CN109888166B - 一种直接甲醇燃料电池堆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接甲醇燃料电池堆系统，包括设置有栅栏状网格片的封装外壳、设置在所述封装外壳内的电池堆、注液系统、排液系统、外围电路控制系统，所述的电池堆包括至少一层通过螺栓组叠加紧固的子电池堆，每层子电池堆包括有若干单燃料电池，相邻单燃料电池的阳极腔之间通过两条槽道连通，位于每层子电池堆最左端的单燃料电池的阳极腔与所述注液系统相连通，最右端的单燃料电池的阳极腔与所述排液系统相连通，所述外围电路控制系统通过电路连接电池堆、注液系统、排液系统。本发明可有效地缓解阳极气阻、阴极水淹，并减小流场板的阻抗，减轻电池堆的重量、简化电池堆结构，从而更好实现全被动式燃料电池堆，提升电池堆的性能。
Description
技术领域
本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池堆系统。
背景技术
直接甲醇燃料电池凭借其燃料来源广、能量密度高、结构简单、燃料补给快、安全性好等优势被业界认为是最有可能替代传统电源并率先实现市场化的一类燃料电池。它在面向传统主流消费电子产品市场、新兴市场的移动便携电源和单兵作战装备等领域都具有广阔发展前景。与目前在市面上应用较为广泛的锂离子电池相比，直接甲醇燃料电池能量密度和续航时间可提升五倍以上。
但当前主流应用的直接甲醇燃料电池仍存在阳极气阻严重、阴极侧水淹严重、流场板阻抗大、重量偏高等问题，很大程度制约了其市场化，远不能满足工业发展的需求。目前，大部分的研究者在解决这些问题时主要集中于被动式的直接甲醇燃料单电池，而对被动式的直接甲醇燃料电池堆的探究却较少，而后者存在更高的应用价值。此外，传统电池堆多是由单个单电池逐一堆叠而成，这样的电堆不仅体积较大，而且散热条件较差，多需要增加翅片等散热结构来进行电堆的热管理，由此造成整个电堆体积增加、结构也更为复杂。
发明内容
为有效地缓解阳极气阻、阴极水淹，并减小流场板的阻抗，减轻电池堆的重量、简化电池堆结构，从而更好实现全被动式燃料电池堆，提升电池堆的性能，本发明公开了一种直接甲醇燃料电池堆系统。
本发明通过如下技术方案实现：
一种直接甲醇燃料电池堆系统，包括设置有栅栏状网格片的封装外壳、设置在所述封装外壳内的电池堆、注液系统、排液系统、外围电路控制系统，所述的电池堆包括至少一层通过螺栓组叠加紧固的子电池堆，每层子电池堆包括有在同一平面上行列式分布且通过导体依次串联的若干单燃料电池，相邻单燃料电池的阳极腔之间通过两条槽道连通，位于每层子电池堆最左端的单燃料电池的阳极腔与所述注液系统相连通，最右端的单燃料电池的阳极腔与所述排液系统相连通，所述外围电路控制系统通过电路连接电池堆、注液系统、排液系统，用于控制电池堆的注排液、电池堆输出电能的监控及调节。
进一步地，每个所述的单燃料电池均有包括有：膜电极组件、位于膜电极组件上下两侧的两PTFE密封垫片、分别位于两PTFE密封垫片外侧的阳极集电板和阴极集电板、分别位于阳极集电板和阴极集电板外侧的阳极支撑板和阴极支撑板，所述阳极集电板包括阳极导电引出框和嵌入在所述阳极导电引出框内的导电鱼鳞状拉伸网，所述阴极集电板包括阴极导电引出框和嵌入在所述阴极导电引出框内的导电鱼鳞状拉伸网；所述拉伸网贴合所述膜电极组件一面的各节点为粗糙面，相对的另一面的各节点为光滑面；所述的拉伸网既起到流场板的作用，均匀分配燃料，同时起到导电的作用，传导电子；所述膜电极组件包括依次叠加设置的阴极多孔气体扩散层、阴极催化层和质子交换膜、阳极催化层、阳极多孔气体扩散层。
