再循环燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种再循环燃料电池系统，其包括一第一燃料电池本体，一第二燃料电池本体，一阳极再循环系统，一阴极再循环系统，以及一氮气再循环系统。所述阳极再循环系统以及阴极再循环系统分别与所述第一燃料电池本体连通，用于对所述第一燃料电池本体的阳极反应气体和阴极反应气体进行循环。所述第二燃料电池本体与所述第一燃料电池本体串联，其用来消耗所述第一燃料电池本体反应剩余的阳极反应气体和阴极反应气体。所述氮气再循环系统分别与所述阳极再循环系统、所述阴极再循环系统、以及所述第二燃料电池本体的排气端连通。所述氮气再循环系统给所述第一燃料电池本体的阳极和阴极引入了氮气循环。
【专利说明】
再循环燃料电池系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电池技术领域，尤其涉及燃料电池技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前全球石油资源日益枯竭，温室效应等环境问题愈加严峻。与传统内燃机、电动 机等动力源相比，燃料电池在功率密度和环境友好程度上有很大优势。燃料电池是一种电 化学装置，能将化学能直接转换为电能。由于燃料电池的能量转换过程不受卡诺循环限制， 其能量转换效率较高。燃料电池工作过程中，消耗的燃料为氢气，反应产物是水，有害排放 物为零，所以是最清洁的能源之一。
[0003] 只有燃料电池本体还不能工作，燃料电池本体必须有一套相应的辅助系统。燃料 电池本体与其辅助系统共同组成的系统称为燃料电池动力系统。燃料电池动力系统除了燃 料电池本体外，还包括氢气系统、空气系统、冷却系统、功率输出系统和控制系统等附件系 统。氢气系统主要负责为电堆提供氢气供应，需要根据运行工况调节进入电堆的氢气压力、 湿度和流量等。空气系统则是为电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入电 堆的空气的温度、压力和流量等。冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适 水平，保证电堆稳定可靠工作。功率输出系统则是通过DC/DC装置来调节电堆的输出电压和 电流的大小和变化速率。控制系统是整个燃料电池动力系统的"大脑"，由其对电堆外围的 各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。
[0004] 进入燃料电池电堆的空气或者氢气，过干或过湿对质子交换膜和燃料电池本体都 有不利的影响。因此为了保证进入燃料电池本体的空气或者氢气的湿度在一定范围内，需 要在燃料电池系统中增加增湿器以对进入电堆的氢气或者空气进行湿度控制。有些燃料电 池系统没有使用增湿系统，而使用了阴极再循环和阳极再循环系统来改变阴极和阳极的反 应气湿度。阳极再循环系统还可以提高阳极氢气利用率。阴极再循环系统还可以在电堆停 机时营造一个非富氧环境，提高电堆的使用寿命。
[0005] 对于典型的氢-空型燃料电池来说，空气作为阴极反应气，由于氧气分压较小，功 率密度相对较低，热负荷小，排水也容易。如果将阴极气体更换为氧气，则称之为氢氧型燃 料电池，虽然其功率密度较大，但是热负荷也更大，生成的水多，排水比较困难。为了解决这 个问题，通常氢氧型燃料电池会使用疏水性材料而氢空型燃料电池会使用亲水性材料。但 这样一来，导致了同一阴极反应气进气条件下氢空型和氢氧型燃料电池无法混用。常规燃 料电池系统无法解决这个问题。对于典型的燃料电池来说，为了保证满足输出功率需求，阴 极和阳极的反应气都会过量供应，未反应的气体通常会被直接排入环境之中。在地面敞开 条件，尾排气体中的氢气可以扩散稀释并迅速上升离开地面，不会导致危险。但在密闭或者 不通风使用环境下，尾排气体中的氢气无法及时扩散则会导致风险的存在。类似地，阴极的 氧气的排放也有类似问题存在。因此，在密闭空间中，燃料电池的阴极气体和阳极气体都不 适合直接排放。而现有燃料电池系统结构无法实现阴极阳极反应气的零排放。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，一个方面如何兼顾从氢空型到氢氧型之间的不同阴极氧气浓度下的反 应，并顺利排水;另外一个方面如何避免氢气和氧气的尾排，在提高反应气体的利用效率的 同时，消除电堆运行对所在密闭空间环境质量的影响，是燃料电池系统设计的重要挑战。
