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CN115064730A - 一种燃料电池全生命周期的增湿方法 - Google Patents

一种燃料电池全生命周期的增湿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池全生命周期的增湿方法，包括：a、阳极反应气经过燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的尾气气体回流再进入燃料电池参与反应；b、阴极反应气进入燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的热的阴极尾气气体经过缓存罐后排出；c、超声雾化装置将水转化成水雾后进入缓存罐，并通过比例阀定量引入阴极进气管路，与干的阴极反应气混合后进入燃料电池。本发明提高了燃料电池的寿命和效率，降低了燃料电池系统的成本，且系统简单，控制方法简单，易于在产业化上进行推广与应用。

Description

一种燃料电池全生命周期的增湿方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池全生命周期的增湿方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，是一种采用可传导离子的聚合膜作为电解质，将氢气的化学能转化为电能的装置，也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、同体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)。燃料电池实际上是一个大的发电系统。对于质子交换膜燃料电池，需要有燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热管理系统、电力系统以及控制系统等。
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为目前最具前景和最受关注的新能源技术之一，具有无污染，能量转换率高，工作温度低，噪音低等众多优点，能广泛应用于交通运输车辆，热电联产，固定基站，移动便携设备，无人机等众多领域。尽管目前在全世界范围内已经有许多PEMFCs的实际工业应用和项目正在部署和示范运行，但PEMFCs在大规模商业化应用的道路上仍然面临两个主要瓶颈，即在实际运行工况下较短的使用寿命和较高的成本。因此，目前大部分PEMFCs的相关研究都集中在这两个问题上：延长PEMFCs的使用寿命并降低其成本。
目前，大多数主要针对燃料电池在额定工况下的性能进行了深入研究，殊不知，在一些情况下，燃料电池是在怠速工况下运行，即低电流密度下运行，此时，燃料电池内部生成的水较少，很难通过膜加湿器进行有效加湿，极大地影响了燃料电池的寿命；另外，在燃料电池刚刚启动的时候，膜加湿器较干，无生成的水进入膜加湿器，进入电堆的空气几乎为热的干空气，不利于质子交换膜的加湿，影响质子传导，加大极化，影响燃料电池的寿命；此外，现在燃料电池均通过膜加湿器对空气进行加湿，当燃料电池在额定功率或高电流密度下运行时，燃料电池内部生成的水较多，导致进入电堆的空气的湿度过高，电堆内很容易发生水淹，甚至发生反极，影响燃料电池的寿命。因此，需要对燃料电池在全生命周期运行范围内的湿度进行较好的控制，提高燃料电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种燃料电池全生命周期的增湿方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种燃料电池全生命周期的增湿方法，包括：
a、阳极反应气经过燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的尾气气体回流再进入燃料电池参与反应；
b、阴极反应气进入燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的热的阴极尾气气体经过缓存罐后排出；
c、超声雾化装置将水转化成水雾后进入缓存罐，并通过比例阀定量引入阴极进气管路，与干的阴极反应气混合后进入燃料电池；其中，热的阴极尾气气体在缓存罐与水雾发生热交换，一方面降低尾排气体的温度，另一方面提升水雾的温度使之易于气化；在燃料电池刚刚启动时，燃料电池膜较干燥且燃料电池产生的水非常少，可提前通过补水口向超声雾化装置中注入一定量的去离子水。
进一步地：所述缓存罐是一中空的双层结构，内层为水雾层，外层为阴极尾气气体层，内层的水雾与外层的阴极尾气气体进行热交换，使冷的水雾变成热的水雾。
进一步地：所述阳极反应气为纯的氢气或氢气与氮气混合气体。
进一步地：所述阴极反应气为标准空气、氧气、低氧含量的非标空气或高氧含量的非标空气。
燃料电池运行过程：
