专利名称：一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置。
背景技术：
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达
阳极反应阴极反应在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池可用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。
图1为现有燃料电池发电系统的示意图，在图1中1为燃料电池堆，2为贮氢瓶或其他贮氢装置，3为减压阀，4为空气过滤装置，5为空气压缩供应装置，6’、6为水-汽分离器，7为水箱，8为冷却流体循环泵，9为散热器，10为氢循环泵，11、12为增湿装置，13为氢稳压阀，14为充氢阀。
质子交换膜燃料电池发电系统用作车、船等运载工具的动力系统，或用作移动式、固定式的发电装置时，都会遇到火灾、碰撞等事故。当高压贮氢装置2受到火灾剧热或超过承受能力的事故性撞击时都会发生壳体爆裂，进而引发大量氢气外泄及燃烧。由于爆裂的位置是随机的，如大量氢气外泄燃烧方向恰好是对准乘客或在场人员的，那么就会造成人员伤亡事故。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全性好的燃料电池发电系统中的高压贮氢装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，包括高压贮氢瓶、氢稳压阀、充氢阀，其特征在于，还包括组合阀，该组合阀由电磁泄放阀、机械泄放阀、压力与温度传感器、氢气泄放管组成，所述的电磁泄放阀、机械泄放阀设在高压贮氢瓶的外部，所述的压力与温度传感器设在高压贮氢瓶内部，所述的氢气泄放管由高压贮氢瓶内部向外部引出并分成两条支管，所述的电磁泄放阀、机械泄放阀分别设在该两条支管上，所述的电磁泄放阀与所述的压力与温度传感器电连接。
所述的电磁泄放阀设有泄放口；当高压贮氢瓶内压力与温度超过安全设定值时，压力与温度传感器则指令电磁泄放阀开启，氢气从该泄放口排出。
所述的机械泄放阀设有活塞、弹簧、泄放口，所述的活塞、弹簧设在同一氢气泄放支管内，且活塞设在近高压贮气瓶端，所述的泄放口设在与上述弹簧位置相应的氢气泄放支管上；当高压贮气瓶内压力与温度超过安全设定值时，活塞被顶起，而该活塞又将弹簧顶起，使活塞密封水平超过该泄放口，从而使机械泄放阀自动泄放氢气。
所述的机械泄放阀设有阀门、膜片，所述的阀门、膜片设在同一氢气泄放支管内，且膜片设在近高压贮气瓶端；当高压贮气瓶内压力与温度超过安全设定值时，上述膜片破裂，从而使机械泄放阀自动泄放氢气。
所述的电磁泄放阀与机械泄放阀的泄放口采用不锈钢管连接且并联后延伸引向地面，且管口正对地面。
所述的组合阀设在高压贮氢瓶的瓶口端。
本发明就是为了防止人员伤亡事故而设计的一种技术方案，该方案采用的高压贮氢装置的瓶口端多设了一个兼具机械破裂泄放方式与电磁泄放方式二种功能的组合阀，该组合阀的探头(即压力与温度传感器)深入到氢气贮罐内，当探头探测到温度与压力超过安全设定范围时都会打开电磁泄放阀。为了防止电磁阀失灵，组合阀同时设有机械泄放阀，该阀在贮氢装置内部压力超过安全设定值时会自动打开泄放掉氢气，当罐内氢气压力高于某一设定值时弹簧被顶起，将活塞顶起，活塞密封水平超过泄放口，而自动泄放氢气。本发明组合阀同时还可以设置另一种机械泄放阀，该阀设有阀门及膜片，当高压贮气瓶内压力与温度超过安全设定值时，上述膜片破裂，从而使机械泄放阀自动泄放氢气。
本技术方案另外一项最重要的措施是将一个或数个氢气泄放口用不锈钢管连接并延伸导向至地面，最终管口是对准地面。这样，当氢气大量泄放而燃烧时不会伤及乘客或在场人员。
图1为现有燃料电池发电系统的示意图；图2为本发明的结构示意图；图3为本发明组合阀中电磁泄放阀、机械泄放阀的结构示意图；图4为本发明组合阀中电磁泄放阀、另一种机械泄放阀的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例如图2、图3及图4所示，一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，包括高压贮氢瓶2、氢稳压阀13、充氢阀14、组合阀15，该组合阀15设在高压贮氢瓶2的瓶口端，它由电磁泄放阀151、机械泄放阀152、压力与温度传感器153、氢气泄放管154组成，所述的电磁泄放阀151、机械泄放阀152设在高压贮氢瓶2的外部，所述的压力与温度传感器153设在高压贮氢瓶2内部，所述的氢气泄放管154由高压贮氢瓶2内部向外部引出并分成两条支管1541、1542，所述的电磁泄放阀151设在氢气泄放支管1541上，所述的机械泄放阀152设在氢气泄放支管1542上，所述的电磁泄放阀151与所述的压力与温度传感器153电连接。