[0007] 一种再循环燃料电池系统，其包括： 一第一燃料电池本体，其包括一第一阳极进气口、一第一阳极出气口、一第一阴极进气 口、及一第一阴极出气口； 一第二燃料电池本体，其包括一第二阳极进气口、一第二阳极出气口、一第二阴极进气 口、及一第二阴极出气口，其中，所述第二阳极进气口口与所述第一阳极出气相连通，所述 第二阴极进气口与所述第一阴极出气口相连通； 一阳极再循环系统，其包括一阳极再循环栗，以及一第一单向阀与所述阳极再循环栗 串联，所述阳极再循环栗及所述第一单向阀与所述第一阳极进气口及所述第一阳极出气口 连通，所述第一单向阀保证了气体从所述第一阳极出气口向着所述第一阳极进气口单方向 流动； 一阴极再循环系统，其包括一阴极再循环栗，以及一第二单向阀与所述阴极再循环栗 串联，所述阴极再循环栗及所述第二单向阀与所述第一阴极进气口及所述第一阴极出气口 连通，所述第二单向阀保证了阴极反应气体从所述第一阴极出气口向着所述第一阴极进气 口单方向流动；以及 一氮气再循环系统，其包括一氮气储气罐、一第三单向阀、以及一氮气再循环栗，其中 所述氮气储气罐与所述阳极再循环系统、及所述阴极再循环系统连通，所述氮气储气罐通 过所述第三单向阀与所述氮气再循环栗连通后，再与所述第二阳极出气口、所述第二阴极 出气口连通。
[0008] 所述再循环燃料电池系统进一步包括一阳极稳压罐、以及一阴极稳压罐，所述第 一阳极出气口通过所述阳极稳压罐与所述第二阳极进气口相连通，所述第一阴极出气口通 过所述阴极稳压罐与所述第二阴极进气口相连通。
[0009] 所述阳极稳压罐与所述第二阳极进气口之间设置有一阳极气体流量量阀。
[0010] 所述阴极稳压罐与所述第二阴极进气口之间设置有一阴极气体流量流量阀。
[0011] 所述阳极稳压罐与所述第一阳极出气口之间设置有一第一电磁阀。
[0012] 所述第一阳极出气口与所述第一电磁阀之间具有一第一大气通气口通过一第二 电磁阀接入。
[0013] 所述阴极稳压罐与所述第一阴极出气口之间设置有一第三电磁阀。
[0014] 所述第一阴极出气口与所述第三电磁阀之间具有一第二大气通气口通过一第四 电磁阀接入。
[0015] 所述阳极再循环系统进一步包括一第五电磁阀，该第五电磁阀的一端与所述第一 阳极进气口连通，该第五电磁阀的另一端与所述阳极再循环栗以及一阳极气体进气管连 通。
[0016] 所述的阳极再循环系统进一步包括一第一阳极汽水分离器，所述阳极再循环栗、 所述第一阳极汽水分离器串联后与所述第一阳极进气口及所述第一阳极出气口连通。
[0017] 所述阴极再循环系统进一步包括一第六电磁阀，该第六电磁阀的一端与所述第一 阴极进气口连通，该第六电磁阀的另一端与所述阴极再循环栗以及一阴极气体进气管连 通。
[0018] 所述的阴极再循环系统进一步包括一第一阴极汽水分离器，所述阴极再循环栗、 所述第一阴极汽水分离器串联后与所述第一阴极进气口及所述第一阴极出气口连通。 [0019]所述氮气再循环系统进一步包括一第七电磁阀，以及一第八电磁阀，所述氮气储 气罐通过第所述七电磁阀与所述阳极再循环系统连通，所述氮气储气罐通过所述第八电磁 阀与所述阴极再循环系统连通。
[0020]所述氮气再循环系统进一步包括一第二阳极汽水分离器、一第二阴极汽水分离 器，所述再循环栗通过所述第二阳极汽水分离器与所述第二阳极出口连通，所述再循环栗 通过所述第二阴极汽水分离器与所述第二阴极出口连通。
[0021 ]所述氮气再循环系统进一步包括一第九电磁阀，以及一第十电磁阀，所述第九电 磁阀设置于所述第二阳极汽水分离器与所述第二阳极出口之间，所述第十电磁阀设置于所 述第二阴极汽水分离器与所述第二阴极出口之间。
