CN1612397A - 燃料电池系统的空气供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的空气供应装置，包括：空气供应管、空气排出管和气泵；空气供应管的一端与气泵相连接，另一端分别通过一个空气调节阀与所对应的单电池的空气流路相连通；空气调节阀的控制端通过外部电路分别与各个单电池的燃料极与空气极形成电连接，通过各个单电池的燃料极与空气极之间产生的电动势来控制空气调节阀的开闭程度；入口集管设置在燃料电池堆的下部；入口集管上的空气通孔使各个单电池的空气流路分别与一个空气调节阀相连接。优点是：空气调节阀可根据相应单电池的空气流路的具体情况调节开闭长度，从而能够保证各个单电池空气流路的通畅，大幅度提高燃料电池的效率和可靠性。

Description

燃料电池系统的空气供应装置

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，特别是涉及一种燃料电池系统的空气供应装置。

背景技术

人类使用的能源绝大部分来自于直接燃烧化学燃料，化学燃料的直接燃烧使用方式对环境造成了非常严重的负面影响，如造成大气污染、酸雨、地球温室效应等等；化学燃料还存在使用效率低的缺点。

燃料电池的出现改变了传统的化学燃料的直接燃烧使用方式，与传统的电池(双极型电池)不同，燃料电池是从外部向其阴极供应燃料(氢气或碳氢化合物气体)并向阳极供应氧气，二者通过电解质进行电化学反应产生电和热的新型电池，实际上燃料电池可被视为一种发电装置。

燃料电池在发电过程中不发生燃料的燃烧，而是经过氢气与氧气的电化学反应，把化学能直接转换成电能。

根据电解质的类型，燃料电池可分为以下几种类型：磷酸型燃料电池(工作温度约200℃)、钾电解质型燃料电池(工作温度为60℃～110℃)、高分子电解质燃料电池(工作温度为常温～80℃)、熔融碳酸盐电解质型燃料电池(工作温度为500～700℃)和固体氧化物燃料电池(工作温度1000℃以上)。

图1为一种已有的燃料电池系统的结构示意图；图2为已有的燃料电池系统中燃料电池堆的结构示意图；图3为已有的燃料电池系统中燃料电池堆的剖视图。

如图1、图2和图3所示：已有的燃料电池系统包括：燃料电池堆10、燃料供应装置20和空气供应装置30；所述的燃料电池堆10包括燃料极11b和空气极11c，其作用是通过氢气与氧气的电化学反应产生电能；所述的燃料供应装置20用来将水溶液状态氢化硼(BH₄)或氢化硼钠(NaBH₄)燃料供应给燃料电池堆10的燃料极；所述的空气供应装置30用来将含氧的空气供应给燃料电池堆10的空气极；燃料电池堆10产成的电能通过电能输出端40供应给负载。

所述的燃料电池堆10由若干个单电池11层叠而成，燃料电池堆10的上部和下部分别设置有集管12和集管13。

所述的单电池11包括：电解质膜1a、隔板11d、隔板11e、燃料极11b和空气极11c；所述的燃料极11b和空气极11c分别设置在电解质膜11a的两侧；所述的隔板11e设置在相邻两个单电池的燃料极11b与空气极11c之间，所述的隔板11d设置在燃料电池堆10的两侧。

所述的电解质膜11a为可以使H⁺穿透的高分子材料制成的，例如湿润状态下具有导电性的高分子离子交换膜。

所述的燃料极11b和空气极11c分别由支持体(图中未示出)和分别设置在该支持体两侧的催化剂层(图中未示出)构成；所述的支持体由金属镍模板构成，所述的催化剂层分别由适合氢气的氧化反应和氧气的还原反应的储氢合金构成。

所述的隔板11d和隔板11e由导电性能良好、耐腐蚀性强的材料(如石墨或金属材料)制成，隔板11d和隔板11e与燃料极11b和空气极11c相对的内壁上分别形成有燃料流路Cf和空气流路Co。

更清楚地说，对于设置在单电池11之间的隔板11e，其一个侧壁上形成有燃料流路Cf，另一个侧壁上形成有空气流路Co；对于设置在燃料电池堆10的两端的隔板11d，其内壁上形成有燃料流路Cf或者空气流路Co。

