CN117691159A - 一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统 - Google Patents

一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN117691159A
CN117691159A CN202311697051.XA CN202311697051A CN117691159A CN 117691159 A CN117691159 A CN 117691159A CN 202311697051 A CN202311697051 A CN 202311697051A CN 117691159 A CN117691159 A CN 117691159A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
hydrogen
oxygen fuel
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311697051.XA
Other languages
English (en)
Inventor
张震
房海基
张羽翔
唐惠玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Center Power Tech Co Ltd
Shenzhen Hydrogen Fuel Cell Technology Co Ltd
Original Assignee
Shenzhen Center Power Tech Co Ltd
Shenzhen Hydrogen Fuel Cell Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Center Power Tech Co Ltd, Shenzhen Hydrogen Fuel Cell Technology Co Ltd filed Critical Shenzhen Center Power Tech Co Ltd
Priority to CN202311697051.XA priority Critical patent/CN117691159A/zh
Publication of CN117691159A publication Critical patent/CN117691159A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本申请提供一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统，该电堆包括堆芯单元，所述堆芯单元包括多个堆叠设置的单电池；每个所述单电池均包括第一金属极板、膜电极单元和第二金属极板，所述膜电极单元设置于所述第一金属极板和所述第二金属极板之间；相邻的两个所述单电池中，其中一个单电池的第一金属极板与另一个单电池的第二金属极板焊接连接；所述第一金属极板靠近所述膜电极单元的侧面上设置有数条相互平行的第一气流道；相邻的两条所述第一气流道之间设置有流道脊；所述流道脊的两端分别设置有探头槽，处于所述第一气流道同一端、且相邻的所述探头槽之间至少间隔一个流道脊。本申请可实现一体化、集成化制氢和燃料电池发电，集成化高，成本低。

Description

一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统。
背景技术
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，可使用的燃料来源丰富多样，同时具有转换效率高、对环境无污染、零排放等优势。其中，质子交换膜(PEM)燃料电池是目前技术成熟度最高的一种燃料电池，它以氢气作为燃料，具有效率高、启动快、可低温启动等优点，已经在乘用车、公交车、重卡、无人机、两轮车等交通领域进行了部分商业化推广，在分布式发电、家庭热电联供、应急发电、备用电源、复合能源系统等领域也逐渐被应用。
近年来，5G通讯基站备用电源市场规模保持平稳增长的态势。对于通讯基站等场景来说，备用电源是非常重要的组成部分，备用电源的供电质量以及供电可靠性，将直接影响整个通讯系统及质量。
目前，主要采用铅酸电池或锂离子电池作为5G通讯基站备用电源。但是，采用铅酸电池作为后备电源，存在寿命短、容量过低、供电时间短、维护成本高和体积过大等缺点，对环境有一定的污染性；如果采用锂离子电池，则安全性较差，同时对于低温、高温等环境条件过于敏感。
也有将PEM燃料电池应用于通讯基站备用电源系统的。但是，如果使用高纯氢气作为燃料电池的燃料，通常利用高压钢瓶进行氢气存储，当氢气燃料消耗完毕后，新的燃料供给较为困难，尤其对于部分地域条件苛刻的通讯基站，燃料供给和维护成本较高。
如果将采用甲醇作为燃料的燃料电池用于备用电源系统，虽然甲醇液体燃料供给与高纯氢气相比较更方便、成本更低，但是，需要额外配置甲醇重整装置以及提纯模块，同时所需要的高温燃料电池电堆性能较差、成本过高，且整套系统体积过于庞大，不利于应用。
通讯基站备用电源也可以采用制氢-储氢-燃料电池发电三模块一体化系统，当电力正常时，利用电解水技术进行制氢，储存在氢气钢瓶或固态储氢装置中，燃料电池处于长期待机状态；当电力出现故障时，备用电源启动，储氢装置释放氢气，通过燃料电池系统进行发电和电力供应。但是，该三模块一体化系统整套设备较为复杂，所需电堆模块和系统零部件组成过多，成本较高，体积较大，很难进行规模化应用。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统，旨在解决现有通讯基站等领域所需的氢燃料电池备用电源氢气供给等问题。
