CN115332578B - 一种卷复式离心燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷复式离心燃料电池，包括电池壳体、电池上板、电池下板、电机和若干个并联的子电池，电池上板和电池下板分别设置于电池壳体上端和下端；电池壳体为圆柱状，若干个并联的子电池位于电池壳体内，每个子电池由数个单体电池串联组成，每个单体电池自外而内由还原极板、碳催化质子交换膜复合层、氧化极板组成，数个单体电池串联连接之后，最外层两侧设置有隔板；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；电机置于电池壳体内腔，用于带动燃料电池自转；电池下板设置有凹槽，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，通过离心作用加速水的精准排出。

Description

一种卷复式离心燃料电池

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。

背景技术

氧化极为燃料发生还原的场所，还原极为还原剂发生氧化的场所，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，氧化极即电源正极，还原极即电源负极。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。

现如今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。缺点：反应时会在还原极板（阳极）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，所以往往需要气体燃料加大进气量及出气量，通过大的气体外循环来降低水对反应的影响。

密歇根大学的JixinChen等人提出了死端模式，死端模式是将燃料电池的至少一个出口封住。由于气体出口被封住，因此氢气会在电堆中停留更长时间，从而提高氢气利用率。死端模式虽然简化了系统部件，且一定程度上减少了氢气的浪费，但是一定条件下只能提供电堆反应所需的氢气量，不能实现过量的氢气计量比，从而导致反应效率下降，且由于将出口端封死，容易积聚反应水，所以需要定期清除残留水，这一操作使得燃料电池的性能下降，难以满足燃料电池的经济性和耐久性等要求。

燃料电池停机吹扫可减少内部残留水，确保在冷启动时为气体留出更多反应通道。目前，在燃料电池停车后会立即进行吹扫操作，以免电池在零下环境时内部水相变体积膨胀造成的损坏。

脉冲鼓风吹扫是最基本、应用最广泛的吹扫方法，原理是在电池关机后通过阴极气体供应系统继续向电堆内部鼓风。由于内部水浓度差异较小且气体扩散层几乎为毛细结构，这种方法的效率较低，需要的吹扫时间很长。

失压吹扫通过突然降低进气压力，利用气体在压力降低时溶解更多水蒸气。该方法要求电堆内部组件有较高的机械强度，以免压差损伤内部组件。

发明内容

本发明的目的是提供一种卷复式离心燃料电池，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：

一种卷复式离心燃料电池，包括电池壳体、电池上板、电池下板、电机和若干个并联的子电池，其中：

所述燃料电池呈圆柱状，由电池上板、电池下板和电池壳体固定每个子电池的位置，子电池并联排列，每个相邻的子电池都间隔相应距离，排列好的子电池弯曲后置于电池壳体内；所述电池上板和电池下板分别设置于电池壳体上端和下端；

所述电池壳体为圆柱状，若干个并联的子电池位于电池壳体内，每个子电池为单个单体电池或由数个单体电池串联组成，每个单体电池自外而内由作为阳极的还原极板、碳催化质子交换膜复合层、作为阴极的氧化极板组成，每个单体电池的两侧各设置有一块Z型金属薄片，Z型金属薄片的上端连接前一个单体电池的还原极板，下端连接后一个单体电池的氧化极板，子电池始端的单体电池下方垫有金属薄片，末端的单体电池上方垫有金属薄片，Z型金属薄片与单体电池的空隙间都涂满绝缘密封胶；数个单体电池串联连接之后，最外层两侧设置有隔板；所述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；

所述电机置于电池壳体内腔，用于带动所述燃料电池自转；

所述电池下板设置有凹槽，凹槽尾部设置有出水口。

所述碳催化质子交换膜复合层由碳催化层和质子交换膜复合而成，碳催化层包括两层碳布或两层碳纸，两层碳布或两层碳纸之间填充催化剂。

所述还原极板的上端或下端进入还原气体，另一端与左右端涂有绝缘密封胶。

所述氧化极板的上端或下端进入氧化气体，另一端与左右端涂有绝缘密封胶。

所述出水口设置有出水阀。

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。

有益效果：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，通过离心作用加速水的精准排出。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。不需要循环的氧气，节省设备。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。

