CN117317333A - 航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其是一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其包括电堆单元、涡轮电机、涡轮轴、压缩涡轮和膨胀涡轮组，涡轮电机的输出端通过超越离合器连接涡轮轴，涡轮轴穿过电堆单元连接压缩涡轮，膨胀涡轮组安装在压缩涡轮与涡轮电机之间的涡轮轴上，压缩涡轮与膨胀涡轮组之间设置有绝缘端板，该绝缘端板的边沿设有一圈导风槽，电堆单元中间设有容纳膨胀涡轮组的圆柱形通腔，且电堆单元的边沿分布有与导风槽相配合的空气进口以及氢气进口。本发明轻量化设计，保证结构强度，同时增加功率比重量；使用独立辅助电机给压缩涡轮增速，确保特性情况下空气进气量和进行电堆温度控制。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其是一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆。
背景技术
随社会进步，使用化石能源导致环境问题受到关注，各种替代的新能源开始推广和普及。其中，氢能及质子交换膜燃料电池技术由于其环保性和能量高转化效率，有望成为理想的化石能源替代能源应用。由于燃料电池的燃料储存于外部容器，外部容器的大小决定了燃料电池的能量多少，所以能量密度远大于储能电池。而用于环保交通运输领域时，如航空电气化，能够比储能电池提供更长的续航里程。
目前，大功率的低温质子交换膜燃料电池为取得高性能高效率需要控制在严苛的条件下运行，且需要以大量的系统辅助设备进行水管理、热管理和气体压力控制，这导致目前此类燃料电池系统复杂，零部件众多，辅助功耗大、功率重量比低，难以应用于航空领域。
而使用nafion质子交换膜燃料电池，依赖水作为电解质。作为航空用途缺陷有二：1.随高度增加而空气中水汽含量减少，会导致燃料电池性能降低；2.海拔4000米以上温度为零度以下，水凝结成冰。这就需要携带大量的水对空气增湿，并进行水温控制。
且空压机在燃料电池系统中负责为电堆输送特定压力及流量的氧化剂，其性能和功耗直接决定了燃料电池系统整体的输出功率。现有空压机功耗为燃料电池系统辅助设备中占比最大件，约为电堆输出功率的20%。随海拔高度增加，空气中的氧含量减少，为保证燃料电池有足够的氧气运行，需要更多的空气进气量和更大的空压机功耗。
如申请号为202210366765.1的中国专利公开了一种带燃气涡轮增压器的燃料电池系统，此燃料电池系统利用余氢尾气燃料带动涡轮给空气增压，此燃料电池系统复杂，零部件众多。如申请号为202310451459.2的中国专利公开了一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统，此为燃烧重整气尾气料带动涡轮，本质上烧的还是余氢，但燃烧氢气的安全性和重整氢气需要额外热量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种使用纯氢或液氢作为燃料、无氢气尾气排出，且增加功率比重量的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，包括电堆单元、涡轮电机、涡轮轴、压缩涡轮和膨胀涡轮组，所述涡轮电机的输出端通过超越离合器连接涡轮轴，所述涡轮轴穿过电堆单元连接压缩涡轮，所述膨胀涡轮组安装在压缩涡轮与涡轮电机之间的涡轮轴上，所述压缩涡轮与膨胀涡轮组之间设置有绝缘端板，该绝缘端板的边沿设有一圈导风槽，所述电堆单元中间设有容纳膨胀涡轮组的圆柱形通腔，且电堆单元的边沿分布有与导风槽相配合的空气进口以及氢气进口。
进一步地，所述电堆单元自绝缘端板向涡轮电机的方向依次设置阴极集流板、电堆主体和阳极集流板，所述电堆主体顺序并循环叠放膜电极、双极板和密封圈，所述双极板的两面分别设有阴极流场和阳极流场，面向阴极集流板的双极板一面为阴极流场，面向阳极集流板的双极板一面为阳极流场，所述阴极流场和阳极流场内设置有导电耐腐蚀涂层。
更进一步地，所述阴极流场为开放式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，环形流道之间是连通的，位于最外圈的环形流道与空气流通孔之间设有空气导流槽，位于最内圈的环形流道上也均布有空气导流槽。
更进一步地，所述阴极集流板面向电堆单元的一面上设有与阴极流场结构相同的阴极流场，阴极集流板外边沿设有正/负取电口。
更进一步地，所述阳极流场为双进口封闭式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，位于最外圈的环形流道通过氢气导流槽与两个氢气进口连通，两个氢气进口关于双极板的中心线呈轴对称分布。
