燃料电池发电装置的制作方法

1.本公开涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及燃料电池发电装。


背景技术：

2.电力广泛的用于人们的日常生活中，现有的备用电源包括不间断电源和柴油发电机供电的备用发电机。不间断电源和柴油发电机存在环保问题。现有的家用煤气一般都用于直接燃烧使用，没有直接利用煤气用于备用电源。
3.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供的燃料电池发电装置，能够与家庭或者其他建筑物内的煤气管道连接，用于提供第二备用电力。
5.本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
6.根据本公开的一个方面，提供一种燃料电池发电装置，包括：燃料电池，包括阳极和阴极，用于将氢气分解后并与氧气反应从而产生电能；第一输送管，连接于含氢气气体管道与燃料电池之间，将含氢气气体输送至燃料电池的阳极；第一输出管，连接于燃料电池，用于将与燃料电池的阳极完成接触的第一剩余气体排出；第二输送管，连接于燃料电池，用于将含氧气气体输送至燃料电池的阴极；第二输出管，连接于燃料电池，用于将与燃料电池的阴极完成接触的第二剩余气体排出。
7.在一个实施例中，含氢气气体是煤气，含氧气气体是空气。
8.在一个实施例中，装置还包括：氢气分离器，连接于第一输送管，用于将氢气从含氢气气体提取后，将氢气经第一输送管输送至燃料电池的阳极。
9.在一个实施例中，装置还包括：第一流量控制器，安装于第一输送管，用于控制含氢气气体输送至燃料电池的阳极的气体流量；第二流量控制器，安装于第二输送管，用于控制含氧气气体输送至燃料电池的阴极的气体流量。
10.在一个实施例中，装置还包括：冷却器，安装于第一输出管，用于冷却第一剩余气体。
11.在一个实施例中，装置还包括：空气驱动器，安装于第二输送管，用于将空气驱动至第二输送管。
12.在一个实施例中，装置还包括：充电电池，与燃料电池的阳极和阴极连接，用于存储和缓冲燃料电池产生的电能。
13.在一个实施例中，装置还包括：直流电转换器，与充电电池连接，用于将充电电池的电能转换成适于负载使用的直流电能。
14.在一个实施例中，装置还包括：交流电变换器，与充电电池连接，用于将充电电池
的电能转换成适于负载使用的交流电能。
15.在一个实施例中，装置还包括：含氢气气体过滤器，连接于第一输送管，用于过滤含氢气气体中的腐蚀性气体；空气过滤器，连接于第二输送管，用于过滤含氧气气体中的腐蚀性气体。
16.本技术的燃料电池发电装置，通过燃料电池将氢气分解后并与氧气反应从而产生电能；第一输送管连接于含氢气气体管道与燃料电池之间，将含氢气气体输送至燃料电池的阳极；第一输出管连接于燃料电池，用于将与燃料电池的阳极完成接触的第一剩余气体排出；第二输送管连接于燃料电池用于将含氧气气体输送至燃料电池的阴极；第二输出管连接于燃料电池，用于将与燃料电池的阴极完成接触的第二剩余气体排出，适于与家庭或者其他建筑物内的煤气管道连接，用于提供第二备用电力。
17.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
18.以下附图描述了本发明的某些说明性实施方式，其中相同的附图标记表示相同的元件。这些描述的实施方式将是本公开的示例性实施方式，而不是以任何方式进行限制。
19.图1示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的结构示意图；
20.图2示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的结构示意图；
21.图3示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的结构示意图；
22.图4示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的结构示意图；
23.图5示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的结构示意图；
24.图6示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的结构示意图；
25.图7示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的使用流程示意图。
具体实施方式
26.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
27.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。
28.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
29.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
30.电力广泛的用于人们的日常生活中，但电力可能会出现电力故障。因此，在建筑物或家中拥有第二个电源，可以在电力出现故障时，建筑物或家中的电力可以得到保障。基于电池的不间断电源(ups，uninterruptible power supply)虽然可以提供这种保障，但ups的电源设计仅持续约几十分钟，然后ups就会停止供电。对于柴油发电机供电的备用发电机，需要良好的维护以及柴油燃料的储存。不间断电源和柴油发电机另外还存在环保问题。
31.图1示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置100的结构示意图。
