再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其包括一第一燃料電池本體，一第二燃料電池本體，一陽極再循環(huán)系統(tǒng)，一陰極再循環(huán)系統(tǒng)，以及一氮氣再循環(huán)系統(tǒng)。所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)以及陰極再循環(huán)系統(tǒng)分別與所述第一燃料電池本體連通，用于對所述第一燃料電池本體的陽極反應氣體和陰極反應氣體進行循環(huán)。所述第二燃料電池本體與所述第一燃料電池本體串聯(lián)，其用來消耗所述第一燃料電池本體反應剩余的陽極反應氣體和陰極反應氣體。所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)分別與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)、所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)、以及所述第二燃料電池本體的排氣端連通。所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)給所述第一燃料電池本體的陽極和陰極引入了氮氣循環(huán)。
【專利說明】
再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及電池技術領域，尤其涉及燃料電池技術領域。
【背景技術】
[0002] 目前全球石油資源日益枯竭，溫室效應等環(huán)境問題愈加嚴峻。與傳統(tǒng)內燃機、電動 機等動力源相比，燃料電池在功率密度和環(huán)境友好程度上有很大優(yōu)勢。燃料電池是一種電 化學裝置，能將化學能直接轉換為電能。由于燃料電池的能量轉換過程不受卡諾循環(huán)限制， 其能量轉換效率較高。燃料電池工作過程中，消耗的燃料為氫氣，反應產(chǎn)物是水，有害排放 物為零，所以是最清潔的能源之一。
[0003] 只有燃料電池本體還不能工作，燃料電池本體必須有一套相應的輔助系統(tǒng)。燃料 電池本體與其輔助系統(tǒng)共同組成的系統(tǒng)稱為燃料電池動力系統(tǒng)。燃料電池動力系統(tǒng)除了燃 料電池本體外，還包括氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、功率輸出系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等附件系 統(tǒng)。氫氣系統(tǒng)主要負責為電堆提供氫氣供應，需要根據(jù)運行工況調節(jié)進入電堆的氫氣壓力、 濕度和流量等?？諝庀到y(tǒng)則是為電堆提供適量的氧化劑即空氣，需要根據(jù)工況調節(jié)進入電 堆的空氣的溫度、壓力和流量等。冷卻系統(tǒng)則通過冷卻劑循環(huán)的方式使電堆溫度保持合適 水平，保證電堆穩(wěn)定可靠工作。功率輸出系統(tǒng)則是通過DC/DC裝置來調節(jié)電堆的輸出電壓和 電流的大小和變化速率?？刂葡到y(tǒng)是整個燃料電池動力系統(tǒng)的"大腦"，由其對電堆外圍的 各個子系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，使得電堆處于最佳工作狀態(tài)，保證電堆長期穩(wěn)定可靠運行。
[0004] 進入燃料電池電堆的空氣或者氫氣，過干或過濕對質子交換膜和燃料電池本體都 有不利的影響。因此為了保證進入燃料電池本體的空氣或者氫氣的濕度在一定范圍內，需 要在燃料電池系統(tǒng)中增加增濕器以對進入電堆的氫氣或者空氣進行濕度控制。有些燃料電 池系統(tǒng)沒有使用增濕系統(tǒng)，而使用了陰極再循環(huán)和陽極再循環(huán)系統(tǒng)來改變陰極和陽極的反 應氣濕度。陽極再循環(huán)系統(tǒng)還可以提高陽極氫氣利用率。陰極再循環(huán)系統(tǒng)還可以在電堆停 機時營造一個非富氧環(huán)境，提高電堆的使用壽命。
[0005] 對于典型的氫-空型燃料電池來說，空氣作為陰極反應氣，由于氧氣分壓較小，功 率密度相對較低，熱負荷小，排水也容易。如果將陰極氣體更換為氧氣，則稱之為氫氧型燃 料電池，雖然其功率密度較大，但是熱負荷也更大，生成的水多，排水比較困難。為了解決這 個問題，通常氫氧型燃料電池會使用疏水性材料而氫空型燃料電池會使用親水性材料。但 這樣一來，導致了同一陰極反應氣進氣條件下氫空型和氫氧型燃料電池無法混用。常規(guī)燃 料電池系統(tǒng)無法解決這個問題。對于典型的燃料電池來說，為了保證滿足輸出功率需求，陰 極和陽極的反應氣都會過量供應，未反應的氣體通常會被直接排入環(huán)境之中。在地面敞開 條件，尾排氣體中的氫氣可以擴散稀釋并迅速上升離開地面，不會導致危險。但在密閉或者 不通風使用環(huán)境下，尾排氣體中的氫氣無法及時擴散則會導致風險的存在。類似地，陰極的 氧氣的排放也有類似問題存在。因此，在密閉空間中，燃料電池的陰極氣體和陽極氣體都不 適合直接排放。而現(xiàn)有燃料電池系統(tǒng)結構無法實現(xiàn)陰極陽極反應氣的零排放。

【發(fā)明內容】

[0006] 有鑒于此，一個方面如何兼顧從氫空型到氫氧型之間的不同陰極氧氣濃度下的反 應，并順利排水;另外一個方面如何避免氫氣和氧氣的尾排，在提高反應氣體的利用效率的 同時，消除電堆運行對所在密閉空間環(huán)境質量的影響，是燃料電池系統(tǒng)設計的重要挑戰(zhàn)。