所述的电磁泄放阀151设有泄放口1511；当高压贮氢瓶2内压力与温度超过安全设定值时，压力与温度传感器153则指令电磁泄放阀151开启，氢气从该泄放口1511排出。
如图3，所述的机械泄放阀152设有活塞1521、弹簧1522、泄放口1523，所述的活塞1521、弹簧1522设在同一氢气泄放支管1542内，且活塞1521设在近高压贮气瓶端，所述的泄放口1523设在与上述弹簧1522位置相应的氢气泄放支管1542上；当高压贮气瓶2内压力与温度超过安全设定值时，活塞1521被顶起，而该活塞1521又将弹簧1522顶起，使活塞1521密封水平超过该泄放口1523，从而使机械泄放阀152自动泄放氢气。
如图4，所述的另一种机械泄放阀150设有阀门1501、膜片1502，所述的阀门1501、膜片1502设在同一氢气泄放支管1542内，且膜片1502设在近高压贮气瓶端；当高压贮气瓶2内压力与温度超过安全设定值时，上述膜片1502破裂，氢气由阀门1501泄放。
所述的电磁泄放阀151的泄放口1511采用不锈钢管1512连接引出，所述的机械泄放阀152的泄放口1523也采用不锈钢管1524连接引出，由上述泄放口引出的不锈钢管1512与不锈钢管1524并联后延伸引向地面，且管口正对地面。
本实施例应用在50KW燃料电池发电系统中，用作轿车燃料电池发动机。它采用二只50升容积铝内胆碳纤维缠绕、环氧树脂浸渍的高压气态氢贮罐。工作压力200个大气压。
每只贮罐都有一个组合阀，每个组合阀的所有泄放口都用内径为20mm的不锈钢管连接并且并联在一起延伸导向到轿车尾部，并设放在底盘上，延伸导向管管口朝轿车车尾并偏向地面。
当轿车遇到火灾或撞击时，贮罐内的温度传感器探测到氢气温度达到150℃，或压力超过500个大气压，立即打开电磁泄放阀151排氢。当电磁阀泄放151失灵时，罐内氢气压力超过550个大气压，温度达到170℃时，膜片1502破裂，氢气从阀门1501泄放。
权利要求
1.一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，包括高压贮氢瓶、氢稳压阀、充氢阀，其特征在于，还包括组合阀，该组合阀由电磁泄放阀、机械泄放阀、压力与温度传感器、氢气泄放管组成，所述的电磁泄放阀、机械泄放阀设在高压贮氢瓶的外部，所述的压力与温度传感器设在高压贮氢瓶内部，所述的氢气泄放管由高压贮氢瓶内部向外部引出并分成两条支管，所述的电磁泄放阀、机械泄放阀分别设在该两条支管上，所述的电磁泄放阀与所述的压力与温度传感器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，其特征在于，所述的电磁泄放阀设有泄放口；当高压贮氢瓶内压力与温度超过安全设定值时，压力与温度传感器则指令电磁泄放阀开启，氢气从该泄放口排出。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，其特征在于，所述的机械泄放阀设有活塞、弹簧、泄放口，所述的活塞、弹簧设在同一氢气泄放支管内，且活塞设在近高压贮气瓶端，所述的泄放口设在与上述弹簧位置相应的氢气泄放支管上；当高压贮气瓶内压力与温度超过安全设定值时，活塞被顶起，而该活塞又将弹簧顶起，使活塞密封水平超过该泄放口，从而使机械泄放阀自动泄放氢气。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，其特征在于，所述的机械泄放阀设有阀门、膜片，所述的阀门、膜片设在同一氢气泄放支管内，且膜片设在近高压贮气瓶端；当高压贮气瓶内压力与温度超过安全设定值时，上述膜片破裂，从而使机械泄放阀自动泄放氢气。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，其特征在于，所述的电磁泄放阀与机械泄放阀的泄放口采用不锈钢管连接且并联后延伸引向地面，且管口正对地面。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，其特征在于，所述的组合阀设在高压贮氢瓶的瓶口端。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池发电系统中的高压贮氢装置，包括高压贮氢瓶、氢稳压阀、充氢阀，组合阀，该组合阀由电磁泄放阀、机械泄放阀、压力与温度传感器、氢气泄放管组成，所述的电磁泄放阀、机械泄放阀设在高压贮氢瓶的外部，所述的压力与温度传感器设在高压贮氢瓶内部，所述的氢气泄放管由高压贮氢瓶内部向外部引出并分成两条支管，所述的电磁泄放阀、机械泄放阀分别设在该两条支管上，所述的电磁泄放阀与所述的压力与温度传感器电连接。与现有技术相比，本发明具有安全性好的优点。
文档编号H01M8/04GK1734819SQ200410053630
公开日2006年2月15日 申请日期2004年8月11日 优先权日2004年8月11日
发明者胡里清, 夏建伟, 章波 申请人:上海神力科技有限公司