1.本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及一種緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2.燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。根據(jù)燃料電池反應(yīng)原理的不同，燃料電池可以分為很多類型，如質(zhì)子交換膜燃料電池，堿性陰離子膜燃料電池，固體氧化物燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池等。堿性陰離子膜燃料電池中以液氨或者氨氣作為燃料的低溫直接氨燃料電池具有快速啟動、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為具有發(fā)展前景的新型燃料電池技術(shù)，目前，電池驅(qū)動的電源系統(tǒng)存在運(yùn)行時(shí)間短、充電時(shí)間長、以及安全性差等缺點(diǎn)；氫燃料電池驅(qū)動的電源系統(tǒng)也開始初步進(jìn)入市場，然而氫氣的存儲和運(yùn)輸限制了它的廣泛應(yīng)用。與此相比，低溫直接氨燃料電池可以克服電池和氫燃料電池的不足，在輕量級應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢，例如無人機(jī)、自行車、不間斷電源、移動電源等。

3.現(xiàn)有技術(shù)中，對低溫直接氨燃料電池的技術(shù)的研究相對較少，相近領(lǐng)域中對系統(tǒng)的研究又不適用于低溫直接氨燃料電池，主要在于低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問題：如：(1)氨氧化動力學(xué)緩慢；(2)低溫直接氨燃料電池使用高濃度氨燃料來提高系統(tǒng)能量密度，氨燃料利用率低；(3)陽極側(cè)的氨燃料容易通過堿性陰離子膜滲透到陰極側(cè)，造成陰極水淹，因此，如何在解決上述三個(gè)問題的情況下，提供結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)對于氨燃料電池的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、高能量密度的低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)。系統(tǒng)所用主要部件包括燃料罐、陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、尾氣處理器及電堆。所述燃料罐完全密閉，罐中貯有高濃度氨燃料，可為液氨、氨水溶液或其他氨堿混合液中至少一種。所述燃料罐通過管路與陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)相連通，陽極燃料加熱管路經(jīng)過陰極增濕罐內(nèi)部，通過增濕罐內(nèi)部水浴對陽極燃料管路加熱，后連接至低溫直接氨燃料電池電堆陽極入口，所述電堆陽極出口與陽極燃料子系統(tǒng)相連通構(gòu)成回路?？諝馔ㄟ^陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)與電堆陰極入口連接，所述電堆陰極出口與陰極燃料電池子系統(tǒng)相連通構(gòu)成回路。陽極和陰極尾氣分別與尾氣處理器相連通，經(jīng)尾氣處理器處理后排入大氣環(huán)境。

5.本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:

6.本發(fā)明提供了一種緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括燃料罐、陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、尾氣處理器及電堆；

7.所述陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)包括混合器、燃料加熱管路、冷凝器、氣液分離器、背壓調(diào)控器；所述燃料罐依次連接混合器、燃料加熱管路，燃料加熱管路連通電堆陽極入口，電堆陽極出口依次連接冷凝器、氣液分離器，氣液分離器的液體輸出端連通混合器，氣液分離器的氣體輸出端依次連接背壓調(diào)控器、尾氣處理器；

8.所述陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)包括依次連接的壓縮機(jī)、增濕罐，増濕罐連通電堆陰極入口，電堆陰極出口依次連接膨脹機(jī)、尾氣處理器；

9.所述燃料加熱管路置于増濕罐內(nèi)部。

10.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述燃料罐與混合器的管路上設(shè)置計(jì)量泵。

11.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述尾氣處理器為密閉結(jié)構(gòu)，尾氣處理器內(nèi)部裝載固體吸附劑用于處理未完全反應(yīng)的氨燃料；所述固體吸收劑為過磷酸鈣、普魯士藍(lán)、硅膠、活性炭中的一種。

12.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述電堆為低溫直接氨燃料電池電堆，其結(jié)構(gòu)為雙極板型燃料電池電堆；雙極板材料為復(fù)合石墨或金屬，所述金屬為不銹鋼板、帶有鍍層不銹鋼板或鈦板；優(yōu)選地，所述鍍層為碳、鉻、鎳、金、銀中一種或多種的混合鍍層。

13.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述燃料罐用于直接貯存高濃度氨燃料；所述高濃度氨燃料為氨水溶液或氨堿混合液中的至少一種，常溫常壓儲存；所述燃料罐為密閉結(jié)構(gòu)，燃料罐材質(zhì)為聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯或者鋁制品中的一種。

14.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述計(jì)量泵為蠕動泵、齒輪泵、離心泵、螺桿泵、氣動隔膜泵、螺旋泵中的一種。