进一步地，所述阳极集电板中的拉伸网与所述阴极集电板中的拉伸网在平面上的放置方向相差90度；位于同一层的各阳极集电板中，位于两端的阳极集电板与中间部分的阳极集电板在平面上的放置方向相差90度；位于同一层的各阴极集电板中，位于两端的阴极集电板与中间部分的阴极集电板在平面上的放置方向相差90度。这样可以有效缩短电池堆横向的长度，使整个电堆的结构更加紧凑。
进一步地，位于同一层的各单燃料电池的阳极支撑板为一体式结构，所述阳极支撑板为环氧树脂材料且设置有若干行列式分布的阳极腔，相邻两个阳极腔之间由两条槽道连通，位于最左侧的阳极腔分别开有注液、排气用的注液螺纹孔、排气螺纹孔，最右侧的阳极腔开有排液用的排液螺纹孔，并且每个阳极腔内都设置有用于支撑拉伸网的柱状或长方体状结构。
进一步地，位于同一层的各单燃料电池的阴极支撑板均为一体式结构，所述的阴极支撑板为环氧树脂材料且镂空设置有若干行列式分布的阴极腔，每个阴极腔都设有支撑所述拉伸网的若干肋条，并且位于电池堆底部的阴极支撑板还另外设有用于固定电池堆的带孔凸台。
进一步地，所述阳极导电引出框、阴极导电引出框和拉伸网的材料均为不锈钢。与传统整体均为金属材料的集电板相比，这种组合式的集电板不仅减轻了电池重量，还减少了电池内阻。
进一步地，所述阳极导电引出框、阴极导电引出框上均设有槽道和孔，其中所述孔用于穿引导线，所述槽道作为焊接导线的部位，其中，所述阳极导电引出框上的槽道与阴极导电引出框上的槽道位于不同面。这样可以保证整个集电板上无凸起，以保障整个装置装配完成后的密封性。
进一步地，每层子电池堆的注液螺纹孔经多个分管路、注液多通转接头、设有电磁阀的注液总管路后经封装外壳上的注液接口统一注液；每层子电池堆的排气螺纹孔经多个分管路、排气多通转接头、排气总管路后经封装外壳上的排气接口统一排气；每层子电池堆的排液螺纹孔经多个分管路、排液多通转接头、设有电磁阀和液压泵的排液总管路后经封装外壳上的排液接口统一排液。这样既可以避免逐级注液的麻烦，又可以实现自动排液。
进一步地，多层子电池堆叠加时，所述阳极支撑板相对的两相邻层子电池堆的阳极支撑板为一体式结构。使电池堆结构更加紧凑。
进一步地，所述的外围电路控制系统包括DC-DC变换单元、直流配电单元、电池巡检单元和电路保护单元、设置在所述封装外壳上的电源按键、注液按键、排液按键、分别连接电池堆正负极的正极接线柱和负极接线柱、USB接口、用于提示电池堆电压的低电压指示灯、直流干电池组，所述电池堆输出的电能经过所述DC-DC变换单元与直流配电单元后输出至所述正极接线柱、负极接线柱和USB接口，所述电池巡检单元用于实时监测电池堆的当前状态；所述电路保护单元用于防止电池堆过流、过压现象出现；所述直流干电池组用于给所述液压泵及各电磁阀供电；所述电源按键用于控制电池堆向外供电，所述注液按键和排液按键分别用于控制电池堆注液和排液。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的整个电池堆由一面上的多个单电池堆叠而成，增加了电池的散热表面积，电池堆系统无需再增加额外的散热装置。另外这样的设计方式可以让阴极腔获得更充足的空气，提升了整个电池堆的性能。而且这样的设计方式可以灵活地调整整个电池堆的横向、纵向尺寸，使得整个电池堆系统更加紧凑，有利于缩小整个电池堆系统的体积，使得其更加便携。拉伸网有利于阳极二氧化碳气体的排放，缓解阳极气阻；拉伸网亦有利于将阴极水滴形成水通道，缓解阴极水淹。另外，由拉伸网和导电引出框构成的集电板的使用，避免了传统集电板重量大，电池内阻升高的缺点。此外，整个电池堆系统可一次性注液，并可实现自动排液，极大地增加了电池堆系统的便利性和实用性。