[0022] 一种再循环燃料电池系统，其包括： 一燃料电池本体，其包括一阳极进气口、一阳极出气口、一阴极进气口、及一阴极出气 P； 一阳极再循环系统，其包括一阳极再循环栗，以及一第一单向阀与所述阳极再循环栗 串联，所述阳极再循环栗及所述第一单向阀与所述第一阳极进气口及所述第一阳极出气口 连通； 一阴极再循环系统，其包括一阴极再循环栗，以及一第二单向阀与所述阴极再循环栗 串联，所述阴极再循环栗及所述第二单向阀与所述第一阴极进气口及所述第一阴极出气口 连通；以及 一氮气再循环系统，其包括一氮气储气罐、一第三单向阀、以及一氮气再循环栗，其中 所述氮气储气罐与所述阳极再循环系统、及所述阴极再循环系统连通，所述氮气储气罐通 过第三单向阀与所述氮气再循环栗连通后，再与所述第二阳极出气口、所述第二阴极出气 口连通。
[0023] 本发明技术方案引入了阴极和阳极再循环系统，提高了反应气的利用率，同时省 去了增湿器，解决了低温下增湿器结冰的问题。阳极引入氮气循环，解决了小流量下阳极压 力过低的问题，实现了任何流量下的阳极再循环。阴极引入氮气循环，解决了纯氧型燃料电 池需要提高电堆材料憎水性的问题，使得电堆可以适用于不同浓度的氧气，实现阴极反应 气体从空气和纯氧的自由切换和灵活过渡。本方案提出了两级燃料电池系统，解决了燃料 电池需要向环境中排放剩余气体的问题，实现了反应气的零排放。本方案提出了氮气再循 环，解决了二级燃料电池系统氮气排放的问题，提高了氮气利用率。
【附图说明】
[0024] 图1本发明实施例提供的再循环燃料电池系统。
[0025] 图2本发明另一实施例提供的再循环燃料电池系统。
[0026]主要元件符号说明
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例 仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容 后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附 权利要求书所限定的范围。
[0028] 请参阅图1，本发明实施例提供一种再循环燃料电池系统10,其包括一第一燃料电 池本体11 〇，一第二燃料电池本体120，一阳极再循环系统130，一阴极再循环系统140，以及 一氮气再循环系统150。所述阳极再循环系统130以及阴极再循环系统140分别与所述第一 燃料电池本体110连通，用于对所述第一燃料电池本体110的阳极反应气体和阴极反应气体 进行循环。所述第二燃料电池本体120与所述第一燃料电池本体110串联，其用来消耗所述 第一燃料电池本体110反应剩余的阳极反应气体和阴极反应气体。所述氮气再循环系统150 分别与所述阳极再循环系统130、所述阴极再循环系统140、以及所述第二燃料电池本体120 的排气端连通。所述氮气再循环系统150给所述第一燃料电池本体110的阳极和阴极引入了 氮气循环。
[0029] 所述第一燃料电池本体110包括一第一阳极进气口 111、一第一阳极出气口 112、一 第一阴极进气口 113、及一第一阴极出气口 114。所述第一燃料电池本体110进一步包括一阳 极气体进气管115与所述第一阳极进气口 111连通，用于向所述第一燃料电池本体110中输 入阳极反应气体。所述第一燃料电池本体110进一步包括一阴极气体进气管116与所述第一 阴极进气口 113连通，用于向所述第一燃料电池本体110中输入阴极反应气体。
[0030] 所述第二燃料电池本体120包括一第二阳极进气口 121、一第二阳极出气口 122、一 第二阴极进气口 123、及一第二阴极出气口 124。其中，所述第一阳极出气口 112与所述第二 阳极进气口 121相连通，用于把所述第一燃料电池本体110剩余的阳极反应气体输入到所述 第二燃料电池本体120中。所述第一阴极出气口 114与所述第二阴极进气口 123相连通，用于 把所述第一燃料电池本体110的剩余的阴极反应气体输入到所述第二燃料电池本体120中。
