CN107749485A - 用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，包括壳体、位于壳体内的电池本体，所述壳体上设置氢气入口、空气入口，所述电池本体位于氢气入口和空气入口之间，所述电池本体包括依次设置的阴极、氢气催化层、氢离子扩散腔、质子交换膜、反应腔、阳极，所述阴极与氢气入口相连通，所述阳极与空气入口相连通，所述壳体内还设置有均压腔，所述均压腔位于氢气入口与阴极之间，所述均压腔分别与氢气入口、阴极相连通。本发明的目的在于提供用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，以解决现有技术中蓄电池单体性能不佳导致空铁不便长距离运行的问题，实现为空铁持续稳定的提供能源的目的。
Description
技术领域
本发明涉及空铁驱动领域，具体涉及用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构。
背景技术
空铁，即悬挂式空中单轨交通系统，与地铁和有轨电车不同，空铁的轨道在上方，是悬挂在空中轨道上运行的一种轨道交通。空铁是一种新型新能源公共交通，集城市快速公交(BRT)与地铁的优点于一身，具有缓解交通拥堵、载客效率高、成本低、建设周期短、不占用停车场、节能环保等众多优点。人类对新能源的广泛运用，导致了二次电池市场的急速扩大。当前新能源体系中对二次电池的要求无处不在。无论是电动汽车，风能，太阳能并网还是电网调峰，都急需一种廉价，可靠，安全和寿命长的二次电池。目前所发展的二次电池主要集中在锂离子电池，高温钠硫电池，钠镍氯电池和钒液流电池。这些电池都具有各自的优点，比如锂离子电池和高温钠硫电池寿命长以及能量密度高，钒液流电池更是理论上具备无限的寿命等。但无论哪种电池，都无法同时满足廉价，可靠，安全和寿命长的要求。传统的锂离子电池过于昂贵，且有安全隐患；高温钠硫电池制造技术门槛高，售价昂贵；钒液流电池多项技术瓶颈目前都未能获得突破等。
特别是对于空铁而言，动力蓄电池包需要安装在轨道箱梁内，由于空间限制、加上单体蓄电池的性能有限，一个电池包的电量只能运行100公里左右，远远不能满足长距离运行的要求，极大的限制了空铁技术的大规模推广。针对上述问题，现有技术只能够采用换电池包的方法，但是每天更换3-4次电池包不仅流程复杂，还要配置专门的充电站，成本居高，严重影响运行效率和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，以解决现有技术中蓄电池单体性能不佳导致空铁不便长距离运行的问题，实现为空铁持续稳定的提供能源的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，包括壳体、位于壳体内的电池本体，所述壳体上设置氢气入口、空气入口，所述电池本体位于氢气入口和空气入口之间，所述电池本体包括依次设置的阴极、氢气催化层、氢离子扩散腔、质子交换膜、反应腔、阳极，所述阴极与氢气入口相连通，所述阳极与空气入口相连通，所述壳体内还设置有均压腔，所述均压腔位于氢气入口与阴极之间，所述均压腔分别与氢气入口、阴极相连通。
针对现有技术中蓄电池单体性能不佳导致空铁不便长距离运行的问题，本发明提出一种用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，通过氢气入口向阴极上供入氢气，阴极上的氢气在氢气催化层的催化作用下发生氧化反应被解离成带正电的氢离子和电子，其中，产生的电子在电势的作用下经外电路流向阴极形成电流，氢离子则穿过氢离子扩散腔、经质子交换膜到达贴近阳极的反应腔处、向着阳极方向进行扩散，阳极与空气入口相连，因此空气中的氧气会附着在阳极上，氧气在阳极上被拆分成带负电的氧离子和电子，电子在电极板之间形成电流，从而实现能够持续供电的氢燃料电池。本发明装配在空铁的电池包内即可，仅需提供稳定的氢气供给即可长期工作，随着空铁的高速运行，空气能够自动进入阳极方向，从而源源不断的产生电力对空铁仅需牵引，不需要建设高压电、变电站、充电站等额外基础设备，减少大量建设和备用锂电池成本。在有高压电地区能够节省建设成本，而在较为落后的没有高压电的野外等，也能够提供足够的动力，使得大规模、远距离建设空铁成为可能。所述壳体内还设置有均压腔，所述均压腔位于氢气入口与阴极之间，所述均压腔分别与氢气入口、阴极相连通。通过均压腔使得从氢气入口进入的氢气气压快速的与电池本体内部相平衡，确保反应自然流畅的进行。