更进一步地，所述阳极集流板面向电堆单元的一面上设有与阳极流场结构相同的阳极流场，阳极集流板的中心设有供涡轮轴通过的中心孔，该中心孔与阳极流场之间设有呈辐射状分布的导流片，以形成空气出口。
更进一步地，所述阴极集流板上预埋有温度传感器导线，所述阳极集流板上安装有温度传感器信号线，电堆单元两端的中心孔处各设有温度传感器探头，所述温度传感器探头与温度传感器导线、温度传感器信号线连接。
更进一步地，所述膜电极为环形高温型PBI膜质子交换膜膜电极，所述绝缘端板、阴极集流板、阳极集流板均采用铝合金材质。
进一步地，所述压缩涡轮外罩设有导风罩，所述导风罩、绝缘端板和电堆单元由贯穿三者边沿的铆接组件紧固成一整体，所述铆接组件穿过电堆单元的空气进口和绝缘端板的导风槽。
更进一步地，所述绝缘端板和铆接组件表面通过硬质阳极氧化处理形成绝缘层。
本发明的有益效果是：
（1）本发明轻量化设计，整体采用航空铝材和航空铆接，双极板使用铝合金薄板冲压，保证结构强度，同时增加功率比重量；
（2）使用独立辅助电机给压缩涡轮增速，确保特性情况下空气进气量和进行电堆温度控制；
（3）环形电堆设计布局环绕于涡轮轴外圈，空气通道沿离心涡轮气流方向直接导入电堆外圈，经电堆内部后，集中于电堆内侧并环绕于膨胀涡轮组四周，便于回收尾气能量；
（4）利用膨胀涡轮组回收空气尾气的压力和热量，转化为动能提供给进气压缩涡轮旋转，空气进气功耗降低50%以上；将进气口（空气+氢气）设置于航空器前进方向螺旋桨后，可进一步减少功耗，航空器飞行时涡轮进气可无需辅助动力；
（5）双极板两面的流场均具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，气量气压降均匀且对称；流道设计无锐角弯，压降损失小，尾气压力能量回收利用率高，避免管道输送增加压力和温度损失；
（6）供空气流入的阴极流场采用开放式设计，同时作为氧化剂供应和冷却流道，能避免氧化剂和散热的气量分配和简化散热器件及其控制；
（7）使用高温PBI质子交换膜，由于使用磷酸作为电解质，无需携带水和增湿控制，也不用考虑高空缺水堆发电性能的影响；
（8）简化热管理，减掉水管理，降低空压机能耗，减重减体积减辅助设备，环绕设计减少压力损失。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1另一个方向上的结构示意图。
图3是本发明的装配图。
图4是本发明绝缘端板的结构示意图。
图5是本发明电堆主体的剖视图。
图6是本发明双极板的结构示意图。
图7是本发明膜电极的结构示意图。
图8是本发明阴极集流板的结构示意图。
图9是本发明阳极集流板的结构示意图。
图10是本发明电堆单元内气体流路图。
图11是本发明内部气体流路图。
图12是本发明具体应用时的结构示意图。
图中：1.空气进口，2.空气出口，3.氢气进口，4.密封圈，5.铆接组件，6.绝缘端板，61.导风槽，7.双极板，71.阴极流场，72.阳极流场，73.空气导流槽，74.氢气导流槽，8.阳极集流板，81.导流片，9.阴极集流板，10.正/负取电口，11.膜电极，12.压缩涡轮，13.膨胀涡轮组，14.导风罩，15.涡轮电机，16.涡轮轴，17.温度传感器探头，18.航空电机，19.螺旋桨，20.电堆单元，21.电堆主体。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1～4所示，一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，包括电堆单元20、涡轮电机15、涡轮轴16、压缩涡轮12和膨胀涡轮组13，涡轮电机15的输出端通过超越离合器连接涡轮轴16，涡轮轴16穿过电堆单元20连接压缩涡轮12，膨胀涡轮组13安装在压缩涡轮12与涡轮电机15之间的涡轮轴16上，压缩涡轮12与膨胀涡轮组13之间设置有绝缘端板6，该绝缘端板6的边沿设有一圈导风槽61，电堆单元20中间设有容纳膨胀涡轮组的圆柱形通腔，且电堆单元20的边沿分布有与导风槽61相配合的空气进口1以及氢气进口3。压缩涡轮12外罩设有导风罩14，导风罩14、绝缘端板6和电堆单元20由贯穿三者边沿的铆接组件5紧固成一整体，铆接组件5穿过电堆单元20的空气进口1和绝缘端板6的导风槽61。
如图5所示，电堆单元20自绝缘端板6向涡轮电机15的方向依次设置阴极集流板9、电堆主体21和阳极集流板8，如图4所示，电堆主体21顺序并循环叠放膜电极11、双极板7和密封圈4，双极板7的两面分别设有阴极流场71和阳极流场72，面向阴极集流板9的双极板7一面为阴极流场71，面向阳极集流板8的双极板7一面为阳极流场72，阴极流场71和阳极流场72内设置有导电耐腐蚀涂层。
