CN109449460B - 一种防积水质子交换膜燃料电池 - Google Patents

一种防积水质子交换膜燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种防积水质子交换膜燃料电池，包括安装座、电池主体以及制冷装置，其中，安装座的内部形成有相互连通的上腔体和下腔体，下腔体具有排水口；电池主体设于上腔体，且电池主体具有阴极排气区域；制冷装置设于下腔体，且具有连通阴极排气区域设置的吸热区域，用于将经阴极排气区域排出的气体冷凝成液体，并从排水口排出。本发明提供的技术方案中，制冷装置直接设于安装座内，且直接连通电池主体，有助于增加制冷装置与阴极排气区域的接触面积；电池主体与吸热区域间形成较大温差，使经阴极排气区域排出的气体遇冷凝结成液体，并从排水口排出，防止电池主体内部积水，提高电化学反应效率。

Description

一种防积水质子交换膜燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池的技术领域，特别涉及一种防积水质子交换膜燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池在运行过程中，内部持续进行的电化学反应容易造成在电池阴极生成水。电池内生成的水若不能及时排出将导致水会覆盖在催化层反应区域，引起电池的“水淹”，形成水膜而限制氧气与催化层的接触，堵塞气体扩散层，阻碍了气体到达催化层表面参与电化学反应。同时，在质子交换膜燃料电池堆中，过量液态水会堵塞流道，影响气体流动，导致反应气体在电堆中的每一个单片以及单片中不同的区域分配不均匀，性能参差不齐，引起电堆的性能衰减及其运行稳定性变差，严重积水将引起电池反极，加速电池性能衰减，缩短电池寿命，甚至引发质子交换膜燃料电池的使用安全，因此电池内的有效水管理是质子交换膜燃料电池正常工作的必要条件。
并且，常规水管理的方式是利用一定过量系数的反应气体(空气)将电池内生成的水吹扫出电池，该方法需保证电池出口为开口，也即并不适用于闭口质子交换膜燃料电池系统，不具通用性。
另外，现有的排积水装置一般与质子交换膜燃料电池分体设置，需通过例如管道与质子交换膜燃料电池的排气口连通，单位时间内水蒸气的流量受限，影响积水的排出效率。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种防积水质子交换膜燃料电池，旨在解决现有的排积水装置与质子交换膜燃料电池分体设置而影响积水排除的效率、以及现有的排积水技术方案不具通用性的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种防积水质子交换膜燃料电池，包括：
安装座，内部形成有相互连通的上腔体和下腔体，所述下腔体具有排水口；
电池主体，设于所述上腔体，且所述电池主体具有阴极排气区域；以及，
制冷装置，设于所述下腔体，且具有连通所述阴极排气区域设置的吸热区域，用于将经所述阴极排气区域排出的气体冷凝成液体，并从所述排水口排出。
优选地，所述制冷装置包括：
制冷片，沿水平向设于所述下腔体，以将所述下腔体分隔成上腔段和下腔段，其中，所述上腔段对应为所述吸热区域，所述下腔段为放热区域；以及，
散热组件，设于所述放热区域，用于降低所述放热区域的温度。
优选地，所述下腔体的内侧壁沿上下向开设有多个排水槽，所述排水槽连通所述吸热区域和所述排水口。
优选地，所述制冷装置还包括翅片组件，所述翅片组件包括：
换热底板，沿水平向设于所述吸热区域，且所述换热底板的下端面与所述制冷片的上端面相抵接；以及，
多个换热翅片，所述多个换热翅片沿水平向间隔设于所述换热底板的上端面。
优选地，每一所述换热翅片沿上下向的截面呈锯齿形状设置。
优选地，沿水平向相邻的每两个所述换热翅片之间的所述换热底板上开设有引流槽，所述引流槽在靠近所述换热底板边沿的方向上呈逐渐朝下倾斜设置。
优选地，所述散热组件包括：
水冷块，沿水平向设于所述放热区域，且所述水冷块的上端面与所述制冷片的下端面相抵接，所述水冷块的内部形成有散热通道，所述散热通道具有进口和出口，以供循环液从所述进口流入，经所述散热通道吸热后，从所述出口流出；
