一种在线供氢风冷燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种在线供氢风冷燃料电池系统，包括风冷电堆、氢气供应装置、空气供应装置和冷凝装置，所述空气供应装置包括空气供应风扇以及空气流道；所述冷凝装置包括冷凝箱、冷凝风扇以及水箱；所述氢气供应装置包括氢气反应器，所述氢气反应器的入口通过水泵与所述水箱连接，所述氢气反应器的出口与所述风冷电堆的氢气入口连接。本发明能回收风冷电堆生成的水并提供给氢气反应器进行氢化镁水解制氢，且通过氢气循环能有效提高系统的氢气利用率。
【专利说明】
一种在线供氢风冷燃料电池系统
技术领域
[0001]本发明属于风冷燃料电池技术领域，具体涉及一种在线供氢风冷燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将储存在氢气和空气中氧气的化学能转化为电能的发电装置，只要提供足够的氢气和氧气就能源源不断的产生电能，其具有能量转化效率高、可靠性好、环境友好，应用范围广等优势，因而被认为是21世纪最有前途的动力源。常规的燃料电池需要设置专门的冷却子系统，其配有冷却流道、水栗、散热器、冷却水箱等，这样会大大增加系统的复杂性。风冷燃料电池通过特殊的结构设计，通过风扇吸入的空气不仅可以提供电池发电还能对电池进行冷却，因而将空气供应和冷却系统融为一体，不仅简化了冷却子系统，还简化了空气供应系统中的加湿器、空气压缩机等设备，极大了提高了电池的便携性。
[0003]燃料电池发电所需的氢气通常由高压氢气瓶提供，氢气瓶增加了系统的体积、重量和成本。此外，燃料电池长时间运行耗氢量较大，若其瓶内氢气不足，系统便不能发电，因而需要实时监测，及时补给氢气。而且，氢气的直接排放会造成多种不利影响，虽然可以通过尾气催化燃烧的方法降低这种危害，还并不能解决氢气利用率问题。与此同时，电池发电生成的水直接随尾气排走而未能加以利用。基于这些不足之处，有必要发明一种新的风冷燃料电池系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种在线供氢风冷燃料电池系统，它具有在线供氢、高氢气利用率以及水回收利用的优点。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]—种在线供氢风冷燃料电池系统，该系统包括利用含氧气体和含氢气体之间的电化学反应产生电的风冷电堆、用于向所述风冷电堆供应含氢气体的氢气供应装置以及用于向所述风冷电堆供应含氧气体且使所述风冷电堆强制风冷的空气供应装置，所述空气供应装置包括用于将外部空气送入所述风冷电堆内的空气供应风扇以及设置在所述风冷电堆内的空气流道；
[0007]该系统还包括设置在所述空气流道出口处用于冷凝空气尾气的冷凝装置，所述冷凝装置包括冷凝箱、设置在所述冷凝箱内的冷凝风扇以及与所述冷凝箱的液态水出口连接的水箱；
[0008]所述氢气供应装置包括氢气反应器，所述氢气反应器的入口通过水栗与所述水箱连接，所述氢气反应器的出口与所述风冷电堆的氢气入口连接。
[0009]按上述技术方案，所述氢气反应器为氢化镁水解制氢反应器。
[0010]按上述技术方案，所述氢气供应装置还包括用于回收所述风冷电堆内未参与反应氢气的氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐通过氢气循环栗与所述风冷电堆的氢气入口连接。
[0011]按上述技术方案，所述氢气缓冲罐上还设置有用于排放罐内氢气的电磁阀。
[0012]按上述技术方案，所述空气供应装置还包括用于驱动所述空气供应风扇转动的直流电源以及用于调节所述空气供应风扇电流的变阻器。
[0013]按上述技术方案，所述氢气反应器的出口与所述风冷电堆的氢气入口之间设置有单向阀。