优选的，所述均压腔包括若干层并排的格栅板，相邻两层格栅板之间的距离为3～5mm，相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布。处于高压状态下的氢气具有非常大的流速，直接与阴极接触会导致利用率十分低下、同时非常容易对电池本体内部结构造成冲蚀损伤，而本方案中氢气进入均压腔后需要通过多层格栅板才能够接触到阴极部分，由于相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布，因此对进入电池本体的氢气进行产生极大的摩阻与动能损耗，使得氢气得到充分的压降后才能够与阴极接触，使得氢气在均压腔内能够充分的进行压力平衡，确保氢气的充分利用与反应。相邻两层格栅板之间的距离为3～5mm，能够避免距离过近氢气受阻过分严重流动滞塞、也能够避免距离过大降压均压效果不足，具有最佳的使用效果。
优选的，所述均压腔的出气端通过供氢通道与阴极连通。即是从均压腔出来的氢气经过供氢通道后再与阴极接触，进一步确保氢气气流的平稳供给。
优选的，所述反应腔底部设置排水通道。两个氢离子和一个氧离子在反应腔上发生还原反应生成水，生成的水进入排水通道冷凝，便于统一排出。
优选的，所述排水通道连通至壳体外侧。便于将冷凝后的水快速方便的排出至壳体外。
优选的，还包括与所述氢气入口相连的氢气发生装置。将氢气发生装置直接固定连接在氢气入口端，便于使用与操作，确保氢气稳定的供给。
优选的，还包括氢气回收管，所述氢气回收管的一端与阴极底端相连、另一端与氢气入口相连。将阴极处多余的氢气进行收集，使得通过氢气回收管进入氢气入口，从而实现多余氢气的回收利用，降低能源消耗，节约成本。
优选的，所述空气入口和阳极之间通过供氧通道连通，所述供氧通道、供氢通道内均设置压力传感器。通过供氧通道使得空气经过供氧通道的缓冲后再与阳极接触，提高空气入口和阳极之间空气流动稳定性。此外，通过供氧通道、供氢通道内均设置压力传感器，可以实时的监测两者压力，从而便于通过阀门等现有技术控制供氧通道、供氢通道内的压差，使得两者压差处于有利于电化学反应进行的范围内，从而提高电化学反应的效率，提高本发明的发电效率。
优选的，所述的质子交换膜为全氟磺酸膜。全氟磺酸膜的化学性质稳定、热稳定性好、电压降低、电导率高，可在强酸、强碱、强氧化剂介质和高温等苛刻条件下使用，因此能够极大的确保本发明工作过程中的稳定性，提高使用寿命。
优选的，所述的氢气催化层为铂质金属片。通过铂质金属加快反应进行速率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，装配在空铁的电池包内即可，仅需提供稳定的氢气供给即可长期工作，随着空铁的高速运行，空气能够自动进入阳极方向，从而源源不断的产生电力对空铁仅需牵引，不需要建设高压电、变电站、充电站等额外基础设备，减少大量建设和备用锂电池成本。在有高压电地区能够节省建设成本，而在较为落后的没有高压电的野外等，也能够提供足够的动力，使得大规模、远距离建设空铁成为可能。
2、本发明用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，通过均压腔使得从氢气入口进入的氢气气压快速的与电池本体内部相平衡，确保反应自然流畅的进行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-壳体，2-氢气回收管，3-均压腔，4-供氢通道，5-氢气催化层，6-氢离子扩散腔，7-氢气发生装置，8-反应腔，9-排水通道，10-供氧通道，11-阳极，12-质子交换膜，13-阴极，14-氢气入口，15-空气入口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，包括壳体1、位于壳体1内的电池本体，其特征在于，所述壳体1上设置氢气入口14、空气入口15，所述电池本体位于氢气入口14和空气入口15之间，所述电池本体包括依次设置的阴极13、氢气催化层5、氢离子扩散腔6、质子交换膜12、反应腔8、阳极11，所述阴极13与氢气入口14相连通，所述阳极11与空气入口15相连通。所述壳体1内还设置有均压腔3，所述均压腔3位于氢气入口14与阴极13之间，所述均压腔3分别与氢气入口14、阴极13相连通。所述均压腔3的出气端通过供氢通道4与阴极13连通。本实施例通过氢气入口14向阴极13上供入氢气，阴极上的氢气在氢气催化层5的催化作用下发生氧化反应被解离成带正电的氢离子和电子，其中，产生的电子在电势的作用下经外电路流向阴极形成电流，氢离子则穿过氢离子扩散腔6、经质子交换膜12到达贴近阳极的反应腔处、向着阳极方向进行扩散，阳极与空气入口相连，因此空气中的氧气会附着在阳极上，氧气在阳极上被拆分成带负电的氧离子和电子，电子在电极板之间形成电流，从而实现能够持续供电的氢燃料电池。
实施例2：
