CN103078125A - 一种水冷封闭型燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水冷封闭型燃料电池电堆，电堆封装在壳体内，由多个单电池串联迭加组成电堆，单电池由膜电极、氢板和氧板组成，氢板和氧板分别设置在膜电极的两侧；阳极封板紧压电堆一端，阴极封板紧压电堆另一端；壳体上设有进管口和出管口，进管口设有通向电堆的氢气输入管道和空气输入管道，电堆反应所需氢气由氢气管道流入，所需氧气由空气管道流入，进管口还设有通向电堆的冷却槽，向其提供冷却水的冷却水管道；与电堆相连接的氢气输出管道、空气输出管道和冷却水排出管道通过出管口连接至壳体外。本发明使电堆受环境温度影响较小，能够降低空气杂质对膜电极的污染；电堆整体均匀性好，延长其工作寿命。

Description

一种水冷封闭型燃料电池电堆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种水冷封闭型燃料电池电堆。
背景技术
燃料电池是通过将燃料在电解质中进行化学反应的方式，直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转化为电能，其燃料不经过燃烧，没有内燃机复杂的能量转化过程，因此发电效率是目前所有发电方式中最高的。由于它没有运动部件、无燃烧，因而噪声低、红外特征小。
燃料电池发电装置的核心是电堆，其性能的优劣直接决定整个电池的性能。燃料电池电堆由一片一片单电池串联迭加而成，各单电池温度是否均匀影响整体性能。同时燃料电池电堆性能受环境温度影响较大。电堆工作整体性能均匀性直接决定整堆寿命。根据电堆散热方式的不同，可以有多种不同实现方案：风冷双风机方案、直接风冷方案、水冷封闭结构方案等。
风冷双风机方案的反应风机和散热风机采用两个不同风机且功能独立，电堆结构简单紧凑，工艺性好，适于批量生产；反应空气风道与散热空气风道分离，电堆水、热管理相对对立，管理策略简单，容易实现电堆优化运行，且空气杂质对膜电极污染小，膜电极使用寿命长；电堆阴极尾气循环利用，可实现阳极进气的自增湿功能；电堆设计小环境结构，具有阴极自增湿功能，环境适应性强。其缺点是由于采用多个电堆并联，自耗较大；一般适于功率范围200W～3000W的电源系统。
直接风冷方案的反应风机和散热风机合二为一，电堆结构更为紧凑，其反应产生的水被大流量的空气带走，几乎处于干膜发电，因此对环境温度不敏感，可在高温、低温下正常工作。其缺点是电堆干膜发电，发电效率低、功率密度小、寿命短、成本高，电堆的体积、重量相对风冷双风机方案较大。
水冷封闭结构方案的散热能力强，电堆受环境温度影响较小；采用产品化的工业空气泵，空气泵入口带有空气过滤装置，因而膜电极受空气杂质污染的可能性减少；水冷散热，电堆内部温度分布均匀；空气泵供气压力远大于风冷双风机方案中的反应空气压力，电堆配气均匀，因而电堆工作整体均一性好，整堆寿命较长；控制环节较少，控制系统相对简单，适合设计较大功率（5kW～120kW）电源系统。其缺点是在大功率变工况运行时需要强制加湿。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种水冷封闭型燃料电池电堆，使其受环境温度影响较小，降低空气杂质对膜电极的污染；电堆整体均匀性好，延长其工作寿命。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种水冷封闭型燃料电池电堆，电堆封装在壳体内，由多个单电池串联迭加组成电堆，单电池由膜电极、氢板和氧板组成，氢板和氧板分别设置在膜电极的两侧；阳极封板紧压电堆一端，阴极封板紧压电堆另一端，电堆通过阳极取电装置和阴极取电装置向负载提供电能；
壳体上设有进管口和出管口，进管口设有通向电堆的氢气输入管道和空气输入管道，电堆反应所需氢气由氢气管道流入，所需氧气由空气管道流入，进管口还设有通向电堆的冷却槽，向其提供冷却水的冷却水管道；与电堆相连接的氢气输出管道、空气输出管道和冷却水排出管道通过出管口连接至壳体外。
所述氢板在膜电极一侧送入氢气，氧板在膜电极的另一侧送入空气，氢气和空气中的氧气在膜电极中发生电化学反应，产生电能。
所述氢板的入口与氢气输入管道相连接，其出口与氢气输出管道相连接；氧板的入口与空气输入管道相连接，其出口与空气输出管道相连接，空气输出管道与大气相通。
所述氢气瓶中的氢气经过减压阀、电磁阀、调节阀后进入增湿单元，氢气增湿后由氢气输入管道进入电堆；