所述的集管12和集管13与各个单电池11相接触的内侧壁上分别形成有燃料通道12a和13a，燃料通道12a和13a分别与燃料供应装置20的燃料供应管22和各个单电池11的燃料流路Cf相连通。

所述的集管12和集管13与各个单电池11相接触的内侧壁上还分别形成有空气通道12b/13b，空气通道12b/13b分别与空气供应装置30的空气供应管31和各个单电池11的空气流路Co相连通。

所述的燃料供应装置20包括：燃料罐21、燃料供应管22和燃料回收管24；所述的燃料供应管22的两端分别与燃料罐21和燃料通道12b相连通，燃料供应管22上设置有燃料泵23；所述的燃料回收管24分别与燃料罐21和燃料通道12a相连通。

所述的空气供应装置30包括：空气供应管31、空气排出管33和气泵32；所述的空气供应管31的一端与空气通道12b相连通，另一端与气泵32相连接；所述的空气排出管33的一端与空气通道13b相连通，另一端与外界大气相连通。

下面对上述已有的燃料电池系统的工作过程加以说明：

燃料电池系统启动之后，燃料泵23开始从燃料罐21中抽取燃料，并依次通过燃料供应管22、集管12的燃料通道12a和各个单电池11的燃料极11b一侧的隔板11d的燃料流路Cf均匀地供应给各个单电池11的燃料极11b，并在各个单电池11的燃料极11b发生电化学氧化反应： 。

与此同时，气泵32开始经过空气过滤器(图中未示出)从大气中抽取空气，并通依次通过空气供应管31、集管12的空气通道12b和各个单电池11的空气极11c一侧的隔板11d的空气流路Co均匀地供应给各个单电池11的空气极11c，并在各个单电池11的空气极11c发生电化学还原反应： 。

通过上述电化学反应，各个单电池11的燃料极11b与空气极11c之间产生电动势，该电动势在设置在燃料电池堆10两端的集电板(图中未示出)叠加后输出，向负载供电。

上述已有的燃料电池系统的缺点是：在电化学反应时，生成的水或氢氧化钠溶液(NaOH)有时会将部分单电池11的空气极11c一侧的隔板11d上的空气流路Co切断，使空气不能在空气流路Co顺利流过，是这些单电池11不能正常工作，从而影响整个燃料电池系统的发电效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述已有的燃料电池系统的缺点，提供一种能够向各个单电池的空气流路均匀分配空气的燃料电池系统的空气供应装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明燃料电池系统的空气供应装置包括：采用本发明的燃料电池系统包括由若干个单电池叠合而成的燃料电池堆，单电池包括：电解质膜、燃料极、空气极、隔板和隔板；燃料极和空气极分别设置在电解质膜的两侧；所述的隔板设置在相邻两个单电池的燃料极与空气极之间，所述的隔板设置在燃料电池堆的两侧，更清楚地说，对于设置在单电池之间的隔板，其一个侧壁上形成有燃料流路，另一个侧壁上形成有空气流路；对于设置在燃料电池堆的两端的隔板，其内壁上形成有燃料流路或者空气流路。

所述的各个单电池的燃料极与空气极分别与一个空气调节阀的控制端形成电连接，通过各个单电池的燃料极与空气极之间产生的电动势来控制空气调节阀的开闭程度。

所述的燃料电池堆的下部和上部分别设置有入口集管空气调节阀和出口集管；入口集管上的空气通孔使各个单电池的空气调节阀的空气流路分别与一个空气调节阀相连接；同时，入口集管上的燃料通道分别与各个单电池的燃料流路相连通；出口集管上的燃料通道分别与各个单电池的燃料流路相连通，出口集管上的空气通孔使各个单电池的空气流路分别与空气排出管相连通。

所述的燃料电池系统还包括：燃料供应装置和空气供应装置；所述的燃料供应装置包括：燃料罐、燃料供应管和燃料回收管；所述的燃料供应管的两端分别与燃料罐和燃料通道相连通，燃料供应管上设置有燃料泵；所述的燃料回收管分别与燃料罐和燃料通道相连通。