[0007] 一種再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其包括： 一第一燃料電池本體，其包括一第一陽極進氣口、一第一陽極出氣口、一第一陰極進氣 口、及一第一陰極出氣口； 一第二燃料電池本體，其包括一第二陽極進氣口、一第二陽極出氣口、一第二陰極進氣 口、及一第二陰極出氣口，其中，所述第二陽極進氣口口與所述第一陽極出氣相連通，所述 第二陰極進氣口與所述第一陰極出氣口相連通； 一陽極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陽極再循環(huán)栗，以及一第一單向閥與所述陽極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陽極再循環(huán)栗及所述第一單向閥與所述第一陽極進氣口及所述第一陽極出氣口 連通，所述第一單向閥保證了氣體從所述第一陽極出氣口向著所述第一陽極進氣口單方向 流動； 一陰極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陰極再循環(huán)栗，以及一第二單向閥與所述陰極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陰極再循環(huán)栗及所述第二單向閥與所述第一陰極進氣口及所述第一陰極出氣口 連通，所述第二單向閥保證了陰極反應氣體從所述第一陰極出氣口向著所述第一陰極進氣 口單方向流動；以及 一氮氣再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一氮氣儲氣罐、一第三單向閥、以及一氮氣再循環(huán)栗，其中 所述氮氣儲氣罐與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)、及所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)連通，所述氮氣儲氣罐通 過所述第三單向閥與所述氮氣再循環(huán)栗連通后，再與所述第二陽極出氣口、所述第二陰極 出氣口連通。
[0008] 所述再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)進一步包括一陽極穩(wěn)壓罐、以及一陰極穩(wěn)壓罐，所述第 一陽極出氣口通過所述陽極穩(wěn)壓罐與所述第二陽極進氣口相連通，所述第一陰極出氣口通 過所述陰極穩(wěn)壓罐與所述第二陰極進氣口相連通。
[0009] 所述陽極穩(wěn)壓罐與所述第二陽極進氣口之間設置有一陽極氣體流量量閥。
[0010] 所述陰極穩(wěn)壓罐與所述第二陰極進氣口之間設置有一陰極氣體流量流量閥。
[0011] 所述陽極穩(wěn)壓罐與所述第一陽極出氣口之間設置有一第一電磁閥。
[0012] 所述第一陽極出氣口與所述第一電磁閥之間具有一第一大氣通氣口通過一第二 電磁閥接入。
[0013] 所述陰極穩(wěn)壓罐與所述第一陰極出氣口之間設置有一第三電磁閥。
[0014] 所述第一陰極出氣口與所述第三電磁閥之間具有一第二大氣通氣口通過一第四 電磁閥接入。
[0015] 所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括一第五電磁閥，該第五電磁閥的一端與所述第一 陽極進氣口連通，該第五電磁閥的另一端與所述陽極再循環(huán)栗以及一陽極氣體進氣管連 通。
[0016] 所述的陽極再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括一第一陽極汽水分離器，所述陽極再循環(huán)栗、 所述第一陽極汽水分離器串聯(lián)后與所述第一陽極進氣口及所述第一陽極出氣口連通。
[0017] 所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括一第六電磁閥，該第六電磁閥的一端與所述第一 陰極進氣口連通，該第六電磁閥的另一端與所述陰極再循環(huán)栗以及一陰極氣體進氣管連 通。
[0018] 所述的陰極再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括一第一陰極汽水分離器，所述陰極再循環(huán)栗、 所述第一陰極汽水分離器串聯(lián)后與所述第一陰極進氣口及所述第一陰極出氣口連通。 [0019]所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括一第七電磁閥，以及一第八電磁閥，所述氮氣儲 氣罐通過第所述七電磁閥與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)連通，所述氮氣儲氣罐通過所述第八電磁 閥與所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)連通。
[0020]所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括一第二陽極汽水分離器、一第二陰極汽水分離 器，所述再循環(huán)栗通過所述第二陽極汽水分離器與所述第二陽極出口連通，所述再循環(huán)栗 通過所述第二陰極汽水分離器與所述第二陰極出口連通。
[0021 ]所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)進一步包括一第九電磁閥，以及一第十電磁閥，所述第九電 磁閥設置于所述第二陽極汽水分離器與所述第二陽極出口之間，所述第十電磁閥設置于所 述第二陰極汽水分離器與所述第二陰極出口之間。
