[發明專利]一種改善密閉環境中燃料電池性能的方法及系統

在審

• 申請號: 201911287584.4
• 申請日: 2019-12-14
• 公開（公告）號: CN112993320A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 楊林林;高越;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04014
• 分類號: H01M8/04014
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明提供了一種改善燃料電池性能的方法和燃料電池系統，所述方法為使用載氣與氧氣的混合氣代替純氧通入燃料電池，燃料電池工作時使用燃料與混合氣中的氧氣進行燃燒釋放熱量，載氣作為熱介質將熱量傳遞至電池各部件，維持燃料電池工作溫度，所述載氣從燃料電池排出后循環利用；所述載氣為氮氣或惰性氣體中的一種或多種。同時，本發明提供了一種燃料電池系統，所述系統主要包括燃料電池本體、尾氣吸收裝置和載氣補充裝置，本發明所提供的技術方案明顯改善了所述燃料電池的傳熱效果，同時避免了安全隱患。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種改善密閉環境中燃料電池傳熱效果和安全性的方法及系統。

背景技術

針對密閉、空氣稀薄環境，如高空、水下等領域，燃料電池一般采用純氧作為陰極物料和催化燃燒氧化劑。對于電池而言，純氧(O₂純度≥99.995％)體系的放電性能和電堆一致性較好，但在催化燃燒方面會出現諸多問題。

燃料電池在工作中使用燃料與氧化劑進行催化燃燒以釋放熱量，該熱量用于維持系統在額定溫度工作。通常環境，燃料電池會使用氣泵和空壓機作為氧化劑的供給來源，為催化燃燒系統補入空氣。但對于相對密閉和空氣稀薄環境，使用空氣作為氧化劑顯然不可行，因此會攜帶液氧，選用氧氣作為氧化劑。氧氣與燃料的催化燃燒效果固然較好，但是其安全性會存在較大問題；同時催化燃燒的熱量傳遞到電池各部件中時，不單單存在著熱傳導，同時也會存在著熱對流。在通常環境下空氣可以作為熱介質傳遞熱量，但在純氧體系中達到相同的燃燒效果時，純氧所需的質量流量遠遠小于空氣的質量流量，從而會降低熱對流的傳熱效果。

同時，氧氣有助燃性，純氧和可燃組分接觸進行的催化燃燒遠遠比空氣作為氧化劑時劇烈。過度的催化燃燒會造成燃燒催化劑溫度過高、燃燒不均勻等現象，從而造成燃燒催化劑或反應器損壞。輕微的純氧泄露如遇油脂等可燃物質，會發生爆炸。

因此，目前純氧作為氧化劑的燃料電池的傳熱效果和安全性有待改善。

發明內容

針對以上問題，本發明提供了一種改善燃料電池傳熱效果和安全性的方法及系統。

本發明技術方案如下：

第一方面，本發明提供了一種改善密閉環境中燃料電池傳熱效果和安全性的方法，所述方法為：使用載體與氧氣的混合氣代替純氧通入燃料電池，燃料電池在工作時使用燃料與混合氣中的氧氣進行燃燒以釋放熱量，載體作為熱介質將熱量傳遞至電池各部件，用于維持燃料電池在額定溫度工作；所述載體從燃料電池排出后循環利用，載體主要是作為熱介質加強燃料電池中熱對流的傳熱效果，燃料電池并不消耗載體，故其可以從燃料電池排出，從燃料電池排出的氣體經過尾氣吸收后分離出載體，載體重新與氧氣混合后輸入燃料電池；

所述載氣為氮氣或惰性氣體中的一種或多種。

優選地，所述載體為氮氣，氮氣價格低廉，儲運均方便。

優選地，所述混合氣中氧氣與惰性氣體的比例為1:1-1:4；所述惰性氣體為氬氣、氦氣中的一種或兩種。

優選地，所述燃料電池為高溫液體燃料電池，優選為高溫甲醇燃料電池。

第二方面，本發明提供了一種燃料電池系統，用于改善燃料電池傳熱效果和安全性，所述系統包括燃料電池本體、載體補充裝置和尾氣吸收裝置；

所述燃料電池本體包括氧氣進口和尾氣出口，所述載體補充裝置與氧氣進口相連通；

所述尾氣吸收裝置包括輸入管路和輸出管路，所述輸入管路與所述尾氣出口相連通；所述輸出管路與氧氣進口相連通。

優選地，所述燃料電池本體包括燃燒室，所述氧氣進口與燃燒室相連通。

燃料電池本體還包括電堆，所述電堆的陽極尾氣中含有未反應完的燃料，可以供應給燃燒室進行催化燃燒。