附图说明
图1是整个电堆系统示意图；
图2、3、4分别是电池堆系统封装正视图、侧视图、俯视图；
图5是电池堆装配的爆炸图；
图6、7、8分别是电池堆的正视图、俯视图、侧视图。
图9、10、11分别是阳极支撑板的俯视图、前视图、后视图。
图12、13分别是阴极支撑板的俯视图、仰视图。
图14、15分别是位于底部的阴极支撑板的俯视图、正视图。
图16、17分别是阳极集电极引出框的俯视图、仰视图。
图18、19分别是阴极集电极引出框的俯视图、仰视图。
图20、21分别是鱼鳞状拉伸网正面（光滑面）、反面（粗糙面）示意图。
图22、23分别是位于同一个面上的单电池串联方式示意图的俯视图、正视图。
图24是电池堆系统的外接电源电路控制示意图。
图25是电池堆系统的电路控制示意图。
图中： 1-电池堆；2-注液系统；3-排液系统；4-封装外壳；5-注液接口；6-排气接口；7-电磁阀；8-排液接口；9-液压泵；10-正极接线柱；11-负极接线柱；12-电源按键；13-低电压指示灯；14-USB接口；15-注液按键；16-排液按键；17-阳极支撑板；18-阳极导电引出框；19-拉伸网；20-PTFE密封垫片；21-膜电极组件；22-阴极导电引出框；23-带孔凸台；24-阴极支撑板； 25-螺栓组；26-12V直流干电池组。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于以下实施例表述的范围。
如图1至图4所示，一种直接甲醇燃料电池堆系统，包括设置有栅栏状网格片的封装外壳4、设置在所述封装外壳4内的电池堆1、注液系统2、排液系统3、外围电路控制系统，所述的电池堆1包括至少一层通过螺栓组25叠加紧固的子电池堆，每层子电池堆包括有在同一平面上行列式分布且通过导体依次串联的若干单燃料电池，相邻单燃料电池的阳极腔之间通过两条槽道连通，位于每层子电池堆最左端的单燃料电池的阳极腔与所述注液系统2相连通，最右端的单燃料电池的阳极腔与所述排液系统3相连通，所述外围电路控制系统通过电路连接电池堆1、注液系统2、排液系统3，用于控制电池堆1的注排液、电池堆1输出电能的监控及调节。
如图5至8所示，每个所述的单燃料电池均有包括有：膜电极组件21、位于膜电极组件21上下两侧的两PTFE密封垫片20、分别位于两PTFE密封垫片20外侧的阳极集电板和阴极集电板、分别位于阳极集电板和阴极集电板外侧的阳极支撑板17和阴极支撑板24，所述阳极集电板包括阳极导电引出框18和嵌入在所述阳极导电引出框18内的导电鱼鳞状拉伸网19，所述阴极集电板包括阴极导电引出框22和嵌入在所述阴极导电引出框22内的导电鱼鳞状拉伸网19；如图20和图21所示，所述拉伸网19贴合所述膜电极组件21一面的各节点为粗糙面，相对的另一面的各节点为光滑面，此时的拉伸网既起到流场板的作用，均匀分配燃料，同时起到导电的作用，传导电子，该装配模式最有利于阳极的二氧化碳气泡的排放。所述膜电极组件21包括依次叠加设置的阴极多孔气体扩散层、阴极催化层和质子交换膜、阳极催化层、阳极多孔气体扩散层。
