一種在線供氫風冷燃料電池系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種在線供氫風冷燃料電池系統，包括風冷電堆、氫氣供應裝置、空氣供應裝置和冷凝裝置，所述空氣供應裝置包括空氣供應風扇以及空氣流道；所述冷凝裝置包括冷凝箱、冷凝風扇以及水箱；所述氫氣供應裝置包括氫氣反應器，所述氫氣反應器的入口通過水泵與所述水箱連接，所述氫氣反應器的出口與所述風冷電堆的氫氣入口連接。本發明能回收風冷電堆生成的水并提供給氫氣反應器進行氫化鎂水解制氫，且通過氫氣循環能有效提高系統的氫氣利用率。
【專利說明】
一種在線供氫風冷燃料電池系統
技術領域
[0001]本發明屬于風冷燃料電池技術領域，具體涉及一種在線供氫風冷燃料電池系統。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種直接將儲存在氫氣和空氣中氧氣的化學能轉化為電能的發電裝置，只要提供足夠的氫氣和氧氣就能源源不斷的產生電能，其具有能量轉化效率高、可靠性好、環境友好，應用范圍廣等優勢，因而被認為是21世紀最有前途的動力源。常規的燃料電池需要設置專門的冷卻子系統，其配有冷卻流道、水栗、散熱器、冷卻水箱等，這樣會大大增加系統的復雜性。風冷燃料電池通過特殊的結構設計，通過風扇吸入的空氣不僅可以提供電池發電還能對電池進行冷卻，因而將空氣供應和冷卻系統融為一體，不僅簡化了冷卻子系統，還簡化了空氣供應系統中的加濕器、空氣壓縮機等設備，極大了提高了電池的便攜性。
[0003]燃料電池發電所需的氫氣通常由高壓氫氣瓶提供，氫氣瓶增加了系統的體積、重量和成本。此外，燃料電池長時間運行耗氫量較大，若其瓶內氫氣不足，系統便不能發電，因而需要實時監測，及時補給氫氣。而且，氫氣的直接排放會造成多種不利影響，雖然可以通過尾氣催化燃燒的方法降低這種危害，還并不能解決氫氣利用率問題。與此同時，電池發電生成的水直接隨尾氣排走而未能加以利用。基于這些不足之處，有必要發明一種新的風冷燃料電池系統。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種在線供氫風冷燃料電池系統，它具有在線供氫、高氫氣利用率以及水回收利用的優點。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006]—種在線供氫風冷燃料電池系統，該系統包括利用含氧氣體和含氫氣體之間的電化學反應產生電的風冷電堆、用于向所述風冷電堆供應含氫氣體的氫氣供應裝置以及用于向所述風冷電堆供應含氧氣體且使所述風冷電堆強制風冷的空氣供應裝置，所述空氣供應裝置包括用于將外部空氣送入所述風冷電堆內的空氣供應風扇以及設置在所述風冷電堆內的空氣流道；
[0007]該系統還包括設置在所述空氣流道出口處用于冷凝空氣尾氣的冷凝裝置，所述冷凝裝置包括冷凝箱、設置在所述冷凝箱內的冷凝風扇以及與所述冷凝箱的液態水出口連接的水箱；
[0008]所述氫氣供應裝置包括氫氣反應器，所述氫氣反應器的入口通過水栗與所述水箱連接，所述氫氣反應器的出口與所述風冷電堆的氫氣入口連接。
[0009]按上述技術方案，所述氫氣反應器為氫化鎂水解制氫反應器。
[0010]按上述技術方案，所述氫氣供應裝置還包括用于回收所述風冷電堆內未參與反應氫氣的氫氣緩沖罐，所述氫氣緩沖罐通過氫氣循環栗與所述風冷電堆的氫氣入口連接。
[0011]按上述技術方案，所述氫氣緩沖罐上還設置有用于排放罐內氫氣的電磁閥。
[0012]按上述技術方案，所述空氣供應裝置還包括用于驅動所述空氣供應風扇轉動的直流電源以及用于調節所述空氣供應風扇電流的變阻器。
[0013]按上述技術方案，所述氫氣反應器的出口與所述風冷電堆的氫氣入口之間設置有單向閥。