所述的空气供应装置包括：空气供应管、空气排出管和气泵；所述的空气供应管的一端与气泵相连接，另一端分别通过一个空气调节阀与所对应的单电池的空气流路相连通；所述的空气排出管的一端与出口集管上的空气通孔相连通，另一端与外界大气相连通。

本发明的有益效果是：空气调节阀可根据相应单电池的空气流路的具体情况调节开闭长度，从而能够保证各个单电池空气流路的通畅，大幅度提高燃料电池的效率和可靠性。

附图说明

图1为已有的燃料电池系统的结构示意图；

图2为已有的燃料电池系统中燃料电池堆的结构示意图；

图3为已有的燃料电池系统中燃料电池堆的剖视图；

图4为采用本发明的燃料电池系统的结构示意图；

图5为采用本发明的燃料电池系统中的燃料电池堆的结构示意图；

图6为采用本发明的燃料电池系统中燃料电池堆的结构示意图。

图中：

20：燃料供应装置           21：燃料罐

22：燃料供应管             23：燃料泵

30：空气供应装置           31：空气供应管

32：气泵                   40：电能输出端

100：燃料电池堆            110：单电池

111：电解质膜              112：燃料极

113：空气极                114：隔板

115：隔板                  120：入口集管

121：燃料通道              122：空气通孔

130：出口集管              131：燃料通道

132：空气通孔              140：空气调节阀

Cf：燃料流路               Co：空气流路

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图4为采用本发明的燃料电池系统的结构示意图；图5为采用本发明的燃料电池系统中的燃料电池堆的结构示意图；图6为采用本发明的燃料电池系统中燃料电池堆的结构示意图。

如图4、图5和图6所示，采用本发明的燃料电池系统包括由若干个单电池110叠合而成的燃料电池堆100，单电池110包括：电解质膜111、燃料极112、空气极113、隔板114和隔板115；燃料极112和空气极113分别设置在电解质膜111的两侧；所述的隔板114设置在相邻两个单电池的燃料极112与空气极113之间，所述的隔板115设置在燃料电池堆100的两侧，更清楚地说，对于设置在单电池111之间的隔板114，其一个侧壁上形成有燃料流路Cf，另一个侧壁上形成有空气流路Co；对于设置在燃料电池堆100的两端的隔板115，其内壁上形成有燃料流路Cf或者空气流路Co。

所述的各个单电池110的燃料极112与空气极113分别与一个空气调节阀140的控制端形成电连接，通过各个单电池110的燃料极112与空气极113之间产生的电动势来控制空气调节阀140的开闭程度。

所述的燃料电池堆100的下部和上部分别设置有入口集管120空气调节阀140和出口集管130；入口集管120上的空气通孔122使各个单电池110的空气流路Co分别与一个空气调节阀140相连接；同时，入口集管120上的燃料通道121分别与各个单电池110的燃料流路Cf相连通；出口集管130上的燃料通道131分别与各个单电池110的燃料流路Cf相连通，出口集管130上的空气通孔132使各个单电池110的空气流路Co分别与空气排出管33相连通。

所述的燃料电池系统还包括：燃料供应装置和空气供应装置；所述的燃料供应装置包括：燃料罐21、燃料供应管22和燃料回收管24；所述的燃料供应管22的两端分别与燃料罐21和燃料通道121相连通，燃料供应管22上设置有燃料泵23；所述的燃料回收管24分别与燃料罐21和燃料通道131相连通。

所述的空气供应装置包括：空气供应管31、空气排出管33和气泵32；所述的空气供应管31的一端与气泵32相连接，另一端分别通过一个空气调节阀140与所对应的单电池110的空气流路Co相连通；所述的空气排出管33的一端与出口集管130上的空气通孔132相连通，另一端与外界大气相连通。

所述的电解质膜111是由可以透过H⁺的高分子材料制成的，例如在湿润的状态下具有导电性的高分子离子交换膜。

所述的燃料极112和空气极113分别由支持体(图中未示出)和附着在支持体两侧面催化剂层(图中未示出)组成；所述的支持体由金属镍模板制成，所述的催化剂层分别由适合氢气的氧化反应和氧气的还原反应的储氢合金构成。