驱动泵，分别与所述进口和所述出口连通设置，用于驱动循环液的循环流动；以及，
散热器，设于所述出口与所述驱动泵之间，用于对经所述出口流出的循环液进行冷却。
优选地，所述换热底板的下端面与所述制冷片的上端面之间设有导热层；和/或，
所述制冷片的下端面与所述水冷块的上端面之间设有导热层；
其中，所述导热层由银硅脂或者石墨烯制成。
优选地，所述防积水质子交换膜燃料电池还包括隔板，所述隔板沿水平向设于所述电池主体和所述制冷装置之间，用以支承所述电池主体；
其中，所述隔板上开设有多个通孔，所述多个通孔对应所述电池主体的阴极排气区域设置。
优选地，所述隔板由隔热材料制成。
本发明提供的技术方案中，制冷装置直接设于安装座内，通用于闭口质子交换膜燃料电池和开口质子交换膜燃料电池；吸热区域直接对应阴极排气区域，可大大增加与所述阴极排气区域的接触面积，从而增加单位时间内的气体流量，提高气体冷凝效率；另外，所述电池主体的运行温度与所述吸热区域之间形成较大温差，有助于使经所述阴极排气区域排出的气体遇冷在下腔体内快速凝结成液体，最后从排水口排出，有效防止所述电池主体内部积水，从而提高所述电池主体的电化学反应效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的防积水质子交换膜燃料电池的第一实施例的立体结构示意图；
图2为图1中制冷装置的立体结构示意图；
图3为图2中翅片组件的部分结构示意图；
图4为本发明提供的防积水质子交换膜燃料电池的第二实施例的翅片组件部分结构示意图；
图5为图2中散热组件的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 防积水质子交换膜燃料电池 321 水冷块
1 安装座 321a 进口
11 上腔体 321b 出口
12 下腔体 322 驱动泵
13 排水口 323 散热器
14 排水槽 33 翅片组件
2 电池主体 331 换热底板
3 制冷装置 331a 引流槽
31 制冷片 332 换热翅片
32 散热组件 4 隔板
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种防积水质子交换膜燃料电池，请参阅图1至图5，为本发明提供的防积水质子交换膜燃料电池的具体实施例。
请参阅图1和图2，在本实施例中，所述防积水质子交换膜燃料电池100包括安装座1、电池主体2以及制冷装置3，其中，所述安装座1内部形成有相互连通的上腔体11和下腔体12，所述下腔体12具有排水口13，所述排水口13优选设于所述下腔体的底部；所述电池主体2设于所述上腔体11，且所述电池主体2具有阴极排气区域；所述制冷装置3设于所述下腔体12，且具有连通所述阴极排气区域设置的吸热区域，用于将经所述阴极排气区域排出的气体冷凝成液体，并从所述排水口13排出。也即，所述制冷装置3与所述电池主体2集中安装于所述安装座1，因此无论是开口式质子交换膜燃料电池或者是闭口式质子交换膜燃料电池均可适用。
本发明提供的技术方案中，制冷装置3直接设于安装座1内，通用于闭口质子交换膜燃料电池和开口质子交换膜燃料电池；吸热区域直接对应阴极排气区域，可大大增加与所述阴极排气区域的接触面积，从而增加单位时间内的气体流量，提高气体冷凝效率；另外，所述电池主体2的运行温度与所述吸热区域之间形成较大温差，有助于使经所述阴极排气区域排出的气体遇冷在下腔体12内快速凝结成液体，最后从排水口13排出，有效防止所述电池主体2内部积水，从而提高所述电池主体2的电化学反应效率。
需要说明的是，所述制冷装置3所采用的制冷方式在此处不作限制，例如，所述制冷装置3可以采用液体气化式制冷、压缩式制冷或者喷射式制冷等。但相较于上述制冷方式需要配置压缩机或者需要构建真空环境等技术方案，为了简化结构，在本实施例中，所述制冷装置3优选采用热电制冷，也即半导体制冷，所述半导体制冷一般通过设置电流的方向可调整所述半导体的指定一侧吸热，指定另一侧放热，因此，所述制冷装置3包括制冷片31以及散热组件32，所述制冷片31沿水平向设于所述下腔体12，以将所述下腔体12分隔成上腔段和下腔段，其中，设置所述制冷片31的上端面制冷，以使得所述上腔段对应为所述吸热区域，且所述制冷片31的下端面放热，以使得所述下腔段为放热区域；所述散热组件32设于所述放热区域，用于降低所述放热区域的温度。所述制冷片31的水平向设置有助于隔绝所述放热区域和所述吸热区域之间的热量流通，并且，经所述散热组件32降低所述放热区域的温度后，有助于使所述吸热区域降至较低温度，从而有利于使所述吸热区域与所述电池主体2的阴极排气区域形成较大的温差，更有利于气体的快速冷凝。
