[發明專利]一種應用于氫氧燃料電池的零氣體排放系統

有效

• 申請號: 202011619782.9
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112820902B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 涂正凱;范麗欣;常華偉;龔騁原
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04119;H01M8/04082;H01M8/2465
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 石夢雅;李智

本發明屬于燃料電池領域，并具體公開了一種應用于氫氧燃料電池的零氣體排放系統。該系統包括燃料電池堆、供氣轉置和緩沖裝置，其中：燃料電池堆作為氫氧燃料電池的反應場所；供氣裝置包括氫氣供氣單元和氧氣供氣單元，用于為燃料電池堆提供氫氣和氧氣；緩沖裝置的氫氣緩沖單元中氫氣緩沖罐一端與陽極氣體出口連接，其另一端通過第一電磁閥與陽極氣體入口連接；氧氣緩沖單元中氧氣緩沖罐一端與陰極氣體出口連接，其另一端通過第二電磁閥與陰極氣體入口連接。本發明利用靜態緩沖容器包括氫氣緩沖罐和氧氣緩沖罐替代動態循環設備，并通過供氣單元和緩沖單元的切換供氣形成壓差，將燃料電池堆中的水排出，能夠有效提高燃料電池長時間穩定運行的能力。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，更具體地，涉及一種應用于氫氧燃料電池的零氣體排放系統。

背景技術

燃料電池用于水下推進的主要優勢在于：(1)能量轉換效率和比能量高，燃料電池直接把化學能轉化為電能，沒有其它中間步驟，不受卡諾循環的限制，能量轉換效率比熱機高2～3倍，結合高能量密度的氫氧能源，可使推進系統比能量大幅提高，有利于增加無人潛航器航程。(2)振動噪聲低，燃料電池內部不存在運動部件，也不像熱機那樣存在燃燒，因此振動噪聲低，有利于提高無人潛航器的隱身性。(3)無尾氣排放，采用純氫純氧的燃料電池產物只有水，使用過程中既無排氣尾跡，有利于提高隱蔽性，又不受水下排氣背壓影響，適應大深度。

在水下環境中，需要對燃料電池進行長時間的封閉運行。然而，在電堆長時間的封閉過程中，液態水不斷產生在電池積聚，造成電池水淹，直接導致電池性能和壽命的衰減，會影響電流密度分布，物質運輸和加速碳腐蝕。

現有方法是通過循環泵等設備對氣體進行循環提高氣體利用率，但會導致噪聲增加，功耗增加等問題；通過電池停機通入惰性氣體吹掃去除電堆中的液態水，會導致燃料電池工作暫停滯后的問題。CN111129545A公開了一種車用燃料電池氫氣循環系統及控制方法，該方法采用蛇形purge進行排水，但依然需要在運行中進行尾部氫氣排放，存在燃料損失。CN108075154A公開了一種氫空質子交換膜燃料電池無增濕條件啟動及運行方法，無需加濕，但需要控制電流密度加載速率；CN105633433B公開了移動體中的排水的方法及燃料電池系統，該方法通過循環泵使廢氣中分離出的液體成分排出，僅對氫氣進行回收，但采用循環泵會增加輔助設備所需功耗，并且采用氣液分離器進行液態水分離增加了設備復雜度。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種應用于氫氧燃料電池的零氣體排放系統，其中該系統利用靜態緩沖容器包括氫氣緩沖罐和氧氣緩沖罐替代動態循環設備，并通過供氣單元和緩沖單元的切換供氣形成壓差，將燃料電池堆中的水排出，能夠有效提高燃料電池長時間穩定運行的能力。

為實現上述目的，本發明提出了一種應用于氫氧燃料電池的零氣體排放系統，該系統包括燃料電池堆、供氣轉置和緩沖裝置，其中：

所述燃料電池堆作為氫氧燃料電池的反應場所；

所述供氣裝置包括氫氣供氣單元和氧氣供氣單元，所述氫氣供氣單元與所述燃料電池堆的陽極氣體入口連接，所述氧氣供氣單元與所述燃料電池堆的陰極氣體入口連接，分別用于為所述燃料電池堆提供氫氣和氧氣；

所述緩沖裝置包括氫氣緩沖單元和氧氣緩沖單元，所述氫氣緩沖單元包括氫氣緩沖罐和第一電磁閥，所述氫氣緩沖罐一端與所述燃料電池堆的陽極氣體出口連接，其另一端通過所述第一電磁閥與所述燃料電池堆的陽極氣體入口連接；所述氧氣緩沖單元包括氧氣緩沖罐和第二電磁閥，所述氧氣緩沖罐一端與所述燃料電池堆的陰極氣體出口連接，其另一端通過所述第二電磁閥與所述燃料電池堆的陰極氣體入口連接；工作時利用所述第一電磁閥和第二電磁閥的開閉控制所述氫氣緩沖罐和氧氣緩沖罐進行儲氣或供氣，以形成壓差將所述燃料電池堆中的水帶出。