一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池，该燃料电池包括电池堆、常压空气输送装置、供氢装置以及控制装置，所述的电池堆由膜电极、导流双极板、电流母板及前后端板构成；所述的导流双极板包括相背设置的氢气面、空气面，所述的氢气面设有氢气流道、氢气进出通孔，该氢气流道与氢气进出通孔连通并在其外围设有密封圈；所述的空气面设有空气反应流道、空气散热流道以及与上述氢气面对应的氢气进出通孔，所述的空气反应流道呈竖向设在空气面中部，所述的空气散热流道呈横向设在空气反应流道的两端，所述的氢气进出通孔外围设有密封圈。与现有技术相比，本发明专利技术具有结构简单紧凑、能耗低、系统运行稳定等优点。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种把H2和O2反应产生的化学能转化成电能的装置，因为该电池具有室温启动、转化效率高、高体积比功率密度、产物零污染等特点，因而成为当前国际社会的研究热点。燃料电池用途很广，大型燃料电池可用做潜艇、汽车等的动力源，小型燃料电池可用做电动自行车、笔记本电脑、数码相机及其它移动用电设备的电源。对于小型燃料电池堆来说，其要求结构简单、紧凑，辅助设备少。一些小型燃料电池堆通常采用空气泵等供气设备为燃料电池提供氧气。为了有效带走电池工作时所产生的热量，采用水泵为电池堆提供冷却循环水。这些辅助系统一方面增加了电池系统的耗能，另一方面也使得电池堆系统体积较大。与此同时，以水为冷却剂燃料电池一方面使得电池堆的低温可操作性变差，另一方面也使得电池堆低温启动性能变差。
技术实现思路
本专利技术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简单紧凑、能耗低、系统运行稳定的利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池，该燃料电池包括电池堆、常压空气输送装置、供氢装置以及控制装置，所述的电池堆由膜电极、导流双极板、电流母板及前后端板构成；其特征在于，所述的导流双极板包括相背设置的氢气面、空气面，所述的氢气面-->设有氢气流道、氢气进出通孔，该氢气流道与氢气进出通孔连通并在其外围设有密封圈；所述的空气面设有空气反应流道、空气散热流道以及与上述氢气面对应的氢气进出通孔，所述的空气反应流道呈竖向设在空气面中部，所述的空气散热流道呈横向设在空气反应流道的两端，所述的氢气进出通孔外围设有密封圈。所述的空气反应流道与空气散热流道在平面上垂直交叉，电池堆产生的热由极板中间通过极板截面向两端散热区传递。所述的常压空气输送装置包括送风用的风扇或通风机以及空气流量配比调节装置，该空气流量配比调节装置设在空气散热通道的出口处。所述的送风用的风扇或通风机的风压值低于1000Pa，一般为10～300Pa，最好在20～100Pa。所述的空气流量配比调节装置可调节两空气散热通道的静压，使空气反应流道两端产生压差，该压差使空气反应流道得到反应用空气。所述的空气反应流道两端的压差可通过空气流量配比调节装置进行调节，其压差范围一般在0.05～50Pa。所述的供氢装置包括储氢罐、减压阀以及氢气流量调节阀。所述的控制装置可控制常压空气输送装置、空气流量配比调节装置、氢气流量调节阀以及电池堆。本专利技术电池堆系统冷却和电池堆的反应供气采用同一个供空气设备，该供气设备为电池堆提供低压大流量室温空气冷却剂和反应用空气。因为在该技术方案中，我们采用室温空气为冷却剂，这使电池堆具有低温可操作性，避免了水介质在低温下易结冰的缺点。同样，电池堆空气冷却介质大大降低了电池堆的体积比热容，使电池堆低温启动性能大大提高。再者，本专利技术中采用的为低压空气，供气设备耗能低，一般占电池堆输出能量的1％-5％，大大低于电池堆辅助系统采用液体泵及空气泵的耗能(10％-25％)。本专利技术双极板空气侧流道具有交叉流道结构，一部分流道为电池堆工作时导入反应所必须空气中氧气，另一部分流道是以空气做冷却剂的电池散热通道。控制电路部分控制调节空气在两种流道中空气流量达到电池正常运行的要求。该控制电路包括风扇或小型通风机等辅助系统控制电路，空气流量调节配比装置控制电路和氢气流量控制电路。通过检测环境温度，电池运行-->温度等参数来调节风扇或通风机的电压从而调节风扇或通风机等设备输出风量。本专利技术电极阴极和阳极区空气和氢气不需增湿，电池堆没有内增湿部分，也没有外增湿部分，它可以根据空气温度，湿度及电池质子交换膜的湿度等参数来对电池冷却和反应用空气配比进行调节，确保电池堆性能稳定。与现有技术相比，本专利技术具有结构简单、风扇等辅助系统耗能低、噪音低、系统结构紧凑、电池堆易于控制、系统运行稳定等优点。附图说明图1为本专利技术燃料电池系统结构示意图；图2为本专利技术电池堆部分结构示意图；图3为本专利技术电池堆中导流双极板之氢气面的结构示意图；图4为本专利技术电池堆中导流双极板之空气面的结构示意图；图5为图4的A-A剖视图；图6为本专利技术燃料电池输出功率随时间变化的关系曲线。