CN100416903C - 一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆，包括膜电极、导流极板、集流母板、前后端板、紧固拉杆，还包括空气供应装置，该空气供应装置包括风机、空气集流罩，所述的空气集流罩将燃料电池堆一侧所有空气导流槽集合成的端面罩住，在空气集流罩的中间位置开孔，开孔处与风机的吸风口相连；当风机工作时，由于空气集流罩的作用而产生负压，使电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面处的空气被吸入。与现有技术相比，本发明可使电堆中空气流动更加均匀，有利于提高电池运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
上海神力科技有限公司现有专利“一种节能型燃料电池”(专利号为02279853.6)中，燃料电池堆的空气供应技术方法如图1所示，通过在燃料电池堆的上、下侧布置鼓风扇层1’和吸风扇层3’，从而达到输送空气至电堆2’的作用。
上述现有技术存在一定的缺陷：
①如果燃料电池堆较长，整个燃料电池堆上侧端面的空气入口面积较大的话，则需要若干个鼓风扇并排齐吹才可以让常压空气同时穿过燃料电池堆。同样下侧也相应的需要若干个吸风扇。这样风扇的多个分布势必会增加燃料电池系统的复杂性，并使整个系统的功率密度降低。
②上、下侧风扇在运行的过程中形成空气流，无法在整个燃料电池堆中所有的空气导流板上均匀分布。
③容易将灰尘、水、杂质等有害物质带入燃料电池堆，留在各个空气导流板内。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可使电堆中空气流动更加均匀，有利于提高电池运行稳定性的带有空气供应装置的节能型燃料电池堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆，包括膜电极、导流极板、集流母板、前后端板、紧固拉杆，其特征在于，还包括空气供应装置，该空气供应装置包括风机、空气集流罩，所述的空气集流罩将燃料电池堆一侧所有空气导流槽集合成的端面罩住，在空气集流罩的中间位置开孔，开孔处与风机的吸风口相连；当风机工作时，由于空气集流罩的作用而产生负压，使电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面处的空气被吸入。
所述的电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面铺设一层空气过滤网。
所述的导流极板包括空气导流极板、氢气导流极板，其中，所述的空气导流极板设有多条空气导流槽，该空气导流槽从空气导流板的一侧直接穿到另一侧，在多块空气导流板、膜电极、氢气导流板叠加后，整个燃料电池堆的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口。
所述的燃料电池堆还设有供氢夹板，该供氢夹板上设有氢气进、出导流孔，该导流孔与导流极板上的氢气导流孔相对应，所述的供氢夹板侧面设有氢气进、出流道，该氢气进、出流道与上述氢气进、出导流孔相通，所述的供氢夹板设在电池堆的中部。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
①采取了空气集流罩，使得整个燃料电池堆中的每块空气导流板中的空气流动均匀。
②空气集流罩的开孔与风机吸入口相连接，很容易通过控制风机的转速从而达到控制空气流量，控制燃料电池堆的稳定运行。
③在燃料电池的另一端面，铺上一层过滤网，来挡灰尘和杂质。
附图说明
图1为现有技术一种节能型燃料电池的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明另一侧面的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例
如图2、图3所示，一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆，长宽高尺寸为275mm×83mm×132mm，该燃料电池堆包括膜电极、导流极板、集流母板、前后端板、紧固拉杆，还包括空气供应装置，该空气供应装置包括风机3、空气集流罩5，所述的空气集流罩5将燃料电池堆一侧所有空气导流槽集合成的端面罩住，在空气集流罩的中间位置开孔4，开孔4处与风机3的吸风口相连；当风机工作时，由于空气集流罩5的作用而产生负压，使电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面处的空气被吸入。所述的电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面铺设一层空气过滤网6。
所述的燃料电池堆还设有供氢夹板，该供氢夹板上设有氢气进、出导流孔，该导流孔与导流极板上的氢气导流孔相对应，所述的供氢夹板侧面设有氢气进、出流道1、2，该氢气进、出流道1、2与上述氢气进、出导流孔相通，所述的供氢夹板设在电池堆的中部。
如图2所示，本实施例风机3是一种可调速，由无刷电机带动的，功耗很小，效率又高。风机3的功率为小于30W。燃料电池堆的空气导流槽其中一端面用空气集流罩5覆盖住，风机3的吸风口与集流罩中间开孔处4相连接。而电堆的空气导流槽另一端面铺上过滤层6。该燃料电池功率可达100～300W。两小分堆串联起来可输出40～80V左右电压，并联起来则可以输出20～40V左右的电压。
Claims (2)
1. 一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆，包括膜电极、导流极板、集流母板、前后端板、紧固拉杆，其特征在于，还包括空气供应装置，该空气供应装置包括风机、空气集流罩，所述的空气集流罩将燃料电池堆一侧所有空气导流槽集合成的端面罩住，在空气集流罩的中间位置开孔，开孔处与风机的吸风口相连；当风机工作时，由于空气集流罩的作用而产生负压，使电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面处的空气被吸入；所述的电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面铺设一层空气过滤网；所述的燃料电池堆还设有供氢夹板，该供氢夹板上设有氢气进、出导流孔，该导流孔与导流极板上的氢气导流孔相对应，所述的供氢夹板侧面设有氢气进、出流道，该氢气进、出流道与上述氢气进、出导流孔相通，所述的供氢夹板设在电池堆的中部。
2. 根据权利要求1所述的一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆，其特征在于，所述的导流极板包括空气导流极板、氢气导流极板，其中，所述的空气导流极板设有多条空气导流槽，该空气导流槽从空气导流板的一侧直接穿到另一侧，在多块空气导流板、膜电极、氢气导流板叠加后，整个燃料电池堆的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口。
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