[0031] 所述第一阳极出气口 112与所述第二阳极进气口 121之间还可以进一步包括一阳 极稳压罐125、一阳极气体流量阀127、一第一电磁阀135。所述阳极稳压罐125、所述阳极气 体流量阀127、及所述第一电磁阀135相互串联。所述阳极气体流量阀127设置于所述阳极稳 压罐125与所述第二阳极进气口 121之间，其起到控制从第二阳极进气口 121进入第二燃料 电池本体120阳极反应气量作用。所述第一电磁阀135设置于所述阳极稳压罐125与所述第 一阳极出气口 112之间，用于隔绝从第一阳极出气口 112排出的阳极尾排气进入阳极稳压罐 125。一第一大气通气口 136通过一第二电磁阀137接入所述第一电磁阀135与所述第一阳极 出气口 112之间，用于将从所述第一阳极出气口 112排出的阳极尾排气直接排入到外部环境 中。
[0032]所述第一阴极出气口 114与所述第二阴极进气口 123之间还可以进一步包括一阴 极稳压罐126、一阴极气体流量阀128、一第三电磁阀145。所述阴极稳压罐126、所述阴极气 体流量阀128、及所述第三电磁阀145相互串联。所述阴极气体流量阀128设置于所述阴极稳 压罐126与所述第二阴极进气口 123之间，其起到控制从所述第二阴极进气口 123进入所述 第二燃料电池本体120的阴极反应气量的作用。所述第三电磁阀145设置于所所述阴极稳压 罐126与所述第一阴极出气口 114之间，用于隔绝从所述第一阴极出气口 114排出的阴极尾 排气进入所述阴极稳压罐126。一第二大气通气口 146通过一第四电磁阀147接入所述第三 电磁阀145与所述第一阴极出气口 114之间，用于将从所述第一阴极出气口 114排出的阴极 尾排气直接排入到外部环境中。
[0033] 所述阳极再循环系统130包括一阳极再循环栗131，以及一第一单向阀132与所述 阳极再循环栗131串联。所述阳极再循环栗131及所述第一单向阀132与所述第一阳极进气 口 111及所述第一阳极出气口 112连通。所述第一单向阀132保证了气体从所述第一阳极出 气口 112向着所述第一阳极进气口 111单方向流动。所述阳极再循环栗131用于把所述第一 阳极出气口 112排出的阳极反应剩余气体抽出输入所述第一阳极进气口 111。
[0034] 可以理解，所述阳极再循环系统130还可以进一步包括一第五电磁阀133。该第五 电磁阀133的一端与所述第一阳极进气口 111连通。该第五电磁阀133的另一端与所述阳极 再循环栗131以及所述阳极气体进气管115连通。该第五电磁阀133用于在停机条件下，隔绝 所述阳极气体进气管115中的气体进入所述第一阳极进气口 111。
[0035] 可以理解，所述阳极再循环系统130还可以进一步包括一第一阳极汽水分离器 134。所述阳极再循环栗131、所述第一阳极汽水分离器134串联后与所述第一阳极进气口 111及所述第一阳极出气口 112连通。所述第一阳极汽水分离器134可以分离出从所述第一 阳极出气口 112排出的阳极循环气中的水蒸气。通过分离水蒸气，可以控制阳极循环气体的 湿度，保证阳极循环气体与新鲜的阳极反应气的混合气体以合适的湿度进入所述第一阳极 进气口 111。
[0036] 所述阳极再循环系统130在工作条件下，阳极反应气通过所述阳极气体进气管115 从所述第一阳极进气口 111进入所述第一燃料电池本体110。反应后的阳极反应气体通过所 述第一阳极出气口 112排出。排出的阳极反应气体在所述阳极再循环栗131的作用下依次经 过所述第一阳极汽水分离器134、所述阳极再循环栗131、以及所述第一单向阀132。排出的 阳极反应气体与通过所述阳极气体进气管115输送过来的新鲜阳极反应气混合后，混合后 的阳极反应气体又进入所述第一阳极进气口 111继续进行循环。通过再循环的方式，阳极反 应气体的利用率显著提升，由于排出气体湿度较大，混合气的气体湿度被显著提高，从而解 决了阳极反应气体增湿问题。当需要排出阳极再循环系统130中的气体时，可以单独开启所 述第一电磁阀135或者所述第二电磁阀137,将通过所述第一阳极出气口 112的反应气排至 所述第一大气通气口 136或者所述阳极稳压罐125。