空气经过过滤器，由气泵经调节阀泵入增湿单元，空气增湿后由空气输入管道进入电堆。
所述的氢气经氢气输入管道、空气经空气输入管道，并行的送达到每个单电池。
所述的氢气输入管道、空气输入管道上均分别设有压力传感器、温度传感器和湿度传感器。
所述的冷却水输出管道在壳体外设有冷却水泵，冷却水泵将流出壳体的水泵入到冷却水箱中；冷却水箱中的水流出至散热器进行降温，降温后的冷却水流入冷却水输入管道，进入电堆的冷却槽进行冷却。
所述的冷却水箱中的水流出至散热器后，经风扇向环境散热。
所述的冷却水输出管道上设有压力传感器，冷却水输入管道上设有温度传感器。
所述的阳极封板外依次设有阳极绝缘板和固定电堆用的压板；
阴极封板外依次设有阴极绝缘板和固定电堆用的压板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的水冷封闭型燃料电池电堆，电堆封装在壳体内，电堆反应所需氢气由氢气管道流入，所需氧气由空气管道流入，并行地送达每个单电池。冷却水系统将较低温度冷却水由冷却水箱泵入电堆冷却槽内，与氢板、氧板交换热量，热量后高温水在壳体外向环境散热。
本发明提供的水冷封闭型燃料电池电堆，采用水冷散热冷却效果好，可以提高散热能力，使其受环境温度减小，同时改善电堆温度的均匀性，有效提高单电池的一致性和均匀性以及电堆性能，该电堆结构能组成几十或上百千瓦的电堆。
进一步，空气经过滤器，有效去除了杂质，降低了其对膜电极的污染。而本发明的电堆是密封的，可以减少灰尘、杂质的进入，减少电堆中毒概率，延长电堆的寿命。
本发明提供的水冷封闭型燃料电池电堆，封闭式结构还可以提高阴极湿度的均匀度，利用排气压力可以顺利将液态水排出电堆，使电堆均匀性大幅提高。
附图说明
图1为本发明的电堆结构示意图之一；
图2为本发明的电堆结构示意图之二;
图3为图2的局部放大示意图；
图4为本发明的电堆的左视图；
图5为本发明的燃料电池的结构示意图。
其中，1为出管口1，2为阴极取电装置，3为壳体，4为阳极取电装置，5为进管口，8为压板，9为阳极绝缘板，10为阳极封板，11为氢板，12为膜电极，13为氧板，14为阴极封板，15为阴极绝缘板，19为螺栓，20为沉头螺钉，21为螺钉。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1～图5，一种水冷封闭型燃料电池电堆，电堆封装在壳体3内，由多个单电池串联迭加组成电堆，单电池由膜电极12、氢板11和氧板13组成，氢板11和氧板13分别设置在膜电极12的两侧；阳极封板10紧压电堆一端，阴极封板14紧压电堆另一端，电堆通过阳极取电装置4和阴极取电装置15向负载提供电能；
壳体3上设有进管口5和出管口1，进管口5设有通向电堆的氢气输入管道和空气输入管道，电堆反应所需氢气由氢气管道流入，所需氧气由空气管道流入，进管口5还设有通向电堆的冷却槽，向其提供冷却水的冷却水管道；与电堆相连接的氢气输出管道、空气输出管道和冷却水排出管道通过出管口1连接至壳体3外。
具体的，氢板11在膜电极12一侧送入氢气，氧板13在膜电极12的另一侧送入空气，氢气和空气中的氧气在膜电极12中发生电化学反应，产生电能。单电池产生的电能小，电压低，多个单电池串联迭加组成电堆。
电堆整体封装在壳体3内，阳极封板10紧压电堆一端，阴极封板14紧压电堆另一端，保证各单电池紧凑，电化学反应能顺利进行。阳极封板10外依次设有阳极绝缘板9和固定电堆用的压板8；阴极封板14外依次设有阴极绝缘板15和固定电堆用的压板8，通过螺栓19、沉头螺钉20和螺钉21固定。
进一步，氢板11的入口与氢气输入管道相连接，其出口与氢气输出管道相连接；氧板13的入口与空气输入管道相连接，其出口与空气输出管道相连接，空气输出管道与大气相通。
氢气瓶中的氢气经过减压阀、电磁阀、调节阀后进入增湿单元，氢气增湿后由氢气输入管道进入电堆；
空气经过过滤器，由气泵经调节阀泵入增湿单元，空气增湿后由空气输入管道进入电堆。氢气经氢气输入管道、空气经空气输入管道，并行的送达到每个单电池。
所述的氢气输入管道、空气输入管道上均分别设有压力传感器、温度传感器和湿度传感器，以便于更好的控制电堆电能的产生。
所述的冷却水输出管道在壳体外设有冷却水泵，冷却水泵将流出壳体的水泵入到冷却水箱中；冷却水箱中的水流出至散热器进行降温，降温后的冷却水流入冷却水输入管道，进入电堆的冷却槽进行冷却。
所述的冷却水箱中的水流出至散热器后，经风扇向环境散热。
