CN112599813A - 一种便携式空冷氢燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携式空冷氢燃料电池系统，其中，包括：分为上下两层，电池堆及风扇组件、控制电路板及稳压模块组等位于系统的上层，氢气瓶组件整体位于系统的下层；所述电池堆的膜电极组件与双极板通过粘接胶形成单电池，或通过密封框架进行密封；电池堆一端通过塑料软管连接氢气瓶组件的快插供气口；另一端通过塑料软管连接排气口，在该管路上设置电磁阀，实现废气及废水的控制排放；所述电池堆，背部通过带有螺孔的端板与风扇组件连接，形成闭合结构；所述电池堆，底部通过带有螺孔的端板固装于支撑板；所述氢气瓶组件，包括氢气瓶和一体化的轻质减压阀，通过一根或多根扎带固装于外框架上；所述控制电路板，控制风扇转速以及电磁阀通断；所述稳压模块组，输入端分别和燃料电池的输出正负极相连，另一端分别和控制电路板输入端和蒙皮上的电气接口的接口连接；所述蒙皮与外框架固装后形成一个独立的闭合结构。

Description

一种便携式空冷氢燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种便携式空冷氢燃料电池系统，。
背景技术
氢燃料电池(英文简称PEMFC)，是一种将燃料(和氧化剂)的化学能连续的转换为电能的装置，是按电化学原理(即原电池工作原理)，通过电堆等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能和水，具有功率密度高、能量转换效率高、环境友好等优点，在国内一定范围的军、民用领域得到示范应用推广。由于其通常由电池堆1、热管理子系统、介质处理系统和电力电子系统等组成，且能独立完成发电功能，故而称之为氢燃料电池系统。根据冷却介质的不同，分为空冷型燃料电池系统和水冷型燃料电池系统。
目前，氢燃料电池系统由于其比能量高、零污染(产物为水)、工作过程安静等的特性，考虑到化石能源危机及环境污染的日益严重，国家政策引导及财政补贴推动燃料电池系统的发展。水冷型燃料电池系统由于散热较好，功率可以做到几十甚至上百千瓦，开发出了具有市场竞争力，并能实现小规模生产的水冷型燃料电池系统及以其为发动机的乘用车和商用车。而空气冷却型燃料电池系统由于其结构相对简单，体积较小，功率调整相对容易，在便携式的单兵电源及移动电站等军、民多个应用领域也受到日益密切的关注。然而，受到市场需求牵引、开发成本或结构设计等的制约，现有的空冷燃料电池系统多为实验用的零散部件，采用体积大、不易移动的不锈钢气瓶及瓶阀减压后为燃料电池电池堆供应氢气，作为便携式、轻量化、结构简单的一体化独立系统设计开发较少，不便于作为便携的移动电源使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式空冷氢燃料电池系统，用于解决燃料电池电系统便携式、一体化、结构简单的系统设计开发，现有系统实用性较差的问题。
本发明一种便携式空冷氢燃料电池系统，其中，包括：分为上下两层，电池堆及风扇组件、控制电路板及稳压模块组等位于系统的上层，氢气瓶组件整体位于系统的下层；所述电池堆的膜电极组件与双极板通过粘接胶形成单电池，或通过密封框架进行密封；电池堆一端通过塑料软管连接氢气瓶组件的快插供气口，实现氢气的连续供应；另一端通过塑料软管连接排气口，在该管路上设置电磁阀，实现废气及废水的控制排放；所述电池堆，背部通过带有螺孔的端板与风扇组件连接，形成闭合结构；所述电池堆，底部通过带有螺孔的端板固装于支撑板；所述氢气瓶组件，包括氢气瓶和一体化的轻质减压阀，通过一根或多根扎带固装于外框架上；所述控制电路板，控制风扇转速以及电磁阀通断，调节电池堆的温度及内部水汽含量；所述控制电路板一端连接到固装在电池堆的温度传感器，一端连接到固装在电池堆背部的风扇组件，还有一端连接电磁阀，根据测定的电池堆的温度对风扇的转速及电磁阀的通断进行控制；所述稳压模块组，输入端分别和燃料电池的输出正负极相连，另一端分别和控制电路板输入端和蒙皮上的电气接口的接口连接，分别给控制电路板、风扇及系统对外输出，所述稳压模块组通过一个或多个金属支撑管将一个或多个直流电转直流电稳压模块直接或叠加固装于支撑板；所述蒙皮与外框架固装后形成一个独立的闭合结构。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，电池堆包括两个及以上的单电池、上下左右四种端板、紧固杆、集流板、氢气进口以及氢气出口，膜电极组件通过双极板、端板以及紧固杆实现电池堆的固装及与外界隔离。