[0001] 本发明涉及发电设备技术领域， 特别涉及一种燃料电池供氧系统及供氧方法。

背景技术

[0002] 目前， 氢-氧燃料电池发电系统可以把氢能直接转化� �电能。 在燃料电池的阳 极： 2H ₂ →4H ++4e ， H ₂

分裂成两个质子和两个电子， 质子穿过质子交换膜 （PEM) ， 电子通过阳极板 ， 通过外部负载， 并进入阴极双极板； 在燃料电池的阴极： 0 ₂ +4e -+4H + _→ 2H ₂ 0， 质子、 电子和 0 ₂ 重新结合以形成11 ₂ 0。 在现有技术中， 上述 H ₂ 来源于制氢 设备或氢气储存装置， 而上述 0 ₂ 则直接来源于外界空气。

[0003] 燃料电池在上述电化学反应产生电的过程中， 0 ₂ 的供应是通过空气输送系统 供应， 该空气输送系统包括空气泵， 外界空气在空气泵的压缩和驱动作用下， 从燃料电池之空气进口进入， 在燃料电池内， 空气中的氧气与氢气发生电化学 反应产生电能， 并生成水汽， 然后， 剩余的空气及水汽再从燃料电池之空气出 口排出。

[0004] 然而， 采用空气泵压缩和驱动空气进入燃料电池的方 式还具有如下缺失： 其一 、 由于空气泵噪音非常大， 因而不利于燃料电池发电设备的整体降噪； 其二、 空气泵的使命寿命较短， 难以保障持续稳定的工作， 当空气泵发生故障吋， 燃 料电池因缺 0 ₂ 而不能继续发电， 将影响相关用电设备的供电； 其三、 空气泵的 电耗高， 效率低， 不利于节能减排。

技术问题

[0005] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术 中的不足， 提供一种无噪音、 寿 命长、 效率高的燃料电池供氧系统； 为此， 本发明还要提供一种该燃料电池供 氧系统的供氧方法。

问题的解决方案

技术解决方案 [0006] 为解决上述第一个技术问题， 本发明的技术方案是： 一种燃料电池供氧系统， 包括燃料电池、 压缩空气 /氧气容器及射流减压调节子系统， 其中： 燃料电池， 用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生 电能； 压缩空气 /氧气容器， 其内 储存有压缩空气 /氧气； 射流减压调节子系统， 包括压缩空气 /氧气输入通道、 外 界空气输入通道及混合空气输出通道， 压缩空气 /氧气输入通道与压缩空气 /氧气 容器相连通， 外界空气输入通道与外界相连通； 该压缩空气 /氧气输入通道的末 端具有喷射口， 该喷射口可向混合空气输出通道喷射压缩空气 /氧气； 该喷射口 与外界空气输入通道相配合， 在压缩空气 /氧气经喷射口向混合空气输出通道喷 射吋， 在喷射口处形成喷射气流， 该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气 ， 两股气流混合后， 通过混合空气输出通道输出混合空气， 并供应给燃料电池 ； 该压缩空气 /氧气与外界空气的重量比为 1 : 0.1〜1： 20。

[0007] 优选地， 所述燃料电池供氧系统还包括空气加湿子系统 ， 该空气加湿子系统设 置于射流减压调节子系统与燃料电池之间， 用于对从混合空气输出通道输出的 混合空气进行加湿处理。 所述空气加湿子系统有两种优选结构： 第一种优选结 构是： 所述空气加湿子系统包括水汽输入通道、 水汽排放通道及加湿空间； 在 燃料电池发生电化学反应产生电能吋， 生成水汽， 该水汽及未反应的空气从燃 料电池排出后， 经水汽输入通道进入加湿空间， 再从水汽排放通道排出； 所述 加湿空间中设有空气湿度调节管道， 该空气湿度调节管道包括透水不透气的管 道， 所述混合空气进入空气湿度调节管道后， 吸收加湿空间中的水汽， 再输出 至燃料电池。 进一步， 所述空气湿度调节管道包括进气管、 出气管及若干根并 列的空气湿度交换管， 所述混合空气依次经进气管、 若干根并列的空气湿度交 换管及出气管后， 进入至燃料电池， 所述空气湿度交换管为透水不透气的管道 ； 所述空气湿度交换管的管壁， 从内至外包括多孔支撑管及全氟磺酸膜层。 第 二种优选结构是： 所述空气加湿子系统包括加湿器、 水容器及加湿水泵， 所述 混合空气从加湿器一侧进入， 再从加湿器另一侧输出， 同吋， 所述水容器中的 水在加湿水泵的驱动作用下， 从加湿器之进水端进入， 再从加湿器之出水口回 流至水容器中， 以便对混合空气进行加湿。

