紧凑型低温直接氨燃料电池系统

1.本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及一种紧凑型低温直接氨燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置。根据燃料电池反应原理的不同，燃料电池可以分为很多类型，如质子交换膜燃料电池，碱性阴离子膜燃料电池，固体氧化物燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池等。碱性阴离子膜燃料电池中以液氨或者氨气作为燃料的低温直接氨燃料电池具有快速启动、环境友好等优点，成为具有发展前景的新型燃料电池技术，目前，电池驱动的电源系统存在运行时间短、充电时间长、以及安全性差等缺点；氢燃料电池驱动的电源系统也开始初步进入市场，然而氢气的存储和运输限制了它的广泛应用。与此相比，低温直接氨燃料电池可以克服电池和氢燃料电池的不足，在轻量级应用领域具有优势，例如无人机、自行车、不间断电源、移动电源等。
3.现有技术中，对低温直接氨燃料电池的技术的研究相对较少，相近领域中对系统的研究又不适用于低温直接氨燃料电池，主要在于低温直接氨燃料电池系统存在以下几个问题：如：(1)氨氧化动力学缓慢；(2)低温直接氨燃料电池使用高浓度氨燃料来提高系统能量密度，氨燃料利用率低；(3)阳极侧的氨燃料容易通过碱性阴离子膜渗透到阴极侧，造成阴极水淹，因此，如何在解决上述三个问题的情况下，提供结构紧凑的系统对于氨燃料电池的发展具有现实意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供设计合理、结构紧凑、高能量密度的低温直接氨燃料电池系统。系统所用主要部件包括燃料罐、阳极燃料进料子系统、阴极燃料进料子系统、尾气处理器及电堆。所述燃料罐完全密闭，罐中贮有高浓度氨燃料，可为液氨、氨水溶液或其他氨碱混合液中至少一种。所述燃料罐通过管路与阳极燃料进料子系统相连通，阳极燃料加热管路经过阴极增湿罐内部，通过增湿罐内部水浴对阳极燃料管路加热，后连接至低温直接氨燃料电池电堆阳极入口，所述电堆阳极出口与阳极燃料子系统相连通构成回路。空气通过阴极燃料进料子系统与电堆阴极入口连接，所述电堆阴极出口与阴极燃料电池子系统相连通构成回路。阳极和阴极尾气分别与尾气处理器相连通，经尾气处理器处理后排入大气环境。
5.本发明具体采用以下技术方案:
6.本发明提供了一种紧凑型低温直接氨燃料电池系统，所述系统包括燃料罐、阳极燃料进料子系统、阴极燃料进料子系统、尾气处理器及电堆；
7.所述阳极燃料进料子系统包括混合器、燃料加热管路、冷凝器、气液分离器、背压调控器；所述燃料罐依次连接混合器、燃料加热管路，燃料加热管路连通电堆阳极入口，电堆阳极出口依次连接冷凝器、气液分离器，气液分离器的液体输出端连通混合器，气液分离器的气体输出端依次连接背压调控器、尾气处理器；
8.所述阴极燃料进料子系统包括依次连接的压缩机、增湿罐，増湿罐连通电堆阴极入口，电堆阴极出口依次连接膨胀机、尾气处理器；
9.所述燃料加热管路置于増湿罐内部。
10.上述技术方案中，进一步地，所述燃料罐与混合器的管路上设置计量泵。
11.上述技术方案中，进一步地，所述尾气处理器为密闭结构，尾气处理器内部装载固体吸附剂用于处理未完全反应的氨燃料；所述固体吸收剂为过磷酸钙、普鲁士蓝、硅胶、活性炭中的一种。
12.上述技术方案中，进一步地，所述电堆为低温直接氨燃料电池电堆，其结构为双极板型燃料电池电堆；双极板材料为复合石墨或金属，所述金属为不锈钢板、带有镀层不锈钢板或钛板；优选地，所述镀层为碳、铬、镍、金、银中一种或多种的混合镀层。
