一种以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统技术方案

本发明专利技术公开了一种以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，包括设有阴极进口、阳极进口、阴极出口、阳极出口的电堆，其特征在于，还包括引入阴极出口或阳极出口所排出水的生氢管道，所述生氢管道上设有多个并联、储有铁粉和氢气的第一钢瓶，所述生氢管道在多个第一钢瓶并联后连通至电堆的阳极进口。本发明专利技术通过电堆产物水进行循环制氢，既避免了产物的直接排放，同时使制氢过程清洁高效。时使制氢过程清洁高效。时使制氢过程清洁高效。

【技术实现步骤摘要】
一种以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统


[0001]本专利技术涉及车载燃料电池，具体地指一种以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统。

技术介绍

[0002]燃料电池车被普通认为是未来理想的交通运输工具。目前，质子交换膜燃料电池本身已经趋于技术成熟，但为燃料电池车提供氢气却没有得到很好的解决。
[0003]传统上，车载供氢主要有以下几种办法：
[0004]1、甲醇重整制氢。该方法供氢密度大，但重整反应需要较高的温度，且重整气中含有少量的CO，会引起电堆催化剂中毒，而CO又难以用经济的方法除去，所以该方案现在基本上不采用。
[0005]2、金属水解制氢，利用活泼金属如铝、镁等与水反应实时制氢。该方法虽然原理上可行，但水解产物氢氧化铝、氢氧化镁不能经济地还原为相应的金属，只能一次性使用，民用的成本太高。
[0006]3、有机液体储氢。虽然液体本身的储氢密度可以达到5.8wt％左右，但车上要安装高温脱氢装置，同时要安装两个燃料罐分别装载原料和脱氢产物，因此系统体积庞大，不适合在车上使用。
[0007]4、金属氢化物储氢。该方法安全，体积储氢密度大，但重量储氢密度只是2wt％左右，且需要加热冷却装置，内部结构复杂，储氢合金难以充分利用，所以该方法现在也很少采用。
[0008]5、液态氢。氢气液化需冷却到-253℃以下，消耗大量的能量，且挥发速度很快，因此不适合在车上使用。
[0009]6、高压气瓶储氢，最高压力可达到70MPa以上，储氢密度可达到6wt％左右。这是目前主流的车载供氢方法。但该方法体积储氢密度也不高，在车内占用空间大，在加注和运行过程中存在燃烧、爆炸、高压力的风险。而且，加氢站的建设成本高昂，加氢极为不便，这些因素妨碍了燃料电池车的普及应用。
[0010]利用铁氧化物储氢是目前储氢材料研究的一个方向，其中氢的产生原理为：3Fe+4H2O
→
Fe3O4+4H2，储存原理为：Fe3O4+4H2→
3Fe+4H2O，两个过程反复循环。其等效储氢密度高达4.85wt％，为储氢合金的2倍以上，就体积储氢密度而言，与储氢合金相当，是高压罐储氢的2倍左右。具有体积小、储氢密度高的优点。
[0011]质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、石棉膜碱性燃料电池(AFC)都是常用的燃料电池，都需要氢气作为原料，也都会产生水，现有技术中，电堆反应产生的水都是直接排出于体系外，还未出现可将产物水进行反应重新释放氢气的装置，因此，开发出一种结构简单、将电堆产物水释放出氢气、储氢密度高、以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统十分有必要。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的就是要解决上述
技术介绍
的不足，提供一种结构简单、将电堆产物水分解释放出氢气、储氢密度高、以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统。
[0013]本专利技术的技术方案为：一种以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，包括设有阴极进口、阳极进口、阴极出口、阳极出口的电堆，其特征在于，还包括引入阴极出口或阳极出口所排出水的生氢管道，所述生氢管道上设有多个并联、储有铁粉和氢气的第一钢瓶，所述生氢管道在多个第一钢瓶并联后连通至电堆的阳极进口。
[0014]优选的，所述生氢管道包括前端管道、前端管道后端分成的多个生氢支管，以及生氢支管汇合后形成的后端管道，各所述第一钢瓶位于各生氢支管上，各生氢支管上在第一钢瓶后方设有检测水分含量的第一传感器。
[0015]优选的，所述第一钢瓶包括形成圆柱形密封空腔的壳体，所述壳体表面设有保温层，所述壳体两端分别设有第一密封端盖、第二密封端盖，所述第一密封端盖上设有进气管，所述进气管在壳体内设有温度可调的加热管，所述第二密封端盖上设有出气管。
[0016]进一步的，所述进气管、出气管上分别设有进气阀、出气阀，所述加热管为缠绕在进气管表面的螺旋线圈形，所述加热管上设有穿过第一密封端盖至壳体外的电源线。
[0017]优选的，还包括与电堆的正负极并联的蓄电池，所述电堆为磷酸燃料电池电堆或质子交换膜燃料电池电堆或碱性燃料电池电堆。
