一种质子交换膜燃料电池供气及冷却系统转让专利
申请号 : CN200610114308.4
文献号 : CN100596345C
文献日 : 2010-03-31
发明人 : 王利生 , 谢添 , 张立芳 , 史桂燕 , 张黛
申请人 : 北京飞驰绿能电源技术有限责任公司
摘要 :
一种质子交换膜燃料电池供气及冷却系统，属于燃料电池技术领域。由外置的轴流风机及配套的风罩和内置的开放式空气导流槽构成。电池组中，一组单电池由两块极板组成。一块为阴极板，A、B两面均刻有多条空气导流槽，该导流槽呈直线形，由极板的一侧直接穿到另一侧；另一块为阳极板，A面刻有与阴极板A面相同的多条直线形空气导流槽，B面刻有密闭的氢气导流槽。本发明的优点在于可以提高气体的利用率，增大散热面积，同时，简化电池结构。
权利要求 :
1.一种质子交换膜燃料电池供气及冷却系统，包括上层轴流风机，中间 层风罩，下层质子交换膜燃料电池组；其特征在于：电池组中，每个单电池 由质子交换膜电极和阴极板、阳极板组成，阴极板的A、B两面均刻有10-100 条开放式空气导流槽，该导流槽呈直线形，由极板的一侧直接穿到另一侧； 阳极板的A面刻有与阴极板A面相同的10-100条直线形空气导流槽，阳极板 的B面刻有密闭的氢气导流槽；工作时，阴极板的B面与阳极板的B面组成 反应单元；阴、阳极板的A面组成冷却单元；2-80组阴、阳极板叠加后，整 个电池组的一侧形成反应单元的空气入口和冷却单元的空气入口，另一侧形 成各自的空气出口，同时，在空气出口一侧，使用外置轴流风机，结合能均 匀导气的风罩，在电池组一侧形成相对密闭的空间，利用风机吸风产生的负 压，使空气持续的从空气入口一侧分别进入电池的反应单元和冷却单元，满 足各自的需要。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的空气导流槽为直线形， 并相互平行，呈等间距设置。
3.按权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述的空气导流槽呈纵 向等间隔设置，在整个电池组的上侧形成空气出口，下侧形成空气入口。
说明书 :
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别提供了一种高效的质子交换膜燃料电池供 气及冷却系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，是一种不经过燃烧，直接通过电化学 反应将燃料(氢气)的化学能转变为电能的发电装置。
在质子交换膜燃料电池中，阳极与阴极之间有一层质子交换膜，H+即从阳极通 过质子交换膜到达阴极，并在阴极处与O2结合，生成水分子(H2O)。当电池大功率 输出时，电池内部的电流密度增加，电化学反应加强，阴极侧生成的水也会相应增 多，一方面，如不及时排水，阴极将会被水淹渍，正常的电化学反应受阻，致使电 池效率降低；另一方面，能量的转化产生大量的热，导致电堆温度急剧上升，大量 的水蒸发，质子交换膜脱水，引起膜性能变差，电池性能下降。
对于常规的质子交换膜燃料电池而言，一般通过空气压缩泵提供高压空气流， 增强气体扩散能力，带出过量的水汽。同时，利用水冷系统散发电池产生的过量的 热，维持电池的正常工作温度。一般的水冷系统包括：水泵、储水箱、加热及控温 装置，以及专用的水路流场板等等。
因而，常规的质子交换膜燃料电池具有以下特点：
(1)通过外部高压供气系统，提高反应气体的压力，增强气体扩散能力，保持电 堆的水平衡；
(2)通过外部水冷系统，保持电堆的热平衡；
这些技术的缺陷在于：附加的外围设备增加了整个系统的复杂程度和功耗，降 低了整个系统的功率密度与重量密度，提高了系统运行的成本，不利于技术的推广 使用。