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述风扇组件，每个包括一个或多个风扇及风扇架；所述风扇组件风扇架为方形或长方形，厚度为0.5-5mm；风扇架四个角或中部通常带有4-8个固定圆孔或螺孔，中间为连续或间隔的通孔的圆孔，圆孔排列为直型或方形；所述风扇组件，其风扇架中间通孔的圆孔的直径根据风扇扇叶转动的面积确定；其风扇的供电为固定或变频直流电，风扇架的材质为硬质塑料或酚醛层压板。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述氢气瓶组件内胆为铝合金，外面缠绕高强度的碳纤维或聚酰亚胺纤维或玻璃纤维。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述氢气瓶组件的扎带材质为不锈钢或塑料，宽度为2-20mm，厚度为0.5mm—2mm。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述控制电路板，采用C7805单片机。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述外框架，包括带有螺孔的横梁、竖梁以及支撑板，通过螺钉固定装配而成，所述外框架材质为铝合金或不锈钢。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述支撑板为铝合金材料或硬质塑料，外形尺寸及孔位要与电堆及外框架相匹配。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述蒙皮加工有若干个圆孔，保证燃料电池与外界连接，连续供应空气及多余热量的散失，圆孔的孔径包括但不局限于2-10mm，圆孔的横纵行的具体个数及排列。
根据本发明所述便携式空冷氢燃料电池系统的一实施例，其中，所述蒙皮下部加工一个便于开关气瓶减压阀开关的开气门，快速的开关气瓶减压阀开关，保持与外界的隔离与防护；加工有对外的电气接口，可以快速、便捷的与外界进行电气连接；所述蒙皮加工有一个提手；所述蒙皮加工一个对外的排气口，便于系统产生的水及多余气体的排放。
本发明所述的一种便携式空冷氢燃料电池系统，随着氢气瓶202体积的增大及氢气压力的加大，其工作时间也呈倍数增加，可大幅改善作为常用的锂离子电池比能量不足、野外维保不方便的缺陷；其具备零污染(产物为水)、工作过程安静等的特性，作为应急发电机，可局部替代小功率的汽油机，改善其体积大、工作过程噪音大、对环境不友好等缺陷。
附图说明
图1为便携式空冷氢燃料电池系统内部的前视三维结构立体示意图；
图2为便携式空冷氢燃料电池系统的后视三维结构立体示意图；
图3为便携式空冷氢燃料电池系统左视三维结构立体示意图；
图4为便携式空冷氢燃料电池系统内部前视三维结构立体示意图(不含左蒙皮)；
图5为便携式空冷氢燃料电池系统右视三维结构立体示意图；
图6为便携式空冷氢燃料电池系统轴测图三维结构立体示意图；
图7为便携式空冷氢燃料电池系统上蒙皮平面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明一种便携式空冷氢燃料电池系统，该系统包括电池堆1及风扇组件、氢气瓶202组件2、排气口3、控制电路板5、稳压模块组6、支撑板13、扎带4、外框架及蒙皮等零部件。其特征在于，还包括提手10、开气门9、电气接口17、电压显示器16及开关键15。其特征还在于，该系统分为上下两层，电池堆1及风扇组件、控制电路板5及稳压模块组6等位于系统的上层，氢气瓶202组件2整体位于系统的下层。具体见附图1-附图7所示。
1)电池堆1的特征：
所述的电池堆1，包括两个及以上的单电池104(含膜电极组件及双极板)、上下左右四种端板、紧固杆105、集流板、氢气进口、氢气出口等零部件，膜电极组件通过双极板、端板、紧固杆105实现电池堆1的固装及与外界隔离。
所述的电池堆1，膜电极组件与双极板通过粘接胶形成单电池104，或通过密封框架进行密封；
所述的电池堆1，一端通过塑料软管连接氢气瓶202组件2的快插供气口，实现氢气的连续供应；另一端通过塑料软管连接排气口3，在该管路上设置电磁阀，实现废气及废水的控制排放。
所述的电池堆1，底部通过带有螺孔的端板固装于支撑板13，其具体位置根据实际可调；
所述的电池堆1，背部通过带有螺孔的端板与风扇组件连接，形成闭合结构。
2)风扇组件的特征：
所述的风扇组件，每个包括一个或多个风扇及风扇架；
所述的风扇组件，其风扇的框架多为塑料件，方形或长方形，厚度为5-50mm；
所述的风扇组件，其风扇的供电为固定或变频直流电，可恒定转速也可调节转速，具体的电压和电流值根据需要选型；
所述的风扇组件，其风扇架的材质包括但不局限于硬质塑料或酚醛层压板；
所述的风扇组件，其风扇架为方形或长方形，厚度一般为0.5-5mm；
