一种适用于煤矿井下的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，尤其涉及一种适用于煤矿井下的燃料电池系统。


背景技术：

2.受限空间是指工厂的各种设备内部(炉、塔釜、罐、仓、池、槽车、管道、烟道等)和城市(包括工厂)的隧道、下水道、沟、坑、井、池、涵洞、阀门间、污水处理设施等封闭、半封闭的设施及场所(船舱、地下隐蔽工程、密闭容器、长期不用的设施或通风不畅的场所等)，以及农村储存红薯、土豆、各种蔬菜的井、窖等。通风不良的矿井也应视同受限空间，同时也是爆炸性环境。
3.煤矿井下开采过程中，可能会产生粉尘颗粒物和有毒有害气体(co、so2、no
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、nh3、h2s、ch4等)，因空间受限和通风不良，煤矿井下作业时，劳动者的身体健康更容易受到危害，因此迫切需要使用终端零污染的燃料电池系统。
4.燃料电池技术已在通风良好的场景下得到广泛应用，在煤矿井下应用还处在研究阶段。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术至少存在如下问题：一、现有的质子交换膜燃料电池(pemfc)，工作温度和系统外表面温度较低(≤100℃)，在爆炸性环境中使用比较安全，不需进行特殊处理，但是排气可能超过70℃，存在安全隐患；二、地面开放空间中应用的燃料电池系统阴极空气进气系统，通常采用一级过滤系统，利用吸附性过滤器，去除空气进气中的颗粒物和酸/碱性有害气体，但是空气进气中的co等难以吸附的中性气体依然存在；三、地面开放空间中应用的燃料电池系统阳极氢气排气系统，吹扫所用氢气，大部分被氢气再循环泵送回阳极入口重复利用，其余少部分直接排入外部空间中，在矿井下易形成局部积聚，造成安全隐患。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本发明的目的在于提出一种能够提高矿井井下安全性的燃料电池系统。
7.为达到上述目的，本发明提出的一种适用于煤矿井下的燃料电池系统，包括氢气源、氧气源和电堆，电推设有阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口，氢气源与电堆的阳极入口连通，氧气源与电堆的阴极入口连通，电堆的阴极出口通过阴极排气调节阀封闭，与电堆的阳极出口连通的管道上安装有阳极排气除氢装置，阳极排气除氢装置用于消除阳极排气管道中的氢气。
8.本发明的燃料电池系统，能够通过阴极排气调节阀将电堆阴极出口封闭，可以对阴极尾气的排放进行控制；通过与电堆的阳极出口连通的管道上安装有阳极排气除氢装置，能够消除阳极排气管道中未反应完全的氢气，避免氢气排出矿井形成局部积聚，从而提高矿井井下的安全性。
9.优选地，所述氢气源为储氢装置，所述氧气源为空气。
10.优选地，燃料电池系统进一步包括空气入口、离心式过滤器、空气压缩机和第一阀
门，所述氧气源的空气通过管道依序经过空气入口、离心式过滤器、空气压缩机和第一阀门后进入所述电堆的阴极入口，离心式过滤器用于过滤进气中的粉尘颗粒物。
11.优选地，燃料电池系统进一步包括吸附式过滤器，吸附式过滤器安装在所述离心式过滤器和所述空气压缩机之间，吸附式过滤器用于除去进气中的酸性和碱性有害气体。
12.优选地，燃料电池系统进一步包括除中性气体过滤器，中性气体过滤器设置在所述吸附式过滤器和所述空气压缩机之间，中性气体过滤器含有催化剂，用于除去进气中的中性气体。
13.优选地，所述电堆的阳极出口与阳极排气除氢装置之间安装有第三阀门。
14.优选地，燃料电池系统进一步包括第二阀门和氢气再循环泵，第二阀门的一端与所述电堆阳极入口管道相连通，第二阀门的另一端与氢气再循环泵的入口相连，氢气再循环泵的出口通过管道分别与所述第三阀门和所述电堆的阳极出口相连通。
15.优选地，与所述电堆的阳极出口相连的管路末端为阳极排气口，从所述电堆的阳极出口到阳极排气口的管路上安装有冷却水夹层。
16.优选地，与所述电堆的阴极出口相连的管路末端为阴极排气口，从所述电堆的阴极出口到阴极排气口的管路上安装有冷却水夹层。
17.优选地，所述冷却水夹层包括外壁和内壁，外壁和内壁之间填充有冷却水，外壁上设有进水口和出水口。
18.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1是本发明一实施例提出的一种适用于煤矿井下的燃料电池系统的结构示意图；
21.附图标记说明：
22.空气入口1、离心式过滤器2、吸附式过滤器3、除中性气体过滤器4、空气压缩机5、第一阀门6、电力输出接口7、接地端8、电堆9、阴极排气调节阀10、阴极排气口11、热管理系统接口12、第二阀门14、储氢装置15、氢气再循环泵16、第三阀门17、阳极排气除氢装置18、阳极排气口19、冷却水夹层20。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
