CN106784927B - 一种氢燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源汽车用电池或新能源领域，尤其是一种氢燃料电池。包括壳体及位于壳体内的均压腔、电池结构、均热腔；电池结构包括供氧通道、供氢通道、阳极、阴极及电解质；均压腔位于电池结构的阴极侧，且均压腔内设有出氢管；均热腔位于电池结构的阳极侧，且均热腔内设有进氧管；在各电池结构的供氧通道和供氢通道内分别设有保压阀，同一电池结构供氧通道和供氢通道的保压阀对应，保压阀两侧的压差达到额定值时保压阀打开，任意两电池结构的保压阀额定值不同，并通过设计放置不同额定压力的保压阀，降低供氢压力波动对燃料电池使用的影响，使燃料电池各处的气压更均衡，提高燃料电池的输出功率，避免气压不均衡对电池输出功率的影响。

Description

一种氢燃料电池
技术领域
本发明涉及新能源汽车用电池或新能源领域，尤其是一种氢燃料电池。
背景技术
燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。早期燃料电池发展焦点集中在军事空间等专业应用以及千瓦级以上分散式发电上。电动车领域成为燃料电池应用的主要方向，市场已有多种采用燃料电池发电的自动车出现。另外，透过小型化的技术将燃料电池运用于一般消费型电子产品也是应用发展方向之一，在技术的进步下，未来小型化的燃料电池将可用以取代现有的锂电池或镍氢电池等高价值产品，作为用于笔记本电脑、无线电电话、录像机、照相机等携带型电子产品的电源。
由于燃料电池内的氢气和氧气必须充分加湿并进行保压，若压力不够或者湿度不够，容易造成燃料浪费会燃烧不从分的情况，影响电池的使用和输出功率。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种氢燃料电池，将燃料电池内设置若干个小单元的电池，并通过设计放置不同额定压力的保压阀，实现在各个小单元中的电池能够先后泄压，降低供氢压力波动对燃料电池使用的影响，使燃料电池各处的气压更均衡，提高燃料电池的输出功率，避免气压不均衡对电池输出功率的影响。
本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种氢燃料电池，包括壳体及位于壳体内的均压腔、电池结构、均热腔；电池结构包括供氧通道、供氢通道、阳极、阴极及电解质；均压腔位于电池结构的阴极侧，且均压腔内设有出氢管；均热腔位于电池结构的阳极侧，且均热腔内设有进氧管；多个电池结构并列设置，各电池结构供氧通道的进口通过进氧管连通氧气源、出口通过均热腔连通壳体外部，各电池结构供氢通道的进口通过均压腔连通氢气源、出口通过出氢管连通壳体外部；在各电池结构的供氧通道和供氢通道内分别设有保压阀，同一电池结构供氧通道和供氢通道的保压阀对应，保压阀两侧的压差达到额定值时保压阀打开，任意两电池结构的保压阀额定值不同。该结构中将保压阀设置在供氢通道的出口处，当供氢通道超过设定值时，使供氢通道导通，通过设计不同的保压阀的额定值，使压力较低时，仅有较少部分的电池结构的供氢通道形成氢气输出通路，实现氢气保压。
进一步，均压腔通过第一加湿腔连通壳体氢气源，均匀腔与第一加湿腔通过带斜孔的第一隔板隔开；第一加湿腔内设有加湿机构。将第一加湿腔内置与电池内，保证加湿的实时性，防止加湿后的气体在输送过程中脱湿，进而影响燃料电池的使用。
进一步，加湿机构为设于第一加湿腔顶部的喷雾头，斜孔的倾斜角度不小于45度，第一加湿腔的下部设有氢气进口和第一排水口。其斜孔的设计，能够减少喷雾头喷出的水进入均压腔中，同时，还能延长斜孔的长度，使过湿的气体能够脱湿至饱和湿度。
进一步，进氧管通过第二加湿腔连通氧气源，第二加湿腔与均热腔通过可导热的第二隔板隔开，第二加湿腔的顶部设有加湿喷头、下部设有氧气进口和第二排水口。采用进氧管的设计而不采用腔体的原因在于，空气进入供氧通道后氧气消耗少，且会受热膨胀并产生水蒸汽，供氧通道输出侧连接腔体，能够降低供氧通道中的排气难度，保证供氧通道的气流通畅；设置在加湿腔顶部的加湿喷头，保证空气加湿。