[0022] 一種再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其包括： 一燃料電池本體，其包括一陽極進氣口、一陽極出氣口、一陰極進氣口、及一陰極出氣 P； 一陽極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陽極再循環(huán)栗，以及一第一單向閥與所述陽極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陽極再循環(huán)栗及所述第一單向閥與所述第一陽極進氣口及所述第一陽極出氣口 連通； 一陰極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陰極再循環(huán)栗，以及一第二單向閥與所述陰極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陰極再循環(huán)栗及所述第二單向閥與所述第一陰極進氣口及所述第一陰極出氣口 連通；以及 一氮氣再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一氮氣儲氣罐、一第三單向閥、以及一氮氣再循環(huán)栗，其中 所述氮氣儲氣罐與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)、及所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)連通，所述氮氣儲氣罐通 過第三單向閥與所述氮氣再循環(huán)栗連通后，再與所述第二陽極出氣口、所述第二陰極出氣 口連通。
[0023] 本發(fā)明技術方案引入了陰極和陽極再循環(huán)系統(tǒng)，提高了反應氣的利用率，同時省 去了增濕器，解決了低溫下增濕器結冰的問題。陽極引入氮氣循環(huán)，解決了小流量下陽極壓 力過低的問題，實現(xiàn)了任何流量下的陽極再循環(huán)。陰極引入氮氣循環(huán)，解決了純氧型燃料電 池需要提高電堆材料憎水性的問題，使得電堆可以適用于不同濃度的氧氣，實現(xiàn)陰極反應 氣體從空氣和純氧的自由切換和靈活過渡。本方案提出了兩級燃料電池系統(tǒng)，解決了燃料 電池需要向環(huán)境中排放剩余氣體的問題，實現(xiàn)了反應氣的零排放。本方案提出了氮氣再循 環(huán)，解決了二級燃料電池系統(tǒng)氮氣排放的問題，提高了氮氣利用率。
【附圖說明】
[0024] 圖1本發(fā)明實施例提供的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)。
[0025] 圖2本發(fā)明另一實施例提供的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)。
[0026]主要元件符號說明

如下【具體實施方式】將結合上述附圖進一步說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的闡述，參照附圖。應理解，這些實施例 僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容 后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附 權利要求書所限定的范圍。
[0028] 請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供一種再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)10,其包括一第一燃料電 池本體11 〇，一第二燃料電池本體120，一陽極再循環(huán)系統(tǒng)130，一陰極再循環(huán)系統(tǒng)140，以及 一氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150。所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130以及陰極再循環(huán)系統(tǒng)140分別與所述第一 燃料電池本體110連通，用于對所述第一燃料電池本體110的陽極反應氣體和陰極反應氣體 進行循環(huán)。所述第二燃料電池本體120與所述第一燃料電池本體110串聯(lián)，其用來消耗所述 第一燃料電池本體110反應剩余的陽極反應氣體和陰極反應氣體。所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150 分別與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130、所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140、以及所述第二燃料電池本體120 的排氣端連通。所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150給所述第一燃料電池本體110的陽極和陰極引入了 氮氣循環(huán)。
[0029] 所述第一燃料電池本體110包括一第一陽極進氣口 111、一第一陽極出氣口 112、一 第一陰極進氣口 113、及一第一陰極出氣口 114。所述第一燃料電池本體110進一步包括一陽 極氣體進氣管115與所述第一陽極進氣口 111連通，用于向所述第一燃料電池本體110中輸 入陽極反應氣體。所述第一燃料電池本體110進一步包括一陰極氣體進氣管116與所述第一 陰極進氣口 113連通，用于向所述第一燃料電池本體110中輸入陰極反應氣體。