[0014]本发明，具有以下有益效果:该系统使用氢气反应器取代氢气瓶作为氢气源，可以直接供氢给风冷电堆进行发电，其产氢速率快，能满足电池对氢气的需求，实现电池发电在线供氢；同时，由于风冷电堆出来的空气尾气温度较高，含水量较高，通过设置冷凝装置将高温空气冷凝成低温空气，降低了饱和水蒸气蒸汽压力，可以析出液态水，即可以回收电池发电生成的水，冷凝箱内的水流入水箱，通过水栗将回收的水运送至氢气反应器用于制氢，可以实现水的循环利用，减少了水的外界补给量，而且氢气反应器可对生成的氢气自加湿，不需额外设置氢气加湿器，因而简化了氢气供应装置。
【附图说明】
[0015]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0016]图1是本发明实施例的结构示意图。
[0017]图中:1-氢气反应器，2-直流电源，3-变阻器，4-氢气入口，5_空气供应风扇，6-空气入口，7-氢气循环栗，8-风冷电堆，9-氢气缓冲器，10-电磁阀，11-冷凝箱，12-冷凝风扇，13-水箱，14-水栗。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]在本发明的较佳实施例中，如图1所示，一种在线供氢风冷燃料电池系统，该系统包括利用含氧气体和含氢气体之间的电化学反应产生电的风冷电堆8、用于向风冷电堆8供应含氢气体的氢气供应装置以及用于向风冷电堆8供应含氧气体且使风冷电堆8强制风冷的空气供应装置，空气供应装置包括用于将外部空气送入风冷电堆8内的空气供应风扇5以及设置在风冷电堆8内的空气流道，空气流道起着供应供气和冷却两个作用，空气供应风扇5安装在风冷电堆8的空气入口 6处；
[0020]该系统还包括设置在空气流道出口处用于冷凝空气尾气的冷凝装置，冷凝装置包括冷凝箱11、设置在冷凝箱11内的冷凝风扇12以及与冷凝箱11的液态水出口连接的水箱13；
[0021]氢气供应装置包括氢气反应器I，氢气反应器I的入口通过水栗14与水箱13连接，氢气反应器I的出口与风冷电堆8的氢气入口 4连接，具体的，氢气反应器的出口与风冷电堆的氢气入口之间设置有单向阀，可以避免循环回路的氢气倒流入氢气反应器，确保氢气单向流动，防止对系统造成危害。
[0022]在本发明的优选实施例中，如图1所示，氢气反应器I为氢化镁水解制氢反应器。在氢气反应器内发生氢化镁水解制氢反应并直接提供给电堆发电，可以实现风冷燃料电池系统在线供氢。
[0023]在本发明的优选实施例中，如图1所示，氢气供应装置还包括用于回收风冷电堆8内未参与反应氢气的氢气缓冲罐9，氢气缓冲罐9通过氢气循环栗7与风冷电堆8的氢气入口4连接。未反应的氢气重新注入氢气入口，形成氢气循环回路，可以提高氢气利用率，而且氢气缓冲器具有水气分离作用，将氢气出口的氢气和水分进行分离。
[0024]在本发明的优选实施例中，如图1所示，氢气缓冲罐9上还设置有用于排放罐内氢气的电磁阀10，用于紧急情况时及时对氢气进行排放。
[0025]在本发明的优选实施例中，如图1所示，空气供应装置还包括用于驱动空气供应风扇5转动的直流电源2以及用于调节空气供应风扇5电流的变阻器3。通过调节滑动变阻器可以改变空气供应风扇的功率，满足不同工况对空气量的需求。
[0026]本发明在具体应用时，如图1所示，空气供应风扇5安装在风冷电堆8的空气入口6处，该风扇由直流电源2提供动力，通过调节变阻器3来改变电路的电流大小从而改变空气供应风扇5的功率，根据风冷电堆8不同功率提供满足要求的空气量。风冷电堆8的空气出口安装有与之相匹配的冷凝箱11和冷凝风扇12，强制冷凝风冷电堆出口空气，将尾气携带的水蒸气冷凝成液态水并进行收集，液态水从冷凝箱11流向水箱13并通过水栗14运送至氢气反应器I进行制氢，从而将反应生成的水循环利用。
[0027]风冷电堆反应生成的水:
[0028]2Η2+02^2Η20 (I)
[0029]氢气反应器I中氢化镁水解制氢化学反应器为:
[0030]MgH2+2H20^Mg (OH) 2+2H2(2)