[0037] 所述阴极再循环系统140,其包括一阴极再循环栗141，以及一第二单向阀142与所 述阴极再循环栗141串联。所述阴极再循环栗141及所述第二单向阀142与所述第一阴极进 气口 113及所述第一阴极出气口 114连通。所述第二单向阀142保证了阴极反应气体从所述 第一阴极出气口 114向着所述第一阴极进气口 113单方向流动。所述阴极再循环栗141用于 把所述第一阴极出气口 114排出的阴极反应剩余气体抽出输入所述第一阴极进气口 113。 [0038] 可以理解，所述阴极再循环系统140还可以进一步包括一第六电磁阀143。该第六 电磁阀143的一端与所述第一阴极进气口 113连通。该第六电磁阀143的另一端与所述阴极 再循环栗141以及所述阴极气体进气管116连通。该第六电磁阀143用于在停机条件下，隔绝 所述阳极气体进气管115中的气体进入所述第一阳极进气口 111。
[0039]可以理解，所述阴极再循环系统140还可以进一步包括一第一阴极汽水分离器 144。所述阴极再循环栗141、所述第一阴极汽水分离器144串联后与所述第一阴极进气口 113及所述第一阴极出气口 114连通。所述第一阴极汽水分离器144可以分离出从所述第一 阴极出气口 114排出的阴极循环气体中的水蒸气。通过分离水蒸气，可以控制所述阴极再循 环系统140的阴极循环气体的湿度，并保证阴极循环气体与新鲜阴极反应气的混合气体以 合适的湿度进入所述第一阴极进气口 113。
[0040]所述阴极再循环系统140在工作条件下，阴极反应气体通过所述阴极气体进气管 116从所述第一阴极进气口 113进入所述第一燃料电池本体110。反应后的阴极反应气体通 过所述第一阴极出气口 114排出。排出的阴极反应气体在所述阴极再循环栗141的作用下， 依次经过所述第一阴极汽水分离器144、所述阴极再循环栗141、以及所述第二单向阀142。 然后，上述排出的阴极反应气体与通过所述阴极气体进气管116输送过来的新鲜阴极反应 气体混合，混合后的阴极反应气体又进入所述第一阴极进气口 113继续进行循环。通过再循 环的方式，混合气进气湿度显著提高，解决了阴极增湿问题。同时，通过控制阴极气体循环 量，可以调节阴极混合气中的氧气分压。当需要排出阴极再循环系统中的气体时，可以单独 开启所述第三电磁阀145或者第四电磁阀147,将通过所述第一阴极出气口 114的阴极反应 气体排至所述第二大气通气口 146或者所述阴极稳压罐126。
[0041 ]所述氮气再循环系统150包括一氮气储气罐151、一第三单向阀152、以及一氮气再 循环栗153。所述氮气储气罐151与所述阳极再循环系统130、及所述阴极再循环系统140连 通。所述氮气储气罐151用于向所述阳极再循环系统130和所述阴极再循环系统140输入氮 气。所述氮气储气罐151通过所述第三单向阀152与所述氮气再循环栗153连通后，再与所述 第二阳极出气口 122、所述第二阴极出气口 124连通。所述第三单向阀152用于隔绝所述氮气 储气罐151中的高压氮气，防止其逆向进入所述氮气再循环栗153。
[0042] 所述氮气再循环系统150进一步包括一第七电磁阀154,以及一第八电磁阀155。所 述氮气储气罐151通过第所述第七电磁阀154与所述阳极再循环系统130连通，所述氮气储 气罐通过所述第八电磁阀155与所述阴极再循环系统140连通。所述第七电磁阀154用于控 制所述阳极再循环系统130中的氮气量。通过控制所述第七电磁阀154的开启程度，所述氮 气储气罐151中的高压氮气将会进入所述阳极再循环系统130中。所述第八电磁阀155用于 控制所述阴极再循环系统140中的氮气量，通过控制第八电磁阀155的开启程度，所述氮气 储气罐151中的高压氮气将会进入阴极再循环系统140中。
[0043] 所述氮气再循环系统150进一步包括一第九电磁阀156,以及一第十电磁阀157。所 述第九电磁阀156设置于所述第二阳极汽水分离器158与所述第二阳极出气口 122之间。所 述第十电磁阀157设置于所述第二阴极汽水分离器159与所述第二阴极出气口 124之间。所 述第九电磁阀156的用于控制所述第二燃料电池本体120的阳极气体排出，当所述第九电磁 阀156开启时，所述第二燃料电池本体120阳极的气体将通过所述第二阳极出气口 122排出。 所述第十电磁阀157的作用是的用于控制所述第二燃料电池本体120的阴极气体排出，当所 述第十电磁阀157开启时，所述第二燃料电池本体120的阴极气体将通过所述第二阴极出气 口 124排出。