所述的风扇组件，其风扇架四个角或中部通常带有4-8个固定圆孔或螺孔，具体位置根据实际需要可调。其中间为连续或间隔的通孔的圆孔，圆孔排列为直型或方形；
所述的风扇组件，其风扇架中间通孔的圆孔的直径根据风扇扇叶转动的面积确定；
3)氢气瓶202组件2的特征：
所述的氢气瓶202组件2，包括氢气瓶202和一体化的轻质减压阀201，通过一根或多根扎带4固装于外框架上，具体见附图；
所述的氢气瓶202组件2，其氢气瓶202内胆为铝合金，外面缠绕高强度的碳纤维或聚酰亚胺纤维或玻璃纤维，优选的选用无人机专用轻质碳纤维气瓶；
所述的氢气瓶202组件2，其氢气瓶202的标称工作压力一般为20MPa-35MPa，优选的为35MPa；
所述的氢气瓶202组件2，其一体化的轻质减压阀201为铝合金组合件，可将氢气瓶202内的20MPa-70MPa的氢气减压到不到1MPa电池堆1可直接使用；
所述的扎带4，其材质为不锈钢或塑料，宽度为2-20mm，厚度为0.5mm—2mm。
4)控制电路板5的特征：
所述的控制电路板5，采用C7805单片机，通过控制程序的开发，具备控制风扇转速、电磁阀通断等功能，从而调节电池堆1的温度及内部水汽含量；
所述的控制电路板5，一端连接到固装在电池堆1的温度传感器，一端连接到固装在电池堆1背部的风扇组件，还有一端连接电磁阀，可根据测定的电池堆1的温度对风扇的转速及电磁阀的通断进行控制。
5)稳压模块组6的特征：
所述的稳压模块组6，由一个或多个直流电/直流电稳压模块(DC/DC)组成；
所述的稳压模块组6，通过一个或多个金属支撑管将一个或多个直流电/直流电稳压模块(DC/DC)直接或叠加固装于支撑板13，具体位置可根据实际调整；
所述的稳压模块组6，其输入电压和输出电压，需根据转化效率和燃料电池堆1电压匹配；
所述的稳压模块组6，输入端分别和燃料电池的输出正、负极相连，另一端分别和控制电路板5输入端、蒙皮上的电气接口17的接口连接，可稳压输出5V或12V、24V等不同的电压，分别给控制电路板5、风扇及系统对外输出。
6)外框架的特征：
所述的外框架，包括带有螺孔的横梁、竖梁19以及支撑板13，通过螺钉固定装配而成，固装的具体孔位及大小可根据实际需要调整；
所述的外框架，其材质包括但不局限于铝合金、不锈钢等的板材、带材或型材；
所述的外框架，可选用管材、板材、带材等型材根据需要选材加工；
所述的外框架，其横梁包括横梁A20、横梁B12、横梁C22、横梁D18四种，横梁的厚度为3-10mm，具体见图，其长度根据实际需要调整；
所述的外框架，其竖梁19为直角结构，厚度为3-10mm具体见图所示；
所述的支撑板13，为铝合金材料或硬质塑料，包括但不局限于ABS材料等加工而成；
所述的支撑板13，其外形尺寸大小及孔位要与电堆及外框架相匹配；其厚度可根据实际需要调整，包括但不局限于2-10mm；
7)蒙皮的特征：
所述的蒙皮，包括前蒙皮、后蒙皮7、左蒙皮11、右蒙皮14、上蒙皮23、底蒙皮21共六面蒙皮，通过螺钉与上述的外框架固装后形成一个独立的闭合结构；
所述的蒙皮，采用包括但不局限于铝合金材料或不锈钢材料等加工而成；
所述的蒙皮，其厚度可根据实际需要调整，包括但不局限于0.2-2mm；具体尺寸及孔位可根据实际需要进行调整和设计，具体见附图所示。
所述的前、后蒙皮7，各加工有若干个圆孔，可以保证燃料电池与外界连接，连续供应空气及多余热量的散失，圆孔的孔径包括但不局限于2-10mm，圆孔的横、纵行的具体个数及排列，根据电池堆1的位置确定；
所述的左蒙皮11，加工有一个提手10，可以快速便捷的移动该便携式燃料电池系统；
所述的左蒙皮11，在其中下部加工一个便于开关气瓶减压阀201开关的开气门9，可以快速的开关气瓶减压阀201开关，还可保持与外界的隔离与防护；
所述的右蒙皮14，加工有对外的电气接口17，可以快速、便捷的与外界进行电气连接；
所述的右蒙皮14，加工有电压显示器16，可快速、直观的观察到系统的输出电压；
所述的右蒙皮14，还加工有开关键15，当观察到系统的输出电压异常时可通过关断该开关键15，切断系统的对外输出；
所述的下蒙皮，加工一个对外的排气口3，便于系统产生的水及多余气体的排放；
本发明具有的特点和积极效果：
1)本发明所述的一种便携式空冷氢燃料电池系统，包含了燃料电池的核心发电单元-电池堆1、供气的氢气瓶202组件2、控制部分的稳压模块组6和控制电路板5以及外结构部分(含外框架和蒙皮)，是一个功能独立、结构完整的便携式发电系统，无需外界提供其他形式的能量，只需为氢气瓶202充一定压力的氢气后，打开气阀开关即可快速启动(≤1s)、连续、长时间(通常大于2h)对外供电；
