專利名稱：常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
單模塊的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池是采用一個(gè)風(fēng)機(jī)，用集流罩將單模塊的整個(gè)燃料電池空氣流槽端面罩住，在空氣集流罩的中間位置開孔，開孔處與風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口相連；當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，由于空氣集流罩的作用會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，帶動(dòng)空氣從燃料電池堆的另一側(cè)進(jìn)入燃料電池堆。
上述燃料電池的缺陷是每個(gè)燃料電池模塊的空氣導(dǎo)流槽的集流端面上都需有一個(gè)風(fēng)機(jī)，每個(gè)風(fēng)機(jī)都要消耗其燃料電池本身的功率，而且電池模塊組合后體積大、重量重、成本較高。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、功耗少的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，其特征在于，該燃料電池包括兩個(gè)燃料電池模塊、一套空氣供應(yīng)裝置、一套氫氣供應(yīng)裝置，所述的兩個(gè)燃料電池模塊共用一個(gè)前、后端板，該兩個(gè)燃料電池模塊空氣導(dǎo)流板的空氣吸入端面設(shè)在外側(cè)，空氣呼出端面設(shè)在內(nèi)側(cè)，而且該兩個(gè)燃料電池模塊的空氣呼出端面相對(duì)設(shè)置，中間形成一空氣呼出通道，所述的空氣供應(yīng)裝置設(shè)在兩個(gè)燃料電池模塊的頂部，所述的氫氣供應(yīng)裝置與設(shè)在兩個(gè)燃料電池模塊共用的前或后端板上的氫氣進(jìn)、出口連接。
所述的兩個(gè)燃料電池模塊空氣導(dǎo)流板的空氣吸入端面設(shè)有過濾網(wǎng)。
所述的兩個(gè)燃料電池模塊中間形成的空氣呼出通道的底部密封，頂部與空氣供應(yīng)裝置的空氣入口連通。
所述的空氣供應(yīng)裝置為一風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)包括空氣集流罩、吸風(fēng)口、出風(fēng)口，從兩個(gè)燃料電池模塊中間的空氣呼出通道呼出的空氣通過空氣集流罩由吸風(fēng)口吸入，出風(fēng)口排出。
所述的空氣集流罩與兩個(gè)燃料電池模塊頂部密封連接。
所述的氫氣供應(yīng)裝置包括儲(chǔ)氫罐、排氫電磁閥，所述的儲(chǔ)氫罐與燃料電池的氫氣進(jìn)口連接，所述的排氫電磁閥與燃料電池的氫氣出口連接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型兩個(gè)模塊的所有的空氣導(dǎo)流槽的側(cè)面相對(duì)，且共用一個(gè)風(fēng)機(jī)，不僅空氣不容易外漏，還可降低燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的體積與重量，節(jié)省風(fēng)機(jī)的材料，降低燃料電池的成本費(fèi)用，降低多個(gè)風(fēng)機(jī)引起的功耗損失問題。兩個(gè)模塊共用統(tǒng)一的前、后端板，可使裝配容易簡(jiǎn)單，堆裝配整齊、方便。


圖1為本實(shí)用新型燃料電池的分解示意圖；圖2為本實(shí)用新型燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
本實(shí)用新型采用兩個(gè)燃料電池模塊，并共用一個(gè)前、后端板。這兩個(gè)燃料電池模塊的單電池?cái)?shù)目一致，長(zhǎng)短一樣，可通過兩塊統(tǒng)一的前、后端板裝配。裝配時(shí)，將所有燃料電池空氣導(dǎo)流板的空氣吸入與呼出形成的導(dǎo)流端面相對(duì)應(yīng)。這樣的情況下，我們就可以采用一個(gè)風(fēng)機(jī)來供應(yīng)空氣。具體如圖1所示1、2分別為燃料電池模塊堆。3、4分別為這兩個(gè)燃料電池模塊所共用的前、后端板。風(fēng)機(jī)7的吸風(fēng)口6與空氣集流罩5中間位置開孔處相連。13、14為正、負(fù)極引線?？諝鈴膯蝹€(gè)模塊燃料電池堆1的空氣導(dǎo)流槽形成的一側(cè)端面9以及對(duì)應(yīng)的單個(gè)模塊燃料電池堆2的另一側(cè)端面進(jìn)入，再通過吸入式風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口8排出。圖中的15是指1號(hào)堆的空氣導(dǎo)流槽形成的端面處鋪上一層過濾網(wǎng)，來阻擋空氣中的灰塵與雜質(zhì)。對(duì)應(yīng)的2號(hào)堆的那一側(cè)同樣也有這樣一層過濾網(wǎng)。圖中的10是燃料電池的氫氣入口，11為排氫電磁閥的氫氣出口，12為排氫電磁閥。