为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆，包括堆芯单元，所述堆芯单元包括多个堆叠设置的单电池；每个所述单电池均包括第一金属极板、膜电极单元和第二金属极板，所述膜电极单元设置于所述第一金属极板和所述第二金属极板之间；相邻的两个所述单电池中，其中一个单电池的第一金属极板与另一个单电池的第二金属极板焊接连接；
所述第一金属极板靠近所述膜电极单元的侧面上设置有数条相互平行的第一气流道；相邻的两条所述第一气流道之间设置有流道脊；所述流道脊的两端分别设置有探头槽，处于所述第一气流道同一端、且相邻的所述探头槽之间至少间隔一个流道脊。
作为优选的实施方式，所述探头槽的深度小于所述流道脊的高度；当所述可逆氢氧燃料电池电堆处于温度检测状态时，所述探头槽内容置有温度检测器的热电偶；所述探头槽与所述热电偶相适配设置。
作为优选的实施方式，所述第二金属极板靠近所述膜电极单元的侧面上设置有数条相互平行的第二气流道；所述第二金属极板的一端设置有进气口，另一端设置有排气口，所述进气口与所述第二气流道的入气口连通，所述排气口与所述第二气流道的出气口连通。
作为优选的实施方式，当所述第一金属极板与所述第二金属极板焊接连接时，所述第一气流道的气体流向与所述第二气流道的气流方向呈垂直设置。
所述第一气流道为直型流道，所述第二气流道为蛇形流道；所述第一气流道为空气流道，所述第二气流道为氢气流道。
作为优选的实施方式，所述基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆还包括阳极集流板、阴极集流板、第一绝缘板、第二绝缘板、第一端板、第二端板和多根装堆螺杆；所述阳极集流板设置于所述堆芯单元的阳极端(即氢气侧的一端)，所述阴极集流板设置于所述堆芯单元的阴极端(即空气侧的一端)；所述第一绝缘板设置于所述阳极集流板远离所述堆芯单元的侧面上；所述第二绝缘板设置于所述阴极集流板远离所述堆芯单元的侧面上；所述第一端板设置于所述第一绝缘板远离所述堆芯单元的侧面上；所述第二端板设置于所述第二绝缘板远离所述堆芯单元的侧面上；所述装堆螺杆对称设置于所述堆芯单元的两侧，且所述装堆螺杆的一端与所述第一端板固定连接，另一端与所述第二端板固定连接。
另一方面，本发明实施例还提供一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统，由上述可逆氢氧燃料电池电堆制备得到。
作为优选的实施方式，所述基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统包括水储罐、氢气储罐、气液分离器、电源、负载和所述可逆氢氧燃料电池电堆；
所述水储罐与所述可逆氢氧燃料电池电堆连接；所述可逆氢氧燃料电池电堆分别与所述电源、所述负载、所述气液分离器、所述氢气储罐连接；所述氢气储罐与所述气液分离器连接。
作为优选的实施方式，所述氢气储罐通过三通阀与所述气液分离器连接；所述氢气储罐通过所述三通阀与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进气口连接；所述三通阀与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进气口之间设置有减压阀。
作为优选的实施方式，所述气液分离器与所述三通阀之间设置有氢气增压器和除湿器；所述氢气增压器设置于所述气液分离器与所述除湿器之间。
作为优选的实施方式，所述水储罐的出水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进水口连接；所述水储罐的进水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆的出水口连接。
作为优选的实施方式，所述水储罐的出水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进水口之间设置有水阀和水泵；所述水阀设置于所述水储罐的出水口与所述水泵之间。
作为优选的实施方式，所述负载的正极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的正极连接，所述负载的负极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的负极连接。
作为优选的实施方式，所述电源的正极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的负极连接，所述电源的负极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的正极连接。
作为优选的实施方式，所述可逆氢氧燃料电池电堆上还设置有多个风扇；所述可逆氢氧燃料电池电堆的出气口与尾排阀连接。
相对于现有技术，本申请结构具有如下技术效果：通过本申请，制氢和燃料电池发电由基于风冷的一体化可逆电堆完成，同时节省大量系统零部件，可以实现一体化、集成化制氢和燃料电池发电，系统更加集成化，成本更低，无需人工进行燃料补给，有效降低备用电源维护成本。与传统的制氢-储氢-燃料电池发电系统三模块一体化方案相比较，本发明的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统(即制氢-燃料电池一体堆)的成本更低，结构更紧凑，系统所需组成部件更少。与甲醇类燃料电池技术相比，本申请仅需要为系统提供纯水补给即可，更加安全、便捷，比甲醇具有更好的清洁性，燃料补给成本更低。本申请的极板均采用贵金属Pt或I r涂层的钛基材，能够有效保证燃料电池的耐腐蚀要求以及电解水模式下的高电位腐蚀要求，可以应用于通讯基站备用电源的装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆的整体结构示意图；
