一种自循环燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种自循环燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池系统是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的装置。其通常包含电堆和外围的氢气、空气、冷却设备等零部件。而电堆进一步包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片的理论电压为1.23 v，其通常通过几百片并联实现大功率输出。
3.目前，现有燃料电池系统主要应用于氢能燃料电池汽车中。氢能燃料电池汽车是一种具有广阔发展应用前景的新能源汽车，具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。
4.但由于直接排放尾气中的氢气、氧气和氮气于大气中，现有燃料电池系统并不适合应用于密闭环境中，直接排放氢气会存在安全隐患。此外，在一些特殊环境下应用时，也无法直接排放氮气，需要对尾气中的氮气、氢气和氧气进行进一步处理。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种自循环燃料电池系统，用以解决现有燃料电池不适合应用于密闭环境的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种自循环燃料电池系统，包括电堆（4）、氢气罐（5）、控制阀（1）、氢循环装置（2）、氢侧排水排气阀（3）、空气循环装置（11）、空侧排水排气阀（6）、氧分离装置（7）和低温催化燃烧装置（8）；其中，电堆（4）的氢气入口经控制阀（1）接氢气罐（5）的气体出口，并经氢循环装置（2）接其氢气尾气出口，其氢气尾气出口还经氢侧排水排气阀（3）接低温催化燃烧装置（8）的输入端一；电堆（4）的空气入口通入含氧混合气体（即包含氧气的混合气体，例如氮氧混合物），并经空气循环装置（11）接其空气尾气出口，其空气尾气出口还依次经空侧排水排气阀（6）、氧分离装置（7）的氧气出口接低温催化燃烧装置（8）的输入端二；低温催化燃烧装置（8），用于对其输入端一通入的氢气与其输入端二通入的氧气进行充分燃烧（即无残余气体）。
7.上述技术方案的有益效果如下：通过在尾排装置中增加氧分离装置，将电堆空气侧排出的含氧混合气体分离，将分离得到的氧气与电堆氢侧排出的氢气通过低温催化燃烧装置进行充分燃烧，消耗掉所有的燃料，氮气或者其他惰性气体可直接排放至环境中或回收至设定的储气罐中。实现了对尾气中的氢气和氧气的充分处理，提高了燃料电池系统在密闭环境下的使用安全性。
8.基于上述系统的进一步改进，所述含氧混合气体为氮气-氧气混合气体；该系统还包括压力泵（14）、氮气罐（9）；其中，所述氧分离装置（7）的氮气出口经压力泵（14）后与氮气罐（9）的气体入口连接；
所述氮气罐（9），用于通过压力泵（14）存储通入的氮气。
9.进一步，该自循环燃料电池系统还包括控制器；其中，所述控制器，用于在识别该自循环燃料电池系统处于正常运行状态后，开启氢侧排水排气阀（3），设置氢侧排水排气阀（3）的开启占空比为m，并控制电堆氢气尾气中的氢气通入低温催化燃烧装置（8）内；以及，开启空侧排水排气阀（6）以使经氧分离装置（7）对电堆（4）空侧的氮气-氧气混合气体进行分离，设置空侧排水排气阀（6）的开启占空比为k，并控制分离后的氧气通入低温催化燃烧装置（8）内，使得氢气和分离后的氧气在低温催化燃料装置内进行充分燃烧。
10.进一步，该自循环燃料电池系统还包括氧气罐（10）、分流阀（12）；其中，所述分流阀（12）的输入端一接氮气罐（9）的气体出口，输入端二接氧气罐（10）的气体出口，输出端与电堆（4）的空气入口连接；所述氮气罐（9）、氧气罐（10）、分流阀（12）的控制端均与控制器的输出端连接。
11.进一步，该自循环燃料电池系统还包括第一调压阀（15）和第二调压阀（16）；其中，所述第一调压阀（15）和第二调压阀（16）的控制端均与控制器的输出端连接；所述分流阀（12）的输入端一经第一调压阀（15）接氮气罐（9）的气体出口，输入端二经第二调压阀（16）接氧气罐（10）的气体出口。
12.进一步，该自循环燃料电池系统还包括开关阀（13）；其中，所述开关阀（13）的一端接氮气罐（9）的气体入口，另一端接压力泵（14）的气体出口，控制端与控制器的输出端连接。
13.进一步，该自循环燃料电池系统还包括空压机；其中，所述空压机的输入端与分流阀（12）的输出端连接，其输出端与电堆（4）的空气入口连接，控制端与控制器的输出端连接；所述控制器，还用于获取空压机的输入端处气体压力；以及，根据该气体压力调整空压机的转速。