[0031]通过公式(I)和(2)可知，理论上风冷电堆反应生成的水正好可以满足制氢量的需求，但实际上由于风冷电堆发电生成的水一小部分会留在电池内，而另一大部分随尾气离开电堆的水蒸气并不能完全的被冷凝成液态水，此外，为了加快制氢速率，氢化镁水解往往需要提供过量的水，基于这些因素，本发明的水虽不能自给自足，但通过水回收利用可以减少外界水的补给量。
[0032]风冷电堆发电所需的氢气通过氢气反应器I内的氢化镁水解而得到，所产生的氢气携带有水分，因而不需对氢气进行额外的加湿，系统不需设置额外氢气加湿器。为提高电池的发电效率，通常需要提供大于I倍化学计量比的氢气，本发明通过在风冷电堆的氢气出口处设置氢气缓冲罐9收集氢气出口未参加反应的氢气，并通过氢气循环栗7将氢气缓冲罐9内的氢气重新注入氢气入口进行反应，从而形成了氢气循环回路，提高了系统的氢气利用率，同时避免氢气直接排放造成危害。氢气缓冲罐9除了能收集氢气之外，还具有水气分离作用，将氢气出口的氢气和水进行分离。此外，在氢气缓冲罐9出口设置电磁阀10，用以紧急情况时排放氢气，提高系统安全性。
[0033]本发明具有以下优点:
[0034]1.可通过调节滑动变阻器来调节风扇的电流大小，从而可以根据不同的电堆工况需求提供相应的空气量，实现空气智能供给；
[0035]2.可通过设置冷凝箱和冷凝风扇，将反应生成的水回收并运送至氢气反应器用以氢化镁水解制氢，实现水的循环利用，减少了水的外界补给量；
[0036]3.采用储氢量高的氢化镁水解制氢直接供给电池发电，其产氢速率快，能满足电池对氢气的需求，实现电池发电在线供氢；
[0037]4.通过设置氢气缓冲罐形成氢气循环回路，可大大提高氢气利用率，避免氢气直接排放造成危害。
[0038]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种在线供氢风冷燃料电池系统，该系统包括利用含氧气体和含氢气体之间的电化学反应产生电的风冷电堆、用于向所述风冷电堆供应含氢气体的氢气供应装置以及用于向所述风冷电堆供应含氧气体且使所述风冷电堆强制风冷的空气供应装置，所述空气供应装置包括用于将外部空气送入所述风冷电堆内的空气供应风扇以及设置在所述风冷电堆内的空气流道； 其特征在于，该系统还包括设置在所述空气流道出口处用于冷凝空气尾气的冷凝装置，所述冷凝装置包括冷凝箱、设置在所述冷凝箱内的冷凝风扇以及与所述冷凝箱的液态水出口连接的水箱； 所述氢气供应装置包括氢气反应器，所述氢气反应器的入口通过水栗与所述水箱连接，所述氢气反应器的出口与所述风冷电堆的氢气入口连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氢气反应器为氢化镁水解制氢反应器。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氢气供应装置还包括用于回收所述风冷电堆内未参与反应氢气的氢气缓冲罐，所述氢气缓冲罐通过氢气循环栗与所述风冷电堆的氢气入口连接。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述氢气缓冲罐上还设置有用于排放罐内氢气的电磁阀。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气供应装置还包括用于驱动所述空气供应风扇转动的直流电源以及用于调节所述空气供应风扇电流的变阻器。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述氢气反应器的出口与所述风冷电堆的氢气入口之间设置有单向阀。
【文档编号】H01M8/04014GK105914386SQ201610472875
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】陈奔, 涂正凯, 罗马吉, 王俊, 吴凡, 潘牧
【申请人】武汉理工大学