氫瓶內(nèi)部向外部引出并分成兩條支管，所述的電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥分別設(shè)在該兩條支管上，所述的電磁泄放閥與所述的壓力與溫度傳感器電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，其特征在于，所述的電磁泄放閥設(shè)有泄放口；當(dāng)高壓貯氫瓶內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，壓力與溫度傳感器則指令電磁泄放閥開啟，氫氣從該泄放口排出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，其特征在于，所述的機(jī)械泄放閥設(shè)有活塞、彈簧、泄放口，所述的活塞、彈簧設(shè)在同一氫氣泄放支管內(nèi)，且活塞設(shè)在近高壓貯氣瓶端，所述的泄放口設(shè)在與上述彈簧位置相應(yīng)的氫氣泄放支管上；當(dāng)高壓貯氣瓶內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，活塞被頂起，而該活塞又將彈簧頂起，使活塞密封水平超過該泄放口，從而使機(jī)械泄放閥自動泄放氫氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，其特征在于，所述的機(jī)械泄放閥設(shè)有閥門、膜片，所述的閥門、膜片設(shè)在同一氫氣泄放支管內(nèi)，且膜片設(shè)在近高壓貯氣瓶端；當(dāng)高壓貯氣瓶內(nèi)壓力與溫度超過安全設(shè)定值時，上述膜片破裂，從而使機(jī)械泄放閥自動泄放氫氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，其特征在于，所述的電磁泄放閥與機(jī)械泄放閥的泄放口采用不銹鋼管連接且并聯(lián)后延伸引向地面，且管口正對地面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，其特征在于，所述的組合閥設(shè)在高壓貯氫瓶的瓶口端。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的高壓貯氫裝置，包括高壓貯氫瓶、氫穩(wěn)壓閥、充氫閥，組合閥，該組合閥由電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥、壓力與溫度傳感器、氫氣泄放管組成，所述的電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥設(shè)在高壓貯氫瓶的外部，所述的壓力與溫度傳感器設(shè)在高壓貯氫瓶內(nèi)部，所述的氫氣泄放管由高壓貯氫瓶內(nèi)部向外部引出并分成兩條支管，所述的電磁泄放閥、機(jī)械泄放閥分別設(shè)在該兩條支管上，所述的電磁泄放閥與所述的壓力與溫度傳感器電連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有安全性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01M8/04GK2718796SQ200420081718
公開日2005年8月17日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 章波 申請人:上海神力科技有限公司