CN115207406A - 一种圆柱或圆台状燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，包括电池上板、电池下板，以及若干个并联的单体电池，所述若干个并联的单体电池呈圆柱状或下大上小的圆台状，单个单体电池自外而内由作为阴极的还原极板、碳催化层、质子交换膜、作为阳极的氧化极板组成，还原极板和氧化极板与电线连接，将燃料电池产生的电流流出；相邻的单体电池之间通过隔板隔开；所述电池上板位于若干个单体电池上方，电池上板上开设有多个第一进气口和第二进气口；所述电池下板位于若干个单体电池下方，并固定于轴上端，轴能够带动电堆旋转；电池下板上位于单体电池底部处设置有凹槽，凹槽尾部设置有出水口。本发明不需要大的气体流通量来排水，进而降低外循环气体的设备和能耗。

Description

一种圆柱或圆台状燃料电池电堆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆。
背景技术
氧化极为燃料发生氧化的场所，还原极为还原剂发生还原的场所，两极边上都有加速电化学反应的催化层，质子交换膜传递阳离子只允许阳离子通过。工作时一直存在电流，氧化极即电源负极，还原极即电源正极。燃料电池工作时，燃料和氧化剂分别引入对应的双极板，通过碳纸/碳布与催化剂接触进行电化学反应。
极板主要作用是气体分配、集流、导热和密封。极板性能决定了燃料电池堆体积比功率和质量比功率。
碳纸/碳布起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用。
催化层是由催化剂和催化剂载体形成的薄层，催化剂作为氢燃料电池反应关键。
质子交换膜作为电解质，起到传导质子，隔离反应气体的作用。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。
现有技术中，燃料电池由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。单体电池由将双极板与膜电极(碳纸/碳布、催化层、质子交换膜)组成。若干单体电池之间嵌入流道，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，构成燃料电池。存在如下缺点：反应时会在还原极板（阴极）阴极的膜上生成氧化物（水），而水又会阻碍气体的接触，并且由于极板与膜间距较小，在大功率运行时水的生成量较大，对反应的速度影响也较大，所以往往需要流动气体燃料加大进气量及出气量，通过大的气体外循环来的气体将水排出降低水对反应的影响。燃料电池生产的水会阻止反应继续发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，以解决现有技术中存在的需要通过大的气体外循环来降低水对反应影响的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，包括电池上板、电池下板，以及若干个并联的单体电池，其中：
所述若干个并联的单体电池呈圆柱状或下大上小的圆台状，单个单体电池自外而内由作为阴极的还原极板、碳催化层、质子交换膜、作为阳极的氧化极板组成，还原极板和氧化极板与电线连接，将燃料电池产生的电流流出；相邻的单体电池之间通过隔板隔开；
所述电池上板位于若干个单体电池上方，并固定于机架下端，电池上板上开设有多个第一进气口和第二进气口，第一进气口与单体电池的阴极连通，用于给阴极输入还原剂，第二进气口与单体电池的氧化极板连通，用于给阳极输入氧化剂；
所述电池下板位于若干个单体电池下方，并固定于轴上端，轴由电机驱动，能够带动电堆旋转；电池下板上位于单体电池底部处设置有凹槽，凹槽尾部设置有出水口。
进一步的，所述单体电池呈下大上小的圆台状。
进一步的，所述出水口设置有出水阀。
进一步的，所述出水阀为电磁阀，所述凹槽底部设置有第一传感器和第二传感器，第一传感器和第二传感器分别与电磁阀连接。
进一步的，所述还原极板、氧化极板均为网状结构。
进一步的，所述还原极板、碳催化层、质子交换膜、氧化极板均是由一片扇形金属网卷成的圆柱状或圆台形状。
进一步的，所述碳催化层包括两层碳布或碳纸，两层碳布或碳纸之间填充催化剂。
有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：
1.不需要大的气体流通量来排水，进而降低外循环气体的设备和能耗。
2.通过离心作用加速水的精准排出。
3.极板不需要复杂流道，降低了极板工艺复杂度及成本，提升效率。
4.不需要循环的氧气，节省设备。
5.极板由金属网组成，在燃料电池中仅作为电极和支撑，气体与催化层接触面积更大。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是燃料电池输入还原剂及氧化剂方向的剖视结构示意图；
图4是燃料电池输出电流方向示意图；
图5是燃料电池输出电流方向的剖视结构示意图；
图6是极板结构示意图；
图7是出水阀打开时水的位置；
图8是出水阀关闭时水的位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至8所示，一种圆台状燃料电池电堆，包括电池上板1、电池下板7，以及若干个并联的单体电池，其中：