24.图1是本发明一实施例提出的一种适用于煤矿井下的燃料电池系统的结构示意图的结构示意图。
25.参见图1，一种适用于煤矿井下的燃料电池系统，包括氢气源、氧气源和电堆9，电推9设有阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口，氢气源与电堆9的阳极入口连通，氧气源与电堆9的阴极入口连通，电堆9的阴极出口通过阴极排气调节阀10封闭，与电堆9的阳极出口连通的管道上安装有阳极排气除氢装置18，阳极排气除氢装置18用于消除阳极排气管道中的氢气。
26.需要说明的是，水/热管理系统、控制系统等在说明书附图中不再体现。不影响本发明原理性说明的管道附件、气体系统元器件等在附图中亦不再体现。电气系统及元器件的防爆设计属于煤炭行业常规技术，不再进行说明。
27.在本实施例中，燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。参照图1，外电路上安装有电力输出接口7和接地端8，为提高燃料电池的热管理能力，电堆9上还安装有热管理系统接口12。
28.本实施例中的电堆9可以是基于多个燃料单电池组合起来的。
29.本发明的实施例中的燃料电池系统，能够通过阴极排气调节阀将电堆阴极出口封闭，可以对阴极尾气的排放进行控制；通过与电堆的阳极出口连通的管道上安装有阳极排气除氢装置，能够消除阳极排气管道中未反应完全的氢气，避免氢气排出矿井形成局部积聚，从而提高矿井井下的安全性。
30.在一些实施例中，氢气源为储氢装置15，氧气源为空气。氢气源和氧气源可以是现场制备，也可以是实现制备好并存储在容器中，在此不做限定。
31.本发明实施例中的燃料电池系统，能够通过阴极排气调节阀将电堆阴极出口封闭，可以对阴极尾气的排放进行控制；通过与电堆的阳极出口连通的管道上安装有阳极排气除氢装置，能够消除阳极排气管道中未反应完全的氢气，避免氢气排出矿井形成局部积聚，从而提高矿井井下的安全性。
32.在一些实施例中，本发明的燃料电池系统进一步包括空气入口1、离心式过滤器2、空气压缩机5和第一阀门6，氧气源的空气通过管道依序经过空气入口1、离心式过滤器2、空气压缩机5和第一阀门6后进入电堆9的阴极入口，离心式过滤器2用于过滤进气中的粉尘颗粒物。粉尘颗粒物主要是较粗的颗粒物，通过设置离心式过滤器，可以延长后续过滤器以及整个燃料电池系统的使用寿命。
33.在一些实施例中，燃料电池系统进一步包括吸附式过滤器3，吸附式过滤器3安装在离心式过滤器2和空气压缩机5之间，吸附式过滤器3用于除去进气中的酸性和碱性有害气体。
34.作为一种可能实现的方式，本实施例中的吸附式过滤器3可以使用活性炭或mof(金属有机框架)新材料，有利于除去较细颗粒物和酸/碱性有害气体。
35.在一些实施例中，燃料电池系统进一步包括除中性气体过滤器4，中性气体过滤器4设置在吸附式过滤器3和空气压缩机5之间，中性气体过滤器4含有催化剂，用于除去进气中的中性气体。井下的中性气体主要是一氧化碳，一氧化碳难以被吸附式过滤器3，但是通过催化剂的催化氧化，可以有效去除。
36.有利地，为了更好地控制电堆9阳极出口的尾气排放，电堆9的阳极出口与阳极排
气除氢装置18之间安装有第三阀门17。
37.在一些实施例中，燃料电池系统进一步包括第二阀门14和氢气再循环泵16，第二阀门14的一端与电堆9阳极入口管道相连通，第二阀门14的另一端与氢气再循环泵16的入口相连，氢气再循环泵16的出口通过管道分别与第三阀门17和电堆9的阳极出口相连通。现有的燃料电池系统安装有氢气吹扫装置(附图未示出)，氢气吹扫装置用于扫除电堆的氢腔残留的氢气。吹扫所用氢气，大部分可以被本实施例中的氢气再循环泵16送回阳极入口重复利用。
38.在一些实施例中，与电堆9的阳极出口相连的管路末端为阳极排气口19，从电堆9的阳极出口到阳极排气口19的管路上安装有冷却水夹层20。
39.在一些实施例中，与电堆9的阴极出口相连的管路末端为阴极排气口11，从电堆9的阴极出口到阴极排气口11的管路上安装有冷却水夹层20。
40.作为一种可能实现的方式，冷却水夹层20包括外壁和内壁，外壁和内壁之间填充有冷却水，外壁上设有进水口和出水口。通过水泵使冷却水夹层20中的冷却水循环运转起来。
41.根据本发明实施例的燃料电池系统，能够通过冷却水夹层对电堆的阳极出口管道和阴极出口管道进行降温，使阳极出口管道和阴极出口管道的排气温度小于等于70℃，提高燃料电池在爆炸性环境中的使用安全性。
42.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
44.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。