14.进一步，所述控制器进一步包括：数据采集单元，用于分别实时获取空压机的输入端处气体压力、空气循环装置（11）入口处气体压力、电堆（4）的输出电流，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于启动分别控制氢气罐（5）、氧气罐（10）和氮气罐（9）的通气开启，并根据燃料电池系统的需求功率分别调整控制阀（1）、分流阀（12）达到设定开度；以及，启动氢循环装置（2）和空气循环装置（11），在空气循环装置（11）入口处气体压力达到设定压力后，关闭分流阀（12）的输入端一，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定值；以及，根据电堆（4）的输出电流识别该自循环燃料电池系统处于正常运行状态后，先开启氢侧排水排气阀（3），使得电堆氢气尾气中的氢气通入低温催化燃烧装置（8）内，再开启空侧排水排气阀（6），使得空侧排水排气阀（6）对电堆（4）空侧的氮气-氧气混合气体进行分离，并控制分离后的氧气通入低温催化燃烧装置（8）内，控制所述氢气和分离后的氧气在低温催化燃料装置内进行充分燃烧。
15.进一步，所述数据采集单元进一步包括：电流传感器，设于电堆（4）的供电端，用于获取电堆（4）的输出电流；气体压力传感器，分别设于空压机的输入端处管道内壁上、空气循环装置（11）入
口处管道内壁上，用于获取空压机的输入端处气体压力、空气循环装置（11）入口处气体压力；温度传感器，设于取氧分离装置（7）的内部，用于获取氧分离装置（7）内环境温度。
16.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：接收到用户的启动指令后，分别控制氢气罐（5）、氧气罐（10）和氮气罐（9）的通气开启；获取燃料电池系统的需求功率，并根据该需求功率分别调整控制阀（1）、分流阀（12）达到与该需求功率匹配的设定开度；关闭氢侧排水排气阀（3）、空侧排水排气阀（6），启动氢循环装置（2）和空气循环装置（11），在空气循环装置（11）入口处气体压力达到设定压力后，关闭分流阀（12）的输入端一，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定值；监测电堆（4）的输出电流，识别该电流是否达到与上述需求功率匹配的额定电流，如果是，判定该自循环燃料电池系统处于正常运行状态，执行下一步，否则，继续监测；控制氧分离装置（7）启动，并开启氢侧排水排气阀（3），使得电堆氢气尾气中的氢气通入低温催化燃烧装置（8）内；开启空侧排水排气阀（6），使得空侧排水排气阀（6）对电堆（4）空侧的氮气-氧气混合气体进行分离，并控制分离后的氧气通入低温催化燃烧装置（8）内，使得电堆氢气尾气中的氢气和分离后的氧气在低温催化燃料装置内进行充分燃烧。
17.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：1、针对无法排放氮气和氢气的密闭空间环境，通过在尾排中增加氧分离装置，将空气侧的氮氧混合物分离，将氧气与氢气通过低温催化燃料装置充分消耗，氮气通过压力泵回收至氮气罐中，对尾气中的氮气、氢气和氧气实现了充分处理。
18.2、通过设置氢循环装置和空气循环装置，有效提高了电堆输入气体的利用率。
19.3、该自循环燃料电池系统在使用过程中无需使用空气，并且无任何气体排出，非常适合高空缺氧环境。
20.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
21.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
22.图1示出了实施例1自循环燃料电池系统组成示意图；图2示出了实施例2自循环燃料电池系统组成示意图；图3示出了实施例2自循环燃料电池系统的控制原理示意图。
23.附图标记：1
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控制阀；2-氢循环装置；3
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氢侧排水排气阀；4
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电堆；5
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氢气罐；6
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空侧排水排气阀；7
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氧分离装置；8
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低温催化燃烧装置；9
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氮气罐；10
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氧气罐；11
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空气循环