[0008] 优选地， 所述燃料电池供氧系统还包括空气加湿子系统 ， 该空气加湿子系统设 置于外界空气进入射流减压调节子系统的通道 中， 用于对进入射流减压调节子 系统的外界空气进行加湿处理。 所述空气加湿子系统有两种优选结构： 第一种 优选结构是： 所述空气加湿子系统包括水汽输入通道、 水汽排放通道及加湿空 间； 在燃料电池发生电化学反应产生电能吋， 生成水汽， 该水汽及未反应的空 气从燃料电池排出后， 经水汽输入通道进入加湿空间， 再从水汽排放通道排出 ； 所述加湿空间中设有空气湿度调节管道， 该空气湿度调节管道包括透水不透 气的管道， 所述外界空气进入空气湿度调节管道后， 吸收加湿空间中的水汽， 再输出至燃料电池。 进一步， 所述空气湿度调节管道包括进气管、 出气管及若 干根并列的空气湿度交换管， 所述外界空气依次经进气管、 若干根并列的空气 湿度交换管及出气管后， 进入至射流减压调节子系统， 所述空气湿度交换管为 透水不透气的管道； 所述空气湿度交换管的管壁， 从内至外包括多孔支撑管及 全氟磺酸膜层。 第二种优选结构是： 所述空气加湿子系统包括加湿器、 水容器 及加湿水泵， 所述外界空气从加湿器一侧进入， 再从加湿器另一侧输出， 同吋 ， 所述水容器中的水在加湿水泵的驱动作用下， 从加湿器之进水端进入， 再从 加湿器之出水口回流至水容器中， 以便对外界空气进行加湿。

[0009] 优选地， 所述射流减压调节子系统的压缩空气 /氧气输入通道包括调节机构， 用于调节所述喷射口处的喷射气流速度、 方向和流量； 所述外界空气输入通道 内端设有吸入室， 该吸入室与喷射口位置相对应； 所述混合空气输出通道包括 依次连接的喉管及扩散减压管， 所述喷射气流吸取外界空气形成混合空气后， 喷射至喉管中， 再从扩散减压管输出。

[0010] 为解决上述第二个技术问题， 本发明的技术方案是： 燃料电池供氧系统的供氧 方法， 包括以下步骤：

[0011] (1) 压缩空气 /氧气容器通过管道向射流减压调节子系统输� �压缩空气 /氧气； [0012] (2) 在射流减压调节子系统中， 压缩空气 /氧气经压缩空气 /氧气输入通道的喷 射口向混合空气输出通道喷射吋， 在喷射口处形成喷射气流， 该喷射气流吸取 外界空气输入通道中的空气， 两股气流混合后， 通过混合空气输出通道输出混 合空气， 并供应给燃料电池； 该压缩空气 /氧气与外界空气的重量比为 1 : 0.1〜1 ： 20； [0013] (3) 燃料电池内， 氢气与空气中的氧气发生电化学反应， 输出电能。

[0014] 所述混合空气在进入燃料电池之前， 通过空气加湿子系统进行加湿处理， 或者 所述外界空气进入射流减压调节子系统之前， 通过空气加湿子系统进行加湿处 理。

发明的有益效果

有益效果

[0015] 本发明的有益效果是： 本发明利用压缩空气或氧气做动力 （压缩比不限） ， 并 通过射流减压调节子系统吸取外界的自然空气 ， 减压及稀释压缩空气或氧气， 形成燃料电池的供氧系统， 无噪音、 寿命长、 供氧效率非常高。