如图6中（a）所示，阴极流场71为开放式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，环形流道之间是连通的，位于最外圈的环形流道与空气流通孔之间设有空气导流槽73，位于最内圈的环形流道上也均布有空气导流槽73。如图6中（b）所示，阳极流场72为双进口封闭式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，位于最外圈的环形流道通过氢气导流槽74与两个氢气进口3连通，两个氢气进口3关于双极板7的中心线呈轴对称分布。
如图7所示，膜电极11具有阳极面和阴极面，其阳极面对应双极板7的阳极流场72，阴极面对应双极板7的阴极流场71。
如图8所示，阴极集流板9面向电堆单元20的一面（如图7中（b）所示）上设有与阴极流场71结构相同的阴极流场，阴极集流板9外边沿设有正/负取电口10。
如图9所示，阳极集流板8面向电堆单元20的一面（如图9中（a）所示）上设有与阳极流场72结构相同的阳极流场，阳极集流板8的中心设有供涡轮轴16通过的中心孔，该中心孔与阳极流场之间设有呈辐射状分布的导流片81，以形成空气出口2。
另外，阴极集流板9上预埋有温度传感器导线（图中未示出），阳极集流板8上安装有温度传感器信号线（图中未示出），电堆单元20两端的中心孔处各设有温度传感器探头17，温度传感器探头17与温度传感器导线、温度传感器信号线连接；前、后两个温度传感器探头17可监测电堆运行的前后端温度和温差。
本实施例中，膜电极11为环形高温型PBI膜质子交换膜膜电极，绝缘端板6、阴极集流板9、阳极集流板8和铆接组件5均采用铝合金材质（航空专用），绝缘端板6和铆接组件5表面通过硬质阳极氧化处理形成绝缘层。绝缘端板6也作为空气进气端板，内有环形的导风槽61，该导风槽61也作为电堆紧固的支撑。绝缘端板6和阳极集流板8作为电堆两端紧固作用，电堆单元20的中心孔为涡轮轴16的通孔，需有一定的厚度，可在支撑点外单面设计减重结构。
如图10和图11所示，空气（用实线箭头表示）从空气进口1进入，经压缩涡轮12压缩后从绝缘端板6外圈的环形导风槽61进去电堆单元20，再由双极板7外圈的空气进口1进入阴极流场71，反应后的空气最后从双极板7的中心孔进入容纳膨胀涡轮组13的圆柱形通腔，由阳极集流板8上空气出口2排出；阴极尾气压力和发电产生的热量推动膨胀涡轮组13旋转，通过涡轮轴16带动压缩涡轮12旋转，从而回收能量帮助进气。采用纯氢或液氢作为燃料，只设有两个氢气进口3，无氢气尾气排出，氢气（用虚线箭头表示）从阳极集流板8进入阳极流场72进行反应。氢气氧气发电原理：2H2+O2 →2H2O，负极反应式为：2H2-4e-=4H+，正极反应式为：O2+4H++4eˉ=2H2O。
如图12所示，具体使用时，电缆连接正/负取电口10，电能提供给航空电机18用作螺旋桨19的动力；该电堆安装时空气进口1向着航空器前进方向；如安装于接近螺旋桨19后，空气进口1对准螺旋桨19桨叶，可提供更多空气进入。
具体安装时，由多片双极板7进行堆叠，每片双极板7之间放置密封圈4和膜电极11，交替堆叠。堆叠完成后，前端用阴极集流板9封闭电堆，后端用阳极集流板8封闭电堆。涡轮轴16的一端穿过绝缘端板6中心孔两端安装压缩涡轮12和膨胀涡轮组13，绝缘端板6外侧安装压缩涡轮12，绝缘端板6内侧安装膨胀涡轮组13，将涡轮轴16的另一端穿入阳极集流板8端板中心孔并安装涡轮电机15，最后用导风罩14封闭，并用铆接组件5对穿紧固。
工作过程：高温PBI质子交换膜燃料电池在使用纯氢作为燃料时，工作温度温度范围-30℃～200℃，需要对电堆温度调控。启动时，空气从航空器前进方向进入空气进口1，压缩涡轮12被动旋转，监测压缩涡轮12转速，如转速过低不足以满足电堆发电需要的进入气量，例如停机状态启动，可开启涡轮电机15辅助压缩涡轮12旋转进气；同时进入氢气开始发电。运行时，随着航空器速度增加，从空气进口1进入的空气量上升，空气出口2的膨胀涡轮组13回收空气尾气热能和压力，转化为动能通过涡轮轴16带动压缩涡轮12旋转；控制氢气消耗量以控制电堆发电量。电堆发出电能提供航空电机18带动螺旋桨19旋转的动力。停止时，关闭氢气，停止发电，压缩涡轮12被动旋转，自行散热。
涡轮电机15控制策略：