[0030] 所述第二燃料電池本體120包括一第二陽極進氣口 121、一第二陽極出氣口 122、一 第二陰極進氣口 123、及一第二陰極出氣口 124。其中，所述第一陽極出氣口 112與所述第二 陽極進氣口 121相連通，用于把所述第一燃料電池本體110剩余的陽極反應氣體輸入到所述 第二燃料電池本體120中。所述第一陰極出氣口 114與所述第二陰極進氣口 123相連通，用于 把所述第一燃料電池本體110的剩余的陰極反應氣體輸入到所述第二燃料電池本體120中。
[0031] 所述第一陽極出氣口 112與所述第二陽極進氣口 121之間還可以進一步包括一陽 極穩(wěn)壓罐125、一陽極氣體流量閥127、一第一電磁閥135。所述陽極穩(wěn)壓罐125、所述陽極氣 體流量閥127、及所述第一電磁閥135相互串聯(lián)。所述陽極氣體流量閥127設置于所述陽極穩(wěn) 壓罐125與所述第二陽極進氣口 121之間，其起到控制從第二陽極進氣口 121進入第二燃料 電池本體120陽極反應氣量作用。所述第一電磁閥135設置于所述陽極穩(wěn)壓罐125與所述第 一陽極出氣口 112之間，用于隔絕從第一陽極出氣口 112排出的陽極尾排氣進入陽極穩(wěn)壓罐 125。一第一大氣通氣口 136通過一第二電磁閥137接入所述第一電磁閥135與所述第一陽極 出氣口 112之間，用于將從所述第一陽極出氣口 112排出的陽極尾排氣直接排入到外部環(huán)境 中。
[0032]所述第一陰極出氣口 114與所述第二陰極進氣口 123之間還可以進一步包括一陰 極穩(wěn)壓罐126、一陰極氣體流量閥128、一第三電磁閥145。所述陰極穩(wěn)壓罐126、所述陰極氣 體流量閥128、及所述第三電磁閥145相互串聯(lián)。所述陰極氣體流量閥128設置于所述陰極穩(wěn) 壓罐126與所述第二陰極進氣口 123之間，其起到控制從所述第二陰極進氣口 123進入所述 第二燃料電池本體120的陰極反應氣量的作用。所述第三電磁閥145設置于所所述陰極穩(wěn)壓 罐126與所述第一陰極出氣口 114之間，用于隔絕從所述第一陰極出氣口 114排出的陰極尾 排氣進入所述陰極穩(wěn)壓罐126。一第二大氣通氣口 146通過一第四電磁閥147接入所述第三 電磁閥145與所述第一陰極出氣口 114之間，用于將從所述第一陰極出氣口 114排出的陰極 尾排氣直接排入到外部環(huán)境中。
[0033] 所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130包括一陽極再循環(huán)栗131，以及一第一單向閥132與所述 陽極再循環(huán)栗131串聯(lián)。所述陽極再循環(huán)栗131及所述第一單向閥132與所述第一陽極進氣 口 111及所述第一陽極出氣口 112連通。所述第一單向閥132保證了氣體從所述第一陽極出 氣口 112向著所述第一陽極進氣口 111單方向流動。所述陽極再循環(huán)栗131用于把所述第一 陽極出氣口 112排出的陽極反應剩余氣體抽出輸入所述第一陽極進氣口 111。
[0034] 可以理解，所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130還可以進一步包括一第五電磁閥133。該第五 電磁閥133的一端與所述第一陽極進氣口 111連通。該第五電磁閥133的另一端與所述陽極 再循環(huán)栗131以及所述陽極氣體進氣管115連通。該第五電磁閥133用于在停機條件下，隔絕 所述陽極氣體進氣管115中的氣體進入所述第一陽極進氣口 111。
[0035] 可以理解，所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130還可以進一步包括一第一陽極汽水分離器 134。所述陽極再循環(huán)栗131、所述第一陽極汽水分離器134串聯(lián)后與所述第一陽極進氣口 111及所述第一陽極出氣口 112連通。所述第一陽極汽水分離器134可以分離出從所述第一 陽極出氣口 112排出的陽極循環(huán)氣中的水蒸氣。通過分離水蒸氣，可以控制陽極循環(huán)氣體的 濕度，保證陽極循環(huán)氣體與新鮮的陽極反應氣的混合氣體以合適的濕度進入所述第一陽極 進氣口 111。
[0036] 所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130在工作條件下，陽極反應氣通過所述陽極氣體進氣管115 從所述第一陽極進氣口 111進入所述第一燃料電池本體110。反應后的陽極反應氣體通過所 述第一陽極出氣口 112排出。排出的陽極反應氣體在所述陽極再循環(huán)栗131的作用下依次經(jīng) 過所述第一陽極汽水分離器134、所述陽極再循環(huán)栗131、以及所述第一單向閥132。排出的 陽極反應氣體與通過所述陽極氣體進氣管115輸送過來的新鮮陽極反應氣混合后，混合后 的陽極反應氣體又進入所述第一陽極進氣口 111繼續(xù)進行循環(huán)。通過再循環(huán)的方式，陽極反 應氣體的利用率顯著提升，由于排出氣體濕度較大，混合氣的氣體濕度被顯著提高，從而解 決了陽極反應氣體增濕問題。當需要排出陽極再循環(huán)系統(tǒng)130中的氣體時，可以單獨開啟所 述第一電磁閥135或者所述第二電磁閥137,將通過所述第一陽極出氣口 112的反應氣排至 所述第一大氣通氣口 136或者所述陽極穩(wěn)壓罐125。