所述的隔板114和隔板115是由导电性能良好、耐腐蚀性强的石墨或金属材料制成的，所述的隔板114和隔板115与燃料极112和空气极113相对的侧壁上分别形成有燃料通道Cf和空气通道Co。

更具体地说，对于设置在两个相邻的单电池110之间的隔板114，其一侧壁上形成有燃料流路Cf，另一侧壁上形成有空气流路Co；对于设置在燃料电池堆100的两端的隔板115，其内侧壁上形成有燃料流路Cf或者空气流路Co。

如图5和图6所示，所述的入口集管120和出口集管130的外形分别为能够覆盖所有单电池110的板体，入口集管120和出口集管130板体的内侧壁上分别形成有燃料通道121和131，入口集管120和出口集管130板体上还形成有若干个与各个单电池110的空气流路Co相对应的空气通孔122和132。

所述的燃料通道121和131分别与各个单电池110的燃料流路Cf相连通，其长度和宽度与各个单电池110的燃料流路Cf相适应。

所述的的数目和位置各个单电池110的空气流路Cf相对应，并分别与各个单电池110的空气流路Cf相连通；空气通孔122和132分别可以是由一个孔或者由若干个微孔构成。

图中虽然没有示出，所述的入口集管120和出口集管130与燃料流路相接触的部位，其空气流路是按能够露出的一半的幅度连通的，而空气流路的另一端则分别与空气供应管和空气排出管完全连通。

所述的空气调节阀140的控制端分别通过电路116使各个单电池110的燃料极112和空气极113之间形成电路连接。

所述的电路116与空气调节阀140之间设置有用来测量各个单电池110中产生的电动势的大小并能够根据测量值调整空气调节阀140的开闭程度的控制机构(图中未示出)。

下面对采用本发明的燃料电池系统的工作过程加以说明：

燃料电池系统启动之后，燃料泵23开始从燃料罐21中抽取燃料，并依次通过燃料供应管22、集管120的燃料通道121和各个单电池110的燃料极112一侧的隔板114的燃料流路Cf均匀地供应给各个单电池110的燃料极112，并在各个单电池110的燃料极112发生电化学氧化反应： 。

与此同时，气泵32开始经过空气过滤器(图中未示出)从大气中抽取空气，并通依次通过空气供应管31、集管120的空气通孔122和各个单电池110的空气极113一侧的隔板114的空气流路Co均匀地供应给各个单电池110的空气极113，并在各个单电池110的空气极113发生电化学还原反应： 。

通过上述电化学反应，各个单电池110的燃料极112与空气极113之间产生电动势，该电动势在设置在燃料电池堆100两端的集电板(图中未示出)叠加后输出，向负载供电。

在上述电化学反应过程中，如果某个单电池110的空气流路Co被反应生成物水或氢氧化钠溶液堵塞，连接该单电池110的燃料极112与空气极113的电路116中的电流就会发生变化，空气调节阀140的控制机构根据该电流信号的变化实时地调节空气调节阀140的开闭程度，使该单电池110的空气流路Co中的反应生成物水或氢氧化钠溶液排出。从而使各个单电池110的燃料极112与空气极113的电化学反应均能正常进行，提高整个燃料电池系统的发电效率和可靠性。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统的空气供应装置，包括：空气供应管、空气排出管和气泵；所述的空气供应管的一端与气泵相连接，其特征在于：所述的空气供应管(31)另一端分别通过一个空气调节阀(140)与所对应的单电池(110)的空气流路(Co)相连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应装置，其特征在于：所述的空气调节阀(140)的控制端通过外部电路分别与各个单电池(110)的燃料极(112)与空气极(113)形成电连接，通过各个单电池(110)的燃料极(112)与空气极(113)之间产生的电动势来控制空气调节阀(140)的开闭程度。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的空气供应装置，其特征在于：所述的入口集管(120)设置在燃料电池堆(100)的下部；入口集管(120)上的空气通孔(122)使各个单电池(110)的空气流路Co分别与一个空气调节阀(140)相连接。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统的空气供应装置，其特征在于：所述的空气通孔(122)分别可以是由一个孔或者由若干个微孔构成。

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