實(shí)施例如圖2所示，是由兩個(gè)燃料電池模塊組成的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，重約為7.5Kg，堆長(zhǎng)寬高尺寸為155mm×132mm×140mm，該燃料電池堆包括膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前后端板、緊固拉桿，還包括空氣、氫氣供應(yīng)裝置，該空氣供應(yīng)裝置包括共用的風(fēng)機(jī)7、空氣集流罩5，該氫氣供應(yīng)裝置包括儲(chǔ)氫罐(圖未示)、排氫電磁閥12，氫氣從10進(jìn)入，11排出。由于風(fēng)機(jī)是吸入式的，通過空氣集流罩5的作用產(chǎn)生負(fù)壓，空氣分別從兩個(gè)燃料電池模塊的鋪有一層空氣過濾網(wǎng)15的空氣流道端面進(jìn)入，再由風(fēng)機(jī)出風(fēng)口8排出。如此的一個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的功率可達(dá)到200～400W，是單個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的功率的兩倍。兩個(gè)燃料電池模塊串聯(lián)起來可輸出40～80V左右的電壓，并聯(lián)起來可輸出20～40V左右的電壓。
權(quán)利要求1.常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，其特征在于，該燃料電池包括兩個(gè)燃料電池模塊、一套空氣供應(yīng)裝置、一套氫氣供應(yīng)裝置，所述的兩個(gè)燃料電池模塊共用一個(gè)前、后端板，該兩個(gè)燃料電池模塊空氣導(dǎo)流板的空氣吸入端面設(shè)在外側(cè)，空氣呼出端面設(shè)在內(nèi)側(cè)，而且該兩個(gè)燃料電池模塊的空氣呼出端面相對(duì)設(shè)置，中間形成一空氣呼出通道，所述的空氣供應(yīng)裝置設(shè)在兩個(gè)燃料電池模塊的頂部，所述的氫氣供應(yīng)裝置與設(shè)在兩個(gè)燃料電池模塊共用的前或后端板上的氫氣進(jìn)、出口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，其特征在于，所述的兩個(gè)燃料電池模塊空氣導(dǎo)流板的空氣吸入端面設(shè)有過濾網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，其特征在于，所述的兩個(gè)燃料電池模塊中間形成的空氣呼出通道的底部密封，頂部與空氣供應(yīng)裝置的空氣入口連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，其特征在于，所述的空氣供應(yīng)裝置為一風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)包括空氣集流罩、吸風(fēng)口、出風(fēng)口，從兩個(gè)燃料電池模塊中間的空氣呼出通道呼出的空氣通過空氣集流罩由吸風(fēng)口吸入，出風(fēng)口排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，其特征在于，所述的空氣集流罩與兩個(gè)燃料電池模塊頂部密封連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，其特征在于，所述的氫氣供應(yīng)裝置包括儲(chǔ)氫罐、排氫電磁閥，所述的儲(chǔ)氫罐與燃料電池的氫氣進(jìn)口連接，所述的排氫電磁閥與燃料電池的氫氣出口連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及常壓空氣吸入式運(yùn)行與冷卻燃料電池，該燃料電池包括兩個(gè)燃料電池模塊、一套空氣供應(yīng)裝置、一套氫氣供應(yīng)裝置，所述的兩個(gè)燃料電池模塊共用一個(gè)前、后端板，該兩個(gè)燃料電池模塊空氣導(dǎo)流板的空氣吸入端面設(shè)在外側(cè)，空氣呼出端面設(shè)在內(nèi)側(cè)，而且該兩個(gè)燃料電池模塊的空氣呼出端面相對(duì)設(shè)置，中間形成一空氣呼出通道，所述的空氣供應(yīng)裝置設(shè)在兩個(gè)燃料電池模塊的頂部，所述的氫氣供應(yīng)裝置與設(shè)在兩個(gè)燃料電池模塊共用的前或后端板上的氫氣進(jìn)、出口連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、功耗少等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/24GK2847549SQ20052004632
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2005年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月7日
發(fā)明者胡里清, 葛栩栩, 王立明, 徐大清, 李創(chuàng), 蔡建軍 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司