[0037] 所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140,其包括一陰極再循環(huán)栗141，以及一第二單向閥142與所 述陰極再循環(huán)栗141串聯(lián)。所述陰極再循環(huán)栗141及所述第二單向閥142與所述第一陰極進 氣口 113及所述第一陰極出氣口 114連通。所述第二單向閥142保證了陰極反應氣體從所述 第一陰極出氣口 114向著所述第一陰極進氣口 113單方向流動。所述陰極再循環(huán)栗141用于 把所述第一陰極出氣口 114排出的陰極反應剩余氣體抽出輸入所述第一陰極進氣口 113。 [0038] 可以理解，所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140還可以進一步包括一第六電磁閥143。該第六 電磁閥143的一端與所述第一陰極進氣口 113連通。該第六電磁閥143的另一端與所述陰極 再循環(huán)栗141以及所述陰極氣體進氣管116連通。該第六電磁閥143用于在停機條件下，隔絕 所述陽極氣體進氣管115中的氣體進入所述第一陽極進氣口 111。
[0039]可以理解，所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140還可以進一步包括一第一陰極汽水分離器 144。所述陰極再循環(huán)栗141、所述第一陰極汽水分離器144串聯(lián)后與所述第一陰極進氣口 113及所述第一陰極出氣口 114連通。所述第一陰極汽水分離器144可以分離出從所述第一 陰極出氣口 114排出的陰極循環(huán)氣體中的水蒸氣。通過分離水蒸氣，可以控制所述陰極再循 環(huán)系統(tǒng)140的陰極循環(huán)氣體的濕度，并保證陰極循環(huán)氣體與新鮮陰極反應氣的混合氣體以 合適的濕度進入所述第一陰極進氣口 113。
[0040]所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140在工作條件下，陰極反應氣體通過所述陰極氣體進氣管 116從所述第一陰極進氣口 113進入所述第一燃料電池本體110。反應后的陰極反應氣體通 過所述第一陰極出氣口 114排出。排出的陰極反應氣體在所述陰極再循環(huán)栗141的作用下， 依次經(jīng)過所述第一陰極汽水分離器144、所述陰極再循環(huán)栗141、以及所述第二單向閥142。 然后，上述排出的陰極反應氣體與通過所述陰極氣體進氣管116輸送過來的新鮮陰極反應 氣體混合，混合后的陰極反應氣體又進入所述第一陰極進氣口 113繼續(xù)進行循環(huán)。通過再循 環(huán)的方式，混合氣進氣濕度顯著提高，解決了陰極增濕問題。同時，通過控制陰極氣體循環(huán) 量，可以調節(jié)陰極混合氣中的氧氣分壓。當需要排出陰極再循環(huán)系統(tǒng)中的氣體時，可以單獨 開啟所述第三電磁閥145或者第四電磁閥147,將通過所述第一陰極出氣口 114的陰極反應 氣體排至所述第二大氣通氣口 146或者所述陰極穩(wěn)壓罐126。
[0041 ]所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150包括一氮氣儲氣罐151、一第三單向閥152、以及一氮氣再 循環(huán)栗153。所述氮氣儲氣罐151與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130、及所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140連 通。所述氮氣儲氣罐151用于向所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130和所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140輸入氮 氣。所述氮氣儲氣罐151通過所述第三單向閥152與所述氮氣再循環(huán)栗153連通后，再與所述 第二陽極出氣口 122、所述第二陰極出氣口 124連通。所述第三單向閥152用于隔絕所述氮氣 儲氣罐151中的高壓氮氣，防止其逆向進入所述氮氣再循環(huán)栗153。
[0042] 所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150進一步包括一第七電磁閥154,以及一第八電磁閥155。所 述氮氣儲氣罐151通過第所述第七電磁閥154與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130連通，所述氮氣儲 氣罐通過所述第八電磁閥155與所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140連通。所述第七電磁閥154用于控 制所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130中的氮氣量。通過控制所述第七電磁閥154的開啟程度，所述氮 氣儲氣罐151中的高壓氮氣將會進入所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130中。所述第八電磁閥155用于 控制所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140中的氮氣量，通過控制第八電磁閥155的開啟程度，所述氮氣 儲氣罐151中的高壓氮氣將會進入陰極再循環(huán)系統(tǒng)140中。