如图1所示的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，包括壳体1、位于壳体1内的电池本体，其特征在于，所述壳体1上设置氢气入口14、空气入口15，所述电池本体位于氢气入口14和空气入口15之间，所述电池本体包括依次设置的阴极13、氢气催化层5、氢离子扩散腔6、质子交换膜12、反应腔8、阳极11，所述阴极13与氢气入口14相连通，所述阳极11与空气入口15相连通。所述壳体1内还设置有均压腔3，所述均压腔3位于氢气入口14与阴极13之间，所述均压腔3分别与氢气入口14、阴极13相连通。所述均压腔3的出气端通过供氢通道4与阴极13连通。所述均压腔3包括若干层并排的格栅板，相邻两层格栅板之间的距离为4mm，每层格栅板的厚度为2mm，相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布。
实施例3：
如图1所示的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，包括壳体1、位于壳体1内的电池本体，其特征在于，所述壳体1上设置氢气入口14、空气入口15，所述电池本体位于氢气入口14和空气入口15之间，所述电池本体包括依次设置的阴极13、氢气催化层5、氢离子扩散腔6、质子交换膜12、反应腔8、阳极11，所述阴极13与氢气入口14相连通，所述阳极11与空气入口15相连通。所述反应腔8底部设置排水通道9。所述排水通道9连通至壳体1外侧。
实施例4：
如图1所示的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，包括壳体1、位于壳体1内的电池本体，其特征在于，所述壳体1上设置氢气入口14、空气入口15，所述电池本体位于氢气入口14和空气入口15之间，所述电池本体包括依次设置的阴极13、氢气催化层5、氢离子扩散腔6、质子交换膜12、反应腔8、阳极11，所述阴极13与氢气入口14相连通，所述阳极11与空气入口15相连通。还包括与所述氢气入口14相连的氢气发生装置7。还包括氢气回收管2，所述氢气回收管2的一端与阴极13底端相连、另一端与氢气入口14相连。
实施例5：
如图1所示的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，在上述任一实施例的基础上，所述空气入口15和阳极11之间通过供氧通道10连通，所述供氧通道10、供氢通道4内均设置压力传感器。所述的质子交换膜12为全氟磺酸膜。所述的氢气催化层5为铂质金属片。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，包括壳体(1)、位于壳体(1)内的电池本体，其特征在于，所述壳体(1)上设置氢气入口(14)、空气入口(15)，所述电池本体位于氢气入口(14)和空气入口(15)之间，所述电池本体包括依次设置的阴极(13)、氢气催化层(5)、氢离子扩散腔(6)、质子交换膜(12)、反应腔(8)、阳极(11)，所述阴极(13)与氢气入口(14)相连通，所述阳极(11)与空气入口(15)相连通；所述壳体(1)内还设置有均压腔(3)，所述均压腔(3)位于氢气入口(14)与阴极(13)之间，所述均压腔(3)分别与氢气入口(14)、阴极(13)相连通。
2.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，所述均压腔(3)包括若干层并排的格栅板，相邻两层格栅板之间的距离为3～5mm，相邻两层格栅板之间的孔洞交错排布。
3.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，所述均压腔(3)的出气端通过供氢通道(4)与阴极(13)连通。
4.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，所述反应腔(8)底部设置排水通道(9)。
5.根据权利要求4所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，所述排水通道(9)连通至壳体(1)外侧。
6.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，还包括与所述氢气入口(14)相连的氢气发生装置(7)。
7.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，还包括氢气回收管(2)，所述氢气回收管(2)的一端与阴极(13)底端相连、另一端与氢气入口(14)相连。
8.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，所述空气入口(15)和阳极(11)之间通过供氧通道(10)连通，所述供氧通道(10)、供氢通道(4)内均设置压力传感器。
9.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，所述的质子交换膜(12)为全氟磺酸膜。
10.根据权利要求1所述的用于驱动新能源空铁的氢燃料电池单体结构，其特征在于，所述的氢气催化层(5)为铂质金属片。
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