CN2793937Y - 一种燃料电池配气装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种燃料电池配气装置，包括燃料电池本体、散热风扇和反应风增压风扇，其特征在于：所述燃料电池配气装置还包括反应风导风槽和散热风导风槽，所述反应风增压风扇通过所述反应风导风槽与所述燃料电池本体相连接；所述散热风扇通过所述散热风导风槽与所述燃料电池本体相连接。本实用新型所提供的燃料电池的配气装置，由于引入了散热风导风槽和反应风导风槽，使之能够快速而均匀的散热、高效而均匀的反应。相对于现有的风冷散热技术和水冷散热技术而言，本实用新型的技术方案可以作到快速而均匀的散热、高效而均匀的反应；并且结构简单、易于实施、成本较低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池配气装置，尤其涉及采用空气作为氧化剂和冷却风的小型质子交换膜燃料电池配气装置。
背景技术
燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能通过化学反应将化学能转换为电能和热能的装置。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，它的特点是用氟系高分子膜作为电解质，电池阳极产生的氢质子能够穿过高分子膜到达阴极，并在那里被还原；而电子则通过阳极的电极板及负载与阴极的电极板连通，形成电流。这种燃料电池的起动时间短，结构紧凑，噪声低，功率密度高，工作温度为40～100℃，便于小型化、轻量化，适合作为可移动式电源使用。
质子交换膜燃料电池单元由两块带气体导流槽的导电板和一个膜电极组构成。由于质子交换膜燃料电池的电能转换能力与质子交换膜的面积成正比，因此，在质子交换膜燃料电池单元转换能力固定的情况下，为了获得较大的电能，需要将多个电池单元串联，即多电池的级联组装，多电池组装后称之为燃料电池。
众所公知，燃料电池在反应时产生电流(即电能)，同时也产生热能，并且随着产生电能的增大，热能也成比例增加。目前，性能较好的质子交换膜燃料电池的氢气发电的效率在35％-40％之间，其余的均转化为热能。在质子交换膜燃料电池开始工作之初，电池内部处于常温状态，工作一段时间后，当温度上升到一定程度时(根据不同类型的燃料电池不同的运行温度要求，质子交换膜燃料电池一般在100℃以下)，必须将内部产生的热量迅速散出，如果不尽快散热，必然导致电池内部温度过高，发电效率下降，影响燃料电池寿命，甚至导致燃料电池的损坏。
目前采用的散热方法主要采用水冷式和风冷式。
水冷式的技术方案为：在导电极板的背面(即：不与膜电极相接的一面)形成一个散热水道，每个散热水道通过入口和出口连接起来，形成电池的整体散热水通道，在入口处，通过增压泵将水流从入口流入散热水通道，经电极板吸热从散热水通道流出后，通过外部散热片散热，再进入增压泵，如此反复循环，可以起到电池冷却的作用，冷却的要求可根据循环的快慢及散热片的散热能力来调整。
现有水冷式技术的缺点是：由于水循环需要动力源，即在燃料电池外部需要增加增压泵，同时，还需要风扇对循环出来的热水进行冷却，消耗的能量较大，特别是在1000W以下的燃料电池中，其功率消耗比例超过15％。
风冷式的技术方案为：在燃料电池的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口，在入口处和出口处分别放置多个鼓风扇和多个吸风扇，在电极板中间形成导流槽连接入口和出口中，散热风通过鼓风扇将空气吸入，通过散热导流槽后带走热量，从出口处通过吸风扇排出，这种方式的冷却要求可以通过调节风扇的转速来控制散热的能力。