所述阳极集电板中的拉伸网19与所述阴极集电板中的拉伸网19在平面上的放置方向相差90度，此装配模式最有利阴极水的排放；位于同一层的各阳极集电板中，位于两端的阳极集电板与中间部分的阳极集电板在平面上的放置方向相差90度；位于同一层的各阴极集电板中，位于两端的阴极集电板与中间部分的阴极集电板在平面上的放置方向相差90度。这样可以有效缩短电池堆横向的长度，使整个电堆的结构更加紧凑。
如图9至图11所示，位于同一层的各单燃料电池的阳极支撑板17为一体式结构，所述阳极支撑板17为环氧树脂材料且设置有若干行列式分布的阳极腔，相邻两个阳极腔之间由两条槽道连通，位于最左侧的阳极腔分别开有注液、排气用的注液螺纹孔、排气螺纹孔，最右侧的阳极腔开有排液用的排液螺纹孔，并且每个阳极腔内都设置有用于支撑拉伸网19的柱状或长方体状结构。
如图12-图13所示，位于同一层的各单燃料电池的阴极支撑板24均为一体式结构，所述的阴极支撑板24为环氧树脂材料且镂空设置有若干行列式分布的阴极腔，每个阴极腔都设有支撑所述拉伸网19的若干肋条，并且位于电池堆底部的阴极支撑板24还另外设有用于固定电池堆的带孔凸台23，见图14至图15。
所述阳极导电引出框18、阴极导电引出框22和拉伸网19的材料均为不锈钢316。与传统整体均为金属材料的集电板相比，这种组合式的集电板不仅减轻了电池重量，还减少了电池内阻。
如图16至图19、图22和图23所示，所述阳极导电引出框18、阴极导电引出框22上均设有槽道和孔，其中所述孔用于穿引导线，所述槽道作为焊接导线的部位，其中，所述阳极导电引出框18上的槽道与阴极导电引出框22上的槽道位于不同面。这样可以保证整个集电板上无凸起，以保障整个装置装配完成后的密封性。
每层子电池堆的注液螺纹孔经多个分管路、注液多通转接头、设有电磁阀7的注液总管路后经封装外壳4上的注液接口5统一注液；每层子电池堆的排气螺纹孔经多个分管路、排气多通转接头、排气总管路后经封装外壳4上的排气接口6统一排气；每层子电池堆的排液螺纹孔经多个分管路、排液多通转接头、设有电磁阀7和液压泵9的排液总管路后经封装外壳4上的排液接口8统一排液。这样既可以避免逐级注液的麻烦，又可以实现自动排液。
在一个可行的实施例中，多层子电池堆叠加时，所述阳极支撑板17相对的两相邻层子电池堆的阳极支撑板17为一体式结构，使电池堆结构更加紧凑，如图6-图8所示，所述电池堆由上至下由四层子电池堆叠加通过螺栓组叠加紧固而成，四层子电池堆叠中，由上至下的第一层子电池堆和第二层子电池堆的阳极支撑板17相对设置且为一体式结构，即第一层子电池堆和第二层子电池堆共用的阳极支撑板17的上下两面均设置有行列式分布的阳极腔，类似地，第三层子电池堆和第四层子电池堆的阳极支撑板17相对设置且为一体式结构，即第三层子电池堆和第四层子电池堆共用的阳极支撑板17的上下两面均设置有行列式分布的阳极腔。
如图24和图25所示，所述的外围电路控制系统包括DC-DC变换单元、直流配电单元、电池巡检单元和电路保护单元、设置在所述封装外壳4上的电源按键12、注液按键15、排液按键16、分别连接电池堆1正负极的正极接线柱10和负极接线柱11、USB接口14、用于提示电池堆1电压的低电压指示灯13、12V的直流干电池组26，所述电池堆1输出的电能经过所述DC-DC变换单元与直流配电单元后输出至所述正极接线柱10、负极接线柱11和USB接口，所述电池巡检单元用于实时监测电池堆1的当前状态；所述电路保护单元用于防止电池堆1过流、过压等现象出现；所述12V的直流干电池组用于给所述液压泵及各电磁阀供电；所述电源按键12用于控制电池堆1向外供电，所述注液按键15和排液按键16分别用于控制电池堆1注液和排液。