[0043] 所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150進一步包括一第九電磁閥156,以及一第十電磁閥157。所 述第九電磁閥156設置于所述第二陽極汽水分離器158與所述第二陽極出氣口 122之間。所 述第十電磁閥157設置于所述第二陰極汽水分離器159與所述第二陰極出氣口 124之間。所 述第九電磁閥156的用于控制所述第二燃料電池本體120的陽極氣體排出，當所述第九電磁 閥156開啟時，所述第二燃料電池本體120陽極的氣體將通過所述第二陽極出氣口 122排出。 所述第十電磁閥157的作用是的用于控制所述第二燃料電池本體120的陰極氣體排出，當所 述第十電磁閥157開啟時，所述第二燃料電池本體120的陰極氣體將通過所述第二陰極出氣 口 124排出。
[0044] 所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150在工作時，通過控制所述第七電磁閥154開啟，使得所述 氮氣儲氣罐151中的氮氣進入到所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130,改變氫氣在再循環(huán)氣中的分壓， 解決氫氣流量較小時再循環(huán)壓力過低的問題。通過控制所述第八電磁閥155的開啟，使得所 述氮氣儲氣罐151中的氮氣進入到所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140中，改變氧氣在再循環(huán)氣中的分 壓，解決使用純氧作為還原劑時陰極氧氣分壓過高，膜的憎水性不足的問題。在所述第一電 磁閥135開啟時，陽極循環(huán)氣通過所述第一陽極出氣口 112排入所述陽極穩(wěn)壓罐125,通過控 制所述陽極氣體流量閥127的開啟，陽極混合氣通過所述第二陽極進氣口 121進入所述第二 燃料電池本體120。在所述第三電磁閥145開啟時，陰極循環(huán)氣通過所述第一陰極出氣口 114 排入所述陰極穩(wěn)壓罐126,通過控制所述陰極氣體流量閥128的開啟，陰極混合氣通過所述 第二陰極進氣口 123進入所述第二燃料電池本體120。經(jīng)過所述第二燃料電池本體120的反 應，當陽極混合氣中的還原性氣體消耗完畢時只剩下氮氣，開啟所述第九電磁閥156,氮氣 通過所述第二陽極出氣口 122排出，經(jīng)過所述第二陽極汽水分離器158。當陰極混合氣中的 氧化性氣體消耗完畢時也只剩下氮氣，開啟所述第十電磁閥157,氮氣通過所述第二陰極出 氣口 124排出，經(jīng)過所述第二陰極汽水分離器159。在所述氮氣再循環(huán)栗153的作用下，排出 的干燥氮氣依次經(jīng)過所述氮氣再循環(huán)栗153、所述第三單向閥152,回到所述氮氣儲氣罐 151，從而實現(xiàn)氮氣回收。在氮氣提純的這個過程中，反應中的氫氣和氧氣被完全消耗，不僅 保證了氮氣的零排放，也實現(xiàn)了氧氣和氫氣的零排放。
[0045] 可以理解，所述再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)10還可以進一步包括一散熱系統(tǒng)160、一電能 輸出170、一負載180。所述散熱系統(tǒng)160用于維持第一燃料電池本體110的合適工作溫度，向 其提供合適流量、溫度、壓力的冷卻液。所述電能輸出170用于連接第一燃料電池本體110與 外部負載，用于控制輸出功率。所述負載180用于消耗第二燃料電池本體120的輸出功率。
[0046] 請參見圖2,本發(fā)明另一實施例進一步提供一種再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)20。該實施例 的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)20與上一實施例中的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)10的結構類似，其區(qū)別在 于該再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)20不包括所述第二燃料電池本體120。所述再循環(huán)燃料電池系統(tǒng) 20包括一第一燃料電池本體110,一陽極再循環(huán)系統(tǒng)130,一陰極再循環(huán)系統(tǒng)140,以及一氮 氣再循環(huán)系統(tǒng)150。
[0047] 區(qū)別于圖2,本實施例中的氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150直接與所述第一燃料電池本體110 的第一陽極出氣口 112,第一陰極出氣口 114連通。所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150的氮氣再循環(huán)栗 153的一端分成兩個支路，一個支路連接所述第一陽極出氣口 112，另一個支路連接所述第 一陰極出氣口 114。連接所述第一陽極出氣口 112的支路上依次設置有所述第二陽極汽水分 離器158、以及所述第一電磁閥135。連接所述第一陰極出氣口 114的支路上依次設置有所述 第二陰極汽水分離器159、以及所述第三電磁閥145。
[0048] 所述第一大氣通氣口 136通過所述第二電磁閥137接入所述第一電磁閥135與所述 第一陽極出氣口 112之間，用于隔絕從所述第一陽極出氣口 排出的陽極尾排氣。
[0049] 所述第二大氣通氣口 146通過所述第四電磁閥147接入所述第三電磁閥145與所述 第一陰極出氣口 114之間，用于隔絕從所述第一陰極出氣口 114排出的陰極尾排氣。