装置；12
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分流阀；13
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开关阀；14
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压力泵；15
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第一调压阀；16
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第二调压阀。
具体实施方式
24.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
25.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
26.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种自循环燃料电池系统，如图1所示，包括电堆4、氢气罐5、控制阀1、氢循环装置2、氢侧排水排气阀3、空气循环装置11、空侧排水排气阀6、氧分离装置7和低温催化燃烧装置8。
27.其中，电堆4的氢气入口一路经控制阀1与氢气罐5的出口连接，另一路经氢循环装置2接其氢气尾气出口，其氢气尾气出口还经氢侧排水排气阀3与低温催化燃烧装置8的输入端一连接。电堆4的空气入口一路接含氧混合气体，另一路经空气循环装置11接其空气尾气出口，其空气尾气出口还依次经空侧排水排气阀6、氧分离装置7的氧气出口与低温催化燃烧装置8的输入端二连接。
28.低温催化燃烧装置8，用于对其输入端一通入的氢气与其输入端二通入的氧气进行充分燃烧。该装置的具体结构可参见专利cn202023172370.3、cn201822151599.5、cn201820745135.4，只需要将催化剂更换成氢氧反应催化剂（例如参见华东理工大学硕士论文《氢气低温燃烧催化剂的制备及其在燃烧电池含氢尾气净化处理中的应用》）即可。
29.氧分离装置7的结构参见专利cn201380039222.8、cn201920525750.9、cn202120461920.9等。
30.需说明的是，该自循环燃料电池系统还包括冷却液控制支路，可参见专利cn202011171825.1等，均采用现有设备。
31.含氧混合气体，即包含氧气的混合气体，例如包含氮气与氧气和混合气体（氮氧混合物），常见的为空气，或者氧气与其他惰性气体（不参与反应）的混合气体。本领域技术人员能够理解。
32.与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池系统通过在尾排装置中增加氧分离装置，将电堆空气侧排出的含氧混合气体分离，将分离得到的氧气与电堆氢侧排出的氢气通过低温催化燃烧装置进行充分燃烧，消耗掉所有的燃料，氮气或者其他惰性气体可直接排放至环境中或回收至设定的储气罐中。实现了对尾气中的氢气和氧气的充分处理，提高了燃料电池系统在密闭环境下的使用安全性。
33.实施例2在实施例1的基础上进行改进，所述氧分离装置7中的高透膜采用含钡钙钛矿氧化
物材质。含钡钙钛矿氧化物表面析出的氧化钡纳米粒子对氧活化具有超高活性，该粒子也是氧交换反应的活性位点，因此可以用来制备高温透氧膜，实现对空气中氧气的高效分离，适合多种场景下的燃料电池系统应用。
34.氧分离装置7通常为具有高温透氧膜的气体装置，高温透氧膜为新型材料制作的膜，其可以在高温环境，如含钡钙钛矿氧化物高透膜在700 ℃下，将空气分离成氧气和氮气。
35.含氧混合气体可为氮气-氧气混合气体，包括空气。
36.优选地，该自循环燃料电池系统还包括压力泵14、氮气罐9，如图2所示。并且，所述含氧混合气体为氮气-氧气混合气体。所述氧分离装置7的氮气出口经压力泵14后与氮气罐9的气体入口连接。所述氮气罐9，用于通过压力泵14存储通入的氮气。
37.优选地，该自循环燃料电池系统还包括控制器。
38.控制器，用于在识别该自循环燃料电池系统处于正常运行状态后，开启氢侧排水排气阀3，设置氢侧排水排气阀3的开启占空比为m，并控制电堆4氢气尾气中氢气通入低温催化燃烧装置8内；以及，开启空侧排水排气阀6以使经氧分离装置7对电堆4空侧的氮气-氧气混合气体进行分离，设置空侧排水排气阀6的开启占空比为k，并控制分离后的氧气通入低温催化燃烧装置8内，使得氢气和分离后的氧气在低温催化燃料装置内进行充分燃烧。控制原理如图3所示。m、k的设置应使得氢气与氧气的流量比小于等于2：1，以便完全消耗低温催化燃烧装置8内的氢气。优选2：1，低温催化燃烧装置8内的氢气和氧气完全反应。
39.控制器的输出端与控制阀1、氢循环装置2、氢侧排水排气阀3、空气循环装置11、空侧排水排气阀6、氧分离装置7、压力泵14的控制端连接。