参见图5，电堆在组成燃料电池系统时，氢气瓶中的氢气经过减压阀、电磁阀、调节阀后进入增湿单元，空气经过过滤器，由气泵经调节阀泵入增湿单元。经过增湿的空气由空气管道、氢气由氢气管道从进管口进入电堆，进而发生电化学反应，产生电能。冷却水泵将冷却水箱中的水经散热器降温后，流入冷却水管道从进管口进入电堆，从而实现电堆散热。
由于本发明采用了水冷封闭型燃料电池电堆，电堆封装在壳体内，可以减少灰尘、杂质的进入，减少电堆中毒概率，延长电堆的寿命；进入电堆内的空气经过滤器，有效去除了杂质，降低了其对膜电极的污染。采用水冷散热冷却效果好，可以提高散热能力，使其受环境温度减小，同时改善电堆温度的均匀性，有效提高单电池的一致性和均匀性以及电堆性能。而且封闭式结构还可以提高阴极湿度的均匀度，利用排气压力可以顺利将液态水排出电堆，使电堆均匀性大幅提高。

Claims (10)

1.一种水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，电堆封装在壳体（3）内，由多个单电池串联迭加组成电堆，单电池由膜电极（12）、氢板（11）和氧板（13）组成，氢板（11）和氧板（13）分别设置在膜电极（12）的两侧；阳极封板（10）紧压电堆一端，阴极封板（14）紧压电堆另一端，电堆通过阳极取电装置（4）和阴极取电装置（15）向负载提供电能；
壳体（3）上设有进管口（5）和出管口（1），进管口（5）设有通向电堆的氢气输入管道和空气输入管道，电堆反应所需氢气由氢气管道流入，所需氧气由空气管道流入，进管口（5）还设有通向电堆的冷却槽，向其提供冷却水的冷却水管道；与电堆相连接的氢气输出管道、空气输出管道和冷却水排出管道通过出管口（1）连接至壳体（3）外。
2.如权利要求1所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，氢板（11）在膜电极（12）一侧送入氢气，氧板（13）在膜电极（12）的另一侧送入空气，氢气和空气中的氧气在膜电极（12）中发生电化学反应，产生电能。
3.如权利要求1所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，氢板（11）的入口与氢气输入管道相连接，其出口与氢气输出管道相连接；氧板（13）的入口与空气输入管道相连接，其出口与空气输出管道相连接，空气输出管道与大气相通。
4.如权利要求1所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，氢气瓶中的氢气经过减压阀、电磁阀、调节阀后进入增湿单元，氢气增湿后由氢气输入管道进入电堆；
空气经过过滤器，由气泵经调节阀泵入增湿单元，空气增湿后由空气输入管道进入电堆。
5.如权利要求1或4所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，所述的氢气经氢气输入管道、空气经空气输入管道，并行的送达到每个单电池。
6.如权利要求1所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，所述的氢气输入管道、空气输入管道上均分别设有压力传感器、温度传感器和湿度传感器。
7.如权利要求1所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，所述的冷却水输出管道在壳体外设有冷却水泵，冷却水泵将流出壳体的水泵入到冷却水箱中；冷却水箱中的水流出至散热器进行降温，降温后的冷却水流入冷却水输入管道，进入电堆的冷却槽进行冷却。
8.如权利要求7所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，所述的冷却水箱中的水流出至散热器后，经风扇向环境散热。
9.如权利要求1或7所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，所述的冷却水输出管道上设有压力传感器，冷却水输入管道上设有温度传感器。
10.如权利要求1所述的水冷封闭型燃料电池电堆，其特征在于，所述的阳极封板（10）外依次设有阳极绝缘板（9）和固定电堆用的压板（8）；
阴极封板（14）外依次设有阴极绝缘板（15）和固定电堆用的压板（8）。
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