13.上述技术方案中，进一步地，所述燃料罐用于直接贮存高浓度氨燃料；所述高浓度氨燃料为氨水溶液或氨碱混合液中的至少一种，常温常压储存；所述燃料罐为密闭结构，燃料罐材质为聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者铝制品中的一种。
14.上述技术方案中，进一步地，所述计量泵为蠕动泵、齿轮泵、离心泵、螺杆泵、气动隔膜泵、螺旋泵中的一种。
15.上述技术方案中，进一步地，所述燃料加热管路为不锈钢管路、四氟乙烯管路、聚偏氟乙烯管路、聚乙烯管路、聚丙烯管路；加热方式是通过增湿罐内部水浴对阳极燃料管路加热。
16.上述技术方案中，进一步地，所述混合器为螺旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、浆式搅拌器、螺带式搅拌器中的一种。
17.上述技术方案中，进一步地，所述压缩机为活塞式、螺杆式、涡旋式、离心式、轴流式、喷射式中的一种；
18.所述膨胀机为活塞型或透平型。
19.本发明另一方面提供了前述燃料电池系统的工作方法，空气经压缩机后进入増湿罐中，増湿后由电堆阴极入口进入电堆反应，未反应完的空气和电堆中的水从电堆阴极出口流出，经膨胀机进入尾气处理器排出；氨燃料经混合器混合后进入増湿罐内的燃料加热管路，加热后由电堆阳极入口进入电堆反应，未反应的氨燃料从电堆阳极出口流出后经冷凝器冷却，冷却液进入气液分离器，液体经混合器与氨气燃料混合后继续进行下一步反应，气体经背压控制器后通入尾气处理器排出；
20.所述燃料电池系统操作温度≤200℃，优选80-120℃，通过燃料加热管路控制系统温度；由于氨氧化动力学缓慢，因此需要较高的温度保证阳极氨氧化过程具有低的过电势；燃料电池系统操作压力≤3mpa，优选0.2mpa-0.4mpa，通过被压控制器及压缩机、膨胀机联用调解系统压力，较高的操作压力有利于阴阳极燃料的传质。
21.有益效果
22.(1)本发明系统具有结构紧凑、能量密度高的优点，本发明提供的低温直接氨燃料电池系统通过在阳极侧电堆出口后加入冷凝器，从阳极排出的未反应氨燃料冷凝成液体进行回收，在气液分离器装置中将产物氮气和液体氨燃料分离，未反应氨燃料与通入的氨原料经过混合器混合后通入电堆，解决了高浓度氨燃料系统能量密度高，但氨燃料利用率低的问题，提高了氨燃料利用率，进而提高系统效率。
23.(2)阳极侧的氨燃料易通过碱性阴离子膜渗透到阴极侧，造成阴极水淹，本发明提供的系统，通过在阴极侧采用压缩机和膨胀机联用方式，提高了阴极侧操作压力，有利于氧气的传质，提升氧还原动力学性能，解决了因氨燃料渗透到阴极造成阴极水淹从而不利于氧气传质的问题；通过在阳极侧尾端布置背压控制器，提高了阳极侧操作压力，有利于氨燃料到达催化剂表面，提升氨氧化动力学。
24.(3)本发明提供的系统，通过对阳极进料管路加热的方式，避免了温度较低的液体氨燃料进入电堆带来的冷却效应，提高了燃料电池电堆的操作温度，保证了阳极氨氧化动力学过程低的过电势，提升了燃料电池性能。
25.(4)本发明提供的系统，增湿罐对阴极气体进行增湿，同时阳极加热管路经过密闭的增湿罐，实现对阳极管路的加热。通过将加热管路置于增湿罐内部，可以增加阴极气体在增湿罐内部扩散阻力，提高了阴极气体增湿效果；单独一个增湿罐加热辅助系统可以降低电堆对辅助系统的功率输出，有效地提高系统能量效率；阴极出口排出的未反应的空气经过空气膨胀机后进入尾排装置，气液分离器中分离出来的气体减压后进入尾排装置，充分利用各部件的作用，简化了系统结构。
