氢燃料电池装置的制作方法

1.本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池装置。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种把燃料氢气和氧气所具有的化学能直接转换为电能的装置，具有发电效率高、环境污染少等优点。在氢燃料电池阳极侧，产生化学反应：h2→
2h
+
+e-；在其阴极侧，产生化学反应：1/2o2+2h
+
→
h2o。反应过程中，阴极区生成的水会渗透到阳极区，同时通入阴极区的空气中的氮气等杂质气体也会渗透到阳极，阳极侧的水与杂质气体如果不能被及时排除，则会影响燃料氢气扩散至电极导致化学反应不充分，造成氢燃料电池放电能力下降。
3.氢燃料电池装置内部通常需要设置氢气循环系统以将燃料电池中未反应完全的氢气循环输送到燃料电池中重新反应；氢气循环流动时将累积的水与杂质气体带出，通过排气装置排放到外部环境中。氢气循环系统对提高氢气利用率、改善电堆湿润性能和提高水管理能力具有重要作用。然而现有的氢气循环系统主要使用氢气循环泵或引射器进行，而氢气循环泵体积大、噪音大、低温启动困难，容易发生氢气泄漏且成本较高；引射器在低功率段氢气循环效率较低，无法满足实际应用需求。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中氢燃料电池装置氢气循环系统体积较大、效能低下、可靠性差且成本较高的缺陷，提供一种氢燃料电池装置。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.本发明提供了一种氢燃料电池装置，包括至少一个氢燃料电池单元和至少一个电化学氢泵单元，所述氢燃料电池装置还包括氢气循环管路；
7.所述氢燃料电池单元的氢气出口通过所述氢气循环管路，将在所述氢燃料电池单元未完全反应的氢气输出至所述电化学氢泵单元的氢气入口；
8.所述电化学氢泵单元的氢气出口通过所述氢气循环管路，将生成的氢气输出至所述氢燃料电池单元的氢气入口。
9.较佳地，所述氢燃料电池装置包括至少两个氢燃料电池单元和至少两个电化学氢泵单元；其中，所有所述氢燃料电池单元均为相邻设置，所有所述电化学氢泵单元均为相邻设置。
10.较佳地，所述氢燃料电池装置包括至少两个氢燃料电池单元和至少两个电化学氢泵单元；所述氢燃料电池单元和所述电化学氢泵单元交替设置。
11.较佳地，所述氢气循环管路包括集气管路和送气管路；所述集气管路和所述送气管路不连通；
12.所述集气管路用于将在所述氢燃料电池单元未完全反应的氢气输出至所述电化学氢泵单元的氢气入口；所述送气管路用于将所述电化学氢泵生成的氢气输出至所述氢燃
料电池单元的氢气入口；
13.每个所述氢燃料电池单元的氢气出口以及每个所述电化学氢泵单元的氢气入口分别与所述集气管路连通；
14.每个所述电化学氢泵单元的氢气出口以及每个所述氢燃料电池单元的氢气入口分别与所述送气管路连通。
15.较佳地，所述氢燃料电池单元和所述电化学氢泵单元的数量比值为2:1～10:1。
16.较佳地，所述电化学氢泵生成的氢气与所述氢燃料电池单元反应需要的氢气的体积之比为1:2～1:10。
17.较佳地，所述氢燃料电池单元的氢气入口和氢气出口均设置于所述氢燃料电池单元的阳极侧。
18.较佳地，所述电化学氢泵单元的氢气入口设置于所述电化学氢泵单元的正极；所述电化学氢泵单元的氢气出口设置于所述电化学氢泵单元的负极。
19.较佳地，所述氢燃料电池单元和所述电化学氢泵单元之间设置有双极板。
20.较佳地，所述氢燃料电池装置还包括引射器；所述引射器和所述电化学氢泵单元并联；