若干个并联的单体电池呈圆柱状或下大上小的圆台状，单个单体电池自外而内由作为阴极的还原极板2、碳催化层3、质子交换膜4、作为阳极的氧化极板5组成，其中碳催化层3包括两层碳布或碳纸，两层碳布或碳纸之间填充催化剂；还原极板2和氧化极板5与电线连接，将燃料电池产生的电流流出；相邻的单体电池之间通过隔板6隔开；
电池上板1位于若干个单体电池上方，并固定于机架13下端，电池上板1上开设有多个第一进气口12和第二进气口14，第一进气口12与单体电池的阴极连通，用于给阴极输入还原剂，第二进气口14与单体电池的氧化极板5连通，用于给阳极输入氧化剂；
电池下板7位于若干个单体电池下方，并固定于轴11上端，轴11能够带动电堆旋转；电池下板7上位于单体电池底部处设置有凹槽15，凹槽15尾部设置有出水口，出水口设置有出水阀10。
还原极板2、氧化极板5均为网状结构。
如图6所示，还原极板2、碳催化层3、质子交换膜4、氧化极板5均是由一片扇形金属网卷成的圆柱状或圆台形状。
作为本发明进一步的改进，出水阀10采用电磁阀，凹槽15底部设置有第一传感器8和第二传感器9，第一传感器8和第二传感器9分别与电磁阀连接，第一传感器8和第二传感器9能够感知液位。刚开始工作时，燃料电池的出水阀10是关闭的，当水达到第一传感器8的位置时，出水阀10打开将水排出，当水泄到第二传感器9的位置时，出水阀10关闭。如图7和8所示，液面升到第一传感器位置后，排水阀打开进行排水，排水开始后，液面降到第二传感器位置后，排水阀关闭。
本发明的工作过程是：
工作时燃料电池旋转，受离心力作用，燃料电池中产生的水分子顺着还原极板2向下通过电池下板7的凹槽汇入排水槽中。氧化剂进入氧化极板5，还原剂进入还原极板2，两块极板边上的碳纸/碳布和催化层加速电化学反应，质子交换膜只允许阳离子通过，阳离子与阴离子在还原极板2处生成水分子，也正是由于只有还原极板阴极2单侧会生成水，所以还原极板阴极2在外侧，便于水的分离。电池随着导气滑环旋转端旋转，受离心力作用，水分子顺着还原极板2向下通过电池下板7的凹槽汇入排水槽中。
工作过程中一直存在电流，氧化极板5即电源负极，还原极板2即电源正极。
由于燃料电池呈圆台状，由电池上板1和下板7和隔板6固定了每个单体电池的位置，多个单体电池并联，工作时燃料电池旋转，燃料电池边缘的压力比中心部位的压力大，还原极板2生成的水分子顺着还原极板2向下流入电池下板7的凹槽汇入排水槽中，加速水的排出，防止水分子附着在极板上影响气体产出。不需要流动的气体排出水，加速水的排出，防止水分子附着在极板上影响气体产出，同时使气体与催化剂接触面积更大。
由于压力差水分子向还原极板2下端流，所以极板不需要流道，极板由金属网组成，在燃料电池中仅作为电极和支撑，降低工艺步骤。
因为不需要流动的气体排出水，不需要循环的氧气，节省设备。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，其特征在于：包括电池上板（1）、电池下板（7），以及若干个并联的单体电池，其中：
所述若干个并联的单体电池呈圆柱状或圆台状，单个单体电池自外而内由作为阴极的还原极板（2）、碳催化层（3）、质子交换膜（4）、作为阳极的氧化极板（5）组成，还原极板（2）和氧化极板（5）与电线连接，将燃料电池产生的电流流出；相邻的单体电池之间通过隔板（6）隔开；
所述电池上板（1）位于若干个单体电池上方，并固定于机架（13）下端，电池上板（1）上开设有多个第一进气口（12）和第二进气口（14），第一进气口（12）与单体电池的阴极连通，用于给阴极输入还原剂，第二进气口（14）与单体电池的氧化极板（5）连通，用于给阳极输入氧化剂；
所述电池下板（7）位于若干个单体电池下方，并固定于轴（11）上端，轴（11）由电机驱动，能够带动电堆旋转；电池下板（7）上位于单体电池底部处设置有凹槽（15），凹槽（15）尾部设置有出水口。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，其特征在于：所述单体电池呈下大上小的圆台状。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，其特征在于：所述出水口设置有出水阀（10）。
4.根据权利要求3所述的一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，其特征在于：所述出水阀（10）为电磁阀，所述凹槽（15）底部设置有第一传感器（8）和第二传感器（9），第一传感器（8）和第二传感器（9）分别与电磁阀连接。
5.根据权利要求1所述的一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，其特征在于：所述还原极板（2）、氧化极板（5）均为网状结构。
6.根据权利要求1或4所述的一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，其特征在于：所述还原极板（2）、碳催化层（3）、质子交换膜（4）、氧化极板（5）均是由一片扇形金属网卷成的圆柱状或圆台形状。
7.根据权利要求1所述的一种圆柱或圆台状燃料电池电堆，其特征在于：所述碳催化层（3）包括两层碳布或碳纸，两层碳布或碳纸之间填充催化剂。
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