对附图的简要说明

附图说明

[0016] 图 1为本发明第一种优选实施例的整体结构方框� �。

[0017] 图 2为本发明第二种优选实施例的整体结构方框� �。

[0018] 图 3为本发明第三种优选实施例的整体结构方框� �。

[0019] 图 4为本发明第四种优选实施例的整体结构方框� �。

[0020] 图 5为本发明第五种优选实施例的整体结构方框� �。

[0021] 图 6为射流减压调节子系统优选结构剖视示意图� �

[0022] 图 7为第一种空气加湿子系统的优选结构方框图� �

[0023] 图 8为图 7中空气加湿子系统的结构示意图。

[0024] 图 9为空气湿度交换管的横截面结构示意图。

[0025] 图 10为第二种空气加湿子系统的优选结构方框图� ��

本发明的实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理 作进一步详细说明。

[0027] 实施例一：

[0028] 如图 1所示， 一种燃料电池供氧系统， 包括燃料电池 1、 压缩空气 /氧气容器 2及 射流减压调节子系统 3， 其中： 燃料电池 1， 用于氢气与空气中的氧气发生电化 学反应产生电能， 在燃料电池 1的阳极： 2H ₂ →4H ++4e -， H ₂ 分裂成两个质子和 两个电子， 质子穿过质子交换膜 （PEM) ， 电子通过阳极板， 通过外部负载， 并进入阴极双极板， 在燃料电池 1的阴极： 0 ₂ +4e -+4H +→2H ₂

0， 质子、 电子和 0 ₂ 重新结合以形成11 ₂ 0 _; 该氢气来源于制氢装置 4， 该制氢装 置 4优选为甲醇水重整制氢装置， 可参照中国发明申请 201310340475.0 (申请人 ： 上海合既得动氢机器有限公司） ， 甲醇与水蒸汽在重整器的重整室内， 在 350- 409°C温度下 l-5M Pa的压力条件下通过催化剂， 在催化剂的作用下， 发生甲醇裂 解反应和一氧化碳的变换反应， 生成氢气和二氧化碳， 这是一个多组份、 多反 应的气固催化反应系统， 反应方程如下： （l)CH ₃ OH→CO+2H _{2 ;} (2)H ₂

0+CO→CO 2+H ₂ ; (3)CH ₃ OH+H ₂ 0→CO ₂ +3H ₂ , 重整反应生成的 H ₂ 和 CO ₂ ， 再 经钯膜分离器将 H ^nC0 ₂ 分离， 得到高纯氢气； 压缩空气 /氧气容器 2， 其内储 存有压缩空气 /氧气； 射流减压调节子系统 3， 结合参考图 5， 包括压缩空气 /氧气 输入通道 31、 外界空气输入通道 32及混合空气输出通道 33， 压缩空气 /氧气输入 通道 31与压缩空气 /氧气容器 2相连通， 外界空气输入通道 32与外界相连通； 该压 缩空气 /氧气输入通道 31的末端具有喷射口 311， 该喷射口 311可向混合空气输出 通道 33喷射压缩空气 /氧气； 该喷射口 311与外界空气输入通道 32相配合， 在压缩 空气 /氧气经喷射口 311向混合空气输出通道 33喷射吋， 在喷射口 311处形成喷射 气流， 该喷射气流吸取外界空气输入通道中的空气， 两股气流混合后， 通过混 合空气输出通道 33输出混合空气， 并供应给燃料电池 1 ; 该压缩空气 /氧气与外界 空气的重量比为 1 : 0.1-1： 20， 优选为 1 : 2〜1： 3。 此外， 该燃料电池 1还设置 水循环冷却降温系统 5， 以便对燃料电池 1进行散热。

[0029] 如图 6所示， 为射流减压调节子系统 3的具体结构， 该射流减压调节子系统 3的 压缩空气 /氧气输入通道 31包括调节机构 312， 用于调节所述喷射口 311处的喷射 气流速度、 方向和流量； 该射流减压调节子系统的外界空气输入通道 32内端设 有吸入室 321， 该吸入室 321与喷射口 311位置相对应； 该射流减压调节子系统的 混合空气输出通道 33包括依次连接的喉管 331及扩散减压管 332， 所述喷射气流 吸取外界空气形成混合空气后， 喷射至喉管 331中， 再从扩散减压管 332输出。