32.如图1所示，本技术的燃料电池发电装置100至少包括燃料电池101、第一输送管102、第一输出管103、第二输送管104和第二输出管105。其中，燃料电池101至少包括阳极1011和阴极1012，用于将从第一输送管102输入的氢气分解后并与氧气反应从而产生电能；第一输送管102连接于含氢气气体管道与燃料电池101之间，将含氢气气体输送至燃料电池101的阳极1011；第一输出管103连接于燃料电池101，用于将与燃料电池101的阳极1011完成接触的第一剩余气体排出；第二输送管104，连接于燃料电池101，用于将含氧气气体输送至燃料电池101的阴极1012；第二输出管105，连接于燃料电池101，用于将与燃料电池101的阴极1012完成接触的第二剩余气体排出。
33.在一个实施中，含氢气气体是煤气，含氧气气体是空气。
34.燃料电池101还至少包括阳极1011和阴极1012之间的质子交换膜(proton exchange membrane，pem)1013、第一催化剂1014和第二催化剂1015。含氢气气体经由第一输送管102与燃料电池的阳极1011接触，其中含氢气气体中的氢气在第一催化剂1014的作用下分解成两个质子(proton)与两个电子(electron)；质子被氧气
‘
吸引’到pem1013的另一边，电子则经由外电路形成电流后到达阴极1015。在阴极第二催化剂1015的作用下，质子、氧气及电子发生反应形成水分子。含氢气气体剩余的气体(第一剩余气体)经由第一输出管103输出。在含氢气气体是煤气时，第一剩余气体可以经由第二输送管103连接输送，以用作加热、烹饪和锅炉的普通气体燃料。
35.其中，质子交换膜是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)的核心部件，对电池性能起着关键作用。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过质子交换膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。
36.含氧气气体经过第二输送管104连接于燃料电池的阴极，含氧气气体中的氧气在阴极与质子、电子在催化剂的作用下生成水分子，在含氧气气体为空气时，水分子和剩余的空气经由第二输出管105排出。
37.图1的燃料电池发电装置中，燃料电池将氢气分解后并与氧气反应从而产生电能；第一输送管连接于含氢气气体管道与燃料电池之间，将含氢气气体输送至燃料电池的阳极；第一输出管连接于燃料电池，用于将与燃料电池的阳极完成接触的第一剩余气体排出；第二输送管连接于燃料电池用于将含氧气气体输送至燃料电池的阴极；第二输出管连接于燃料电池，用于将与燃料电池的阴极完成接触的第二剩余气体排出，适于与家庭或者其他建筑物内的煤气管道连接，用于提供第二备用电力。
38.图2示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置200的结构示意图。
39.参考图2，图2的燃料电池发电装置200还包括氢气分离器201，连接于第一输送管
1011，用于将氢气从含氢气气体提取后，将氢气经第一输送管1011输送至燃料电池的阳极1014。氢气分离器201还可以包括第三输出管2011，用于将提取用氢气后的剩余气体排出。在含氢气气体为煤气时，氢气分离器201可以直接与煤气管道连接，将氢气从煤气中提取后输入至燃料电池的阳极1014，剩余气体经过第三输出管2011输出以用作加热、烹饪和锅炉的普通气体燃料，或者进行存储备用。
40.在一个实施例中，氢气分离器201例如可以采用变压吸附技术或者膜分离技术，本公开不以此为限，只要是可以将氢气分离出的技术都可以。其中，变压吸附技术一般是基于压力和压缩方法来分离在不同压力和温度下以不同加压形式存在的气体。
41.图2的燃料电池发电装置，通过设置氢气分离器201将氢气分离出后，直接输入至燃料电池的阳极，可以增大氢气与阳极的接触的效率，进而提高发电效率。
42.图3示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置300的结构示意图。
43.参考图3，图3的燃料电池发电装置300还包括第一流量控制器301和第二流量控制器302；其中，第一流量控制器301安装于第一输送管102，用于控制含氢气气体输送至燃料电池101的阳极1014的气体流量；第二流量控制器302安装于第二输送管104，用于控制含氧气气体输送至燃料电池101的阴极1015的气体流量。
44.图3的燃料电池发电装置，通过设置第一流量控制器和第二流量控制器，可以控制含氢气气体和含氧气气体的流量，从而控制燃料电池发电装置的发电效率。
45.图4示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置400的结构示意图。
46.参考图4，图4的燃料电池发电装置400还包括冷却器401。冷却器401安装于第一输出管103，用于冷却第一剩余气体。经过与燃料电池101的阳极1014完成接触的第一剩余气体温度一般会上升且较高，为了降低因气体升高而带来的问题，可通过在第一输出管103安装冷却器401以实现第一剩余气体的温度降低。冷却器401可以是增加表面积以实现冷却的长金属冷却盘管，也可以使用其他电气冷却系统，例如带有散热器的制冷型风扇等，本公开不以此为限。
47.图4的燃料电池发电装置，通过设置冷却器，可以降低第一剩余气体的温度，从而消除因为第一剩余气体温度过高而带来的安全隐患。
48.图5示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置500的结构示意图。
49.参考图5，图5的燃料电池发电装置500还包括空气驱动器501。空气驱动器501安装于第二输送管104，用于在含氧气气体是空气时，将空气驱动(吸)至第二输送管104，从而增大空气的供应速度，提高燃料电池发电装置500的发电效率。空气驱动器501例如是风扇，但本公开不以此为限。
50.图5的燃料电池发电装置，通过设置空气驱动器，可以增大空气的供应速度，提高燃料电池发电装置的发电效率。
51.图6示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置600的结构示意图。
