CN1815794A - 一种结构紧凑的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构紧凑的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、氢气水－汽分离器、氢循环泵、水箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置，所述的空气压缩供应装置包括高压风机或空气压缩机以及驱动该高压风机或空气压缩机的水冷电机。与现有技术相比，本发明可使燃料电池体积减小、重量减轻、结构紧凑、噪音降低，同时使燃料电池的功率有所提高。

Description

一种结构紧凑的燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种结构紧凑的燃料电池。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。

质子交换膜燃料电池用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。

图1为目前典型的燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆，2为储氢瓶或其他储氢装置，3为减压阀，4为空气过滤装置，5为空气压缩供应装置，6为氢气水—汽分离器，6’为空气水—汽分离器，7为水箱，8为冷却水循环泵，9为冷却水散热器，10为氢循环泵，11为氢气增湿装置，12为空气增湿装置。

目前典型的燃料电池发电系统中，空气压缩供应装置通常采用风冷式电机，这种风冷式电机体积大、重量重、噪音大，同时使燃料电池体积较大，功率消耗较大，结构不够紧凑。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种功率消耗较低的结构紧凑的燃料电池。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种结构紧凑的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、氢气水—汽分离器、氢循环泵、水箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置，其特征在于，所述的空气压缩供应装置包括高压风机或空气压缩机以及驱动该高压风机或空气压缩机的水冷电机。

所述的水冷电机采用燃料电池冷却系统中的冷却水冷却。

所述的燃料电池堆的冷却水流入水箱，后经冷却水循环泵打入冷却水散热器，该冷却水散热器的冷却水出口分成两路，一路与燃料电池堆的冷却水入口相连，另一路与水冷电机的冷却水入口端相连。

所述的水冷电机的冷却水出口端与水箱相连，从该水冷电机流出的冷却水流回水箱。

与现有技术相比，本发明采用水冷电机驱动的高压风机或空气压缩机作为空气压缩供应装置，同时利用燃料电池冷却系统中的冷却水来冷却其水冷电机，使燃料电池的体积减小、重量减轻，结构更加紧凑，噪音降低，并使燃料电池的功率有所提高。

附图说明

图1为现有燃料电池的结构示意图；

图2为本发明燃料电池的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2所示，一种结构紧凑的1～200KW的燃料电池，包括燃料电池堆1、储氢装置2、氢减压阀3、氢气增湿装置11、空气过滤装置4、水冷电机驱动的高压风机5、空气增湿装置12、氢气水—汽分离器6、氢循环泵10、空气水—汽分离器6’、水箱7、冷却水循环泵8、散热器9，所述的驱动高压风机5的水冷电机(图未示)利用燃料电池冷却系统中的冷却水冷却。燃料电池堆1的冷却水流入水箱7、后经冷却水循环泵8打入冷却水散热器9，该冷却水散热器9的冷却水出口分成两路，一路与燃料电池堆1的冷却水入口相连，另一路与驱动高压风机5的水冷电机的冷却水入口端相连，流入的冷却水对驱动高压风机5的水冷电机进行水冷。驱动高压风机5的水冷电机的冷却水出口端与水箱7相连，从驱动高压风机5的水冷电机流出的冷却水流回水箱7，经过冷却水循环泵8、冷却水散热器9后，流体中的热量消耗，可再次循环利用。

实施例2

请参照图2，一种结构紧凑的1～200KW的燃料电池，包括燃料电池堆1、储氢装置2、氢减压阀3、氢气增湿装置11、空气过滤装置4、水冷电机驱动的空气压缩机5、空气增湿装置12、氢气水—汽分离器6、氢循环泵10、空气水—汽分离器6’、水箱7、冷却水循环泵8、散热器9，所述的驱动空气压缩机5的水冷电机(图未示)利用燃料电池冷却系统中的冷却水冷却。其余结构与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种结构紧凑的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、氢气水—汽分离器、氢循环泵、水箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置，其特征在于，所述的空气压缩供应装置包括高压风机或空气压缩机以及驱动该高压风机或空气压缩机的水冷电机。

2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的燃料电池，其特征在于，所述的水冷电机采用燃料电池冷却系统中的冷却水冷却。

3.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的燃料电池，其特征在于，所述的燃料电池堆的冷却水流入水箱，后经冷却水循环泵打入冷却水散热器，该冷却水散热器的冷却水出口分成两路，一路与燃料电池堆的冷却水入口相连，另一路与水冷电机的冷却水入口端相连。

4.根据权利要求1或3所述的一种结构紧凑的燃料电池，其特征在于，所述的水冷电机的冷却水出口端与水箱相连，从该水冷电机流出的冷却水流回水箱。