燃料电池呈圆柱状，由电池上板和下板和壳体固定了每个子电池的位置，子电池中的单体电池串联分布，子电池并联排列，每个相邻的子电池都间隔相应距离，排列好的子电池弯曲后置于电池壳体内。串联保证电池电堆的电流限制在较低值，并联方便检修。

工作时燃料电池旋转，燃料电池边缘的离心力比中心部位的离心力大，还原极板侧的催化剂层产生的水分子穿过碳布/碳纸到达还原极板，随后顺着还原极板向下通过电池下板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，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。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是发明的纵向剖面结构示意图；

图3是子电池结构剖面局部放大示意图；

图4是燃料电池中还原剂及氧化剂分布的局部放大示意图；

图5是子电池的分布剖面图；

图6是子电池结构示意图；

图7是还原极板及绝缘密封胶分布示意图；

图8是氧化极板及绝缘密封胶分布示意图；

图9是出水阀打开时水的位置；

图10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9所示，本发明的一种卷复式离心燃料电池，整体呈圆柱状，包括电池壳体3、电池上板1、电池下板2、电机5和若干个并联的子电池4，电池上板1和电池下板2分别设置于电池壳体3上端和下端；电池壳体3为圆柱状，若干个并联的子电池4位于电池壳体3内；电机5置于电池壳体3内腔，用于带动燃料电池自转；

燃料电池呈圆柱状，由电池上板1、电池下板2和电池壳体3固定每个子电池4的位置，子电池4并联排列，每个相邻的子电池4都间隔相应距离，排列好的子电池4弯曲后置于电池壳体3内。

如图3、5、6，每个子电池4为单个单体电池或由数个单体电池串联组成，每个单体电池自外而内由作为阳极的还原极板403、碳催化质子交换膜复合层404、作为阴极的氧化极板405组成，每个单体电池的两侧各设置有一块Z型金属薄片402，Z型金属薄片402的上端连接前一个单体电池的还原极板403，下端连接后一个单体电池的氧化极板405，子电池始端的单体电池下方垫有金属薄片406，末端的单体电池上方垫有金属薄片406，Z型金属薄片402与单体电池的空隙间都涂满绝缘密封胶407阻止气体逃逸；数个单体电池串联连接之后，最外层两侧设置有隔板401。其中，碳催化质子交换膜复合层404由碳催化层和质子交换膜复合而成，碳催化层包括两层碳布或两层碳纸，两层碳布或两层碳纸之间填充催化剂。

如图5，若干个子电池并联排列，每个相邻的子电池都间隔相应距离，排列好的子电池弯曲后置于电池壳体3内。

如图3和4，还原极板403和氧化极板405与电线408连接，将燃料电池产生的电流流出，此时还原极板403即电源负极，氧化极板405即电源正极。

如图7，还原极板403的左右端和上端涂有绝缘密封胶407，还原气体从还原极板403下端进入，还原气体也可从还原极板403上端进入，则下端涂有绝缘密封胶407。如图8，氧化极板405的左右端和下端涂有绝缘密封胶407，氧化气体从氧化极板405上端进入，氧化气体也可从氧化极板405上端进入，则下端涂有绝缘密封胶407。

电池上板1底面设置有用于与电机5的输出轴连接的结构，从而使电机5带动整个燃料电池转动。

电池下板2设置有凹槽201，凹槽201尾部设置有出水口202，出水口202设置有出水阀203，出水阀203为电磁阀，凹槽201底部设置有第一传感器204和第二传感器205，第一传感器204和第二传感器205分别与电磁阀连接。