对于常压开放式(空气导流槽与大气相通)质子交换膜燃料电池而言，国内的 研究机构也作过一些工作。文献ZL 02279853.6 2002.11.25采用的技术即是以空气 导流槽与氢气导流槽分别置于两侧的双极板组成质子交换膜燃料电池，空气导流槽 由极板的一侧直接穿到另一侧，空气入口与出口处的数个风扇提供反应所需的氧化 剂(空气)，同时冷却电池，其空气导流槽既是反应通道，又是冷却通道；另外，通 过电控设备控制风扇的吹、吸风方向变化，从而延长水在电池内部的停留时间，维 持电池的水、热平衡。此技术最大的缺陷是：风扇的吹、吸风方向互换需要额外的 电控设备来实现，同样的增加了系统的复杂程度，以及额外的功率消耗。
在质子交换膜燃料电池中，阳极与阴极之间有一层质子交换膜，H+即从阳极通 过质子交换膜到达阴极，并在阴极处与O2结合，生成水分子(H2O)。当电池大功率 输出时，电池内部的电流密度增加，电化学反应加强，阴极侧生成的水也会相应增 多，一方面，如不及时排水，阴极将会被水淹渍，正常的电化学反应受阻，致使电 池效率降低；另一方面，能量的转化产生大量的热，导致电堆温度急剧上升，大量 的水蒸发，质子交换膜脱水，引起膜性能变差，电池性能下降。
对于常规的质子交换膜燃料电池而言，一般通过空气压缩泵提供高压空气流， 增强气体扩散能力，带出过量的水汽。同时，利用水冷系统散发电池产生的过量的 热，维持电池的正常工作温度。一般的水冷系统包括：水泵、储水箱、加热及控温 装置，以及专用的水路流场板等等。
因而，常规的质子交换膜燃料电池具有以下特点：
(1)通过外部高压供气系统，提高反应气体的压力，增强气体扩散能力，保持电 堆的水平衡；
(2)通过外部水冷系统，保持电堆的热平衡；
这些技术的缺陷在于：附加的外围设备增加了整个系统的复杂程度和功耗，降 低了整个系统的功率密度与重量密度，提高了系统运行的成本，不利于技术的推广 使用。
对于常压开放式(空气导流槽与大气相通)质子交换膜燃料电池而言，国内的 研究机构也作过一些工作。文献ZL 02279853.6 2002.11.25采用的技术即是以空气 导流槽与氢气导流槽分别置于两侧的双极板组成质子交换膜燃料电池，空气导流槽 由极板的一侧直接穿到另一侧，空气入口与出口处的数个风扇提供反应所需的氧化 剂(空气)，同时冷却电池，其空气导流槽既是反应通道，又是冷却通道；另外，通 过电控设备控制风扇的吹、吸风方向变化，从而延长水在电池内部的停留时间，维 持电池的水、热平衡。此技术最大的缺陷是：风扇的吹、吸风方向互换需要额外的 电控设备来实现，同样的增加了系统的复杂程度，以及额外的功率消耗。
发明内容
本发明属于常压开放式(空气导流槽与大气相通)质子交换膜燃料电池系统，其 目的在于简化传统质子交换膜燃料电池复杂的供气及冷却系统，增大电池的散热面 积，同时，提高气体的利用率。
本发明的包括外置的轴流风机及配套的风罩和内置的开放式空气导流槽。电池组 中，一组单电池由两块极板组成，一块为阴极板，A、B两面均刻有10-100条空气 导流槽，该导流槽呈直线形，由极板的一侧直接穿到另一侧；另一块为阳极板，A 面刻有与阴极板A面相同的10-100条直线形空气导流槽，B面刻有密闭的氢气导 流槽；工作时，阴极板的B面与阳极板的B面组成反应单元；阴、阳极板的A面组 成冷却单元；2-80组阴、阳极板叠加后，整个电池组的一侧形成反应单元的空气入 口和冷却单元的空气入口，另一侧形成各自的空气出口，同时，在空气出口一侧， 使用外置轴流风机，结合能均匀导气的风罩，在电池组一侧形成相对密闭的空间， 利用风机吸风产生的负压，使空气持续的从空气入口一侧分别进入电池的反应单元 和冷却单元，满足各自的需要。
本发明所述的空气导流槽为直线形，且相互平行，呈等间距设置。
本发明所述的空气导流槽呈纵向等间隔设置，在整个电池组的上侧形成空气出 口，下侧形成空气入口。
本发明所述的导流槽的单元导流槽的槽宽为1-3mm；槽深为0.4-1.5mm；棱宽为 0.5-3mm。
本发明克服了常规质子交换膜燃料电池技术中的缺陷，它利用常压的空气，作为 氧化剂参与电化学反应，同时又作为冷却介质，用于电池本身的散热，因此，大大 简化了质子交换膜燃料电池的供气及冷却系统，提高了整个系统的功率密度与重量 密度，降低了系统运行的成本。