21.所述电化学氢泵单元当所述氢燃料电池装置的输出功率小于预设功率值时运行，所述引射器当所述氢燃料电池装置的输出功率大于等于所述预设功率值时运行，以实现上述燃料电池装置的氢气循环。
22.本发明的积极进步效果在于：本发明的氢燃料电池装置通过采用电化学氢泵与燃料电池一体化集成的氢气循环模式，实现氢燃料电池整体集成度高、噪音低、体积小、密封性好，并且可以根据氢燃料电池装置的输出功率要求灵活调节氢气循环量，优化了氢燃料电池装置的氢气自循环功能，具有较强的产业推广应用价值。
附图说明
23.图1为本发明实施例中的氢燃料电池装置的模块示意图。
24.图2为本发明氢燃料电池装置的一种较佳实施方式的结构示意图。
25.图3为本发明氢燃料电池装置另一种较佳实施方式的结构示意图。
具体实施方式
26.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
27.实施例
28.参见图1所示，本实施例具体提供了一种氢燃料电池装置，包括至少一个氢燃料电池单元1和至少一个电化学氢泵单元2，氢燃料电池装置还包括氢气循环管路3；氢燃料电池单元1的氢气出口通过氢气循环管路3，将在氢燃料电池单元1未完全反应的氢气输出至电化学氢泵单元2的氢气入口；电化学氢泵单元2的氢气出口通过氢气循环管路3，将生成的氢气输出至氢燃料电池单元1的氢气入口。
29.本实施例中的氢燃料电池装置是一种将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，氢在阳极催化剂的作用下，放出电子通过外部的负载到达氢燃料电池装置的阴
极。氢燃料电池采用可传导质子的聚合物膜作为电解质，也被称为聚合物电解质燃料电池或质子交换膜燃料电池，通常由一组氢燃料电池单元组成以满足外部用电负载需求。此外，氢燃料电池装置通常也配设有氢燃料储存、氢气循环、空气供给、温湿度调节、功率调节及系统控制等功能模块，从而构成一个连续、稳定的供电电源。基于本发明的构思，本实施例重点描述氢燃料电池单元与电化学氢泵单元的具体设置方式，包括氢气循环管路的设置。
30.本实施例中的氢燃料电池装置将电化学氢泵与燃料电池电堆集成在一起，同时，通过设置氢气循环管路和氢燃料电池单元及电化学氢泵单元的集成，实现对于各区域氢气的收集、利用和输送，各氢燃料电池单元的阳极氢气出口与电化学氢泵氢气入口相连，电化学氢泵氢气出口与氢气循环管路相连，实现燃料电池系统中氢气的循环。其中，氢燃料电池单元的氢气出口排出的氢燃料电池单元未完全反应的氢气通过氢气循环管路输出至电化学氢泵单元的氢气入口；从而基于电化学氢泵的技术设计原理，在直流电流的作用下，输入电化学氢泵的氢气处于质子交换膜正极侧，其在电催化剂作用下可解离成质子并通过质子交换膜传至负极侧重新生成氢气，具体地，正极区反应：h2→
2h
+
+e-；负极区反应：2h
+
+e-→
h2。接着，电化学氢泵单元的氢气出口通过氢气循环管路，将生成的氢气输出至氢燃料电池单元的氢气入口，实现内部氢气的动态有效循环。
31.作为一种可选的实施方式，参见图2所示，氢燃料电池装置包括至少两个氢燃料电池单元1和至少两个电化学氢泵单元2；其中，所有氢燃料电池单元1均为相邻设置，所有电化学氢泵单元2也均为相邻设置。可以理解，氢燃料电池单元1和电化学氢泵单元2之间由双极板4进行物理隔离，双极板又称集流板，是燃料电池分隔燃料与氧化剂以及收集、传导电流的重要部件之一，可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应。本领域技术人员可知，不仅氢燃料电池单元1和电化学氢泵单元2之间设置有双极板4，对于每个氢燃料电池单元1和每个电化学氢泵单元2，也分别通过两侧双极板和其他部件隔开。氢气循环管路3根据上述方式，收集氢燃料电池单元1的氢气，并在电化学氢泵单元2反应后产出氢气供给氢燃料电池单元1循环使用。对于多个氢燃料电池单元1和电化学氢泵单元2，本发明的氢气循环管路在集气侧和送气侧，均可实现多(氢气出口)对多(氢气入口)的氢气传输机制。