[0044] 所述氮气再循环系统150在工作时，通过控制所述第七电磁阀154开启，使得所述 氮气储气罐151中的氮气进入到所述阳极再循环系统130,改变氢气在再循环气中的分压， 解决氢气流量较小时再循环压力过低的问题。通过控制所述第八电磁阀155的开启，使得所 述氮气储气罐151中的氮气进入到所述阴极再循环系统140中，改变氧气在再循环气中的分 压，解决使用纯氧作为还原剂时阴极氧气分压过高，膜的憎水性不足的问题。在所述第一电 磁阀135开启时，阳极循环气通过所述第一阳极出气口 112排入所述阳极稳压罐125,通过控 制所述阳极气体流量阀127的开启，阳极混合气通过所述第二阳极进气口 121进入所述第二 燃料电池本体120。在所述第三电磁阀145开启时，阴极循环气通过所述第一阴极出气口 114 排入所述阴极稳压罐126,通过控制所述阴极气体流量阀128的开启，阴极混合气通过所述 第二阴极进气口 123进入所述第二燃料电池本体120。经过所述第二燃料电池本体120的反 应，当阳极混合气中的还原性气体消耗完毕时只剩下氮气，开启所述第九电磁阀156,氮气 通过所述第二阳极出气口 122排出，经过所述第二阳极汽水分离器158。当阴极混合气中的 氧化性气体消耗完毕时也只剩下氮气，开启所述第十电磁阀157,氮气通过所述第二阴极出 气口 124排出，经过所述第二阴极汽水分离器159。在所述氮气再循环栗153的作用下，排出 的干燥氮气依次经过所述氮气再循环栗153、所述第三单向阀152,回到所述氮气储气罐 151，从而实现氮气回收。在氮气提纯的这个过程中，反应中的氢气和氧气被完全消耗，不仅 保证了氮气的零排放，也实现了氧气和氢气的零排放。
[0045] 可以理解，所述再循环燃料电池系统10还可以进一步包括一散热系统160、一电能 输出170、一负载180。所述散热系统160用于维持第一燃料电池本体110的合适工作温度，向 其提供合适流量、温度、压力的冷却液。所述电能输出170用于连接第一燃料电池本体110与 外部负载，用于控制输出功率。所述负载180用于消耗第二燃料电池本体120的输出功率。
[0046] 请参见图2,本发明另一实施例进一步提供一种再循环燃料电池系统20。该实施例 的再循环燃料电池系统20与上一实施例中的再循环燃料电池系统10的结构类似，其区别在 于该再循环燃料电池系统20不包括所述第二燃料电池本体120。所述再循环燃料电池系统 20包括一第一燃料电池本体110,一阳极再循环系统130,一阴极再循环系统140,以及一氮 气再循环系统150。
[0047] 区别于图2,本实施例中的氮气再循环系统150直接与所述第一燃料电池本体110 的第一阳极出气口 112,第一阴极出气口 114连通。所述氮气再循环系统150的氮气再循环栗 153的一端分成两个支路，一个支路连接所述第一阳极出气口 112，另一个支路连接所述第 一阴极出气口 114。连接所述第一阳极出气口 112的支路上依次设置有所述第二阳极汽水分 离器158、以及所述第一电磁阀135。连接所述第一阴极出气口 114的支路上依次设置有所述 第二阴极汽水分离器159、以及所述第三电磁阀145。
[0048] 所述第一大气通气口 136通过所述第二电磁阀137接入所述第一电磁阀135与所述 第一阳极出气口 112之间，用于隔绝从所述第一阳极出气口 排出的阳极尾排气。
[0049] 所述第二大气通气口 146通过所述第四电磁阀147接入所述第三电磁阀145与所述 第一阴极出气口 114之间，用于隔绝从所述第一阴极出气口 114排出的阴极尾排气。
[0050] 参考第一实施例的描述，第二实例的中的所述阳极再循环系统130与阴极再循环 系统140相较第一实例中的阳极再循环系统130与阴极再循环系统140基本一致，故不再重 复描述。