现有风冷式技术的缺点是：目前的风冷散热方式，采用多个风扇吹风，并辅之以风扇吸风，由于风扇与风扇之间总是存在距离的，因此，对于燃料电池的每个燃料电池单元来说，冷却是不均匀的，因此，容易导致部分燃料电池单元温度较高，而部分单元温度较低，不利于燃料电池的整体管理。
为了使燃料电池更具有实用性，一般来说，质子交换膜燃料电池的氧化剂为空气中的氧，而不再采用纯氧。由于空气中的氧气含量在21％左右，压力为1atm(101.3kPa)，在不增加流量和压力的情况下，燃料电池发电效率很低。为了增加燃料电池中氧化剂的利用效率，提高燃料电池的发电性能，一般情况下，需要对提供给燃料电池的空气增加压力，这样可以使空气中的氧气可以有效地扩散到反应区内发生电化学反应；同时，提高空气在氧化剂流道中的流速，以利于将燃料电池内部电化学反应生成的水带出燃料电池。一般来说，要使空气在燃料电池内部产生强制快速流动，必须要采用一种空气压缩泵或者采用风扇，这种循环装置可以产生大大高于自然空气压力的压缩空气流进入燃料电池，并可以克服燃料电池内部的导流场中的阻力从燃料电池出来。
传统的开放式燃料电池的氧化剂的供给方式一般是通过一个或多个风扇吸风或吹风解决，同样存在各燃料电池单元的供应不均匀问题。
本实用新型是针对风冷散热方式和传统的氧化剂配气方式所作的改进。
发明内容
本实用新型的目的就是为了避免现有水冷式散热技术及风冷式散热技术所存在的缺陷而提供一种快速而均匀的散热、高效而均匀反应的燃料电池配气装置。
本实用新型可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池配气装置，包括燃料电池本体、散热风扇和反应风增压风扇，其特征在于：所述燃料电池配气装置还包括反应风导风槽和散热风导风槽，所述反应风增压风扇通过所述反应风导风槽与所述燃料电池本体相连接；所述散热风扇通过所述散热风导风槽与所述燃料电池本体相连接。
一种优选技术方案，其特征在于：所述反应风增压风扇设有出口与所述反应风导风槽的入口相连接；所述反应风导风槽设有出口与所述燃料电池本体的氧化剂流道的入口相接；所述散热风扇设有出口与所述散热风导风槽的入口相连接；所述散热风导风槽设有出口与所述燃料电池本体的散热流道的入口相连接。
一种优选技术方案，其特征在于：所述燃料电池本体的散热流道位于导燃料电池电极板上或放置在两个电极板中间的散热板上。
一种优选技术方案，其特征在于：所述燃料电池本体的氧化剂流道位于导电极板与膜电极相接的一面上。
一种优选技术方案，其特征在于：所述反应风增压风扇的风压范围为10-1000pa，风量范围为0.1-10m3/min。
一种优选技术方案，其特征在于：所述反应风导风槽的形状为锥状、柱状、三角状、楔状或其它形状或其复合形状。
一种优选技术方案，其特征在于：所述散热风扇的风压为10-1000pa，风量范围为0.1-10m3/min。
一种优选技术方案，其特征在于：所述散热风导风槽的形状为锥状、柱状、三角状、楔状或其它形状或其复合形状。
一种优选技术方案，其特征在于：所述反应风导风槽和散热风导风槽连为一体。
一种优选技术方案，其特征在于：所述反应风导风槽和散热风导风槽用金属材料或非金属材料制备。
有益效果：本实用新型所提供的燃料电池的配气装置，由于引入了散热风导风槽和反应风导风槽，使之能够快速而均匀的散热、高效而均匀的反应。相对于现有的风冷散热技术和水冷散热技术而言，本实用新型的技术方案可以作到快速而均匀的散热、高效而均匀的反应；并且结构简单、易于实施、成本较低。
下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，但并不意味着对本实用新型保护范围的限制。
附图说明
图1为水冷式散热燃料电池散热水道结构示意图；
图2为水冷式散热电极板的散热水道示意图；
图3为水冷式散热燃料电池阳极板的流道示意图；
图4为风冷式燃料电池散热流道结构示意图；