[0014]本發明，具有以下有益效果:該系統使用氫氣反應器取代氫氣瓶作為氫氣源，可以直接供氫給風冷電堆進行發電，其產氫速率快，能滿足電池對氫氣的需求，實現電池發電在線供氫；同時，由于風冷電堆出來的空氣尾氣溫度較高，含水量較高，通過設置冷凝裝置將高溫空氣冷凝成低溫空氣，降低了飽和水蒸氣蒸汽壓力，可以析出液態水，即可以回收電池發電生成的水，冷凝箱內的水流入水箱，通過水栗將回收的水運送至氫氣反應器用于制氫，可以實現水的循環利用，減少了水的外界補給量，而且氫氣反應器可對生成的氫氣自加濕，不需額外設置氫氣加濕器，因而簡化了氫氣供應裝置。
【附圖說明】
[0015]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0016]圖1是本發明實施例的結構示意圖。
[0017]圖中:1-氫氣反應器，2-直流電源，3-變阻器，4-氫氣入口，5_空氣供應風扇，6-空氣入口，7-氫氣循環栗，8-風冷電堆，9-氫氣緩沖器，10-電磁閥，11-冷凝箱，12-冷凝風扇，13-水箱，14-水栗。
【具體實施方式】
[0018]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0019]在本發明的較佳實施例中，如圖1所示，一種在線供氫風冷燃料電池系統，該系統包括利用含氧氣體和含氫氣體之間的電化學反應產生電的風冷電堆8、用于向風冷電堆8供應含氫氣體的氫氣供應裝置以及用于向風冷電堆8供應含氧氣體且使風冷電堆8強制風冷的空氣供應裝置，空氣供應裝置包括用于將外部空氣送入風冷電堆8內的空氣供應風扇5以及設置在風冷電堆8內的空氣流道，空氣流道起著供應供氣和冷卻兩個作用，空氣供應風扇5安裝在風冷電堆8的空氣入口 6處；
[0020]該系統還包括設置在空氣流道出口處用于冷凝空氣尾氣的冷凝裝置，冷凝裝置包括冷凝箱11、設置在冷凝箱11內的冷凝風扇12以及與冷凝箱11的液態水出口連接的水箱13；
[0021]氫氣供應裝置包括氫氣反應器I，氫氣反應器I的入口通過水栗14與水箱13連接，氫氣反應器I的出口與風冷電堆8的氫氣入口 4連接，具體的，氫氣反應器的出口與風冷電堆的氫氣入口之間設置有單向閥，可以避免循環回路的氫氣倒流入氫氣反應器，確保氫氣單向流動，防止對系統造成危害。
[0022]在本發明的優選實施例中，如圖1所示，氫氣反應器I為氫化鎂水解制氫反應器。在氫氣反應器內發生氫化鎂水解制氫反應并直接提供給電堆發電，可以實現風冷燃料電池系統在線供氫。
[0023]在本發明的優選實施例中，如圖1所示，氫氣供應裝置還包括用于回收風冷電堆8內未參與反應氫氣的氫氣緩沖罐9，氫氣緩沖罐9通過氫氣循環栗7與風冷電堆8的氫氣入口4連接。未反應的氫氣重新注入氫氣入口，形成氫氣循環回路，可以提高氫氣利用率，而且氫氣緩沖器具有水氣分離作用，將氫氣出口的氫氣和水分進行分離。
[0024]在本發明的優選實施例中，如圖1所示，氫氣緩沖罐9上還設置有用于排放罐內氫氣的電磁閥10，用于緊急情況時及時對氫氣進行排放。
[0025]在本發明的優選實施例中，如圖1所示，空氣供應裝置還包括用于驅動空氣供應風扇5轉動的直流電源2以及用于調節空氣供應風扇5電流的變阻器3。通過調節滑動變阻器可以改變空氣供應風扇的功率，滿足不同工況對空氣量的需求。
[0026]本發明在具體應用時，如圖1所示，空氣供應風扇5安裝在風冷電堆8的空氣入口6處，該風扇由直流電源2提供動力，通過調節變阻器3來改變電路的電流大小從而改變空氣供應風扇5的功率，根據風冷電堆8不同功率提供滿足要求的空氣量。風冷電堆8的空氣出口安裝有與之相匹配的冷凝箱11和冷凝風扇12，強制冷凝風冷電堆出口空氣，將尾氣攜帶的水蒸氣冷凝成液態水并進行收集，液態水從冷凝箱11流向水箱13并通過水栗14運送至氫氣反應器I進行制氫，從而將反應生成的水循環利用。
[0027]風冷電堆反應生成的水:
[0028]2Η2+02^2Η20 (I)
[0029]氫氣反應器I中氫化鎂水解制氫化學反應器為:
[0030]MgH2+2H20^Mg (OH) 2+2H2(2)