[0051] 所述第二实例的氮气再循环系统150与第一实例中的氮气再循环系统150较为相 似，区别在于第九电磁阀156以及第十电磁阀157分别直接与第一阳极出气口 112和第一阴 极出气口 114相连。
[0052]所述第二实例的氮气再循环系统150的工作方式，通过控制所述第七电磁阀154和 所述第八电磁阀155的开启，该氮气储气罐151中的氮气进入到所述阳极再循环系统130和 所述阴极再循环系统140中。控制还原性气体和氧化性气体的供给量，依靠所述阳极再循环 系统130与所述阴极再循环系统140消耗残存反应气。当阳极混合气中的还原剂消耗完毕 时，所述第九电磁阀156开启，氮气经过所述第二阳极汽水分离器158。当阴极混合气中的氧 化剂消耗完毕时，所述第十电磁阀157开启，氮气通过经过所述第二阴极汽水分离器159。在 所述氮气再循环栗153的作用下，排出的干燥氮气依次经过所述氮气再循环栗153、所述第 三单向阀152，回到所述氮气储气罐151，实现氮气回收。
[0053]本发明采用以上技术，有以下优点： 本方案引入了阴极和阳极再循环系统，提高了反应气的利用率，同时省去了增湿器，解 决了低温下增湿器结冰的问题。
[0054] 阳极引入氮气循环，解决了小流量下阳极压力过低的问题，实现了任何情况下的 阳极再循环。
[0055] 阴极引入氮气循环，解决了纯氧型燃料电池需要提高电堆材料憎水性的问题，使 得电堆可以适用于不同浓度的氧气，实现阴极反应气体从空气和纯氧的自由切换和灵活过 渡。
[0056] 本方案提出的燃料电池动力系统，解决了燃料电池需要向环境中排放剩余气体的 问题，实现了反应气的零排放。
[0057] 本方案提出了氮气再循环，解决了二级燃料电池系统氮气排放的问题，提高了氮 气利用率。
[0058] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精 神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
【主权项】
1. 一种再循环燃料电池系统，其包括： 一第一燃料电池本体，其包括一第一阳极进气口、一第一阳极出气口、一第一阴极进气 口、及一第一阴极出气口； 一第二燃料电池本体，其包括一第二阳极进气口、一第二阳极出气口、一第二阴极进气 口、及一第二阴极出气口，其中，所述第二阳极进气口口与所述第一阳极出气相连通，所述 第二阴极进气口与所述第一阴极出气口相连通； 一阳极再循环系统，其包括一阳极再循环栗，以及一第一单向阀与所述阳极再循环栗 串联，所述阳极再循环栗及所述第一单向阀与所述第一阳极进气口及所述第一阳极出气口 连通，所述第一单向阀保证了气体从所述第一阳极出气口向着所述第一阳极进气口单方向 流动； 一阴极再循环系统，其包括一阴极再循环栗，以及一第二单向阀与所述阴极再循环栗 串联，所述阴极再循环栗及所述第二单向阀与所述第一阴极进气口及所述第一阴极出气口 连通，所述第二单向阀保证了阴极反应气体从所述第一阴极出气口向着所述第一阴极进气 口单方向流动；以及 一氮气再循环系统，其包括一氮气储气罐、一第三单向阀、以及一氮气再循环栗，其中 所述氮气储气罐与所述阳极再循环系统、及所述阴极再循环系统连通，所述氮气储气罐通 过所述第三单向阀与所述氮气再循环栗连通后，再与所述第二阳极出气口、所述第二阴极 出气口连通。2. 如权利要求1所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，进一步包括一阳极稳压罐、 以及一阴极稳压罐，所述第一阳极出气口通过所述阳极稳压罐与所述第二阳极进气口相连 通，所述第一阴极出气口通过所述阴极稳压罐与所述第二阴极进气口相连通，所述阳极稳 压罐与所述第二阳极进气口之间设置有一阳极气体流量阀，如所述阴极稳压罐与所述第二 阴极进气口之间设置有一阴极气体流量阀。3. 如权利要求2所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述阳极稳压罐与所述第一 阳极出气口之间设置有一第一电磁阀。4. 