具体实施方式下面将结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1附图1给出了整个电池系统结构示意图；储氢罐1为金属储氢罐，罐内储有一定量的氢气，通过减压阀2后进入燃料电池堆3，在燃料电池堆3的出口设有一氢气流量控制阀4，5为风扇，它可直接利用燃料电池产生的电能工作，给燃料电池提供空气，6为空气流量配比调节装置，7为电池系统控制电路，它利用燃料电池产生的电能，为4，5，6提供电能并检测控制它们的运行状态。整个电池系统是这样运行的：储氢罐1中氢气通过减压阀2后进入燃料电池堆3的极板氢气侧，通过膜三合一电极后和极板空气侧空气形成叠加的电压，该电源电压升到一定数值后便启动了电池系统控制电路，控制电路通过检测外界空气温度提供给风扇一输入电压，风扇运转为电池堆提供空气，电池系统便可向用电设备提供电能。电池堆运行过程中，若因水热管理不好，-->将会造成电池堆性能不稳定，使其无法长时间工作。本专利技术中的空气侧交叉流道结构及空气流量配比调节装置将会有效的解决这一问题。若因电池电极膜过干造成电池性能下降，控制电路可以通过调节空气流量配比调节装置增大空气交叉流道中散热流道和反应流道气体流量比例，同样因水过多造成电池性能下降可减小散热/反应空气比，氢气流量调节阀的有效控制可以提高氢气利用率。实施例2附图2给出了电池堆组装示意图；其中8为电池堆前后端板，9电流母板，10为电池双极板，11为膜三合一电极。附图3给出了双极板10氢气侧结构图；其中12双极板氢面，13为氢气通孔，14为氢气流道，15氢气密封圈。附图4给出了双极板10空气侧结构图；其中16为双极板空气面，内放置密封圈17，18为反应流道，19为散热流道，空气自散热流道入口以相同的风压在20、20’流入，在流道出口21、21’流出，将电池产生的热带走。其中，在流道出口21处设有空气流量配比调节装置，通过调节流道出口大小调节空气在两散热流道中的静压，使反应流道两端产生一可变化压差ΔP，该压差能使反应流道中的空气自20、21端向20’、21’流动，以给燃料电池提供反应用空气。本实施例燃料电池双极板为石墨双极板，其传热截面厚度大于或等于0.2mm，一般在0.6～3.5mm；该双极板氧侧反应流道长度小于100mm，一般在10～50mm；散热流道长度小于400mm，一般为30～200mm。附图5给出了附图4的A-A剖视图；其中双极板截面结构如图所示，数块双极板叠加后，流道入口20、20’组成的端面中两排孔构成了燃料电池的空气入口；同理，流道出口21、21’组成的端面中两排孔构成了燃料电池的空气出口。风扇等低压送风设备从20、20’组成端面两排孔中进入，从21、21’端面排孔中流出。在出口21组成一排孔端设有空气流量配比调节装置，调节着电池的稳定运行状态。实施例3-->以附图1组装的50W一体化燃料电池系统。其中双极板采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池，该燃料电池包括电池堆、常压空气输送装置、供氢装置以及控制装置，所述的电池堆由膜电极、导流双极板、电流母板及前后端板构成；其特征在于，所述的导流双极板包括相背设置的氢气面、空气面，所述的氢气面设有氢气流道、氢气进出通孔，该氢气流道与氢气进出通孔连通并在其外围设有密封圈；所述的空气面设有空气反应流道、空气散热流道以及与上述氢气面对应的氢气进出通孔，所述的空气反应流道呈竖向设在空气面中部，所述的空气散热流道呈横向设在空气反应流道的两端，所述的氢气进出通孔外围设有密封圈。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池，该燃料电池包括电池堆、常压空气输送装置、供氢装置以及控制装置，所述的电池堆由膜电极、导流双极板、电流母板及前后端板构成；其特征在于，所述的导流双极板包括相背设置的氢气面、空气面，所述的氢气面设有氢气流道、氢气进出通孔，该氢气流道与氢气进出通孔连通并在其外围设有密封圈；所述的空气面设有空气反应流道、空气散热流道以及与上述氢气面对应的氢气进出通孔，所述的空气反应流道呈竖向设在空气面中部，所述的空气散热流道呈横向设在空气反应流道的两端，所述的氢气进出通孔外围设有密封圈。2.根据权利要求1所述的利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池，其特征在于，所述的空气反应流道与空气散热流道在平面上垂直交叉，电池堆产生的热由极板中间通过极板截面向两端散热区传递。3.根据权利要求1所述的利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池，其特征在于，所述的常压空气输送装置包括送风用的风扇或通风机以及空气流量配比调节装置，该空气流量配比调节装置设...

【专利技术属性】
技术研发人员：田丙伦，董辉，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]