[0030] 实施例二： [0031] 如图 2所示， 实施例二与实施例一相比， 该燃料电池供氧系统增加了空气加湿 子系统 6， 该空气加湿子系统 6设置于射流减压调节子系统 3与燃料电池 4之间， 用于对从混合空气输出通道 33输出的混合空气进行加湿处理。 该空气加湿子系 统 6结构请参照图 10， 所述空气加湿子系统 6包括加湿器 61、 水容器 62及加湿水 泵 63， 所述混合空气从加湿器 61—侧进入， 再从加湿器 61另一侧输出， 同吋， 所述水容器 62中的水在加湿水泵 63的驱动作用下， 从加湿器 61之进水端进入， 再从加湿器 61之出水口回流至水容器 63中， 以便对混合空气进行加湿， 所述水 容器 63中的水优选为去离子水。

[0032] 实施例三：

[0033] 如图 3所示， 实施例三与实施例一相比， 该燃料电池供氧系统增加了空气加湿 子系统 7， 该空气加湿子系统 7设置于射流减压调节子系统 3与燃料电池 1之间， 用于对从混合空气输出通道 33输出的混合空气进行加湿处理。 该空气加湿子系 统 7结构请参照图 7、 图 8及图 9， 该空气加湿子系统 7包括水汽输入通道 71、 水汽 排放通道 72及加湿空间 73 ; 在燃料电池 1发生电化学反应产生电能吋， 生成水汽 ， 该水汽及未反应的空气从燃料电池 1排出后， 经水汽输入通道 71进入加湿空间 73， 再从水汽排放通道 72排出； 所述加湿空间 73中设有空气湿度调节管道 74， 该空气湿度调节管道 74包括透水不透气的管道， 所述外界空气进入空气湿度调 节管道 74后， 吸收加湿空间 73中的水汽， 再输出至燃料电池 1。 进一步， 如图 8 所示， 所述空气湿度调节管道 74包括进气管 741、 出气管 742及若干根并列的空 气湿度交换管 743， 所述外界空气依次经进气管 741、 若干根并列的空气湿度交 换管 743及出气管 742后， 进入至射流减压调节子系统 3， 所述空气湿度交换管 74 3为透水不透气的管道； 如图 9所示， 所述空气湿度交换管 743的管壁， 从内至外 包括多孔支撑管 7431及全氟磺酸膜层 7432; 所述所述多孔支撑管 7431为多孔金 属支撑管， 或多孔高分子支撑管， 或多孔陶瓷支撑管。

[0034] 实施例四：

[0035] 如图 4所示， 实施例四与实施例一相比， 该燃料电池供氧系统增加了空气加湿 子系统 6， 该空气加湿子系统 6设置于外界空气进入射流减压调节子系统 3的通道 中， 用于对进入射流减压调节子系统 3的外界空气进行加湿处理。 该空气加湿子 系统 6结构请参照图 10， 该空气加湿子系统 6包括加湿器 61、 水容器 62及加湿水 泵 63， 所述外界空气从加湿器 61—侧进入， 再从加湿器 61另一侧输出， 同吋， 所述水容器 63中的水在加湿水泵 62的驱动作用下， 从加湿器 61之进水端进入， 再从加湿器 61之出水口回流至水容器 63中， 以便对外界空气进行加湿， 所述水 容器 63中的水优选为去离子水。

[0036] 实施例五：

[0037] 如图 5所示， 实施例五与实施例一相比， 该燃料电池供氧系统增加了空气加湿 子系统 7， 该空气加湿子系统 7设置于外界空气进入射流减压调节子系统 3的通道 中， 用于对进入射流减压调节子系统 3的外界空气进行加湿处理。 该空气加湿子 系统 7结构请参照图 7、 图 8及图 9， 该空气加湿子系统 7包括水汽输入通道 71、 水 汽排放通道 72及加湿空间 73; 在燃料电池 1发生电化学反应产生电能吋， 生成水 汽， 该水汽及未反应的空气从燃料电池 1排出后， 经水汽输入通道 71进入加湿空 间 73， 再从水汽排放通道 72排出； 所述加湿空间 73中设有空气湿度调节管道 74 ， 该空气湿度调节管道 74包括透水不透气的管道， 所述外界空气进入空气湿度 调节管道 74后， 吸收加湿空间 73中的水汽， 再输出至燃料电池 1。 进一步， 如图 8所示， 所述空气湿度调节管道 74包括进气管 741、 出气管 742及若干根并列的空 气湿度交换管 743， 所述外界空气依次经进气管 741、 若干根并列的空气湿度交 换管 743及出气管 742后， 进入至射流减压调节子系统 3， 所述空气湿度交换管 74 3为透水不透气的管道； 如图 9所示， 所述空气湿度交换管 743的管壁， 从内至外 包括多孔支撑管 7431及全氟磺酸膜层 7432; 所述所述多孔支撑管 7431为多孔金 属支撑管， 或多孔高分子支撑管， 或多孔陶瓷支撑管。