15.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述燃料加熱管路為不銹鋼管路、四氟乙烯管路、聚偏氟乙烯管路、聚乙烯管路、聚丙烯管路；加熱方式是通過增濕罐內(nèi)部水浴對陽極燃料管路加熱。

16.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述混合器為螺旋槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、漿式攪拌器、螺帶式攪拌器中的一種。

17.上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述壓縮機(jī)為活塞式、螺桿式、渦旋式、離心式、軸流式、噴射式中的一種；

18.所述膨脹機(jī)為活塞型或透平型。

19.本發(fā)明另一方面提供了前述燃料電池系統(tǒng)的工作方法，空氣經(jīng)壓縮機(jī)后進(jìn)入増濕罐中，増濕后由電堆陰極入口進(jìn)入電堆反應(yīng)，未反應(yīng)完的空氣和電堆中的水從電堆陰極出口流出，經(jīng)膨脹機(jī)進(jìn)入尾氣處理器排出；氨燃料經(jīng)混合器混合后進(jìn)入増濕罐內(nèi)的燃料加熱管路，加熱后由電堆陽極入口進(jìn)入電堆反應(yīng)，未反應(yīng)的氨燃料從電堆陽極出口流出后經(jīng)冷凝器冷卻，冷卻液進(jìn)入氣液分離器，液體經(jīng)混合器與氨氣燃料混合后繼續(xù)進(jìn)行下一步反應(yīng)，氣體經(jīng)背壓控制器后通入尾氣處理器排出；

20.所述燃料電池系統(tǒng)操作溫度≤200℃，優(yōu)選80-120℃，通過燃料加熱管路控制系統(tǒng)溫度；由于氨氧化動力學(xué)緩慢，因此需要較高的溫度保證陽極氨氧化過程具有低的過電勢；燃料電池系統(tǒng)操作壓力≤3mpa，優(yōu)選0.2mpa-0.4mpa，通過被壓控制器及壓縮機(jī)、膨脹機(jī)聯(lián)用調(diào)解系統(tǒng)壓力，較高的操作壓力有利于陰陽極燃料的傳質(zhì)。

21.有益效果

22.(1)本發(fā)明系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提供的低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)通過在陽極側(cè)電堆出口后加入冷凝器，從陽極排出的未反應(yīng)氨燃料冷凝成液體進(jìn)行回收，在氣液分離器裝置中將產(chǎn)物氮?dú)夂鸵后w氨燃料分離，未反應(yīng)氨燃料與通入的氨原料經(jīng)過混合器混合后通入電堆，解決了高濃度氨燃料系統(tǒng)能量密度高，但氨燃料利用率低的問題，提高了氨燃料利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。

23.(2)陽極側(cè)的氨燃料易通過堿性陰離子膜滲透到陰極側(cè)，造成陰極水淹，本發(fā)明提供的系統(tǒng)，通過在陰極側(cè)采用壓縮機(jī)和膨脹機(jī)聯(lián)用方式，提高了陰極側(cè)操作壓力，有利于氧氣的傳質(zhì)，提升氧還原動力學(xué)性能，解決了因氨燃料滲透到陰極造成陰極水淹從而不利于氧氣傳質(zhì)的問題；通過在陽極側(cè)尾端布置背壓控制器，提高了陽極側(cè)操作壓力，有利于氨燃料到達(dá)催化劑表面，提升氨氧化動力學(xué)。

24.(3)本發(fā)明提供的系統(tǒng)，通過對陽極進(jìn)料管路加熱的方式，避免了溫度較低的液體氨燃料進(jìn)入電堆帶來的冷卻效應(yīng)，提高了燃料電池電堆的操作溫度，保證了陽極氨氧化動力學(xué)過程低的過電勢，提升了燃料電池性能。

25.(4)本發(fā)明提供的系統(tǒng)，增濕罐對陰極氣體進(jìn)行增濕，同時(shí)陽極加熱管路經(jīng)過密閉的增濕罐，實(shí)現(xiàn)對陽極管路的加熱。通過將加熱管路置于增濕罐內(nèi)部，可以增加陰極氣體在增濕罐內(nèi)部擴(kuò)散阻力，提高了陰極氣體增濕效果；單獨(dú)一個(gè)增濕罐加熱輔助系統(tǒng)可以降低電堆對輔助系統(tǒng)的功率輸出，有效地提高系統(tǒng)能量效率；陰極出口排出的未反應(yīng)的空氣經(jīng)過空氣膨脹機(jī)后進(jìn)入尾排裝置，氣液分離器中分離出來的氣體減壓后進(jìn)入尾排裝置，充分利用各部件的作用，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