图2为图1的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆的爆炸结构示意图；
图3为图2的堆芯单元的单电池的模型的剖面结构示意图；
图4为图3的单电池的第一金属极板的结构示意图；
图5为图3的单电池的第二金属极板的结构示意图；
图6为图3的单电池的膜电极单元的结构示意图；
图7为本发明一实施例的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
具体的，一方面，如图1至图6所示，本发明实施例提供一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆，包括堆芯单元10，所述堆芯单元10包括多个堆叠设置的单电池11；每个所述单电池11均包括第一金属极板111、膜电极单元112和第二金属极板113，所述膜电极单元112设置于所述第一金属极板111和所述第二金属极板113之间；相邻的两个所述单电池11中，其中一个单电池11的第一金属极板111与另一个单电池11的第二金属极板113焊接连接；
所述第一金属极板111靠近所述膜电极单元112的侧面上设置有数条相互平行的第一气流道A；相邻的两条所述第一气流道A之间设置有流道脊B；所述流道脊B的两端分别设置有探头槽B1，处于所述第一气流道A同一端、且相邻的所述探头槽B1之间至少间隔一个流道脊B。
即，在本申请实施例中，不是所有的流道脊B上都设置有探头槽B1的，一般在设置有探头槽B1的两个流道脊B之间设置一个不设置有探头槽B1的流道脊B，这样既能实时检测极板内部不同区域的温度变化、并更好的反映极板内部的温度变化，又能够很好的保证极板的支撑强度。
作为优选的实施方式，所述探头槽B1的深度小于所述流道脊B的高度；当所述可逆氢氧燃料电池电堆处于温度检测状态时，所述探头槽B1内容置有温度检测器的热电偶(图中未标注)；所述探头槽B1与所述热电偶相适配设置。这样，便于温度检测仪的安装与拆卸。在电堆的温度测试过程中，可以在线监测并记录不同片数、以及不同区域温度的温度分布情况。
通过在第一气流道的流道脊上设置探头槽，并控制探头槽的设置方式和设置规格，能够检测极板内部不同区域的温度变化，实时记录整堆不同工况变载的区域温度的分布情况，同时，可避免每次拆卸电堆后前后两次电堆受力不一致造成的误差，为优化极板流道的设计和制定燃料电池冷启动策略提供依据。
作为优选的实施方式，所述第二金属极板113靠近所述膜电极单元112的侧面上设置有数条相互平行的第二气流道C；所述第二金属极板113的一端设置有进气口D，另一端设置有排气口E，所述进气口D与所述第二气流道C的入气口连通，所述排气口E与所述第二气流道C的出气口连通。
作为优选的实施方式，当所述第一金属极板111与所述第二金属极板113焊接连接时，所述第一气流道A的气体流向与所述第二气流道C的气流方向呈垂直设置。
所述第一气流道A为直型流道，所述第二气流道C为蛇形流道；所述第一气流道A为空气流道，所述第二气流道C为氢气流道。
当本申请的可逆氢氧燃料电池电堆处于发电模式时，第一金属极板端(即阴极端)为开放式设置，既可实现空气的供给，又可与外界直接进行热交换，可以省去冷却液流场部分。
第一金属极板111为直流场，空气在风扇作用下进入直型流道内部，风冷流场一方面起到输送氧化剂的作用，另一方面起到导电和支撑的作用。第二金属极板113的进气口和出气口边缘均设置胶圈槽，可放置胶圈保证密封性。氢气从进气口进入，在膜电极单元的阻拦下，经过缓冲流道后进入蛇形流道活性区反应，未反应的氢气从出气口流出进入母管道。
在本申请中，第一金属极板111和第二金属极板113均为钛金属板，钛金属板的表面设置有Pt涂层，能够有效保证燃料电池的耐腐蚀要求以及电解水模式下的高电位腐蚀要求；金属极板一般通过冲压工艺制备、再进行焊接成型，最后进行镀层处理。与传统石墨板相比，钛金属板加工更容易，适宜批量制备。涂层可采用Pt或I r金属，极板焊接完成后，利用物理气相沉积(PVD)等技术进行涂层制备。
在本申请实施例中，膜电极单元采用常用的膜电极单元结构即可，膜电极单元的氢气侧催化层采用商用Pt/C(Pt质量百分比为50％)催化剂1g，以8g去离子水和8g异丙醇(IPA)的混合溶液作为溶剂，再加入2.3g Nafion D2020(20wt％)，利用高速分散机7000rpm的速度分散处理4h；再将其置于真空脱泡剂中处理0.5h，制得Pt/C催化剂浆料；最后利用刮涂法，将Pt/C催化剂浆料涂覆到光滑PTFE基底表面，50℃干燥处理15分钟，得到氢气侧催化层。
膜电极单元的氧气侧催化层采用PtIr合金催化剂，称取PtIr合金催化剂0.6g，以26g去离子水和26g异丙醇(IPA)的混合溶液作为溶剂，再加入1.0g离聚物溶液NafionD2020(20wt％)，利用高速分散机7000rpm的速度分散处理4h；再将其置于真空脱泡机中处理0.5h，制得PtIr催化剂浆料；最后利用喷涂法将PtIr浆料喷涂到附带离型膜的质子交换膜(Gore 12μm)表面，50℃干燥处理15分钟，得到氧气侧催化层。
通过热压转印制备CCM，具体步骤包括：揭除离型膜，将涂覆好Pt/C的PTFE置于喷涂PtIr催化层的质子膜另一侧，采用热压工艺进行转印，温度为120℃，压强为2MPa，时间为200s；然后揭除PTFE基底，即可得到CCM，两侧催化剂分别为Pt/C和PtIr合金。
膜电极单元采用单边框密封形式，膜电极边框材料可以选择PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)、PPS(聚苯硫醚)或PEEK(聚醚醚酮)中的一种。边框两侧的表面涂覆胶层，包括第一胶层和第二胶层，第一胶层可粘结氢气侧金属板与边框，第二胶层可粘结边框和质子交换膜。胶层可以选择压敏胶或热熔胶，最终完成质子膜和极板的双侧贴合。氢气侧扩散层采用燃料电池常用碳纸扩散层，氢气侧扩散层采用钛毡、钛栅、烧结钛等的一种，进行耐腐蚀镀层处理，镀层采用Au、Pt、Ir等。