32.作为另一种可选的实施方式，参见图3所示，燃料电池装置包括至少两个氢燃料电池单元1和至少两个电化学氢泵单元2；氢燃料电池单元1和电化学氢泵单元2交替设置。本实施方式中，氢燃料电池单元1和电化学氢泵单元2之间也由双极板4进行物理隔离。氢气循环管路3收集氢燃料电池单元1的氢气，并在电化学氢泵单元2反应后产出氢气供给氢燃料电池单元1循环使用。对于多个氢燃料电池单元1和电化学氢泵单元2，本发明的氢气循环管路在集气侧和送气侧，同样均可实现多对多的氢气传输机制。
33.具体地，对于上述可选的实施方式，参见图2及图3，其氢气循环管路3可以包括集气管路31和送气管路32；集气管路31和送气管路32不连通；集气管路31用于将在氢燃料电池单元1未完全反应的氢气输出至电化学氢泵单元2的氢气入口21；送气管路32用于将电化学氢泵单元2生成的氢气输出至氢燃料电池单元1的氢气入口11；每个氢燃料电池单元1的氢气出口12以及每个电化学氢泵单元2的氢气入口21分别与集气管路31连通；每个电化学氢泵单元2的氢气出口22以及每个氢燃料电池单元1的氢气入口11分别与送气管路32连通。其中，氢燃料电池单元1的氢气入口11和氢气出口12均设置于氢燃料电池单元1的阳极侧；电化学氢泵单元2的氢气入口21设置于电化学氢泵单元2的正极；电化学氢泵单元2的氢气
出口22设置于电化学氢泵单元2的负极。
34.作为一种较佳的实施方式，氢燃料电池单元与电化学氢泵单元相邻布置，两者所具有的单元个数比例为2:1～10:1，电化学氢泵生成的氢气与所述氢燃料电池单元反应需要的氢气的体积之比为1:2～1:10。电化学氢泵与氢燃料电池单元物理上电隔离，通过系统储能电源单独供电并控制电化学氢泵单元调节氢气循环量。
35.作为一种较佳的实施方式，氢燃料电池单元与电化学氢泵单元交替穿插布置，所具有的单元个数比例为2:1～10:1，电化学氢泵生成的氢气与所述氢燃料电池单元反应需要的氢气的体积之比为1:2～1:10。电化学氢泵单元依靠氢燃料电池单元供电，电化学氢泵单元氢气循环量由电化学氢泵与燃料电池单池个数比例确定。
36.作为一种较佳的实施方式，氢燃料电池单元与电化学氢泵单元相邻布置，两者所具有的单元个数比例为5:1～10:1，电化学氢泵生成的氢气与所述氢燃料电池单元反应需要的氢气的体积之比为1:5～1:10。电化学氢泵单元与氢燃料电池物理上电隔离，通过系统储能电源单独供电并控制电化学氢泵氢气循环量。同时电化学氢泵与引射器并联。在低功率段，依靠电化学氢泵实现氢气循环，在高功率段依靠引射器实现氢气循环，降低电化学氢泵单元设备成本及电化学氢泵运行能耗。例如当设置了预设功率值时，电化学氢泵单元当燃料电池装置的输出功率小于预设功率值时运行，引射器当燃料电池装置的输出功率大于等于预设功率值时运行，以实现上述燃料电池装置的氢气循环。
37.本实施例的氢燃料电池装置通过采用电化学氢泵与燃料电池一体化集成的氢气循环模式，实现氢燃料电池整体集成度高、噪音低、体积小、密封性好，并且可以根据氢燃料电池装置的输出功率要求灵活调节氢气循环量，优化了氢燃料电池装置的氢气自循环功能，具有较强的产业推广应用价值。
38.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。