1.根据事先测算的发电量所需空气量与压缩涡轮12转速关系，控制涡轮电机15辅助增加压缩涡轮12转速，使满足发电所需空气量；2.随功率开始上升，当电堆温度达到200℃时，控制涡轮电机15增大压缩涡轮12转速，增大空气进气量进行散热，3.当空气进气量满足发电需求，且电堆温度在运行范围内时，由膨胀涡轮13带动压缩涡轮12旋转，涡轮电机15无需介入辅助；由于超越离合器的单向轴承作用，涡轮轴16对于涡轮电机15为空转状态。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：包括电堆单元（20）、涡轮电机（15）、涡轮轴（16）、压缩涡轮（12）和膨胀涡轮组（13），所述涡轮电机（15）的输出端通过超越离合器连接涡轮轴（16），所述涡轮轴（16）穿过电堆单元（20）连接压缩涡轮（12），所述膨胀涡轮组（13）安装在压缩涡轮（12）与涡轮电机（15）之间的涡轮轴（16）上，所述压缩涡轮（12）与膨胀涡轮组（13）之间设置有绝缘端板（6），该绝缘端板（6）的边沿设有一圈导风槽（61），所述电堆单元（20）中间设有容纳膨胀涡轮组（13）的圆柱形通腔，且电堆单元（20）的边沿分布有与导风槽（61）相配合的空气进口（1）以及氢气进口（3）。
2.根据权利要求1所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆单元（20）自绝缘端板（6）向涡轮电机（15）的方向依次设置阴极集流板（9）、电堆主体（21）和阳极集流板（8），所述电堆主体（21）顺序并循环叠放膜电极（11）、双极板（7）和密封圈（4），所述双极板（7）的两面分别设有阴极流场（71）和阳极流场（72），面向阴极集流板（9）的双极板（7）一面为阴极流场（71），面向阳极集流板（8）的双极板（7）一面为阳极流场（72），所述阴极流场（71）和阳极流场（72）内设置有导电耐腐蚀涂层。
3.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极流场（71）为开放式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，环形流道之间是连通的，位于最外圈的环形流道与空气流通孔之间设有空气导流槽（73），位于最内圈的环形流道上也均布有空气导流槽（73）。
4.根据权利要求3所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极集流板（9）面向电堆单元（20）的一面上设有与阴极流场（71）结构相同的阴极流场，阴极集流板（9）外边沿设有正/负取电口（10）。
5.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阳极流场（72）为双进口封闭式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，位于最外圈的环形流道通过氢气导流槽（74）与两个氢气进口（3）连通，两个氢气进口（3）关于双极板（7）的中心线呈轴对称分布。
6.根据权利要求3所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阳极集流板（8）面向电堆单元（20）的一面上设有与阳极流场（72）结构相同的阳极流场，阳极集流板（8）的中心设有供涡轮轴（16）通过的中心孔，该中心孔与阳极流场之间设有呈辐射状分布的导流片（81），以形成空气出口（2）。
7.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极集流板（9）上预埋有温度传感器导线，所述阳极集流板（8）上安装有温度传感器信号线，电堆单元（20）两端的中心孔处各设有温度传感器探头（17），所述温度传感器探头（17）与温度传感器导线、温度传感器信号线连接。
8.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述膜电极（11）为环形高温型PBI膜质子交换膜膜电极，所述绝缘端板（6）、阴极集流板（9）、阳极集流板（8）均采用铝合金材质。
9.根据权利要求1所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述压缩涡轮（12）外罩设有导风罩（14），所述导风罩（14）、绝缘端板（6）和电堆单元（20）由贯穿三者边沿的铆接组件（5）紧固成一整体，所述铆接组件（5）穿过电堆单元（20）的空气进口（1）和绝缘端板（6）的导风槽（61）。
10.根据权利要求9所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述绝缘端板（6）和铆接组件（5）表面通过硬质阳极氧化处理形成绝缘层。
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