[0050] 參考第一實施例的描述，第二實例的中的所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130與陰極再循環(huán) 系統(tǒng)140相較第一實例中的陽極再循環(huán)系統(tǒng)130與陰極再循環(huán)系統(tǒng)140基本一致，故不再重 復描述。
[0051] 所述第二實例的氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150與第一實例中的氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150較為相 似，區(qū)別在于第九電磁閥156以及第十電磁閥157分別直接與第一陽極出氣口 112和第一陰 極出氣口 114相連。
[0052]所述第二實例的氮氣再循環(huán)系統(tǒng)150的工作方式，通過控制所述第七電磁閥154和 所述第八電磁閥155的開啟，該氮氣儲氣罐151中的氮氣進入到所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)130和 所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140中。控制還原性氣體和氧化性氣體的供給量，依靠所述陽極再循環(huán) 系統(tǒng)130與所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)140消耗殘存反應氣。當陽極混合氣中的還原劑消耗完畢 時，所述第九電磁閥156開啟，氮氣經(jīng)過所述第二陽極汽水分離器158。當陰極混合氣中的氧 化劑消耗完畢時，所述第十電磁閥157開啟，氮氣通過經(jīng)過所述第二陰極汽水分離器159。在 所述氮氣再循環(huán)栗153的作用下，排出的干燥氮氣依次經(jīng)過所述氮氣再循環(huán)栗153、所述第 三單向閥152，回到所述氮氣儲氣罐151，實現(xiàn)氮氣回收。
[0053]本發(fā)明采用以上技術，有以下優(yōu)點： 本方案引入了陰極和陽極再循環(huán)系統(tǒng)，提高了反應氣的利用率，同時省去了增濕器，解 決了低溫下增濕器結冰的問題。
[0054] 陽極引入氮氣循環(huán)，解決了小流量下陽極壓力過低的問題，實現(xiàn)了任何情況下的 陽極再循環(huán)。
[0055] 陰極引入氮氣循環(huán)，解決了純氧型燃料電池需要提高電堆材料憎水性的問題，使 得電堆可以適用于不同濃度的氧氣，實現(xiàn)陰極反應氣體從空氣和純氧的自由切換和靈活過 渡。
[0056] 本方案提出的燃料電池動力系統(tǒng)，解決了燃料電池需要向環(huán)境中排放剩余氣體的 問題，實現(xiàn)了反應氣的零排放。
[0057] 本方案提出了氮氣再循環(huán)，解決了二級燃料電池系統(tǒng)氮氣排放的問題，提高了氮 氣利用率。
[0058] 另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內作其它變化，當然這些依據(jù)本發(fā)明精 神所作的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其包括： 一第一燃料電池本體，其包括一第一陽極進氣口、一第一陽極出氣口、一第一陰極進氣 口、及一第一陰極出氣口； 一第二燃料電池本體，其包括一第二陽極進氣口、一第二陽極出氣口、一第二陰極進氣 口、及一第二陰極出氣口，其中，所述第二陽極進氣口口與所述第一陽極出氣相連通，所述 第二陰極進氣口與所述第一陰極出氣口相連通； 一陽極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陽極再循環(huán)栗，以及一第一單向閥與所述陽極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陽極再循環(huán)栗及所述第一單向閥與所述第一陽極進氣口及所述第一陽極出氣口 連通，所述第一單向閥保證了氣體從所述第一陽極出氣口向著所述第一陽極進氣口單方向 流動； 一陰極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陰極再循環(huán)栗，以及一第二單向閥與所述陰極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陰極再循環(huán)栗及所述第二單向閥與所述第一陰極進氣口及所述第一陰極出氣口 連通，所述第二單向閥保證了陰極反應氣體從所述第一陰極出氣口向著所述第一陰極進氣 口單方向流動；以及 一氮氣再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一氮氣儲氣罐、一第三單向閥、以及一氮氣再循環(huán)栗，其中 所述氮氣儲氣罐與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)、及所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)連通，所述氮氣儲氣罐通 過所述第三單向閥與所述氮氣再循環(huán)栗連通后，再與所述第二陽極出氣口、所述第二陰極 出氣口連通。2. 