CN1964119A - 模块组合式常压运行燃料电池发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模块组合式常压运行燃料电池发电装置，该装置由至少两套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、噪声低、功率大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种模块组合式常压运行燃料电池发电装置。
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：1/2O2+2H++2e→H2O
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。这些导流极板可以是金属材料的极板，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。
上海神力科技有限公司现有专利，在“一种节能型燃料电池”(专利号为02279853.6)基础上又改进的专利申请“一种带有空气供应装置的节能型燃料电池堆”(专利申请号为200520044822.6)中，燃料电池堆的空气供应技术方法如图1所示，采用空气集流罩5将整个用中间供应氢气夹板集成的燃料电池堆的空气导流槽端面罩起来，在集流罩5的中间位置开孔，开孔处4与小风机的吸风口3相连。当风机工作时，由于空气集流罩5的作用而产生负压，使堆的另一侧空气导流板处的空气被吸入。而且在堆的另一侧铺上了一层过滤网6，来防止灰尘和杂质进入电堆。氢气则从1进入，2排出。该专利中的燃料电池发电系统功率在100～300W左右。如果在此燃料电池发电系统上，大规模地加单电池来满足大增功率的要求，必会造成燃料电池单电池数目过大，燃料电池堆过长，堆体积过大，装配困难等一系列影响。不单如此，因为风机要提供所有单电池空气流量，所以将采用的常压空气吸入式运行的风机就要求够大。但是风机足够大，就会造成燃料电池发电系统体积过大，噪声过大，造价过大，超大型风机的制造也就困难等不良影响。
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结构紧凑、噪声低、功率大的模块组合式常压运行燃料电池发电装置
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，该装置由至少两套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。
所述的装置由2～20套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。
所述的模块化燃料电池堆包括膜电极、导流极板、集流母板、前后端板、紧固拉杆以及空气供应装置，该空气供应装置包括风机、空气集流罩，所述的空气集流罩将燃料电池堆一侧所有空气导流槽集合成的端面罩住，在空气集流罩的中间位置开孔，开孔处与风机的吸风口相连；当风机工作时，由于空气集流罩的作用而产生负压，使电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面处的空气被吸入。
所述的模块化燃料电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面铺设一层空气过滤网。
所述的导流极板包括空气导流极板、氢气导流极板，其中，所述的空气导流极板设有多条空气导流槽，该空气导流槽从空气导流板的一侧直接穿到另一侧，在多块空气导流板、膜电极、氢气导流板叠加后，整个模块化燃料电池堆的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口。
所述的模块化燃料电池堆还设有供氢夹板，该供氢夹板上设有氢气进、出导流孔，该导流孔与导流极板上的氢气导流孔相对应，所述的供氢夹板侧面设有氢气进、出流道，该氢气进、出流道与上述氢气进、出导流孔相通，所述的供氢夹板设在电池堆的中部。
所述的模块化燃料电池堆由40～100组单电池构成。
本发明采用现有的100～200W单模块常压空气吸入式空气自冷却的燃料电池发电装置成熟技术为基础，将2～20套这样的成熟模块化的燃料电池发电装置一体化组合，每个模块化的常压空气吸入式空气自冷却燃料电池发电装置都自带一个小风机。可根据用户对电压、电流需求来组合，串或并联来达到用户的需求。
与现有技术相比，本发明的优点：每个模块化常压空气吸入式空气自冷却燃料电池发电装置的燃料电池单电池数目比较适中，大约40～100片左右，装配容易。所需供应空气与散热风机的体积、噪声、重量也都有所降低。经过常压空气吸入式空气自冷却燃料电池发电装置技术组合与集成之后，该发电系统的功率可增加2～20倍。电流与电压也可通过串、并联来达到客户的要求。
附图说明
图1为现有模块化燃料电池堆的正面结构示意图；
图2为现有模块化燃料电池堆的背面结构示意图；
图3为本发明实施例1的结构示意图；
图4为本发明实施例2的结构示意图；
图5为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图3所示，一种模块组合式常压运行燃料电池发电装置，该装置由两套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。该发电装置重量约为8～12Kg，体积约为275mm×154mm×284mm，功率为200～600W，串联起来可输出80～160V的电压，并联起来则可以输出40～80V左右电压。
实施例2
如图4所示，一种模块组合式常压运行燃料电池发电装置，该装置由四套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。该发电装置重量约为16～24Kg，体积约为470mm×154mm×284mm，功率为400～1200W，串联起来可输出160～320V的电压，并联起来则可以输出80～160V左右电压。
实施例3
如图5所示，一种模块组合式常压运行燃料电池发电装置，该装置由八套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。该发电装置重量约为32～48Kg，体积约为470mm×360mm×284mm，功率为800～2400W，串联起来可输出320～640V的电压，并联起来则可以输出160～320V左右电压。
Claims (7)
1.模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，该装置由至少两套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。
2.根据权利要求1所述的模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，所述的装置由2～20套模块化燃料电池堆串联或并联组合而成。
3.根据权利要求1或2所述的模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，所述的模块化燃料电池堆包括膜电极、导流极板、集流母板、前后端板、紧固拉杆以及空气供应装置，该空气供应装置包括风机、空气集流罩，所述的空气集流罩将燃料电池堆一侧所有空气导流槽集合成的端面罩住，在空气集流罩的中间位置开孔，开孔处与风机的吸风口相连；当风机工作时，由于空气集流罩的作用而产生负压，使电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面处的空气被吸入。
4.根据权利要求3所述的模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，所述的模块化燃料电池堆另一侧所有空气导流槽集合成的端面铺设一层空气过滤网。
5.根据权利要求3所述的模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，所述的导流极板包括空气导流极板、氢气导流极板，其中，所述的空气导流极板设有多条空气导流槽，该空气导流槽从空气导流板的一侧直接穿到另一侧，在多块空气导流板、膜电极、氢气导流板叠加后，整个模块化燃料电池堆的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口。
6.根据权利要求3所述的模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，所述的模块化燃料电池堆还设有供氢夹板，该供氢夹板上设有氢气进、出导流孔，该导流孔与导流极板上的氢气导流孔相对应，所述的供氢夹板侧面设有氢气进、出流道，该氢气进、出流道与上述氢气进、出导流孔相通，所述的供氢夹板设在电池堆的中部。
7.根据权利要求1所述的模块组合式常压运行燃料电池发电装置，其特征在于，所述的模块化燃料电池堆由40～100组单电池构成。
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