一种改善密闭环境中燃料电池性能的方法及系统

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种改善密闭环境中燃料电池传热效果和安全性的方法及系统。

背景技术

针对密闭、空气稀薄环境，如高空、水下等领域，燃料电池一般采用纯氧作为阴极物料和催化燃烧氧化剂。对于电池而言，纯氧(O

燃料电池在工作中使用燃料与氧化剂进行催化燃烧以释放热量，该热量用于维持系统在额定温度工作。通常环境，燃料电池会使用气泵和空压机作为氧化剂的供给来源，为催化燃烧系统补入空气。但对于相对密闭和空气稀薄环境，使用空气作为氧化剂显然不可行，因此会携带液氧，选用氧气作为氧化剂。氧气与燃料的催化燃烧效果固然较好，但是其安全性会存在较大问题；同时催化燃烧的热量传递到电池各部件中时，不单单存在着热传导，同时也会存在着热对流。在通常环境下空气可以作为热介质传递热量，但在纯氧体系中达到相同的燃烧效果时，纯氧所需的质量流量远远小于空气的质量流量，从而会降低热对流的传热效果。

同时，氧气有助燃性，纯氧和可燃组分接触进行的催化燃烧远远比空气作为氧化剂时剧烈。过度的催化燃烧会造成燃烧催化剂温度过高、燃烧不均匀等现象，从而造成燃烧催化剂或反应器损坏。轻微的纯氧泄露如遇油脂等可燃物质，会发生爆炸。

因此，目前纯氧作为氧化剂的燃料电池的传热效果和安全性有待改善。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种改善燃料电池传热效果和安全性的方法及系统。

本发明技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种改善密闭环境中燃料电池传热效果和安全性的方法，所述方法为：使用载体与氧气的混合气代替纯氧通入燃料电池，燃料电池在工作时使用燃料与混合气中的氧气进行燃烧以释放热量，载体作为热介质将热量传递至电池各部件，用于维持燃料电池在额定温度工作；所述载体从燃料电池排出后循环利用，载体主要是作为热介质加强燃料电池中热对流的传热效果，燃料电池并不消耗载体，故其可以从燃料电池排出，从燃料电池排出的气体经过尾气吸收后分离出载体，载体重新与氧气混合后输入燃料电池；

所述载气为氮气或惰性气体中的一种或多种。

优选地，所述载体为氮气，氮气价格低廉，储运均方便。

优选地，所述混合气中氧气与惰性气体的比例为1:1-1:4；所述惰性气体为氩气、氦气中的一种或两种。

优选地，所述燃料电池为高温液体燃料电池，优选为高温甲醇燃料电池。

第二方面，本发明提供了一种燃料电池系统，用于改善燃料电池传热效果和安全性，所述系统包括燃料电池本体、载体补充装置和尾气吸收装置；

所述燃料电池本体包括氧气进口和尾气出口，所述载体补充装置与氧气进口相连通；

所述尾气吸收装置包括输入管路和输出管路，所述输入管路与所述尾气出口相连通；所述输出管路与氧气进口相连通。

优选地，所述燃料电池本体包括燃烧室，所述氧气进口与燃烧室相连通。

燃料电池本体还包括电堆，所述电堆的阳极尾气中含有未反应完的燃料，可以供应给燃烧室进行催化燃烧。

作为本发明的一种优选，所述输出管路与氧气进口之间设有压力传感器，载体补充装置与氧气进口之间设有电磁阀。

作为本发明的另一种优选，所述载体补充装置与氧气进口之间设有电磁阀和压力传感器，电磁阀设于靠近载体补充装置的一端，电磁阀和压力传感器之间设有三通接头，尾气吸收装置的输出管路与三通接头相连接，三通接头与尾气吸收装置之间设有单向阀。

优选地，所述载体补充装置为载体储罐。

优选地，所述载体补充装置为液氮罐。

有益效果

1、本发明提供了一种改善燃料电池传热效果和安全性的方法及系统，，通过使用载气与氧气的混合气代替纯氧通入燃料电池，避免了纯氧作为氧化剂来源时存在的安全问题，同时载气作为热介质加强了燃料电池中热对流的传热效果。

2、燃料电池系统中，载气从燃料电池排出后加以循环利用，改善燃料电池性能的同时还可以减少成本。

附图说明

图1为实施例1的高温甲醇燃料电池系统流程示意图I；

图2为实施例2高温甲醇燃料电池系统流程示意图II；

图3为实施例1中不同O

图中，1，氧气进口；2，燃料进口；3，燃烧室；4，电堆；5，燃料电池本体；6，尾气吸收装置；7，单向阀；8，电磁阀；9，液氮罐；10，压力传感器；11，三通。

具体实施方式

下述非限制性实施方式可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1高温甲醇燃料电池系统

高温甲醇燃料电池系统包括燃料电池本体5、尾气吸收装置6、单向阀7、电磁阀8、液氮罐9、压力传感器10以及三通11，燃料电池本体5包括氧气进口1、燃料进口2、燃烧室3和电堆4以及尾气出口，所述尾气吸收装置6包括输入管路与输出管路；

所述氧气进口1、燃料进口2与燃烧室3相连通，所述燃烧室3与电堆4相连通，所述燃料电池本体5的尾气出口与尾气吸收装置6的输入管路相连通，所述液氮罐9与氧气进口1之间设有电磁阀8和压力传感器10，电磁阀8设于靠近液氮罐9的一端，电磁阀8和压力传感器10之间设有三通接头11，尾气吸收装置6的输出管路与三通接头11相连通，三通接头11与尾气吸收装置6之间设有单向阀7。

系统运行时，打开电磁阀8，使从液氮罐9流出的氮气经过压力传感器10与氧气进口1通入的氧气混合，当混合气中氮气与氧气达到需要的比例时，关闭电磁阀8，记录压力传感器10的示数，甲醇通过燃料进口2进入燃烧室3，甲醇与氧气进行催化燃烧释放热量，燃烧后的尾气包括氮气、CO

采用上述装置及运行方式，氧气流量不变，采用不同比例的氮气与氧气混合进行实验，氧气与氮气的比例分别为1:1、1:2、1:3、1:4，记录不同时间下燃料电池本体的温度，结果如图3所示。从图3可以看出，随着氮气比例的增加，燃料电池本体的升温速率明显提升，即氮气作为热介质加强了燃料电池的传热效果。

实施例2高温甲醇燃料电池系统

所述系统包括燃料电池本体5、尾气吸收装置6、压力传感器10、液氮罐9、电磁阀8；

所述燃料电池本体5包括氧气进口1、燃料进口2、燃烧室3、电堆4以及尾气出口，所述尾气吸收装置6包括输入管路与输出管路；

所述尾气吸收装置6的输入管路与燃料电池本体5的尾气出口相连通，所述尾气吸收装置6的输出管路与氧气进口1相连通，尾气吸收装置6与氧气进口1之间设有压力传感器10，液氮罐9与氧气进口1相连通，液氮罐9与氧气进口1之间设有电磁阀8；

系统运行方式为：打开电磁阀8，使从液氮罐9流出的氮气与氧气进口1通入的氧气混合，当混合气中氮气与氧气达到需要的比例时，关闭电磁阀8，记录压力传感器10的示数，甲醇通过燃料进口2进入，甲醇与氧气在燃料电池本体5进行在催化燃烧释放热量，包含氮气的尾气将热量传递至电堆4中，维持该燃料电池工作温度，燃烧后的尾气包括氮气、CO

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。