图5为风冷式散热电极板上的散热流道示意图；
图6为风冷式散热燃料电池阳极板的流道示意图；
图7为本实用新型实施例之一的燃料电池本体的结构示意图；
图8为本实用新型实施例之一的散热风导风槽的结构示意图；
图9为本实用新型实施例之一的散热风扇的结构示意图；
图10为本实用新型实施例之一的反应风导风槽的结构示意图；
图11为本实用新型实施例之一的轴流式反应风增压风扇的结构示意图；
图12为本实用新型实施例之一的燃料电池配气装置的结构示意图；
图13为本实用新型实施例之二的燃料电池本体的结构示意图；
图14为本实用新型实施例之二的散热风导风槽和反应风导风槽为一体的结构示意图；
图15为本实用新型实施例之二的离心式反应风增压风扇的结构示意图；
图16为本实用新型实施例之二的燃料电池配气装置的结构示意图；
图17为楔型导风槽(散热风和反应风)的截面图；
图18为锥型导风槽(散热风和反应风)的截面图。
上述附图中：
f1表示冷却水入水方向
f2表示燃料进气方向
f3表示冷却水出水方向
f4表示燃料出气方向
f5表示氧化剂气体入气方向
f6表示散热风入气方向
1-水冷式燃料电池端板
2-水冷式燃料电池阴极板(一面为水流道，另一面为氧化剂流道)
3-水冷式燃料电池阳极板(一面为燃料气体流道，另一面为平面)
4-水冷式燃料电池质子交换膜膜电极组
5-水冷式燃料电池封板
6，6’-水冷式燃料电池阴极板冷却水入口
7-水冷式燃料电池阴极板冷却水出口
8-水冷式燃料电池阴极板燃料气体入口过孔
9，9’-水冷式燃料电池阴极板燃料气体出口过孔
10-水冷式燃料电池阳极板燃料气体入口
11，11’-水冷式燃料电池阳极板燃料气体出口
12-水冷式燃料电池阳极板冷却水入口过孔
13-水冷式燃料电池阳极板冷却水出口过孔
21-风冷式燃料电池端板
22，22’-风冷式燃料电池阴极板(一面为冷却风流道，另一面为氧化剂流道)
23，23’-风冷式燃料电池阳极板(一面为燃料气体流道，另一面为与阴极板上冷却风流道相对应的冷却风流道)
24，24’-风冷式燃料电池质子交换膜膜电极组
25-风冷式燃料电池封板
28，28’-风冷式燃料电池阴极板燃料气体入口过孔
29-风冷式燃料电池阴极板燃料气体出口过孔
30-风冷式燃料电池阳极板燃料气体入口
41-实施实例一使用的燃料电池
42-燃料电池氧化剂入口
43-燃料电池冷却风入口
44-实施实例一使用的楔型散热风导风槽
45-散热风导风槽入风口
46-散热风导风槽出风口
47-散热风导风槽抛物线型曲面
48-散热风导风槽安装孔(与燃料电池壳体上的孔相对应)
49-实施实例一使用的离心式散热风扇
50-散热风扇入风口
51-散热风扇出风口
52-实施实例一使用的锥形反应风导风槽
53-反应风导风槽入风口
54-反应风导风槽出风口
55-反应风导风槽安装孔(与燃料电池壳体上的孔相对应)
56，56’-反应风导风槽斜面
57-实施实例一使用的轴流式反应风增压风扇
58-反应风增压风扇出风口
59-反应风增压风扇安装孔(与反应风导风槽上的孔相对应)
61-实施实例二使用的燃料电池
62-燃料电池氧化剂入口
63-燃料电池氧化剂出口
64-燃料电池冷却风入口
65-实施实例二使用的一体的楔型散热风导风槽与反应风导风槽
66-散热风导风槽入风口
67-散热风导风槽出风口
68-反应风导风槽入风口
69-反应风导风槽出风口
70-散热风导风槽斜面
71-反应风导风槽斜面
72-导风槽安装孔(与燃料电池壳体上的孔相对应)
73-散热风扇安装孔
74-反应风扇安装孔
75-实施实例二使用的离心式反应风增压风扇
76-反应风扇入风口
77-反应风扇出风口
具体实施方式
对比例1