52.参考图6，图6的燃料电池发电装置600还包括含氢气气体过滤器601和空气过滤器602。含氢气气体过滤器601连接于第一输送管102，用于过滤含氢气气体中的腐蚀性气体；空气过滤器602，连接于第二输送管104，用于过滤含氧气气体中的腐蚀性气体。
53.图6的燃料电池发电装置，通过设置含氢气气体过滤器和空气过滤器，可以过滤含氢气气体和空气中的腐蚀性气体，提高燃料电池发电装置的使用寿命。
54.图7示出了本技术一个实施例的燃料电池发电装置的使用流程示意图。
55.参考图7，煤气和空气分别通过输送管输送至燃料电池701的阳极和阴极，与燃料电池701的阳极完成接触的煤气排出后，经过冷却器702进行冷却后，输入至煤气加热装置703；与燃料电池701的阴极完成接触的空气，在氧气与质子和电子反应后，排出剩余空气和生成的水。充电电池704，与燃料电池的阳极和阴极连接，用于存储和缓冲燃料电池产生的电能。直流电转换器705，与充电电池704连接，用于将充电电池的电能转换成适于负载使用的直流电能。交流电变换器706，与充电电池704连接，用于将充电电池的电能转换成适于负载使用的交流电能。
56.图7示的燃料电池发电装置的使用流程示意图中，通过充电电池与燃料电池的阳极和阴极连接，用于存储和缓冲燃料电池产生的电能，直流电转换器与充电电池连接，用于将充电电池的电能转换成适于负载使用的直流电能；交流电变换器与充电电池连接，用于将充电电池的电能转换成适于负载使用的交流电能，可以实现燃料电池发电装置所提供电能的直接使用。
57.煤气典型的成分为氢气50％，甲烷35％，一氧化碳10％，乙烯5％。虽然不同城市的不同煤气在成分上可能略有不同，但这种成分代表了一种典型的、共同的成分。可以看出氢气占50％，其余为碳氢燃料或一氧化碳燃料。甲烷的化学式是ch4，乙烯的化学式是c2h4。50％的氢含量是非温室气体燃料。将煤气连接到燃料电池，然后将氢气转化为流过pem。包括甲烷、一氧化碳和乙烯在内的气体不会被pem激活。
58.对于不使用燃料电池的情况，从燃料转换为能量的典型效率为η
ch
。η
ch
的典型参数为15％。对于燃料电池，其效率η
fc
为50％。在煤气中发现的四种燃料气体的能量含量如表1所示：
59.表1
[0060][0061][0062]
使用本技术燃料电池发电装置后，煤气的理论效率可以使用如下公式(1)获得：
[0063][0064]
其中，e
h2
、e
ch4
、e
co
和e
c2h4
分别是h2、ch4、co和c2h4单位体积的能量密度，r
h2
、r
ch4
、r
co
和r
c2h4
分别是h2、ch4、co和c2h4在煤气的体积比，fc_h2是燃料电池效率，ch4、co和c2h4分别是气体燃料对输出ch4、co和c2h4的效率。根据公式(1)获得的理论效率为23％。这远高
于气体燃料15％的燃烧效率。
[0065]
煤气中，氢气与剩余气体的能量比可以根据公式(2)确定：
[0066][0067]
对于一定的剩余气体进入加热设备的流量f
he
(l/min)，燃料电池提取氢气后剩余煤气燃烧后单位时间e
he
(mj/min)的热能输出可以根据公式(3)确定：
[0068]ehe
＝f
he
(e
ch4rch4
η
ch4
e
corco
η
co
e
c2h4rc2h4
η
c2h4
)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0069]
对应的电能输出e
fc
(mj/min)可以根据公式(4)确定：
[0070][0071]
电池中存储的能量需求为e
bat
，运行持续时间已知后，可以根据公式(5)确定：
[0072]ebat
＝e
fc
t
he
ꢀꢀꢀ
(5)
[0073]
本公开实施例的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。此外，术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、装置、产品或设备固有的其他步骤单元。
[0074]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在该说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
[0075]
本公开实施例提供的方法及相关装置是参照本公开实施例提供的方法流程图和/或结构示意图来描述的，具体可由计算机程序指令实现方法流程图和/或结构示意图的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。这些计算机程序指令可提供到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程传输设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程传输设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或结构示意图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程传输设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或结构示意图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程传输设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或结构示意一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0076]
以上所揭露的仅为本公开较佳实施例而已，当然不能以此来限定本公开之权利范围，因此依本公开权利要求所作的等同变化，仍属本公开所涵盖的范围。