如权利要求3所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述第一阳极出气口与所述 第一电磁阀之间具有一第一大气通气口通过一第二电磁阀接入。5. 如权利要求2所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述阴极稳压罐与所述第一 阴极出气口之间设置有一第三电磁阀。6. 如权利要求5所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述第一阴极出气口与所述 第三电磁阀之间具有一第二大气通气口通过一第四电磁阀接入。7. 如权利要求1所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述阳极再循环系统进一步 包括一第五电磁阀，该第五电磁阀的一端与所述第一阳极进气口连通，该第五电磁阀的另 一端与所述阳极再循环栗以及一阳极气体进气管连通。8. 如权利要求7述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述的阳极再循环系统进一步 包括一第一阳极汽水分离器，所述阳极再循环栗、所述第一阳极汽水分离器串联后与所述 第一阳极进气口及所述第一阳极出气口连通。9. 如权利要求1所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述阴极再循环系统进一步 包括一第六电磁阀，该第六电磁阀的一端与所述第一阴极进气口连通，该第六电磁阀的另 一端与所述阴极再循环栗以及一阴极气体进气管连通。10. 如权利要求9所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述的阴极再循环系统进 一步包括一第一阴极汽水分离器，所述阴极再循环栗、所述第一阴极汽水分离器串联后与 所述第一阴极进气口及所述第一阴极出气口连通。11. 如权利要求1所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述氮气再循环系统进一 步包括一第七电磁阀，以及一第八电磁阀，所述氮气储气罐通过第所述七电磁阀与所述阳 极再循环系统连通，所述氮气储气罐通过所述第八电磁阀与所述阴极再循环系统连通。12. 如权利要求11所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述氮气再循环系统进一 步包括一第二阳极汽水分离器、一第二阴极汽水分离器，所述再循环栗通过所述第二阳极 汽水分离器与所述第二阳极出口连通，所述再循环栗通过所述第二阴极汽水分离器与所述 第二阴极出口连通。13. 如权利要求12所述的再循环燃料电池系统，其特征在于，所述氮气再循环系统进一 步包括一第九电磁阀，以及一第十电磁阀，所述第九电磁阀设置于所述第二阳极汽水分离 器与所述第二阳极出口之间，所述第十电磁阀设置于所述第二阴极汽水分离器与所述第二 阴极出口之间。14. 一种再循环燃料电池系统，其包括： 一燃料电池本体，其包括一阳极进气口、一阳极出气口、一阴极进气口、及一阴极出气 P; 一阳极再循环系统，其包括一阳极再循环栗，以及一第一单向阀与所述阳极再循环栗 串联，所述阳极再循环栗及所述第一单向阀与所述第一阳极进气口及所述第一阳极出气口 连通； 一阴极再循环系统，其包括一阴极再循环栗，以及一第二单向阀与所述阴极再循环栗 串联，所述阴极再循环栗及所述第二单向阀与所述第一阴极进气口及所述第一阴极出气口 连通；以及 一氮气再循环系统，其包括一氮气储气罐、一第三单向阀、以及一氮气再循环栗，其中 所述氮气储气罐与所述阳极再循环系统、及所述阴极再循环系统连通，所述氮气储气罐通 过第三单向阀与所述氮气再循环栗连通后，再与所述第二阳极出气口、所述第二阴极出气 口连通。
【文档编号】H01M8/04089GK106058284SQ201610461504
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】李建秋, 胡尊严, 方川, 徐梁飞, 欧阳明高
【申请人】清华大学