2)本发明所述的一种便携式空冷氢燃料电池系统，可通过调整电池堆1单电池104的数量和外形尺寸进而提升系统整体的输出功率，具备整体体积小、重量轻的优势，设计有提手10，可作为移动式的小型电站快速转移，非常方便的为军、民两用小功率应用供电；
3)本发明所述的一种便携式空冷氢燃料电池系统，随着氢气瓶202体积的增大及氢气压力的加大，其工作时间也呈倍数增加，可大幅改善作为常用的锂离子电池比能量不足、野外维保不方便的缺陷；
4)本发明所述的一种便携式空冷氢燃料电池系统，其具备零污染(产物为水)、工作过程安静等的特性，作为应急发电机，可局部替代小功率的汽油机，改善其体积大、工作过程噪音大、对环境不友好等缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，包括：
分为上下两层，电池堆及风扇组件、控制电路板及稳压模块组等位于系统的上层，氢气瓶组件整体位于系统的下层；
所述电池堆的膜电极组件与双极板通过粘接胶形成单电池，或通过密封框架进行密封；电池堆一端通过塑料软管连接氢气瓶组件的快插供气口，实现氢气的连续供应；另一端通过塑料软管连接排气口，在该管路上设置电磁阀，实现废气及废水的控制排放；所述电池堆，背部通过带有螺孔的端板与风扇组件连接，形成闭合结构；所述电池堆，底部通过带有螺孔的端板固装于支撑板；
所述氢气瓶组件，包括氢气瓶和一体化的轻质减压阀，通过一根或多根扎带固装于外框架上；
所述控制电路板，控制风扇转速以及电磁阀通断，调节电池堆的温度及内部水汽含量；所述控制电路板一端连接到固装在电池堆的温度传感器，一端连接到固装在电池堆背部的风扇组件，还有一端连接电磁阀，根据测定的电池堆的温度对风扇的转速及电磁阀的通断进行控制；
所述稳压模块组，输入端分别和燃料电池的输出正负极相连，另一端分别和控制电路板输入端和蒙皮上的电气接口的接口连接，分别给控制电路板、风扇及系统对外输出，所述稳压模块组通过一个或多个金属支撑管将一个或多个直流电转直流电稳压模块直接或叠加固装于支撑板；
所述蒙皮与外框架固装后形成一个独立的闭合结构。
2.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，电池堆包括两个及以上的单电池、上下左右四种端板、紧固杆、集流板、氢气进口以及氢气出口，膜电极组件通过双极板、端板以及紧固杆实现电池堆的固装及与外界隔离。
3.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述风扇组件，每个包括一个或多个风扇及风扇架；
所述风扇组件风扇架为方形或长方形，厚度为0.5-5mm；风扇架四个角或中部通常带有4-8个固定圆孔或螺孔，中间为连续或间隔的通孔的圆孔，圆孔排列为直型或方形；所述风扇组件，其风扇架中间通孔的圆孔的直径根据风扇扇叶转动的面积确定；
其风扇的供电为固定或变频直流电，风扇架的材质为硬质塑料或酚醛层压板。
4.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述氢气瓶组件内胆为铝合金，外面缠绕高强度的碳纤维或聚酰亚胺纤维或玻璃纤维。
5.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述氢气瓶组件的扎带材质为不锈钢或塑料，宽度为2-20mm，厚度为0.5mm—2mm。
6.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述控制电路板，采用C7805单片机。
7.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述外框架，包括带有螺孔的横梁、竖梁以及支撑板，通过螺钉固定装配而成，所述外框架材质为铝合金或不锈钢。
8.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述支撑板为铝合金材料或硬质塑料，外形尺寸及孔位要与电堆及外框架相匹配。
9.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述蒙皮加工有若干个圆孔，保证燃料电池与外界连接，连续供应空气及多余热量的散失，圆孔的孔径包括但不局限于2-10mm，圆孔的横纵行的具体个数及排列。
10.如权利要求1所述便携式空冷氢燃料电池系统，其特征在于，所述蒙皮下部加工一个便于开关气瓶减压阀开关的开气门，快速的开关气瓶减压阀开关，保持与外界的隔离与防护；加工有对外的电气接口，可以快速、便捷的与外界进行电气连接；所述蒙皮加工有一个提手；所述蒙皮加工一个对外的排气口，便于系统产生的水及多余气体的排放。
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