附圖說明

26.圖1是實(shí)施例中一種緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

27.圖中，1.空氣，2.空氣壓縮機(jī)，3.空氣膨脹機(jī)，4.增濕罐，5.電堆陰極，6.電堆陽極，7.排出的水，8.燃料罐，9.計(jì)量泵，10.混合器，11.氣液分離器，12.空氣冷凝器，13.背壓調(diào)控器，14.尾氣處理器，15.排出氣體，16.水，17.燃料加熱管路。

28.上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

具體實(shí)施方式

29.下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對本發(fā)明的限定。

30.實(shí)施例1

31.圖1是實(shí)施采用氨水或者氨堿混合液作為燃料的緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

32.緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)包括燃料罐8、陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、尾氣處理器14及電堆；燃料罐內(nèi)貯存氨水或氨堿混合液；

33.陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)包括混合器10、燃料加熱管路17、空氣冷凝器12、氣液分離器11、背壓調(diào)控器13；燃料罐通過管路依次連接混合器、燃料加熱管路，燃料加熱管路連通電堆陽極入口，電堆陽極出口通過管路依次連接冷凝器、氣液分離器，氣液分離器的液體輸出端連通混合器，氣液分離器的氣體輸出端依次連接背壓控制閥、尾氣處理器；燃料罐與混合器的管路上設(shè)置計(jì)量泵；

34.陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)包括通過管路依次連接的空氣壓縮機(jī)2、增濕罐4，増濕罐連通電堆陰極入口，電堆陰極出口通過管路依次連接空氣膨脹機(jī)3、尾氣處理器13；

35.燃料加熱管路17置于増濕罐4內(nèi)部，增濕罐內(nèi)部充滿水，通過電堆提供的熱量加熱，通過增濕罐內(nèi)部水浴溫度對陽極燃料管路加熱。

36.尾氣處理器為密閉結(jié)構(gòu)，尾氣處理器內(nèi)部裝載固體吸附劑用于處理未完全反應(yīng)的氨燃料；固體吸收劑可以是過磷酸鈣、普魯士藍(lán)、硅膠、活性炭中的一種。

37.電堆為低溫直接氨燃料電池電堆，其結(jié)構(gòu)為雙極板型燃料電池電堆；雙極板材料為復(fù)合石墨或金屬，金屬為不銹鋼板、帶有鍍層不銹鋼板或鈦板。

38.燃料罐用于直接貯存高氨水溶液或氨堿混合液，常溫常壓儲存；燃料罐為密閉結(jié)構(gòu)，燃料罐材質(zhì)為聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯或者鋁制品中的一種。

39.陰極側(cè)，空氣1通入空氣壓縮機(jī)2后連接至增濕罐4，空氣經(jīng)增濕罐增濕后連接至電堆陰極入口，未反應(yīng)完的空氣和電堆中的水(陽極擴(kuò)散過來)從電堆陰極出口流出，連接至空氣膨脹機(jī)3，經(jīng)過尾氣處理器14后排入大氣環(huán)境。通過在陰極側(cè)采用壓縮機(jī)和膨脹機(jī)聯(lián)用方式，壓縮機(jī)將氣體抽到系統(tǒng)內(nèi)部，膨脹機(jī)控制氣體少量流出，提升系統(tǒng)內(nèi)壓力，提高了陰極側(cè)操作壓力，

40.陽極側(cè)，氨水或者氨堿混合液8經(jīng)過計(jì)量泵9連接至混合器10，混合均勻后通過燃料加熱管路連接至電堆陽極入口，燃料加熱管路通過增濕罐內(nèi)部水浴加熱，從而加熱氨燃料，未反應(yīng)的氨燃料從電堆陽極出口流出后連接至空氣冷凝器12進(jìn)行冷卻，將冷卻液連至氣液分離器11。從氣液分離器11出來的液體連接至混合器10與氨氣燃料混合再次進(jìn)入電堆反應(yīng)。從氣液分離器11出來的氣體連接背壓調(diào)控器13后通入尾氣處理器14，用于吸收未反應(yīng)的氨燃料。

41.在本實(shí)施例中，尾氣處理器13內(nèi)置為固體吸附劑，本實(shí)施例使用過磷酸鈣，實(shí)現(xiàn)對氨和水的吸收。本實(shí)施例所用計(jì)量泵為蠕動泵，所用燃料加熱管路為不銹鋼管路，所用混合器為螺旋槳式攪拌器，所用壓縮機(jī)為活塞式壓縮機(jī)，所用膨脹機(jī)為活塞型膨脹機(jī)。