第一、燃料电池启动前，预先向超声雾化装置中注入去离子水；第二、燃料电池刚启动时，打开超声雾化装置使之正常工作，生成的水雾经过缓存罐后通过比例阀进入阴极供气管道，与阴极反应气进行混合后进入燃料电池，反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的热的阴极尾气气体经过缓存罐后排出；阳极反应气经过燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的尾气气体回流再进入燃料电池参与反应。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、燃料电池在刚刚启动时，特别是在低电流密度下，生成的水较少，可通过预先向超声雾化装置中注入的去离子水对燃料电池进行加湿，保证燃料电池质子交换膜的润湿性，实现全生命周期下的增湿，有利于提高燃料电池的寿命；
2、燃料电池在高电流密度下运行时，产生的水较多，可将其进行收集并储存于超声雾化装置中，用于下次燃料电池启动时或低电流密度下运行时的增湿；
3、使用量产的价格便宜的超声雾化装置替代价格昂贵且寿命较短的膜加湿器，有利于降低燃料电池系统的成本；
4、可通过比例阀对阴极反应气湿度进行控制，确保燃料电池不在干燥或水淹的状态下运行，有利于提高燃料电池的寿命；
5、超声雾化装置出来的水雾与阴极尾气气体进行热交换，进行一次升温并部分气化，再与阴极反应气混合进行水热交换，实现二次升温并全部气化，充分利用燃料电池整个循环过程中的热量，有利于提高整个燃料电池系统的效率；6、系统简单，控制方法简单，易于在产业化上进行推广与应用。
附图说明
图1是本发明所述一种燃料电池全生命周期的增湿方法的增湿管路原理示意图；
图2是本发明所述一种燃料电池全生命周期的增湿方法的中的缓存罐的进出气结构示意图；
图3是图2的剖视结构示意图；
图4是本发明所述一种燃料电池全生命周期的增湿方法的一种实施例的增湿管路原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图4所示，一种燃料电池全生命周期的增湿方法，包括：
a、阳极反应气经过燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的尾气气体回流再进入燃料电池参与反应；
b、阴极反应气进入燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的热的阴极尾气气体经过缓存罐后排出；
c、超声雾化装置将水转化成水雾后进入缓存罐，并通过比例阀定量引入阴极进气管路，与干的阴极反应气混合后进入燃料电池；其中，热的阴极尾气气体在缓存罐与水雾发生热交换，一方面降低尾排气体的温度，另一方面提升水雾的温度使之易于气化；在燃料电池刚刚启动时，燃料电池膜较干燥且燃料电池产生的水非常少，可提前通过补水口向超声雾化装置中注入一定量的去离子水。
如图2、图3所示，缓存罐是一中空的双层结构，内层为水雾层，外层为阴极尾气气体层，内层的水雾与外层的阴极尾气气体进行热交换，使冷的水雾变成热的水雾。
其中，阳极反应气为纯的氢气或氢气与氮气混合气体；阴极反应气为标准空气、氧气、低氧含量的非标空气或高氧含量的非标空气。
本发明工作原理：第一、燃料电池启动前，预先向超声雾化装置中注入去离子水；第二、燃料电池刚启动时，打开超声雾化装置使之正常工作，生成的水雾经过缓存罐后通过比例阀进入阴极供气管道，与阴极反应气进行混合后进入燃料电池，反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的热的阴极尾气气体经过缓存罐后排出；阳极反应气经过燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的尾气气体回流再进入燃料电池参与反应。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种燃料电池全生命周期的增湿方法，其特征在于：包括：
a、阳极反应气经过燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的尾气气体回流再进入燃料电池参与反应；
b、阴极反应气进入燃料电池反应后的尾气经过气液分离器后分离出来的液态水进入超声雾化装置，分离出来的热的阴极尾气气体经过缓存罐后排出；
c、超声雾化装置将水转化成水雾后进入缓存罐，并通过比例阀定量引入阴极进气管路，与干的阴极反应气混合后进入燃料电池；其中，热的阴极尾气气体在缓存罐与水雾发生热交换，一方面降低尾排气体的温度，另一方面提升水雾的温度使之易于气化；在燃料电池刚刚启动时，燃料电池膜较干燥且燃料电池产生的水非常少，可提前通过补水口向超声雾化装置中注入一定量的去离子水。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池全生命周期的增湿方法，其特征在于：所述缓存罐是一中空的双层结构，内层为水雾层，外层为阴极尾气气体层，内层的水雾与外层的阴极尾气气体进行热交换，使冷的水雾变成热的水雾。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池全生命周期的增湿方法，其特征在于：所述阳极反应气为纯的氢气或氢气与氮气混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池全生命周期的增湿方法，其特征在于：所述阴极反应气为标准空气、氧气、低氧含量的非标空气或高氧含量的非标空气。
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