如图1所示，为水冷式散热燃料电池散热水道结构示意图。1表示水冷式燃料电池端板；2、2’表示水冷式燃料电池阴极板(一面为水流道，另一面为氧化剂流道)；3、3’表示水冷式燃料电池阳极板(一面为燃料气体流道，另一面为平面)；4、4’表示水冷式燃料电池质子交换膜膜电极组；5表示水冷式燃料电池封板。f1表示冷却水入水方向；f2表示燃料进气方向；f3表示冷却水出水方向；f4表示燃料出气方向；f5表示氧化剂气体入气方向。
如图2所示，为水冷式散热电极板的散热水道示意图。6，6’表示水冷式燃料电池阴极板冷却水入口；7表示水冷式燃料电池阴极板冷却水出口；8表示水冷式燃料电池阴极板燃料气体入口过孔；9，9’表示水冷式燃料电池阴极板燃料气体出口过孔。
如图3所示，为水冷式散热燃料电池阳极板的流道示意图。10表示水冷式燃料电池阳极板燃料气体入口；11，11’表示水冷式燃料电池阳极板燃料气体出口；12表示水冷式燃料电池阳极板冷却水入口过孔；13表示水冷式燃料电池阳极板冷却水出口过孔。
对比例2
如图4所示，为风冷式燃料电池散热流道结构示意图。f2表示燃料进气方向；f4表示燃料出气方向；f5表示氧化剂气体入气方向；f6表示散热风入气方向。21表示风冷式燃料电池端板；22，22’表示风冷式燃料电池阴极板(一面为冷却风流道，另一面为氧化剂流道)；23，23’表示风冷式燃料电池阳极板(一面为燃料气体流道，另一面为与阴极板上冷却风流道相对应的冷却风流道)；24，24’表示风冷式燃料电池质子交换膜膜电极组；25表示风冷式燃料电池封板。
如图5所示，为风冷式散热电极板上的散热流道示意图。28，28’表示风冷式燃料电池阴极板燃料气体入口过孔；29表示风冷式燃料电池阴极板燃料气体出口过孔。
如图6所示，为风冷式散热燃料电池阳极板的流道示意图。30表示风冷式燃料电池阳极板燃料气体入口；31，31’表示风冷式燃料电池阴极板燃料气体出口过孔。
实施例1
图7为本实用新型实施例之一的燃料电池本体的结构示意图；图8为本实用新型实施例之一的散热风导风槽的结构示意图；图9为本实用新型实施例之一的反应风增压风扇的结构示意图；图10为本实用新型实施例之一的反应风导风槽的结构示意图；图11为本实用新型实施例之一的散热风扇的结构示意图；图12为本实用新型实施例之一的燃料电池配气装置的结构示意图。
本实施例中采用的质子交换膜燃料电池41，它由上下两个端板(图中未标出)将50个燃料电池单元(图中未标出)夹在中间，燃料电池单元的导电板为55×55mm，质子交换膜有效反应面积为40×40mm，输出最大功率为200W。每个燃料电池单元导电极板的正面(与膜电极相接的一面)横向上设有燃料电池氧化剂入口42；每个燃料电池单元导电极板的背面(与膜电极相反的一面)的纵向上设有燃料电池冷却风入口43。
如图8所示，本实施例1中采用一次成型的楔型散热风导风槽44，楔型散热风导风槽44的长度与所述燃料电池的散热流道相匹配；楔型散热风导风槽的顶面47为抛物线型曲面；45为散热风导风槽入风口，位于楔形的一侧，呈长方形，与散热风扇出风口相匹配，散热风导风槽出风口46位于楔形的底面，为长方形，在导风槽的底面的两边各伸出5mm宽的接口板用于与燃料电池壳体连接；其上设有散热风导风槽安装孔48(与燃料电池壳体上的孔相对应)；散热风导风槽入风口45与散热风扇出风口相匹配连接；散热风导风槽的出风口46与燃料电池的散热流道的入口(本图中未标出)相匹配连接。如图9所示，本实施例1采用一个离心直流无刷风扇做为散热风扇49，风扇的电压输入范围为5V-14V，最大风量为2m3/min，最大风压为500Pa。50为散热风扇入风口；51为散热风扇出风口。其出风口51与散热风导风槽的入口45相匹配连接。
如图10所示，本实施例1采用一次成型的锥形反应风导风槽52，锥形反应导风槽52呈上窄下宽的锥形，下部宽端为反应风导风槽出风口54，长方形，四周各伸出5mm宽的接口板用于与燃料电池壳体连接，其上设有反应风导风槽安装孔(与燃料电池壳体上的孔相对应)55、55’；上部窄端为反应风导风槽入风口53，也呈长方形，与反应风增压风扇出风口相匹配；56，56’为反应风导风槽的斜面；反应风导风槽的出风口54与燃料电池的氧化剂入口42匹配连接。