[0031]通過公式(I)和(2)可知，理論上風冷電堆反應生成的水正好可以滿足制氫量的需求，但實際上由于風冷電堆發電生成的水一小部分會留在電池內，而另一大部分隨尾氣離開電堆的水蒸氣并不能完全的被冷凝成液態水，此外，為了加快制氫速率，氫化鎂水解往往需要提供過量的水，基于這些因素，本發明的水雖不能自給自足，但通過水回收利用可以減少外界水的補給量。
[0032]風冷電堆發電所需的氫氣通過氫氣反應器I內的氫化鎂水解而得到，所產生的氫氣攜帶有水分，因而不需對氫氣進行額外的加濕，系統不需設置額外氫氣加濕器。為提高電池的發電效率，通常需要提供大于I倍化學計量比的氫氣，本發明通過在風冷電堆的氫氣出口處設置氫氣緩沖罐9收集氫氣出口未參加反應的氫氣，并通過氫氣循環栗7將氫氣緩沖罐9內的氫氣重新注入氫氣入口進行反應，從而形成了氫氣循環回路，提高了系統的氫氣利用率，同時避免氫氣直接排放造成危害。氫氣緩沖罐9除了能收集氫氣之外，還具有水氣分離作用，將氫氣出口的氫氣和水進行分離。此外，在氫氣緩沖罐9出口設置電磁閥10，用以緊急情況時排放氫氣，提高系統安全性。
[0033]本發明具有以下優點:
[0034]1.可通過調節滑動變阻器來調節風扇的電流大小，從而可以根據不同的電堆工況需求提供相應的空氣量，實現空氣智能供給；
[0035]2.可通過設置冷凝箱和冷凝風扇，將反應生成的水回收并運送至氫氣反應器用以氫化鎂水解制氫，實現水的循環利用，減少了水的外界補給量；
[0036]3.采用儲氫量高的氫化鎂水解制氫直接供給電池發電，其產氫速率快，能滿足電池對氫氣的需求，實現電池發電在線供氫；
[0037]4.通過設置氫氣緩沖罐形成氫氣循環回路，可大大提高氫氣利用率，避免氫氣直接排放造成危害。
[0038]應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種在線供氫風冷燃料電池系統，該系統包括利用含氧氣體和含氫氣體之間的電化學反應產生電的風冷電堆、用于向所述風冷電堆供應含氫氣體的氫氣供應裝置以及用于向所述風冷電堆供應含氧氣體且使所述風冷電堆強制風冷的空氣供應裝置，所述空氣供應裝置包括用于將外部空氣送入所述風冷電堆內的空氣供應風扇以及設置在所述風冷電堆內的空氣流道； 其特征在于，該系統還包括設置在所述空氣流道出口處用于冷凝空氣尾氣的冷凝裝置，所述冷凝裝置包括冷凝箱、設置在所述冷凝箱內的冷凝風扇以及與所述冷凝箱的液態水出口連接的水箱； 所述氫氣供應裝置包括氫氣反應器，所述氫氣反應器的入口通過水栗與所述水箱連接，所述氫氣反應器的出口與所述風冷電堆的氫氣入口連接。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氫氣反應器為氫化鎂水解制氫反應器。3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氫氣供應裝置還包括用于回收所述風冷電堆內未參與反應氫氣的氫氣緩沖罐，所述氫氣緩沖罐通過氫氣循環栗與所述風冷電堆的氫氣入口連接。4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述氫氣緩沖罐上還設置有用于排放罐內氫氣的電磁閥。5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述空氣供應裝置還包括用于驅動所述空氣供應風扇轉動的直流電源以及用于調節所述空氣供應風扇電流的變阻器。6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氫氣反應器的出口與所述風冷電堆的氫氣入口之間設置有單向閥。
【文檔編號】H01M8/04014GK105914386SQ201610472875
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】陳奔, 涂正凱, 羅馬吉, 王俊, 吳凡, 潘牧
【申請人】武漢理工大學