一种氢燃料电池系统的制作方法

所属的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

背景技术：

1、氢气纯化、压缩是现有氢能产业链中至关重要的工艺过程。常见的氢气纯化方法有低温分离、变压吸附、钯膜法和电化学纯化法。变压吸附法具有灵活调节氢气产品纯度的优点，也是全球应用最广泛的氢气纯化方法之一；低温分离法需在零下-235~-46℃范围内将氢气与杂质分离，具有能耗高的问题；钯膜法则适合于生产高纯氢及超纯氢，运行温度高，成本较高；电化学纯化法可在常温常压下操作，无需机械压缩，得到的氢气纯度高。目前工业上常用氢气压缩机主要有金属隔膜式压缩机、液驱式活塞压缩机、离子液体压缩机、电化学压缩机和金属氢化物压缩机等5种。其中，利用电化学压缩具有效率高、能耗低、可纯化氢气、无活动部件、无噪音等突出优势。

2、常见燃料电池系统需要使用氢气循环泵建立从电堆氢气出口到氢气入口的氢气循环，常用的氢气循环泵采用机械压缩原理，因此具有噪声大、功耗高的问题，且因被压缩的氢气中通常含有水分，因此压缩效率低；同时为保证安全需要使用防爆电机，提高了设备成本。此外，氢气在不断循环消耗的过程中，杂质气体不断积累，为保证燃料电池的效率，避免杂质对燃料电池造成损坏，需要周期性的排出含有一定杂质的气体，从而会造成氢气浪费。

技术实现思路

1、针对现存在的问题，本发明的目的在于提供一种氢气利用率高、无需周期性排气的氢燃料电池系统，为解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益选择或创造条件。

2、为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种氢燃料电池系统，包括燃料电池电堆，其中，在所述燃料电池电堆的氢气出口端和氢气入口端之间设有电化学纯化氢循环装置；所述电化学纯化氢循环装置包括阳极双极板、质子交换膜、阴极双极板和外部电源，所述质子交换膜设置在所述阳极双极板和所述阴极双极板之间，所述外部电源的正负极分别与所述述阳极双极板和所述阴极双极板连接。

4、系统运行时，含微量杂质的氢气流入所述燃料电池电堆内部反应，含过量杂质的氢气流出所述燃料电池电堆后进入所述电化学纯化氢循环装置纯化，氢气在所述电化学纯化氢循环装置的阳极被氧化为氢离子后穿过所述质子交换膜到达所述电化学纯化氢循环装置的阴极，在阴极处又被还原为氢气，杂质气体因无法穿过所述质子交换膜而被直接排出系统，纯化后的氢气回流至所述氢气入口端。

5、更为优选的是，系统运行时，根据电化学纯化氢循环装置工作产生的电流判断氢气循环量，通过控制氢气循环量与新鲜氢气进气流量来确保电堆内部氢气分布均匀性。

6、更为优选的是，系统运行时，电化学纯化氢循环装置工作在最大电流状态下，通过控制新鲜氢气进气流量来确保电堆内部氢气分布均匀性。

7、更为优选的是，所述阳极双极板和所述阴极双极板均为带涂层的金属双极板。

8、更为优选的是，在所述阳极双极板和所述质子交换膜之间设置有阳极扩散层和阳极催化层，所述阳极扩散层靠近所述阳极双极板设置，所述阳极催化层靠近所述质子交换膜设置。

9、更为优选的是，在所述阴极双极板和所述质子交换膜之间设置有阴极扩散层和阴极催化层，所述阴极扩散层靠近所述阴极双极板设置，所述阴极催化层靠近所述质子交换膜设置。

10、更为优选的是，在所述燃料电池电堆上连接有供氢子系统，所述供氢子系统为所述燃料电池电堆提供新鲜氢气。

11、更为优选的是，在所述燃料电池电堆上连接有热管理子系统，所述热管理子系统用于控制所述燃料电池电堆及流体的温度。

12、更为优选的是，在所述燃料电池电堆上连接有空气供给子系统，所述空气供给子系统用于控制进入所述燃料电池电堆的空气流量、压力和湿度。

13、本发明采用如上技术方案至少具有以下有益效果。

14、一、本发明利用电化学纯化氢循环装置来实现氢燃料电池电堆的氢气纯化循环利用，可完全将电堆出口的氢气进行循环使用，并直接排出杂质，提高电堆内氢气流量的同时提高了氢气的利用率。

15、二、当电堆内的氢气流量较小时，会出现氢气在电堆内部流场分布不均匀的问题，影响燃料电池性能和寿命，本发明利用电化学纯化氢循环装置进行氢气循环，无需周期性的进行杂质气体排放，保证电堆气体工作压力稳定，避免了因流场分布不均而造成性能下降的问题。

16、三、利用电化学纯化氢循环装置替代机械类氢气循环泵，避免了所存在的噪声大、功耗高、带水压缩导致效率低、需要防爆电机导致成本高等问题。

17、四、相比传统分离方法，电化学纯化氢循环装置得到的氢气纯度高，且电化学纯化氢循环装置在常温常压下工作，避免了高温高压操作。

技术特征：

1.一种氢燃料电池系统，包括燃料电池电堆，其特征在于，在所述燃料电池电堆的氢气出口端和氢气入口端之间设有电化学纯化氢循环装置；所述电化学纯化氢循环装置包括阳极双极板、质子交换膜、阴极双极板和外部电源，所述质子交换膜设置在所述阳极双极板和所述阴极双极板之间，所述外部电源的正负极分别与所述阳极双极板和所述阴极双极板连接；

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，系统运行时，根据电化学纯化氢循环装置工作产生的电流判断氢气循环量，通过控制氢气循环量与新鲜氢气进气流量来确保电堆内部氢气分布均匀性。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，系统运行时，电化学纯化氢循环装置工作在最大电流状态下，通过控制新鲜氢气进气流量来确保电堆内部氢气分布均匀性。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，所述阳极双极板和所述阴极双极板均为带涂层的金属双极板。

5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，在所述阳极双极板和所述质子交换膜之间设置有阳极扩散层和阳极催化层，所述阳极扩散层靠近所述阳极双极板设置，所述阳极催化层靠近所述质子交换膜设置；

6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池电堆上连接有供氢子系统，所述供氢子系统为所述燃料电池电堆提供新鲜氢气。

7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池电堆上连接有热管理子系统，所述热管理子系统用于控制所述燃料电池电堆及流体的温度。

8.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池电堆上连接有空气供给子系统，所述空气供给子系统用于控制进入所述燃料电池电堆的空气流量、压力和湿度。

技术总结本发明涉及燃料电池技术领域，公开一种氢燃料电池系统。本发明利用电化学纯化氢循环装置替代氢气循环泵，含微量杂质的氢气流入燃料电池电堆内部反应，过量含杂质的氢气流出燃料电池后进入电化学纯化装置，杂质气体被直接排出，无需周期性的进行杂质气体排放，在保证电堆气体工作压力稳定的同时提高了氢气的利用率。系统的氢气循环量可以根据需求调节，适当控制循环量与电堆入口新鲜氢气进气流量，可保证电堆内部流场均匀性，提高电堆性能。纯化装置由金属双极板、扩散层、催化层和质子交换膜组成，其中，金属双极板处于氢气环境且外加极小的电压即可实现纯化，因此使用低成本涂层即可保证装置性能及寿命。技术研发人员：张锐明,刘若璐,吴焯峰,冯芷晴受保护的技术使用者：广东省武理工氢能产业技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/1