如图11所示，本实例中采用一个轴流式反应风增压风扇57，风扇的电压输入范围为5V-14V，最大风量为0.2m3/min，最大风压为100Pa。其反应风增压风扇出风口58与反应风导风槽的入口匹配连接；59为反应风增压风扇安装孔(与反应风导风槽上的孔相对应)。
如图12所示，本实施例1中，反应风通过轴流式反应风增压风扇57吸入，在锥形反应风导风槽52内形成负压，强迫空气通过燃料电池氧化剂流道后进入锥形反应风导风槽52内，并经由轴流式反应风增压风扇57出风口排出燃料电池。散热风则通过散热风扇49入风口吸入空气，通过散热风扇49加压后经出风口进入散热风导风槽44，由于散热风导风槽44内的压力大于外部压力，因此导致空气经燃料电池散热流道后排出燃料电池41，以起到散热的效果。由于锥形反应风导风槽和散热风导风槽的存在，才使得本实用新型的燃料电池配气装置达到快速而均匀的散热，高效而均匀的反应；并且结构简单、易于实施、成本较低。
实施例2
图13为本实用新型实施例之二的燃料电池本体的结构示意图。图14为本实用新型实施例之二的散热风导风槽和反应风导风槽为一体的结构示意图。图15为本实用新型实施例之二使用的离心式反应风增压风扇。图16为本实用新型实施例之二的燃料电池配气装置的结构示意图。图17为楔型导风槽(散热风和反应风)的截面图。图18为锥型导风槽(散热风和反应风)的截面图。
如图13所示，为本实用新型实施例之二的燃料电池本体61的结构示意图。它由上下两个端板(图中未标出)，将20个燃料电池单元(图中未标出)夹在中间，燃料电池单元的导电板为55×75mm，质子交换膜有效反应面积为40×60mm，输出最大功率为200W。每个燃料电池单元导电极板的正面(与膜电极相接的一面)横向上设有燃料电池氧化剂入口62以及燃料电池冷却风入口64；每个燃料电池单元导电极板的背面(与膜电极相反的一面)的纵向上设有燃料电池氧化剂出口63。
如图14所示，由于本实用新型实施例之二的燃料电池61本体的结构是氧化剂流道入口和散热流道入口位于同一个平面。所以采用反应风导风槽与楔型散热风导风槽集成的、一次压铸成型的混合导风槽65。其中66为楔型散热风导风槽入风口，67为楔型散热风导风槽出风口，68为反应风导风槽入风口，69为反应风导风槽出风口，70为散热风导风槽斜面，71为反应风导风槽斜面，72为导风槽安装孔(与燃料电池壳体上的孔相对应)，73为散热风扇安装孔，74为反应风扇安装孔。
如图15所示，75表示本实用新型实例二使用的离心式反应风增压风扇；76表示离心式反应风增压风扇入风口；77表示离心式反应风增压风扇出风口。
如图16所示，本实施例2中，反应风通过离心式反应风增压风扇75吸入，在一次压铸成型的混合导风槽65内形成负压，强迫空气通过燃料电池氧化剂流道后进入一次压铸成型的混合导风槽65内，并经由离心式反应风增压风扇75出风口排出燃料电池。散热风则通过散热风扇49入风口吸入空气，通过散热风扇49加压后经出风口进入一次压铸成型的混合导风槽65，由于一次压铸成型的混合导风槽65内的压力大于外部压力，因此导致空气经燃料电池散热流道后排出燃料电池61，以起到散热的效果。由于一次压铸成型的混合导风槽的存在，才使得本实用新型实施例的燃料电池配气装置达到快速而均匀的散热，高效而均匀的反应；并且结构简单、易于实施、成本较低。