42.燃料電池系統(tǒng)操作溫度可為80-120℃，操作壓力控制在0.2mpa-0.4mpa。

43.對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括燃料罐、陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、尾氣處理器及電堆；所述陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)包括混合器、燃料加熱管路、冷凝器、氣液分離器、背壓調(diào)控器；所述燃料罐依次連接混合器、燃料加熱管路，燃料加熱管路連通電堆陽極入口，電堆陽極出口依次連接冷凝器、氣液分離器，氣液分離器的液體輸出端連通混合器，氣液分離器的氣體輸出端依次連接背壓調(diào)控器、尾氣處理器；所述陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)包括依次連接的壓縮機(jī)、增濕罐，増濕罐連通電堆陰極入口，電堆陰極出口依次連接膨脹機(jī)、尾氣處理器；所述燃料加熱管路置于増濕罐內(nèi)部。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料罐與混合器的管路上設(shè)置計(jì)量泵。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述尾氣處理器為密閉結(jié)構(gòu)，尾氣處理器內(nèi)部裝載固體吸附劑用于處理未完全反應(yīng)的氨燃料；所述固體吸收劑為過磷酸鈣、普魯士藍(lán)、硅膠、活性炭中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電堆為低溫直接氨燃料電池電堆，其結(jié)構(gòu)為雙極板型燃料電池電堆；雙極板材料為復(fù)合石墨或金屬，所述金屬為不銹鋼板、帶有鍍層不銹鋼板或鈦板；優(yōu)選地，所述鍍層為碳、鉻、鎳、金、銀中一種或多種混合的鍍層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料罐用于直接貯存高濃度氨燃料；所述高濃度氨燃料為氨水溶液或氨堿混合液中的至少一種，常溫常壓儲存；所述燃料罐為密閉結(jié)構(gòu)，燃料罐材質(zhì)為聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯或者鋁制品中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述計(jì)量泵為蠕動泵、齒輪泵、離心泵、螺桿泵、氣動隔膜泵、螺旋泵中的一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述燃料加熱管路為不銹鋼管路、四氟乙烯管路、聚偏氟乙烯管路、聚乙烯管路、聚丙烯管路；加熱方式是通過增濕罐內(nèi)部水浴對陽極燃料管路加熱。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述混合器為螺旋槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、漿式攪拌器、螺帶式攪拌器中的一種。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述壓縮機(jī)為活塞式、螺桿式、渦旋式、離心式、軸流式、噴射式中的一種；所述膨脹機(jī)為活塞型或透平型。10.權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，空氣經(jīng)壓縮機(jī)后進(jìn)入増濕罐中，増濕后由電堆陰極入口進(jìn)入電堆反應(yīng)，未反應(yīng)完的空氣和電堆中的水從電堆陰極出口流出，經(jīng)膨脹機(jī)進(jìn)入尾氣處理器排出；氨燃料經(jīng)混合器混合后進(jìn)入増濕罐內(nèi)的燃料加熱管路，加熱后由電堆陽極入口進(jìn)入電堆反應(yīng)，未反應(yīng)的氨燃料從電堆陽極出口流出后經(jīng)冷凝器冷卻，冷卻液進(jìn)入氣液分離器，液體經(jīng)混合器與氨氣燃料混合后繼續(xù)進(jìn)行下一步反應(yīng)，氣體經(jīng)背壓調(diào)控器后通入尾氣處理器排出；所述燃料電池系統(tǒng)操作溫度≤200℃，優(yōu)選80-120℃，操作壓力≤3mpa，優(yōu)選0.2mpa-0.4mpa。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，具體涉及一種緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)。系統(tǒng)包括燃料罐、陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)、陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)，燃料罐依次連接陽極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)的混合器、燃料加熱管路，燃料加熱管路連通電堆陽極入口，電堆陽極出口依次連接冷凝器、氣液分離器，氣液分離器的液體輸出端連通混合器，氣液分離器的氣體輸出端依次連接背壓調(diào)控器、尾氣處理器；陰極燃料進(jìn)料子系統(tǒng)包括依次連接的壓縮機(jī)、增濕罐，増濕罐連通電堆陰極入口，電堆陰極出口依次連接膨脹機(jī)、尾氣處理器；燃料加熱管路置于増濕罐內(nèi)部。本發(fā)明系統(tǒng)將陽極加熱管路與陰極增濕罐結(jié)合為一體，減小了系統(tǒng)體積，實(shí)現(xiàn)緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)?，F(xiàn)緊湊型低溫直接氨燃料電池系統(tǒng)。

技術(shù)研發(fā)人員：趙云 韓楊凱 洪有陸 俞紅梅 邵志剛

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所

技術(shù)研發(fā)日：2022.09.08

技術(shù)公布日：2022/11/15