进一步地，所述吸热区域内的气体经处理后可在所述座体的内侧壁凝结为液体，因此优选地，可以在所述下腔体12的内侧壁沿上下向开设有多个排水槽14，所述排水槽14连通所述吸热区域和所述排水口13。所述排水槽14的设置，不仅可有效增大气体与所述座体的内侧壁之间的接触面积，还有助于快速引导液体顺所述排水槽14的方向直接流通至所述排水口13并排出，避免液体在所述下腔体12的底部聚积而不易排出。
为了进一步提高气体的冷凝效果，请参阅图2，在本实施例中，所述制冷装置3还包括翅片组件33，所述翅片组件33包括换热底板331和多个换热翅片332，所述换热底板331沿水平向设于所述吸热区域，所述换热底板331的下端面与所述制冷片31的上端面相抵接；所述多个换热翅片332沿水平向间隔设于所述换热底板331的上端面。由于所述换热底板331直接接触于所述制冷片31的上端面，可直接传导所述制冷片31上端面形成的低温至所述多个换热翅片332，使得所述翅片组件33整体的温度较低，并有效增加与气体的接触面积，使气体更快速地在所述换热翅片332以及所述换热底板331上凝结成液体。
基于上述，请参阅图3，在一具体实施例中，每一所述换热翅片332可沿上下向延伸设置，使结构简单，易于清洗；请参阅图4，在另一具体实施例中，每一所述换热翅片332沿上下向的截面呈锯齿形状设置，有助于进一步增加单位空间内所述换热翅片332的总表面积，从而更进一步提高气体冷凝效果。
此外，请参阅图3或者图4，在一实施例中，沿水平向相邻的每两个所述换热翅片332之间的所述换热底板331上开设有引流槽331a，所述引流槽331a在靠近所述换热底板331边沿的方向上呈逐渐朝下倾斜设置。所述引流槽331a的设置，可减少经所述换热翅片332以及所述换热底板331冷凝形成的液体在所述换热底板331上的聚积，使得液体可顺所述倾斜设置直接向下流向所述排水口13，实现快速排积水。
进一步地，请参阅图5，在本实施例中，所述散热组件32优选为水冷散热组件，所述散热组件32包括水冷块321、驱动泵322以及散热器323，其中，所述水冷块321沿水平向设于所述放热区域，且所述水冷块321的上端面与所述制冷片31的下端面相抵接，使得所述水冷块321可直接传导所述制冷片31的下端面产生的热量，所述水冷块321的内部形成有散热通道，所述散热通道具有进口321a和出口321b，以供循环液从所述进口321a流入，经所述散热通道吸热后，从所述出口321b流出，以实现对所述放热区域的持续降温。所述驱动泵322分别与所述进口321a和所述出口321b连通设置，用于驱动循环液的循环流动；所述散热器323例如可为风冷散热器323，设于所述出口321b与所述驱动泵322之间，用于对经所述出口321b流出的循环液进行冷却，以使得经所述进口321a流入所述散热通道的循环液温度较低。需要说明的是，所述驱动泵322和所述散热器323可以设于所述下腔体12，也可以外设于所述防积水质子交换膜燃料电池100，且所述水冷块321、所述驱动泵322以及所述散热器323之间可通过管道连通。
所述换热底板331、所述水冷块321与所述制冷片31的直接接触，用于实现高效传导热量的效果，在本实施例中，可进一步在所述换热底板331的下端面与所述制冷片31的上端面之间设有导热层(附图未标示)；和/或，所述制冷片31的下端面与所述水冷块321的上端面之间设有导热层(附图未标示)；其中，所述导热层由银硅脂或者石墨烯制成，所述导热层的设置可进一步增加所述换热底板331与所述制冷片31之间，和/或所述水冷块321与所述制冷片31之间的热量传导效果，更有助于气体的冷凝，且可防止由于接触不良或者热传递不均匀而造成的所述制冷片31的损坏。