作为优选的实施方式，所述基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆还包括阳极集流板20、阴极集流板30、第一绝缘板40、第二绝缘板50、第一端板60、第二端板70和多根装堆螺杆80；所述阳极集流板20设置于所述堆芯单元10的阳极端(即氢气侧的一端)，所述阴极集流板30设置于所述堆芯单元10的阴极端(即空气侧的一端)；所述第一绝缘板40设置于所述阳极集流板20远离所述堆芯单元10的侧面上；所述第二绝缘板50设置于所述阴极集流板30远离所述堆芯单元10的侧面上；所述第一端板60设置于所述第一绝缘板40远离所述堆芯单元10的侧面上；所述第二端板70设置于所述第二绝缘板50远离所述堆芯单元10的侧面上；所述装堆螺杆80对称设置于所述堆芯单元10的两侧，且所述装堆螺杆80的一端与所述第一端板60固定连接，另一端与所述第二端板70固定连接。
另一方面，如图7所示，本发明实施例还提供一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统，由上述可逆氢氧燃料电池电堆100制备得到。
作为优选的实施方式，所述基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统包括水储罐200、氢气储罐300、气液分离器400、电源500、负载600和所述可逆氢氧燃料电池电堆100；
所述水储罐200与所述可逆氢氧燃料电池电堆100连接；所述可逆氢氧燃料电池电堆100分别与所述电源500、所述负载600、所述气液分离器400、所述氢气储罐300连接；所述氢气储罐300与所述气液分离器400连接。
作为优选的实施方式，所述氢气储罐300通过三通阀301与所述气液分离器400连接；所述氢气储罐300通过所述三通阀301与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的进气口连接；所述三通阀301与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的进气口之间设置有减压阀101。
作为优选的实施方式，所述气液分离器400与所述三通阀301之间设置有氢气增压器700和除湿器800；所述氢气增压器700设置于所述气液分离器400与所述除湿器800之间。
作为优选的实施方式，所述水储罐200的出水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的进水口连接；所述水储罐200的进水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的出水口连接。
作为优选的实施方式，所述水储罐200的出水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的进水口之间设置有水阀201和水泵202；所述水阀201设置于所述水储罐200的出水口与所述水泵202之间。
作为优选的实施方式，所述负载600的正极与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的正极连接，所述负载600的负极与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的负极连接。
作为优选的实施方式，所述电源500的正极与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的负极连接，所述电源500的负极与所述可逆氢氧燃料电池电堆100的正极连接。
作为优选的实施方式，所述可逆氢氧燃料电池电堆100上还设置有多个风扇102；所述可逆氢氧燃料电池电堆100的出气口与尾排阀103连接。
当电力正常时，运行制氢模式，打开水阀，水储罐中的纯水在水泵作用下进入可逆氢氧燃料电池电堆的氢气流道，保证膜电极单元处于润湿状态。在阳极集流板和阴极集流板两侧加置直流电源，高电压侧与阴极集流板(即氧气侧集流板)连接，低电压侧与阳极集流板(即氢气侧集流板)连接。氧气侧发生析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)，产生的氧气直接排放至空气中，氢气侧发生析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)，产生的氢气与纯水从出口排出，经过气液分离器实现水液分离后，纯水输送回水储罐中，同时湿润的氢气经过电化学增压(或机械增压)，再经过除湿处理，通过三通阀进入氢气储罐(合金储氢罐)中。储氢时，氢气储罐的风扇运行，为罐体散热。
当电力故障时，启动燃料电池发电工作模式，打开氢气储罐的阀门，氢气进入可逆氢氧燃料电池电堆的氢气管路和每片单电池相应的氢气流道，再通过扩散层，到达阳极催化层，在催化剂作用下发生氢氧化反应(Hydrogen oxidation reaction,HOR)；同时，启动可逆氢氧燃料电池电堆的风扇，空气进入氧气流道，到达阴极催化层，在催化剂作用下发生氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)，进行燃料电池工作模式，实现发电功能，并启动负载，保证电力供应。
在本申请实施例中，氢气侧催化层实现HOR和HER双功能，采用Pt/C、Pt或Pt-M/C催化剂，其中M为Co、Ni、Fe、Ru、Mo中的一种或者两种。空气侧催化层实现OER和ORR双功能，采用PtIr、PtIrRu、Pr-IrO2、PtIrPd等合金催化剂中的一种或者两种。膜电极采用单边框密封方式，膜电极边框与金属极板氢气侧贴合形成单电池，同时在氢气进出口以及活性区外围设计密封胶槽，保证气密性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆，其特征在于，包括堆芯单元，所述堆芯单元包括多个堆叠设置的单电池；每个所述单电池均包括第一金属极板、膜电极单元和第二金属极板，所述膜电极单元设置于所述第一金属极板和所述第二金属极板之间；相邻的两个所述单电池中，其中一个单电池的第一金属极板与另一个单电池的第二金属极板焊接连接；