附图说明
26.图1是实施例中一种紧凑型低温直接氨燃料电池系统结构示意图；
27.图中，1.空气，2.空气压缩机，3.空气膨胀机，4.增湿罐，5.电堆阴极，6.电堆阳极，7.排出的水，8.燃料罐，9.计量泵，10.混合器，11.气液分离器，12.空气冷凝器，13.背压调控器，14.尾气处理器，15.排出气体，16.水，17.燃料加热管路。
28.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
30.实施例1
31.图1是实施采用氨水或者氨碱混合液作为燃料的紧凑型低温直接氨燃料电池系统结构设计图。
32.紧凑型低温直接氨燃料电池系统包括燃料罐8、阳极燃料进料子系统、阴极燃料进料子系统、尾气处理器14及电堆；燃料罐内贮存氨水或氨碱混合液；
33.阳极燃料进料子系统包括混合器10、燃料加热管路17、空气冷凝器12、气液分离器11、背压调控器13；燃料罐通过管路依次连接混合器、燃料加热管路，燃料加热管路连通电堆阳极入口，电堆阳极出口通过管路依次连接冷凝器、气液分离器，气液分离器的液体输出端连通混合器，气液分离器的气体输出端依次连接背压控制阀、尾气处理器；燃料罐与混合器的管路上设置计量泵；
34.阴极燃料进料子系统包括通过管路依次连接的空气压缩机2、增湿罐4，増湿罐连通电堆阴极入口，电堆阴极出口通过管路依次连接空气膨胀机3、尾气处理器13；
35.燃料加热管路17置于増湿罐4内部，增湿罐内部充满水，通过电堆提供的热量加热，通过增湿罐内部水浴温度对阳极燃料管路加热。
36.尾气处理器为密闭结构，尾气处理器内部装载固体吸附剂用于处理未完全反应的氨燃料；固体吸收剂可以是过磷酸钙、普鲁士蓝、硅胶、活性炭中的一种。
37.电堆为低温直接氨燃料电池电堆，其结构为双极板型燃料电池电堆；双极板材料为复合石墨或金属，金属为不锈钢板、带有镀层不锈钢板或钛板。
38.燃料罐用于直接贮存高氨水溶液或氨碱混合液，常温常压储存；燃料罐为密闭结构，燃料罐材质为聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者铝制品中的一种。
39.阴极侧，空气1通入空气压缩机2后连接至增湿罐4，空气经增湿罐增湿后连接至电堆阴极入口，未反应完的空气和电堆中的水(阳极扩散过来)从电堆阴极出口流出，连接至空气膨胀机3，经过尾气处理器14后排入大气环境。通过在阴极侧采用压缩机和膨胀机联用方式，压缩机将气体抽到系统内部，膨胀机控制气体少量流出，提升系统内压力，提高了阴极侧操作压力，
40.阳极侧，氨水或者氨碱混合液8经过计量泵9连接至混合器10，混合均匀后通过燃料加热管路连接至电堆阳极入口，燃料加热管路通过增湿罐内部水浴加热，从而加热氨燃料，未反应的氨燃料从电堆阳极出口流出后连接至空气冷凝器12进行冷却，将冷却液连至气液分离器11。从气液分离器11出来的液体连接至混合器10与氨气燃料混合再次进入电堆反应。从气液分离器11出来的气体连接背压调控器13后通入尾气处理器14，用于吸收未反应的氨燃料。
41.在本实施例中，尾气处理器13内置为固体吸附剂，本实施例使用过磷酸钙，实现对氨和水的吸收。本实施例所用计量泵为蠕动泵，所用燃料加热管路为不锈钢管路，所用混合器为螺旋桨式搅拌器，所用压缩机为活塞式压缩机，所用膨胀机为活塞型膨胀机。
42.燃料电池系统操作温度可为80-120℃，操作压力控制在0.2mpa-0.4mpa。
43.对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。