[0018]进一步的，所述电堆为磷酸燃料电池电堆或质子交换膜燃料电池电堆时，所述阴极出口设有可将空气与水进行分离的分离器，所述分离器上设有空气排出口、水排出口且水排出口与生氢管道进口连接，所述阳极出口设有残氢排出管道，所述残氢排出管道在多个第一钢瓶并联处后方与生氢管道合并后设置第一氢循环泵通向阳极进口。
[0019]进一步的，所述电堆为碱性燃料电池电堆时，所述生氢管道进口连接于阳极出口上，所述生氢管道在多个第一钢瓶并联后设置第一氢循环泵通向阳极进口，所述阴极进口上设有空气进气管，所述空气进气管上沿进气方向设有二氧化碳去除装置、空压机。
[0020]优选的，还包括位于车辆外部的铁粉再生装置，所述铁粉再生装置包括进口与氢气源连接的再生管道以及在再生管道上沿进气方向依次设置的加热器、第二循环泵以及多个并联、储有Fe3O4的第二钢瓶，所述再生管道在第二钢瓶并联后方依次设置第三循环泵、变压吸附分离器通向再生管道进口处。
[0021]进一步的，所述再生管道包括与氢气源连接的前进气管道、前进气管道分成的多个再生支路以及再生支路汇合后形成的后排气管道，各第二钢瓶位于各再生支路上，各再生支路上在第二钢瓶后方设有检测水分含量或温度的第二传感器。
[0022]进一步的，所述变压吸附分离器设有混合进气口、氢气出口和水蒸气出口，所述变压吸附分离器通过混合进口、氢气出口与再生管道连通。
[0023]本专利技术中，第一钢瓶中存储的铁粉形态为模压的方式制成的片状或者加入少量Al(OH)3胶体溶液制成的颗粒状。片状或颗粒状的铁粉三维尺寸在5mm～20mm之间，优选10mm，孔隙率40％～50％，有一定的强度，保证在后续的循环过程中不大量粉碎，颗粒之间的间隙便于水蒸汽或氢气在钢瓶内自由扩散流通。
[0024]第一钢瓶与第二钢瓶结构完全相同，区别仅为第一钢瓶内初态下存储物为铁粉和氢气，第二钢瓶内部储存物为Fe3O4。
[0025]本专利技术的有益效果为：
[0026]1.将电堆的产物水经多个钢瓶反应产生氢气，送到电堆阳极进口形成循环。本专利技术通过电堆产物水进行循环制氢，既避免了产物的直接排放，同时制氢过程清洁高效。
[0027]2.多个钢瓶并联，可在第一传感器感知内部铁粉耗尽(含水率≥设定值)，切换至其他钢瓶，使动力系统不间断运行。钢瓶内的加热管控制水蒸气达到与铁粉的反应温度，充分发生反应。
[0028]3.在系统中与电堆并联有蓄电池，目的是为车辆的启动提供初始动力，运行过程中为车辆上坡或加速提供额外的动力，并吸收车辆下坡、减速和刹车时的能量。在车辆临时停车(如遇红灯)时，燃料电池也不停止工作，而是给蓄电池充电。直到到达目的地，燃料电池才停机。这样，燃料电池工作时基本上处于恒功率输出状态，这对简化燃料电池系统的设计、提高电堆的可靠性与寿命十分有利。
[0029]4.在车辆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，包括设有阴极进口(11)、阳极进口(12)、阴极出口(13)、阳极出口(14)的电堆(1)，其特征在于，还包括引入阴极出口(13)或阳极出口(14)所排出水的生氢管道(3)，所述生氢管道(3)上设有多个并联、储有铁粉和氢气的第一钢瓶(4)，所述生氢管道(3)在多个第一钢瓶(4)并联后连通至阳极进口(12)。2.如权利要求1所述的以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，其特征在于，所述生氢管道(3)包括前端管道(31)、前端管道(31)后端分成的多个生氢支管(32)，以及生氢支管(32)汇合后形成的后端管道(33)，各所述第一钢瓶(4)位于各生氢支管(32)上，各生氢支管(32)上在第一钢瓶(4)后方设有检测水分含量的第一传感器(6)。3.如权利要求1所述的以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，其特征在于，所述第一钢瓶(4)包括形成圆柱形密封空腔的壳体(41)，所述壳体(41)表面设有保温层(42)，所述壳体(41)两端分别设有第一密封端盖(43)、第二密封端盖(44)，所述第一密封端盖(43)上设有进气管(45)，所述进气管(45)在壳体(41)内设有温度可调的加热管(46)，所述第二密封端盖(44)上设有出气管(47)。4.如权利要求3所述的以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，其特征在于，所述进气管(45)、出气管(47)上分别设有进气阀(48)、出气阀(49)，所述加热管(46)为缠绕在进气管(45)表面的螺旋线圈形，所述加热管(46)上设有穿过第一密封端盖(43)至壳体(41)外的电源线(461)。5.如权利要求1所述的以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，其特征在于，还包括与电堆(1)的正负极并联的蓄电池(8)，所述电堆(1)为磷酸燃料电池电堆(25)或质子交换膜燃料电池电堆(26)或碱性燃料电池电堆(27)。6.如权利要求5所述的以铁粉为燃料的车载燃料电池供氢系统，其特征在于，所述电堆(1)为磷酸燃料电池电堆(25)或质子交换膜燃料电池电堆(26)时，所述阴极出口(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱志刚，李国钢，
申请(专利权)人：钱志刚，
类型：发明
国别省市：