本发明同时也克服了现有的常压质子交换膜燃料电池技术的缺陷，采用反应单元 与冷却单元分体式设计，在保证反应所需空气流量充足的情况下，通过调节冷却单 元导流槽的槽宽、槽深、棱宽，以及导流槽的数量，来定量的分配轴流风机提供的 空气流量，减少通过反应气道的空气流量，防止由于空气过量，而带走过多的水汽， 保持质子交换膜的湿润，进而保持传质通畅，从而保持电池的水平衡；同时，增加 单独的冷却单元，增大了散热面积，促进了电池的热平衡。
在电池组的运行过程中，反应单元与冷却单元的空气导流槽均呈纵向等间隔设 置，且在整个电池组的上侧形成空气出口，下侧形成空气入口。在上侧空气出口处， 使用外置轴流风机，结合特殊的风罩，在电池组上侧形成相对密闭的空间，利用风 机吸风产生的负压，使空气持续的从下侧反应单元的空气入口进入反应区，维持电 池的正常反应，而电池反应产生的热随着剩余的空气，从上侧风机处逸出，同时， 大量持续的冷空气从下侧冷却单元的空气入口进入电池内部，受热后，在风机的作 用下，也从上侧风机处逸处。在整个过程中，冷空气通过反应单元和冷却单元较大 的接触面，带走了大量的热，从而起到散热的作用，促进了电池的热平衡。
本发明的包括外置的轴流风机及配套的风罩和内置的开放式空气导流槽。电池组 中，一组单电池由两块极板组成，一块为阴极板，A、B两面均刻有10-100条空气 导流槽，该导流槽呈直线形，由极板的一侧直接穿到另一侧；另一块为阳极板，A 面刻有与阴极板A面相同的10-100条直线形空气导流槽，B面刻有密闭的氢气导 流槽；工作时，阴极板的B面与阳极板的B面组成反应单元；阴、阳极板的A面组 成冷却单元；2-80组阴、阳极板叠加后，整个电池组的一侧形成反应单元的空气入 口和冷却单元的空气入口，另一侧形成各自的空气出口，同时，在空气出口一侧， 使用外置轴流风机，结合能均匀导气的风罩，在电池组一侧形成相对密闭的空间， 利用风机吸风产生的负压，使空气持续的从空气入口一侧分别进入电池的反应单元 和冷却单元，满足各自的需要。
本发明所述的空气导流槽为直线形，且相互平行，呈等间距设置。
本发明所述的空气导流槽呈纵向等间隔设置，在整个电池组的上侧形成空气出 口，下侧形成空气入口。
本发明所述的导流槽的单元导流槽的槽宽为1-3mm；槽深为0.4-1.5mm；棱宽为 0.5-3mm。
本发明克服了常规质子交换膜燃料电池技术中的缺陷，它利用常压的空气，作为 氧化剂参与电化学反应，同时又作为冷却介质，用于电池本身的散热，因此，大大 简化了质子交换膜燃料电池的供气及冷却系统，提高了整个系统的功率密度与重量 密度，降低了系统运行的成本。
本发明同时也克服了现有的常压质子交换膜燃料电池技术的缺陷，采用反应单元 与冷却单元分体式设计，在保证反应所需空气流量充足的情况下，通过调节冷却单 元导流槽的槽宽、槽深、棱宽，以及导流槽的数量，来定量的分配轴流风机提供的 空气流量，减少通过反应气道的空气流量，防止由于空气过量，而带走过多的水汽， 保持质子交换膜的湿润，进而保持传质通畅，从而保持电池的水平衡；同时，增加 单独的冷却单元，增大了散热面积，促进了电池的热平衡。
在电池组的运行过程中，反应单元与冷却单元的空气导流槽均呈纵向等间隔设 置，且在整个电池组的上侧形成空气出口，下侧形成空气入口。在上侧空气出口处， 使用外置轴流风机，结合特殊的风罩，在电池组上侧形成相对密闭的空间，利用风 机吸风产生的负压，使空气持续的从下侧反应单元的空气入口进入反应区，维持电 池的正常反应，而电池反应产生的热随着剩余的空气，从上侧风机处逸出，同时， 大量持续的冷空气从下侧冷却单元的空气入口进入电池内部，受热后，在风机的作 用下，也从上侧风机处逸处。在整个过程中，冷空气通过反应单元和冷却单元较大 的接触面，带走了大量的热，从而起到散热的作用，促进了电池的热平衡。
附图说明
图1为本发明中高效的质子交换膜燃料电池供气及冷却系统的结构示意图。其 中，上层1、中层2、下层3。
图2为本发明中质子交换膜电极的结构示意图。阴极4、质子交换膜5、阳极6。
图3为本发明中阴极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中，AC为冷 却单元的直线形空气导流槽。