进一步，各电池结构的阳极相互连通，各电池结构的阴极相互连通，各电池结构的电解质相互连通。通过连通的阳极、阴极、和电解质。保证电池的串联，从而保证电池的输出电流，提高电池结构的整体性和统一性。
进一步，各电池结构共用阳极，各电池结构的共用阴极，各电池结构的共用电解质。通过公用的阳极、阴极、的结构，能够方便于燃料电池的生产和使用，在保证燃料电池内的各电池结构的整体性的同时，降低燃料电池的生产制造难度。
进一步，相邻的电池结构保压阀的额定值由上至下在1.6-2kpa的压力范围内递增；递增梯度为0.1-0.15kpa；斜孔的长度不少于25mm；在斜孔内设有螺旋状的玻璃条纹，玻璃条纹表面光滑用于吸水。
进一步，其工作方法为：
步骤1：将预热至70-90℃的氢气以0.1-0.5L/s的速度通入第一加湿腔中，同时，将预热至70-90℃的氧气含量为18-25%的空气通入第二加湿腔；
步骤2：位于第一加湿腔顶部的喷雾头以5-10ml/s的速度喷水，其喷雾的水滴温度为75±3℃、平均粒径为0.1-0.12mm，喷雾头使氢气过湿，过湿的氢气经斜孔冷凝为饱和湿度后进入均压腔，并使均压腔升压；同时，位于第二加湿腔中顶部的加湿喷头喷出温度为35±3℃、平均粒径为0.12-0.14mm的水滴，使第二加湿腔中的空气达到饱和湿度，空气进入到进氧管中并使进氧管内升压；
步骤3：均压腔和进氧管中的压力使同一电池结构供氧通道和供氢通道处的保压阀对应打开，各电池结构供氢通道的保压阀最小额定值为1.6kpa、最大额定值为2kpa；均压腔内升压使各电池结构供氢通道的保压阀依次打开，且对应供氧通道的保压阀在进氧管升压过程中打开；
步骤4： 供氢通道中的氢气与阴极接触后，氢离子依次通过阴极、质子交换膜的电解质与阳极处的氧离子结合，生成的水携带热量进入均热腔，均热腔通过第二隔板将热量传递至第二加湿腔；均热腔中的气体、出氢管中的气体输出到壳体外。
通过以上方法，实现电池结构内各电池结构单独保压，与常规机构中的统一保压方式相比，其在低压供氢环境中或不稳定气压供氢环境中的使用效果更好，且采用统一保压的方式其压力控制不稳定，影响电池的输出电流的稳定性，而本方法克服上述缺点，采用多通道压力控制，实现在供氢通道中的气压相对稳定，通过控制供氢通道是否导通的特性，提高燃料电池供气压力的稳定性，从而实现电流稳定输出。
进一步，壳体内具有5个电池结构，在步骤3中，各电池结构供氢通道的保压阀额定值分别为1.6kpa、1.7kpa、1.8kpa、1.9kpa、2kpa；各电池结构供氢通道对应的供氧通道中的空气供应量与电池结构的化学反应速度匹配。该结构通过不同额定压力值的保压阀的设计，使其中一个电池结构中的气压能够快速上升，直至达到保压阀的额定压力值后开始泄压，直至大大供氢通道的泄压上限。
进一步，步骤4中，均热腔排出壳体外的气体所携带的热量用于预热氢气或氧气；通过控制空气中氧气的含量和空气进入第一加湿腔的速度可控制阳极处的温度。该结构利用余热对氢气和空气进行预热，从而保证氢气和空气在燃料电池内能够迅速参与化学反应，提高电流输出的稳定性。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.将燃料电池内设置若干个小单元的电池，并通过设计放置不同额定压力的保压阀，实现在各个小单元中的电池能够先后泄压，降低供氢压力波动对燃料电池使用的影响，使燃料电池各处的气压更均衡，提高燃料电池的输出功率，避免气压不均衡对电池输出功率的影响。
2.与常规机构中的统一保压方式相比，其在低压供氢环境中或不稳定气压供氢环境中的使用效果更好，且采用统一保压的方式其压力控制不稳定，影响电池的输出电流的稳定性，而本方法克服上述缺点，采用多通道压力控制，实现在供氢通道中的气压相对稳定，通过控制供氢通道是否导通的特性，提高燃料电池供气压力的稳定性，从而实现电流稳定输出。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是氢燃料电池的结构图。