本实用新型实施例1采用的楔型散热风导风槽的截面图如图17，图中，ft为散热风流向，fi为散热风流入散热流道的流向，fo为散热风流出燃料电池散热流道的流向。散热风沿ft方向流入散热风导风槽后，由于压力大于散热流道内的压力，因此，部分散热风会沿fi方向进入燃料电池的散热流道。如果不采用楔型方式，如采用方型，由于散热风沿fi方向进行分流，势必导致气体流速越来越低，从而导致散热风在不同的散热流道内的流速不同，流量不同，散热能力不同。为了避免这种情况，通过采用如图17的楔型方式，随着散热风的不断分流，导风槽的截面积越来越小，从而保证散热风的流速在不会因气体分流而降低，散热风在各散热流道中的流速、流量基本一致。
本实用新型实施例1采用的锥型反应风导风槽的截面图如图18，图中，ft为反应风流向，fi为反应风流入氧化剂流道的流向，fo为反应风流出氧化剂流道的流向。在反应风增压风机的吸附下，反应风导风槽内形成负压，从而使空气沿fi流向流入氧化剂流道后，经fo流向ft。如上所述，采用此方式，可以使反应风导风槽内各处的负压基本相同，以保证各氧化剂流道内的气体流量基本一致。
Claims (10)
1.一种燃料电池配气装置，包括燃料电池本体、散热风扇和反应风增压风扇，其特征在于：所述燃料电池配气装置还包括反应风导风槽和散热风导风槽，所述反应风增压风扇通过所述反应风导风槽与所述燃料电池本体相连接；所述散热风扇通过所述散热风导风槽与所述燃料电池本体相连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述反应风增压风扇设有出口与所述反应风导风槽的入口相连接；所述反应风导风槽设有出口与所述燃料电池本体的氧化剂流道的入口相接；所述散热风扇设有出口与所述散热风导风槽的入口相连接；所述散热风导风槽设有出口与所述燃料电池本体的散热流道的入口相连接。
3.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述燃料电池本体的散热流道位于燃料电池导电极板上或放置在两个电极板中间的散热板上。
4.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述燃料电池本体的氧化剂流道位于燃料电池导电极板与膜电极相接的一面上。
5.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述反应风增压风扇的风压范围为10-1000pa，风量范围为0.01-10m3/min。
6.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述反应风导风槽的形状为锥状、柱状、三角状、楔状或其它形状或其复合形状。
7.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述散热风扇的风压范围为10-1000pa，风量范围为0.01-10m3/min。
8.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述散热风导风槽的形状为锥状、柱状、三角状、楔状或其它形状或其复合形状。
9.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述反应风导风槽和散热导风槽连为一体或分离。
10.根据权利要求1所述的燃料电池配气装置，其特征在于：所述反应风导风槽和散热导风槽用金属材料或非金属材料制备。
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Cited By (4)
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-
2005
- 2005-11-22 CN CNU2005201334148U patent/CN2793937Y/zh not_active Expired - Lifetime
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