工作时电机带动燃料电池旋转，受离心力作用，燃料电池中产生的水分子顺着还原极板向下通过电池下板的凹槽，从出水阀排出。

氧化剂进入氧化极板，还原剂进入还原极板，两块极板边上的碳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侧的催化剂层生成水分子，也正是由于只有还原极板（阳极）侧的催化剂层上会生成水，所以还原极板（阳极）在外侧，便于水的分离。电池随着电机旋转，受离心力作用，还原极板侧的催化剂层产生的水分子穿过碳布/碳纸到达还原极板，随后顺着还原极板向下从出水阀排出。

刚开始工作时，燃料电池的出水阀是关闭的，当水达到第一传感器的位置时，阀门打开将水排出。当水泄到第二传感器的位置时，出水阀关闭。

工作过程中一直存在电流，氧化极板即电源正极，还原极板即电源负极。

燃料电池呈圆柱状，由电池上板和下板和壳体固定了每个子电池的位置，子电池中的单体电池串联分布，子电池并联排列，每个相邻的子电池都间隔相应距离，排列好的子电池弯曲后置于电池壳体内。串联保证电池电堆的电流限制在较低值，并联方便检修。

工作时燃料电池旋转，燃料电池边缘的离心力比中心部位的离心力大，还原极板侧的催化剂层产生的水分子穿过碳催化层到达还原极板，随后顺着还原极板向下通过电池下板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，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。

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 (6)

1.一种卷复式离心燃料电池，其特征在于：包括电池壳体（3）、电池上板（1）、电池下板（2）、电机（5）和若干个并联的子电池（4），其中：

所述燃料电池呈圆柱状，由电池上板（1）、电池下板（2）和电池壳体（3）固定每个子电池（4）的位置，子电池（4）并联排列，每个相邻的子电池（4）都间隔相应距离，排列好的子电池（4）弯曲后置于电池壳体（3）内；

所述电池上板（1）和电池下板（2）分别设置于电池壳体（3）上端和下端；

所述电池壳体（3）为圆柱状，若干个并联的子电池（4）位于电池壳体（3）内，每个子电池（4）为单个单体电池或由数个单体电池串联组成，每个单体电池自外而内由作为阳极的还原极板（403）、碳催化质子交换膜复合层（404）、作为阴极的氧化极板（405）组成，每个单体电池的两侧各设置有一块Z型金属薄片（402），Z型金属薄片（402）的上端连接前一个单体电池的还原极板（403），下端连接后一个单体电池的氧化极板（405），子电池始端的单体电池下方垫有金属薄片（406），末端的单体电池上方垫有金属薄片（406），Z型金属薄片（402）与单体电池的空隙间都涂满绝缘密封胶（407）；数个单体电池串联连接之后，最外层两侧设置有隔板（401）；所述还原极板（403）和氧化极板（405）与电线连接，将燃料电池产生的电流流出；

所述电机（5）置于电池壳体（3）内腔，用于带动所述燃料电池自转；

所述电池下板（2）设置有凹槽（201），凹槽（201）尾部设置有出水口（202）。

2.根据权利要求1所述的卷复式离心燃料电池，其特征在于：所述碳催化质子交换膜复合层（404）由碳催化层和质子交换膜复合而成，碳催化层包括两层碳布或两层碳纸，两层碳布或两层碳纸之间填充催化剂。

3.根据权利要求1所述的卷复式离心燃料电池，其特征在于：所述还原极板（403）的上端或下端进入还原气体，另一端与左右端涂有绝缘密封胶（407）。

4.根据权利要求1所述的卷复式离心燃料电池，其特征在于：所述氧化极板（405）的上端或下端进入氧化气体，另一端与左右端涂有绝缘密封胶（407）。

5.根据权利要求1所述的卷复式离心燃料电池，其特征在于：所述出水口（202）设置有出水阀（203）。

6.根据权利要求5所述的卷复式离心燃料电池，其特征在于：所述出水阀（203）为电磁阀，所述凹槽（201）底部设置有第一传感器（204）和第二传感器（205），第一传感器（204）和第二传感器（205）分别与电磁阀连接。

Images