如權利要求1所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括一陽極穩(wěn)壓罐、 以及一陰極穩(wěn)壓罐，所述第一陽極出氣口通過所述陽極穩(wěn)壓罐與所述第二陽極進氣口相連 通，所述第一陰極出氣口通過所述陰極穩(wěn)壓罐與所述第二陰極進氣口相連通，所述陽極穩(wěn) 壓罐與所述第二陽極進氣口之間設置有一陽極氣體流量閥，如所述陰極穩(wěn)壓罐與所述第二 陰極進氣口之間設置有一陰極氣體流量閥。3. 如權利要求2所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極穩(wěn)壓罐與所述第一 陽極出氣口之間設置有一第一電磁閥。4. 如權利要求3所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一陽極出氣口與所述 第一電磁閥之間具有一第一大氣通氣口通過一第二電磁閥接入。5. 如權利要求2所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陰極穩(wěn)壓罐與所述第一 陰極出氣口之間設置有一第三電磁閥。6. 如權利要求5所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一陰極出氣口與所述 第三電磁閥之間具有一第二大氣通氣口通過一第四電磁閥接入。7. 如權利要求1所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)進一步 包括一第五電磁閥，該第五電磁閥的一端與所述第一陽極進氣口連通，該第五電磁閥的另 一端與所述陽極再循環(huán)栗以及一陽極氣體進氣管連通。8. 如權利要求7述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述的陽極再循環(huán)系統(tǒng)進一步 包括一第一陽極汽水分離器，所述陽極再循環(huán)栗、所述第一陽極汽水分離器串聯(lián)后與所述 第一陽極進氣口及所述第一陽極出氣口連通。9. 如權利要求1所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)進一步 包括一第六電磁閥，該第六電磁閥的一端與所述第一陰極進氣口連通，該第六電磁閥的另 一端與所述陰極再循環(huán)栗以及一陰極氣體進氣管連通。10. 如權利要求9所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述的陰極再循環(huán)系統(tǒng)進 一步包括一第一陰極汽水分離器，所述陰極再循環(huán)栗、所述第一陰極汽水分離器串聯(lián)后與 所述第一陰極進氣口及所述第一陰極出氣口連通。11. 如權利要求1所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)進一 步包括一第七電磁閥，以及一第八電磁閥，所述氮氣儲氣罐通過第所述七電磁閥與所述陽 極再循環(huán)系統(tǒng)連通，所述氮氣儲氣罐通過所述第八電磁閥與所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)連通。12. 如權利要求11所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)進一 步包括一第二陽極汽水分離器、一第二陰極汽水分離器，所述再循環(huán)栗通過所述第二陽極 汽水分離器與所述第二陽極出口連通，所述再循環(huán)栗通過所述第二陰極汽水分離器與所述 第二陰極出口連通。13. 如權利要求12所述的再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述氮氣再循環(huán)系統(tǒng)進一 步包括一第九電磁閥，以及一第十電磁閥，所述第九電磁閥設置于所述第二陽極汽水分離 器與所述第二陽極出口之間，所述第十電磁閥設置于所述第二陰極汽水分離器與所述第二 陰極出口之間。14. 一種再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，其包括： 一燃料電池本體，其包括一陽極進氣口、一陽極出氣口、一陰極進氣口、及一陰極出氣 P; 一陽極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陽極再循環(huán)栗，以及一第一單向閥與所述陽極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陽極再循環(huán)栗及所述第一單向閥與所述第一陽極進氣口及所述第一陽極出氣口 連通； 一陰極再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一陰極再循環(huán)栗，以及一第二單向閥與所述陰極再循環(huán)栗 串聯(lián)，所述陰極再循環(huán)栗及所述第二單向閥與所述第一陰極進氣口及所述第一陰極出氣口 連通；以及 一氮氣再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一氮氣儲氣罐、一第三單向閥、以及一氮氣再循環(huán)栗，其中 所述氮氣儲氣罐與所述陽極再循環(huán)系統(tǒng)、及所述陰極再循環(huán)系統(tǒng)連通，所述氮氣儲氣罐通 過第三單向閥與所述氮氣再循環(huán)栗連通后，再與所述第二陽極出氣口、所述第二陰極出氣 口連通。
【文檔編號】H01M8/04089GK106058284SQ201610461504
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】李建秋, 胡尊嚴, 方川, 徐梁飛, 歐陽明高
【申請人】清華大學