图4为本发明中阴极板反应单元空气导流槽的结构B面示意图。其中，BC为反 应单元的直线形空气导流槽，且导流槽均由极板的一侧直接穿到另一侧。
图5为本发明中阳极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中，AC’为 冷却单元的直线形空气导流槽，且由极板的一侧直接穿到另一侧。
图6为本发明中阳极板反应单元氢气导流槽的结构B面示意图。其中，BC’为反 应单元的蛇形氢气导流槽。
图2为本发明中质子交换膜电极的结构示意图。阴极4、质子交换膜5、阳极6。
图3为本发明中阴极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中，AC为冷 却单元的直线形空气导流槽。
图4为本发明中阴极板反应单元空气导流槽的结构B面示意图。其中，BC为反 应单元的直线形空气导流槽，且导流槽均由极板的一侧直接穿到另一侧。
图5为本发明中阳极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中，AC’为 冷却单元的直线形空气导流槽，且由极板的一侧直接穿到另一侧。
图6为本发明中阳极板反应单元氢气导流槽的结构B面示意图。其中，BC’为反 应单元的蛇形氢气导流槽。
具体实施方式
如图1所示，一种利用上述技术设计的质子交换膜燃料电池系统，该系统分为三 层，上层1为轴流风机，中间层2为风罩，下层3为质子交换膜燃料电池组。
上层1为两个轴流风机，各自的尺寸为80×80(mm×mm)。
中间层2为透明的塑料风罩，用于固定轴流风机，并在电池上侧形成相对密闭的 空间。
下层3为质子交换膜燃料电池组其内部结构如图2～6所示。其中，图2示出了 质子交换膜电极；图3示出了阴极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中， AC为冷却单元的直线形空气导流槽。图4示出了阴极板反应单元空气导流槽的结构 B面示意图。其中，BC为反应单元的直线形空气导流槽，且导流槽均由极板的一侧 直接穿到另一侧。图5示出了阳极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中， AC’为冷却单元的直线形空气导流槽，且由极板的一侧直接穿到另一侧。图6示出了 阳极板反应单元氢气导流槽的结构B面示意图。其中，BC’为反应单元的蛇形氢气 导流槽。本质子交换膜燃料电池组共由40个电极和阴、阳极板各40块组成，每块 极板的长与宽分别为100mm，与60mm，电池组长度为220mm。
该电池组的额定工作电流约为9A，输出电压为24V，输出功率为216W，采用 上层两个轴流风机，向上吸风，为电池组提供反应和冷却所需空气，电池温度稳定 在40℃～50℃。
上层1为两个轴流风机，各自的尺寸为80×80(mm×mm)。
中间层2为透明的塑料风罩，用于固定轴流风机，并在电池上侧形成相对密闭的 空间。
下层3为质子交换膜燃料电池组其内部结构如图2～6所示。其中，图2示出了 质子交换膜电极；图3示出了阴极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中， AC为冷却单元的直线形空气导流槽。图4示出了阴极板反应单元空气导流槽的结构 B面示意图。其中，BC为反应单元的直线形空气导流槽，且导流槽均由极板的一侧 直接穿到另一侧。图5示出了阳极板冷却单元空气导流槽的结构A面示意图。其中， AC’为冷却单元的直线形空气导流槽，且由极板的一侧直接穿到另一侧。图6示出了 阳极板反应单元氢气导流槽的结构B面示意图。其中，BC’为反应单元的蛇形氢气 导流槽。本质子交换膜燃料电池组共由40个电极和阴、阳极板各40块组成，每块 极板的长与宽分别为100mm，与60mm，电池组长度为220mm。
该电池组的额定工作电流约为9A，输出电压为24V，输出功率为216W，采用 上层两个轴流风机，向上吸风，为电池组提供反应和冷却所需空气，电池温度稳定 在40℃～50℃。