所述第一金属极板靠近所述膜电极单元的侧面上设置有数条相互平行的第一气流道；相邻的两条所述第一气流道之间设置有流道脊；所述流道脊的两端分别设置有探头槽，处于所述第一气流道同一端、且相邻的所述探头槽之间至少间隔一个流道脊。
2.根据权利要求1所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆，其特征在于，所述探头槽的深度小于所述流道脊的高度；当所述可逆氢氧燃料电池电堆处于温度检测状态时，所述探头槽内容置有温度检测器的热电偶；所述探头槽与所述热电偶相适配设置。
3.根据权利要求2所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆，其特征在于，所述第二金属极板靠近所述膜电极单元的侧面上设置有数条相互平行的第二气流道；所述第二金属极板的一端设置有进气口，另一端设置有排气口，所述进气口与所述第二气流道的入气口连通，所述排气口与所述第二气流道的出气口连通。
4.根据权利要求3所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆，其特征在于，当所述第一金属极板与所述第二金属极板焊接连接时，所述第一气流道的气体流向与所述第二气流道的气流方向呈垂直设置；
所述第一气流道为直型流道，所述第二气流道为蛇形流道；所述第一气流道为空气流道，所述第二气流道为氢气流道。
5.根据权利要求4所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆，其特征在于，所述基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆还包括阳极集流板、阴极集流板、第一绝缘板、第二绝缘板、第一端板、第二端板和多根装堆螺杆；所述阳极集流板设置于所述堆芯单元的阳极端，所述阴极集流板设置于所述堆芯单元的阴极端；所述第一绝缘板设置于所述阳极集流板远离所述堆芯单元的侧面上；所述第二绝缘板设置于所述阴极集流板远离所述堆芯单元的侧面上；所述第一端板设置于所述第一绝缘板远离所述堆芯单元的侧面上；所述第二端板设置于所述第二绝缘板远离所述堆芯单元的侧面上；所述装堆螺杆对称设置于所述堆芯单元的两侧，且所述装堆螺杆的一端与所述第一端板固定连接，另一端与所述第二端板固定连接。
6.一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统，其特征在于，由权利要求1至5任一项所述的可逆氢氧燃料电池电堆制备得到。
7.根据权利要求6所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统，其特征在于，所述基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统包括水储罐、氢气储罐、气液分离器、电源、负载和所述可逆氢氧燃料电池电堆；
所述水储罐与所述可逆氢氧燃料电池电堆连接；所述可逆氢氧燃料电池电堆分别与所述电源、所述负载、所述气液分离器、所述氢气储罐连接；所述氢气储罐与所述气液分离器连接。
8.根据权利要求7所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统，其特征在于，所述氢气储罐通过三通阀与所述气液分离器连接；所述氢气储罐通过所述三通阀与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进气口连接；所述三通阀与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进气口之间设置有减压阀；
所述气液分离器与所述三通阀之间设置有氢气增压器和除湿器；所述氢气增压器设置于所述气液分离器与所述除湿器之间。
9.根据权利要求8所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统，其特征在于，所述水储罐的出水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进水口连接；所述水储罐的进水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆的出水口连接；
作为优选的实施方式，所述水储罐的出水口与所述可逆氢氧燃料电池电堆的进水口之间设置有水阀和水泵；所述水阀设置于所述水储罐的出水口与所述水泵之间。
10.根据权利要求9所述的基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆系统，其特征在于，所述负载的正极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的正极连接，所述负载的负极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的负极连接；
所述电源的正极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的负极连接，所述电源的负极与所述可逆氢氧燃料电池电堆的正极连接；
所述可逆氢氧燃料电池电堆上还设置有多个风扇；所述可逆氢氧燃料电池电堆的出气口与尾排阀连接。