附图标记：1-壳体，2-阴极，3-电解质，4-阳极，5-第一隔板，6-均压腔，7-出氢管，8-保压阀，9-进氧管，10-第二隔板，11-第二加湿腔，12-均热腔。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的一种氢燃料电池，包括壳体1及位于壳体1内的均压腔6、电池结构、均热腔12；电池结构包括供氧通道、供氢通道、阳极4、阴极2及电解质3；均压腔6位于电池结构的阴极2侧，且均压腔6内设有出氢管7；均热腔12位于电池结构的阳极4侧，且均热腔12内设有进氧管9；多个电池结构并列设置，各电池结构供氧通道的进口通过进氧管9连通氧气源、出口通过均热腔12连通壳体1外部，各电池结构供氢通道的进口通过均压腔6连通氢气源、出口通过出氢管7连通壳体1外部；在各电池结构的供氧通道和供氢通道内分别设有保压阀8，同一电池结构供氧通道和供氢通道的保压阀8对应，保压阀8两侧的压差达到额定值时保压阀8打开，任意两电池结构的保压阀8额定值不同。
均压腔6通过第一加湿腔连通壳体1氢气源，均匀腔与第一加湿腔通过带斜孔的第一隔板5隔开；第一加湿腔内设有加湿机构。
加湿机构为设于第一加湿腔顶部的喷雾头，斜孔的倾斜角度不小于45度，第一加湿腔的下部设有氢气进口和第一排水口。
进氧管9通过第二加湿腔11连通氧气源，第二加湿腔11与均热腔12通过可导热的第二隔板10隔开，第二加湿腔11的顶部设有加湿喷头、下部设有氧气进口和第二排水口。
各电池结构的阳极4相互连通，各电池结构的阴极2相互连通，各电池结构的电解质3相互连通。
各电池结构共用阳极4，各电池结构的共用阴极2，各电池结构的共用电解质3。
相邻的电池结构保压阀8的额定值由上至下在1.6-2kpa的压力范围内递增；递增梯度为0.1-0.15kpa；斜孔的长度不少于25mm；在斜孔内设有螺旋状的玻璃条纹，玻璃条纹表面光滑用于吸水。
实施例2
实施例1中的燃料电池的工作方法为：
步骤1：将预热至70-90℃的氢气以0.1-0.5L/s的速度通入第一加湿腔中，同时，将预热至70-90℃的氧气含量为18-25%的空气通入第二加湿腔11；
步骤2：位于第一加湿腔顶部的喷雾头以5-10ml/s的速度喷水，其喷雾的水滴温度为75±3℃、平均粒径为0.1-0.12mm，喷雾头使氢气过湿，过湿的氢气经斜孔冷凝为饱和湿度后进入均压腔6，并使均压腔6升压；同时，位于第二加湿腔11中顶部的加湿喷头喷出温度为35±3℃、平均粒径为0.12-0.14mm的水滴，使第二加湿腔11中的空气达到饱和湿度，空气进入到进氧管9中并使进氧管9内升压；
步骤3：均压腔6和进氧管9中的压力使同一电池结构供氧通道和供氢通道处的保压阀8对应打开，各电池结构供氢通道的保压阀8最小额定值为1.6kpa、最大额定值为2kpa；均压腔6内升压使各电池结构供氢通道的保压阀8依次打开，且对应供氧通道的保压阀8在进氧管9升压过程中打开；
步骤4： 供氢通道中的氢气与阴极2接触后，氢离子依次通过阴极2、质子交换膜的电解质3与阳极4处的氧离子结合，生成的水携带热量进入均热腔12，均热腔12通过第二隔板10将热量传递至第二加湿腔11；均热腔12中的气体、出氢管7中的气体输出到壳体1外。
壳体1内具有5个电池结构，在步骤3中，各电池结构供氢通道的保压阀8额定值分别为1.6kpa、1.7kpa、1.8kpa、1.9kpa、2kpa；各电池结构供氢通道对应的供氧通道中的空气供应量与电池结构的化学反应速度匹配。
均热腔12排出壳体1外的气体所携带的热量用于预热氢气或氧气；通过控制空气中氧气的含量和空气进入第一加湿腔的速度可控制阳极4处的温度。

Claims (4)