[0038] 在上述实施例一至实施例五中， 该燃料电池供氧系统利用压缩空气或氧气做动 力 （压缩比不限） ， 并通过射流减压调节子系统吸取外界的自然空 气， 减压及 稀释压缩空气或氧气， 形成燃料电池的供氧系统， 无噪音、 寿命长、 供氧效率 非常高。 此外， 参照本申请人于 2014年 12月 31日申请的中国发明申请 201410845 114.6， 名称为一种燃料电池汽车， 该燃料电池汽车前端可添加外界空气进风口 ， 当采用 20L、 50Mpa的压缩空气做动力供氧吋， 按照燃料电池 18Nm ³ /h的空气 需要量， 可令燃料电池汽车一次行驶 220Km,当采用 20L、 50Mpa的压缩氧气做动 力供氧吋， 则可加大外界空气输入比例， 可令燃料电池汽车一次行驶 400Km。

[0039] 在上述实施例二至实施例五中， 该燃料电池供氧系统增加了空气加湿子系统， 该空气加湿子系统能将进入燃料电池的空气的 湿度调节至 75%〜90<¾， 优选为 80 % , 这样， 能使燃料电池能在短吋间内使启动效能达到基 准效能， 并能使燃料电 池工作效能达到最高。

[0040] 在实施例三和实施例五中， 由于空气加湿子系统的空气湿度调节管道具有 透水 不透气的管道， 这样， 当混合空气或外界空气经过空气湿度调节管道 吋， 加湿 空间中的水汽可渗透进空气湿度调节管道中的 空气中 （加湿空间中的空气则不 能渗透进空气湿度调节管道中） ， 从而使空气湿度调节管道中的混合空气或外 界空气湿度也达到 75%〜90<¾， 使燃料电池能在短吋间内使启动效能达到基准 效 育 ， 并能使燃料电池工作效能达到最高； 此外， 由于燃料电池经电化学反应后 排出的水汽及未反应的空气经水汽输入通道进 入加湿空间后， 可令加湿空间中 的空气湿度为 75<¾〜90<¾， 因此， 空气加湿子系统的加湿空间无需定吋加入水源 ， 利用燃料电池排出的水汽及未反应的空气即可 控制加湿空间中的空气湿度达 到 75%〜90<¾， 节省了人力， 避免了因未及吋加水而造成空气加湿子系统无 法正 常工作的问题。

[0041] 在上述技术方案中， 所述燃料电池供氧系统的供氧方法， 包括以下步骤： [0042] ( 1 ) 压缩空气 /氧气容器通过管道向射流减压调节子系统输� �压缩空气 /氧气； [0043] (2) 在射流减压调节子系统中， 压缩空气 /氧气经压缩空气 /氧气输入通道的喷 射口向混合空气输出通道喷射吋， 在喷射口处形成喷射气流， 该喷射气流吸取 外界空气输入通道中的空气， 两股气流混合后， 通过混合空气输出通道输出混 合空气， 并供应给燃料电池； 该压缩空气 /氧气与外界空气的重量比为 1 : 0.1〜1 ： 20；

[0044] (3) 燃料电池内， 氢气与空气中的氧气发生电化学反应， 输出电能。

[0045] 进一步， 所述混合空气在进入燃料电池之前， 通过空气加湿子系统进行加湿处 理， 或者所述外界空气进入射流减压调节子系统之 前， 通过空气加湿子系统进 行加湿处理。

[0046] 以上所述， 仅是本发明较佳实施方式， 凡是依据本发明的技术方案对以上的实 施方式所作的任何细微修改、 等同变化与修饰， 均属于本发明技术方案的范围 内。

工业实用性

工业实用性： 本发明为一种燃料电池供氧系统及供氧方法， 本发明利用压缩空 气或氧气做动力 （压缩比不限） ， 并通过射流减压调节子系统吸取外界的自然 空气， 减压及稀释压缩空气或氧气， 形成燃料电池的供氧系统， 无噪音、 寿命 长、 供氧效率非常高。 因此， 具有工业实用性。