40.优选地，该自循环燃料电池系统还包括氧气罐燃料电池系统10、分流阀12。其中，所述分流阀12的输入端一接氮气罐9的气体出口，输入端二接氧气罐燃料电池系统10的气体出口，输出端与电堆4的空气入口连接。所述氮气罐9、氧气罐燃料电池系统10、分流阀12的控制端均与控制器的输出端连接。
41.优选地，该自循环燃料电池系统还包括第一调压阀15和第二调压阀16。其中，所述第一调压阀15和第二调压阀16的控制端均与控制器的输出端连接。所述分流阀12的输入端一经第一调压阀15接氮气罐9的气体出口，输入端二经第二调压阀16接氧气罐燃料电池系统10的气体出口。
42.优选地，该自循环燃料电池系统还包括开关阀13。其中，所述开关阀13的一端接氮气罐9的气体入口，另一端接压力泵14的气体出口，控制端与控制器的输出端连接。
43.优选地，该自循环燃料电池系统还包括空压机。其中，所述空压机的输入端与分流阀12的输出端连接，其输出端与电堆4的空气入口连接，控制端与控制器的输出端连接。
44.所述控制器，还用于获取空压机的输入端处气体压力；以及，根据该气体压力调整空压机的转速。
45.优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
46.数据采集单元，用于分别实时获取空压机的输入端处气体压力、空气循环装置11入口处气体压力、电堆4的输出电流，发送至数据处理与控制单元。
47.数据处理与控制单元，用于启动分别控制氢气罐5、氧气罐燃料电池系统10和氮气罐9的通气开启，并根据燃料电池系统的需求功率分别调整控制阀1、分流阀12达到设定开
度；以及，启动氢循环装置2和空气循环装置11，在空气循环装置11入口处气体压力达到设定压力后，关闭分流阀12的输入端一，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定值；以及，根据电堆4的输出电流识别该自循环燃料电池系统处于正常运行状态后，先开启氢侧排水排气阀3，使得电堆4氢气尾气中氢气通入低温催化燃烧装置8内，再开启空侧排水排气阀6，使得空侧排水排气阀6对电堆4空侧的氮气-氧气混合气体进行分离，并控制分离后的氧气通入低温催化燃烧装置8内，控制所述氢气和分离后的氧气在低温催化燃料装置内进行充分燃烧。
48.优选地，所述数据采集单元进一步包括电流传感器、气体压力传感器、温度传感器。
49.电流传感器，设于电堆4的供电端，用于获取电堆4的输出电流。
50.气体压力传感器，分别设于空压机的输入端处管道内壁上、空气循环装置11入口处管道内壁上，用于获取空压机的输入端处气体压力、空气循环装置11入口处气体压力。
51.温度传感器，设于氧分离装置7的内部，用于获取氧分离装置7内环境温度。
52.优选地，所述数据处理与控制单元具有显示模块。其中，所述显示模块的显示屏上显示电堆4的实时输出电流。
53.优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s1.接收到用户的启动指令后，分别控制氢气罐5、氧气罐燃料电池系统10和氮气罐9的通气开启；s2.获取燃料电池系统的需求功率，并根据该需求功率分别调整控制阀1、分流阀12达到与该需求功率匹配的设定开度；s3.关闭氢侧排水排气阀3、空侧排水排气阀6，启动氢循环装置2和空气循环装置11，在空气循环装置11入口处气体压力达到设定压力后，关闭分流阀12的输入端一，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定值；s4.监测电堆4的输出电流，识别该电流是否达到与上述需求功率匹配的额定电流，如果是，判定该自循环燃料电池系统处于正常运行状态，执行下一步，否则，继续监测；s5.控制氧分离装置7启动，并开启氢侧排水排气阀3，使得电堆4氢气尾气中氢气通入低温催化燃烧装置8内；s6.开启空侧排水排气阀6，使得空侧排水排气阀6对电堆4空侧的氮气-氧气混合气体进行分离，并控制分离后的氧气通入低温催化燃烧装置8内，使得电堆氢气尾气中的氢气和分离后的氧气在低温催化燃料装置内进行充分燃烧。
54.优选地，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：s7.识别空侧排水排气阀6是否打开，如果是，执行下一步，否则，关闭分流阀12的输入端一，以对电堆4补充纯氧；s8.控制分流阀12达到设定开度，以对电堆4补充氮氧混合气。
55.与实施例1相比，本实施例提供的自循环燃料电池系统具有如下有益效果：1、针对无法排放氮气和氢气的密闭空间环境，通过在尾排中增加氧分离装置，将空气侧的氮氧混合物分离，将氧气与氢气通过低温催化燃料装置充分消耗，氮气通过压力泵回收至氮气罐中，对尾气中的氮气、氢气和氧气实现了充分处理。
56.2、通过设置氢循环装置和空气循环装置，有效提高了电堆输入气体的利用率。
57.3、该自循环燃料电池系统在使用过程中无需使用空气，并且无任何气体排出，非常适合高空缺氧环境。
58.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。