1.一种氢燃料电池，其特征在于，包括壳体(1)及位于壳体(1)内的均压腔(6)、电池结构、均热腔(12)；电池结构包括供氧通道、供氢通道、阳极(4)、阴极(2)及电解质(3)；均压腔(6)位于电池结构的阴极(2)侧，且均压腔(6)内设有出氢管(7)；均热腔(12)位于电池结构的阳极(4)侧，且均热腔(12)内设有进氧管(9)；多个电池结构并列设置，各电池结构供氧通道的进口通过进氧管(9)连通氧气源、出口通过均热腔(12)连通壳体(1)外部，各电池结构供氢通道的进口通过均压腔(6)连通氢气源、出口通过出氢管(7)连通壳体(1)外部；在各电池结构的供氧通道和供氢通道内分别设有保压阀(8)，同一电池结构供氧通道和供氢通道的保压阀(8)对应，保压阀(8)两侧的压差达到额定值时保压阀(8)打开，任意两电池结构的保压阀(8)额定值不同；所述保压阀设置在供氢通道的出口处；均压腔(6)通过第一加湿腔连通壳体(1)氢气源，均压腔与第一加湿腔通过带斜孔的第一隔板(5)隔开；第一加湿腔内设有加湿机构；加湿机构为设于第一加湿腔顶部的喷雾头，斜孔的倾斜角度不小于45度，第一加湿腔的下部设有氢气进口和第一排水口；进氧管(9)通过第二加湿腔(11)连通氧气源，第二加湿腔(11)与均热腔(12)通过可导热的第二隔板(10)隔开，第二加湿腔(11)的顶部设有加湿喷头、下部设有氧气进口和第二排水口；各电池结构的阳极(4)相互连通，各电池结构的阴极(2)相互连通，各电池结构的电解质(3)相互连通；各电池结构共用阳极(4)，各电池结构的共用阴极(2)，各电池结构的共用电解质(3)；相邻的电池结构保压阀(8)的额定值由上至下在1.6-2kPa的压力范围内递增；递增梯度为0.1-0.15kPa；斜孔的长度不少于25mm；在斜孔内设有螺旋状的玻璃条纹，玻璃条纹表面光滑用于吸水。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，其工作方法为：
步骤1：将预热至70-90℃的氢气以0.1-0.5L/s的速度通入第一加湿腔中，同时，将预热至70-90℃的氧气含量为18-25％的空气通入第二加湿腔(11)；
步骤2：位于第一加湿腔顶部的喷雾头以5-10mL/s的速度喷水，其喷雾的水滴温度为75±3℃、平均粒径为0.1-0.12mm，喷雾头使氢气过湿，过湿的氢气经斜孔冷凝为饱和湿度后进入均压腔(6)，并使均压腔(6)升压；同时，位于第二加湿腔(11)中顶部的加湿喷头喷出温度为35±3℃、平均粒径为0.12-0.14mm的水滴，使第二加湿腔(11)中的空气达到饱和湿度，空气进入到进氧管(9)中并使进氧管(9)内升压；
步骤3：均压腔(6)和进氧管(9)中的压力使同一电池结构供氧通道和供氢通道处的保压阀(8)对应打开，各电池结构供氢通道的保压阀(8)最小额定值为1.6kPa、最大额定值为2kPa；均压腔(6)内升压使各电池结构供氢通道的保压阀(8)依次打开，且对应供氧通道的保压阀(8)在进氧管(9)升压过程中打开；
步骤4：供氢通道中的氢气与阴极(2)接触后，氢离子依次通过阴极(2)、质子交换膜的电解质(3)与阳极(4)处的氧离子结合，生成的水携带热量进入均热腔(12)，均热腔(12)通过第二隔板(10)将热量传递至第二加湿腔(11)；均热腔(12)中的气体、出氢管(7)中的气体输出到壳体(1)外。
3.如权利要求2所述的氢燃料电池，其特征在于，壳体(1)内具有5个电池结构，在步骤3中，各电池结构供氢通道的保压阀(8)额定值分别为1.6kPa、1.7kPa、1.8kPa、1.9kPa、2kPa；各电池结构供氢通道对应的供氧通道中的空气供应量与电池结构的化学反应速度匹配。
4.如权利要求2所述的氢燃料电池，其特征在于，步骤4中，均热腔(12)排出壳体(1)外的气体所携带的热量用于预热氢气或氧气；通过控制空气中氧气的含量和空气进入第一加湿腔的速度可控制阳极(4)处的温度。
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