上述实施例中，阳极支撑板17一个面上的单燃料电池之间通过集电板用导线串联起来，然后再将每个面上最外侧的单燃料电池用导线串联起来，便得到一个由16个单燃料电池串联而成的电池堆。整个电池堆通过螺栓组25叠组装，然后再通过位于电池底部的阴极支撑板上的四个带孔凸台用螺丝固定于封装外壳4上。电池堆1后经封装外壳4上的注液接口5统一注液，这样可以避免逐级注液的麻烦，另外总管路前有一个电磁阀7来控制管路的开关。电池堆1上的排液口经经封装外壳上的排液接口8统一排液，另外总管路前有一个电磁阀7来控制管路的开关，同时接有一个液压泵9，可以实现自动排液。
整个电池堆的电路控制方式如下：
注液时，按下注液按键15，注液口电磁阀7开启，此时燃料由注液接口5注进各级阳极腔，注满液后再按一次注液口按键5，电磁阀7关闭，停止注液；最后用胶塞把注液接口5、排气接口6堵上，注液完毕。向外供电时，按下电源按键12，电池堆1输出的电经滤波电路、DC-DC转换电路等控制电路后可以正常向外供电，包括正极接线柱10、负极接线柱11及USB接口14。当电池堆1输出的电降到一定电压值以下时，低电压指示灯13亮起。此时，再按下电源按键12，电池堆1停止向外供电。排液时，按下排液按键16，此时排液口的电磁阀7打开，同时液压泵9开始工作，向外排液，当排液结束后再按下排液按键16，液压泵9停止工作，电磁阀7口关闭。由此完成一次的工作循环。
其中，电磁阀7，液压泵9的电源由外接电源12V直流干电池组27提供，注液按键15、排液按键16接于外接电源电路中。低电压指示灯13、正极接线柱10、负极接线柱11、USB接口14的电源由燃料电池堆1反应提供，电源按键12接于燃料电池电源电路中。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种直接甲醇燃料电池堆系统，包括设置有栅栏状网格片的封装外壳(4)、设置在所述封装外壳(4)内的电池堆(1)、注液系统(2)、排液系统(3)、外围电路控制系统，其特征在于：
所述的电池堆(1)包括至少一层通过螺栓组(25)叠加紧固的子电池堆，每层子电池堆包括有在同一平面上行列式分布且通过导体依次串联的若干单燃料电池，相邻单燃料电池的阳极腔之间通过两条槽道连通，位于每层子电池堆最左端的单燃料电池的阳极腔与所述注液系统(2)相连通，最右端的单燃料电池的阳极腔与所述排液系统(3)相连通，所述外围电路控制系统通过电路连接电池堆(1)、注液系统(2)、排液系统(3)，用于控制电池堆(1)的注排液、电池堆(1)输出电能的监控及调节；
其中，每个所述的单燃料电池均有包括有：膜电极组件(21)、位于膜电极组件(21)上下两侧的两PTFE密封垫片(20)、分别位于两PTFE密封垫片(20)外侧的阳极集电板和阴极集电板、分别位于阳极集电板和阴极集电板外侧的阳极支撑板(17)和阴极支撑板(24)，所述阳极集电板包括阳极导电引出框(18)和嵌入在所述阳极导电引出框(18)内的导电鱼鳞状拉伸网(19)，所述阴极集电板包括阴极导电引出框(22)和嵌入在所述阴极导电引出框(22)内的导电鱼鳞状拉伸网(19)，所述阳极集电板中的拉伸网(19)与所述阴极集电板中的拉伸网(19)在平面上的放置方向相差90度；位于同一层的各阳极集电板中，位于两端的阳极集电板与中间部分的阳极集电板在平面上的放置方向相差90度，位于同一层的各单燃料电池的阳极支撑板(17)为一体式结构；位于同一层的各阴极集电板中，位于两端的阴极集电板与中间部分的阴极集电板在平面上的放置方向相差90度。
