CN1964120A - 常压空气吸入式运行与冷却燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，该燃料电池包括两个燃料电池模块、一套空气供应装置、一套氢气供应装置，所述的两个燃料电池模块共用一个前、后端板，该两个燃料电池模块空气导流板的空气吸入端面设在外侧，空气呼出端面设在内侧，而且该两个燃料电池模块的空气呼出端面相对设置，中间形成一空气呼出通道，所述的空气供应装置设在两个燃料电池模块的顶部，所述的氢气供应装置与设在两个燃料电池模块共用的前或后端板上的氢气进、出口连接。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、成本低、功耗少等优点。

Description

常压空气吸入式运行与冷却燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种常压空气吸入式运行与冷却燃料电池。
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：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。
单模块的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池是采用一个风机，用集流罩将单模块的整个燃料电池空气流槽端面罩住，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会产生负压，带动空气从燃料电池堆的另一侧进入燃料电池堆。
上述燃料电池的缺陷是：每个燃料电池模块的空气导流槽的集流端面上都需有一个风机，每个风机都要消耗其燃料电池本身的功率，而且电池模块组合后体积大、重量重、成本较高。
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、成本低、功耗少的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括两个燃料电池模块、一套空气供应装置、一套氢气供应装置，所述的两个燃料电池模块共用一个前、后端板，该两个燃料电池模块空气导流板的空气吸入端面设在外侧，空气呼出端面设在内侧，而且该两个燃料电池模块的空气呼出端面相对设置，中间形成一空气呼出通道，所述的空气供应装置设在两个燃料电池模块的顶部，所述的氢气供应装置与设在两个燃料电池模块共用的前或后端板上的氢气进、出口连接。
所述的两个燃料电池模块空气导流板的空气吸入端面设有过滤网。
所述的两个燃料电池模块中间形成的空气呼出通道的底部密封，顶部与空气供应装置的空气入口连通。
所述的空气供应装置为一风机，该风机包括空气集流罩、吸风口、出风口，从两个燃料电池模块中间的空气呼出通道呼出的空气通过空气集流罩由吸风口吸入，出风口排出。
所述的空气集流罩与两个燃料电池模块顶部密封连接。
所述的氢气供应装置包括储氢罐、排氢电磁阀，所述的储氢罐与燃料电池的氢气进口连接，所述的排氢电磁阀与燃料电池的氢气出口连接。
与现有技术相比，本发明两个模块的所有的空气导流槽的侧面相对，且共用一个风机，不仅空气不容易外漏，还可降低燃料电池发电系统的体积与重量，节省风机的材料，降低燃料电池的成本费用，降低多个风机引起的功耗损失问题。两个模块共用统一的前、后端板，可使装配容易简单，堆装配整齐、方便。
附图说明
图1为本发明燃料电池的分解示意图；
图2为本发明燃料电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明采用两个燃料电池模块，并共用一个前、后端板。这两个燃料电池模块的单电池数目一致，长短一样，可通过两块统一的前、后端板装配。装配时，将所有燃料电池空气导流板的空气吸入与呼出形成的导流端面相对应。这样的情况下，我们就可以采用一个风机来供应空气。具体如图1所示：1、2分别为燃料电池模块堆。3、4分别为这两个燃料电池模块所共用的前、后端板。风机7的吸风口6与空气集流罩5中间位置开孔处相连。13、14为正、负极引线。空气从单个模块燃料电池堆1的空气导流槽形成的一侧端面9以及对应的单个模块燃料电池堆2的另一侧端面进入，再通过吸入式风机的出风口8排出。图中的15是指1号堆的空气导流槽形成的端面处铺上一层过滤网，来阻挡空气中的灰尘与杂质。对应的2号堆的那一侧同样也有这样一层过滤网。图中的10是燃料电池的氢气入口，11为排氢电磁阀的氢气出口，12为排氢电磁阀。
实施例
如图2所示，是由两个燃料电池模块组成的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池发电系统，重约为7.5Kg，堆长宽高尺寸为155mm×132mm×140mm，该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，还包括空气、氢气供应装置，该空气供应装置包括共用的风机7、空气集流罩5，该氢气供应装置包括储氢罐(图未示)、排氢电磁阀12，氢气从10进入，11排出。由于风机是吸入式的，通过空气集流罩5的作用产生负压，空气分别从两个燃料电池模块的铺有一层空气过滤网15的空气流道端面进入，再由风机出风口8排出。如此的一个燃料电池发电系统的功率可达到200～400W，是单个燃料电池发电系统的功率的两倍。两个燃料电池模块串联起来可输出40～80V左右的电压，并联起来可输出20～40V左右的电压。

Claims (6)

1.常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括两个燃料电池模块、一套空气供应装置、一套氢气供应装置，所述的两个燃料电池模块共用一个前、后端板，该两个燃料电池模块空气导流板的空气吸入端面设在外侧，空气呼出端面设在内侧，而且该两个燃料电池模块的空气呼出端面相对设置，中间形成一空气呼出通道，所述的空气供应装置设在两个燃料电池模块的顶部，所述的氢气供应装置与设在两个燃料电池模块共用的前或后端板上的氢气进、出口连接。
2.根据权利要求1所述的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，其特征在于，所述的两个燃料电池模块空气导流板的空气吸入端面设有过滤网。
3.根据权利要求1所述的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，其特征在于，所述的两个燃料电池模块中间形成的空气呼出通道的底部密封，顶部与空气供应装置的空气入口连通。
4.根据权利要求1或3所述的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，其特征在于，所述的空气供应装置为一风机，该风机包括空气集流罩、吸风口、出风口，从两个燃料电池模块中间的空气呼出通道呼出的空气通过空气集流罩由吸风口吸入，出风口排出。
5.根据权利要求4所述的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，其特征在于，所述的空气集流罩与两个燃料电池模块顶部密封连接。
6.根据权利要求1所述的常压空气吸入式运行与冷却燃料电池，其特征在于，所述的氢气供应装置包括储氢罐、排氢电磁阀，所述的储氢罐与燃料电池的氢气进口连接，所述的排氢电磁阀与燃料电池的氢气出口连接。
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