进一步地，在本实施例中，所述防积水质子交换膜燃料电池100还包括隔板4，所述隔板4沿水平向设于所述电池主体2和所述制冷装置3之间，用以支承所述电池主体2。其中，所述隔板4或者所述所述隔板4的周缘可以开设供气体流通的通道，或者，所述隔板4上开设有多个通孔，所述多个通孔对应所述电池主体2的阴极排气区域设置，所述多个通孔的设置优选于沿水平向均匀分布在所述隔板4上，有利于使气体均匀地流向所述制冷装置3，加快流通速率。
更进一步地，在本实施例中，所述隔板4优选由隔热材料制成或者填充有所述隔热材料，所述隔热材料例如可为泡沫材料等，有助于阻缓所述制冷装置3与所述电池主体2之间的热量交换，从而确保所述制冷装置3与所述电池主体2之间具有较大的温差，更有利于实现气体的冷凝，可进一步提高气体冷凝的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括：
安装座，内部形成有相互连通的上腔体和下腔体，所述下腔体具有排水口；
电池主体，设于所述上腔体，且所述电池主体具有阴极排气区域；以及，
制冷装置，设于所述下腔体，且具有连通所述阴极排气区域设置的吸热区域，用于将经所述阴极排气区域排出的气体冷凝成液体，并从所述排水口排出；
其中，所述制冷装置包括：
制冷片，沿水平向设于所述下腔体，以将所述下腔体分隔成上腔段和下腔段，其中，所述上腔段对应为所述吸热区域，所述下腔段为放热区域；以及，
散热组件，设于所述放热区域，用于降低所述放热区域的温度，所述散热组件包括：
水冷块，沿水平向设于所述放热区域，且所述水冷块的上端面与所述制冷片的下端面相抵接，所述水冷块的内部形成有散热通道，所述散热通道具有进口和出口，以供循环液从所述进口流入，经所述散热通道吸热后，从所述出口流出；
驱动泵，分别与所述进口和所述出口连通设置，用于驱动循环液的循环流动；以及，
散热器，设于所述出口与所述驱动泵之间，用于对经所述出口流出的循环液进行冷却。
2.如权利要求1所述的防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述下腔体的内侧壁沿上下向开设有多个排水槽，所述排水槽连通所述吸热区域和所述排水口。
3.如权利要求1所述的防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述制冷装置还包括翅片组件，所述翅片组件包括：
换热底板，沿水平向设于所述吸热区域，且所述换热底板的下端面与所述制冷片的上端面相抵接；以及，
多个换热翅片，所述多个换热翅片沿水平向间隔设于所述换热底板的上端面。
4.如权利要求3所述的防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，每一所述换热翅片沿上下向的截面呈锯齿形状设置。
5.如权利要求3所述的防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，沿水平向相邻的每两个所述换热翅片之间的所述换热底板上开设有引流槽，所述引流槽在靠近所述换热底板边沿的方向上呈逐渐朝下倾斜设置。
6.如权利要求3所述的防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述换热底板的下端面与所述制冷片的上端面之间设有导热层；和/或，
所述制冷片的下端面与所述水冷块的上端面之间设有导热层；
其中，所述导热层由银硅脂或者石墨烯制成。
7.如权利要求1所述的防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，还包括隔板，所述隔板沿水平向设于所述电池主体和所述制冷装置之间，用以支承所述电池主体；
其中，所述隔板上开设有多个通孔，所述多个通孔对应所述电池主体的阴极排气区域设置。
8.如权利要求7所述的防积水质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述隔板由隔热材料制成。
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