2.根据权利要求1所述的直接甲醇燃料电池堆系统，其特征在于：所述拉伸网(19)贴合所述膜电极组件(21)一面的各节点为粗糙面，相对的另一面的各节点为光滑面；所述膜电极组件(21)包括依次叠加设置的阴极多孔气体扩散层、阴极催化层和质子交换膜、阳极催化层、阳极多孔气体扩散层。
3.根据权利要求2所述的直接甲醇燃料电池堆系统，其特征在于：所述阳极支撑板(17)为环氧树脂材料且设置有若干行列式分布的阳极腔，相邻两个阳极腔之间由两条槽道连通，位于最左侧的阳极腔分别开有注液、排气用的注液螺纹孔、排气螺纹孔，最右侧的阳极腔开有排液用的排液螺纹孔，并且每个阳极腔内都设置有用于支撑拉伸网(19)的柱状或长方体状结构。
4.根据权利要求2所述的一种直接甲醇燃料电池堆，其特征在于，位于同一层的各单燃料电池的阴极支撑板(24)均为一体式结构，所述的阴极支撑板(24)为环氧树脂材料且镂空设置有若干行列式分布的阴极腔，每个阴极腔都设有支撑所述拉伸网(19)的若干肋条，并且位于电池堆底部的阴极支撑板(24)还另外设有用于固定电池堆的带孔凸台(23)。
5.根据权利要求2所述的直接甲醇燃料电池堆系统，其特征在于：所述阳极导电引出框(18)、阴极导电引出框(22)和拉伸网(19)的材料均为不锈钢。
6.根据权利要求2所述的直接甲醇燃料电池堆系统，其特征在于：所述阳极导电引出框(18)、阴极导电引出框(22)上均设有槽道和孔，其中所述孔用于穿引导线，所述槽道作为焊接导线的部位，其中，所述阳极导电引出框(18)上的槽道与阴极导电引出框(22)上的槽道位于不同面。
7.根据权利要求3所述的直接甲醇燃料电池堆系统，其特征在于：每层子电池堆的注液螺纹孔经多个分管路、注液多通转接头、设有电磁阀(7)的注液总管路后经封装外壳(4)上的注液接口(5)统一注液；每层子电池堆的排气螺纹孔经多个分管路、排气多通转接头、排气总管路后经封装外壳(4)上的排气接口(6)统一排气；每层子电池堆的排液螺纹孔经多个分管路、排液多通转接头、设有电磁阀(7)和液压泵(9)的排液总管路后经封装外壳(4)上的排液接口(8)统一排液。
8.根据权利要求2所述的直接甲醇燃料电池堆系统，其特征在于：多层子电池堆叠加时，所述阳极支撑板(17)相对的两相邻层子电池堆的阳极支撑板(17)为一体式结构。
9.根据权利要求8所述的直接甲醇燃料电池堆系统，其特征在于：所述的外围电路控制系统包括DC-DC变换单元、直流配电单元、电池巡检单元和电路保护单元、设置在所述封装外壳(4)上的电源按键(12)、注液按键(15)、排液按键(16)、分别连接电池堆(1)正负极的正极接线柱(10)和负极接线柱(11)、USB接口(14)、用于提示电池堆(1)电压的低电压指示灯(13)、直流干电池组(26)，所述电池堆(1)输出的电能经过所述DC-DC变换单元与直流配电单元后输出至所述正极接线柱(10)、负极接线柱(11)和USB接口，所述电池巡检单元用于实时监测电池堆(1)的当前状态；所述电路保护单元用于防止电池堆(1)过流、过压现象出现；所述直流干电池组用于给所述液压泵及各电磁阀供电；所述电源按键(12)用于控制电池堆(1)向外供电，所述注液按键(15)和排液按键(16)分别用于控制电池堆(1)注液和排液。
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