CN202311697051.XA 2023-12-11 2023-12-11 一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统 Pending CN117691159A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311697051.XA CN117691159A (zh) 2023-12-11 2023-12-11 一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311697051.XA CN117691159A (zh) 2023-12-11 2023-12-11 一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117691159A true CN117691159A (zh) 2024-03-12

Family

ID=90134697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311697051.XA Pending CN117691159A (zh) 2023-12-11 2023-12-11 一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117691159A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Prater Polymer electrolyte fuel cells: a review of recent developments
US6828054B2 (en) Electronically conducting fuel cell component with directly bonded layers and method for making the same
Appleby Recent developments and applications of the polymer fuel cell
US20040241063A1 (en) Fuel cell with monolithic flow field-bipolar plate assembly and method for making and cooling a fuel cell stack
US6649299B2 (en) Gas diffusion electrode with nanosized pores and method for making same
JP4566995B2 (ja) 膜電極アッセンブリを備える装置及びこの装置を準備する方法
CN105470542B (zh) 一种燃料电池
JP2008243513A (ja) 集電体、その製造方法及び燃料電池
CN117691159A (zh) 一种基于风冷的可逆氢氧燃料电池电堆及系统
Dewi Development of local components for fuel cell Technology
JP5452958B2 (ja) 燃料電池発電システム
WO2013080415A1 (ja) 燃料電池システム
WO2001059862A2 (en) Electroconductive fuel cell component with directly bonded layers and method for making same
Li et al. Fuel Cells: Low Temperature
Fang et al. Current Situation and Development Trend of Fuel Cells
Direct Simultaneous electro-osmotic and permeation flows through Nafion membrane
Durable Fuel cell cooling with ion extraction to reduce coolant conductivity, and coolant cleaning
Pt-alloy Heat-exchangers for fuel cell (SOFC, MCFC and PEMFC) and hybrid system applications
Sannasi et al. Design and Development of Membrane Electrode Assemblies for an Improved ORR towards High-performance PEM Fuel Cells
Nafion Analytical TEM study of Pt particle deposition in PEM of MEA
Tubular Low-cost direct oxidation fuel cell (eg DMFC) with reduced crossover and metal ion impurity sensitivity
JP2012113876A (ja) 燃料電池システム
Shaped Utilization-based monitoring and control of PEMFC/reformer system
Automotive PEMFC cathode layer structure with catalyst embedded in anion-conducting polymer
Pt-Ru-Ni Effects of electrolyte type and flow pattern on performance of methanol-fueled SOFCs

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination