跨温区气氢燃料电池动力系统技术方案

本发明专利技术提供了一种跨温区气氢燃料电池动力系统，包括：依次连通的气氢瓶、气氢降压通道、去碳整流器和气氢输送通道，气氢瓶用于存储气氢；电堆，电堆包括多个堆叠设置的单电池，单电池的正极双极板具有氧化剂通道，负极双极板具有燃料通道，燃料通道和气氢输送通道连通，其中，正极双极板和负极双极板的材料均为纯钛或钛基合金，氧化剂通道和燃料通道均为拱桥型结构，气体扩散层包括纤维毡和电镀在纤维毡上的钛基合金或镍基合金，催化层为二氧化钛

【技术实现步骤摘要】
跨温区气氢燃料电池动力系统


[0001]本专利技术涉及氢能动力系统
，具体而言，涉及一种跨温区气氢燃料电池动力系统。

技术介绍

[0002]使用氢燃料的质子交换膜燃料电池(简称PEMFC)具有不错的热效率，大概是内燃机的两倍，电转换效率达到了50％；在剩下的50％热损失里，气冷系统和热辐射只占了不足10％，且无法挽回和再利用，但是剩下的41％的热损失或者说损失的80
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90％全部是由液冷(水冷)的热量流失造成的。
[0003]由于电池内温度可以达到80℃，在固定(地面)使用的发电系统中，可以通过热电联供解决热量流失问题，通过对液冷系统的再处理再利用，可以再电效率的基础上再增加30％的热效率，使整体热电联供效率达到80％以上的理想数字。但是作为移动交通使用的燃料电池动力系统，热能无法转换为有效动能，存在热效率低的问题，需通过其他创新手段解决热损耗问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种跨温区气氢燃料电池动力系统，通过从常温到跨240℃的高温反应、减小电池内电阻和电损耗、增加余热再利用装置，提高现有的燃料电池动力系统的热效率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种跨温区气氢燃料电池动力系统，包括：依次连通的气氢瓶、气氢降压通道、去碳整流器和气氢输送通道，气氢瓶用于存储气氢；电堆，电堆包括多个堆叠设置的单电池，单电池包括正极双极板、负极双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜，正极双极板具有氧化剂通道，负极双极板具有燃料通道，燃料通道和气氢输送通道连通，其中，正极双极板和负极双极板的材料均为纯钛或钛基合金，氧化剂通道和燃料通道均为拱桥型结构，气体扩散层包括纤维毡和电镀在纤维毡上的钛基合金或镍基合金，催化层为二氧化钛
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金/铂核壳纳米结构，质子交换膜为长纤维增强的纳米颗粒复合膜；液冷系统，液冷系统和单电池连通以冷却单电池，液冷系统包括用于安装在车辆中的车载泵、中冷器和车载防冻液恒温循环系统；电机和整流变压器，电堆的输出端、整流变压器和电机依次连接。
[0006]进一步地，正极双极板包括正极板体和多个正极拱形板，多个正极拱形板排列设置在正极板体朝向气体扩散层的一侧，每个正极拱形板的腔体形成一个氧化剂通道，正极板体和相邻两个正极拱形板之间的区域形成一个电池液冷通道，电池液冷通道和液冷系统连通，氧化剂通道和电池液冷通道的容积比值大于4.5；负极双极板包括负极板体和多个负极拱形板，多个负极拱形板排列设置在负极板体朝向气体扩散层的一侧，每个负极拱形板的腔体形成一个燃料通道，负极板体和相邻两个负极拱形板之间的区域形成一个电池液冷通道，燃料通道和电池液冷通道的容积比值大于4.5。
[0007]进一步地，正极双极板和负极双极板均为表面渗氮的纯钛或钛基合金拱桥型薄片结构，薄片的厚度不高于0.3mm。
[0008]进一步地，气体扩散层为表面渗氮的钛基合金或镍基合金泡沫结构，气体扩散层的孔隙率大于80％，催化层使用直接喷雾沉积法沉积在质子交换膜上。
[0009]进一步地，二氧化钛
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金/铂核壳纳米结构包括无氧化物的金纳米核和沉积在金纳米核上的单原子层铂壳，且金纳米核的边缘和顶点被二氧化钛覆盖。
[0010]进一步地，质子交换膜为氧化铝纤维或氧化锆纤维增强的乙酸稳定的纳米纤铁矿复合膜。
[0011]进一步地，质子交换膜包括纳米颗粒基体和设置在纳米颗粒基体内的多个经向内芯和多个纬向内芯，多个经向内芯和多个纬向内芯正交设置，经向内芯和纬向内芯为纤维结构，经向内芯和纬向内芯采用单丝或多丝编织成型。
[0012]进一步地，经向内芯和纬向内芯的表面均具有多个通过沉积法制备的纳米尺寸的凸起物，凸起物、经向内芯和纬向内芯均为相同的材料，经向内芯和纬向内芯均设置有预断裂缺口。
[0013]进一步地，气氢瓶包括从内到外依次设置的内胆、压力编织层和外胆，内胆和外胆的材料为钢化玻璃，压力编织层为三维编织结构，压力编织层的材料为S玻璃纤维，内胆的至少一部分渗透到压力编织层内侧的孔隙内，外胆的至少一部分渗透到压力编织层内侧的孔隙内，压力编织层未被内胆和外胆渗透的部分为中间层。
[0014]进一步地，气氢瓶还包括内压铸钢化膜、外压铸钢化膜和阀门结构，内压铸钢化膜设置在内胆的内壁，外压铸钢化膜设置在外胆的外壁，内压铸钢化膜、外压铸钢化膜的材料均为钢化玻璃；阀门结构包括阀门座、阀门芯和阀门钢化玻璃层，阀门芯设置在阀门座内，阀门钢化玻璃层设置在阀门座上，阀门座和阀门芯的材料均为不锈殷钢，阀门钢化玻璃层和内胆熔接，阀门座被压力编织层包围。
[0015]进一步地，电堆还包括两个端板，多个单电池位于两个端板之间，端板为S玻璃纤维增强的石英陶瓷基复合材料。
[0016]进一步地，电机包括定子结构和转子结构，转子结构可转动地设置在定子结构内；定子结构包括定子非晶合金芯和缠绕在定子非晶合金芯上的绕组，定子非晶合金芯在周向上分布有多个定子液冷通道，定子液冷通道和液冷系统连通；转子结构包括硅钢转子、转子轴、隔磁材料和多个永磁体，转子轴穿过硅钢转子，隔磁材料围绕转子轴设置，多个永磁体分布在硅钢转子内，每个永磁体内均具有一个转子辅助液冷通道，转子辅助液冷通道可通断地和液冷系统连通。
[0017]进一步地，跨温区气氢燃料电池动力系统还包括余热再利用装置，余热再利用装置和电堆的蒸汽出口连通，以收集并利用电堆产生的蒸汽中的热量，余热再利用装置包括热电联供取暖加湿装置和微型记忆合金液压发动机。
[0018]应用本专利技术的技术方案，提供了一种跨温区气氢燃料电池动力系统，包括：依次连通的气氢瓶、气氢降压通道、去碳整流器和气氢输送通道，气氢瓶用于存储气氢；电堆，电堆包括多个堆叠设置的单电池，单电池包括正极双极板、负极双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜，正极双极板具有氧化剂通道，负极双极板具有燃料通道，燃料通道和气氢输送通道连通，其中，正极双极板和负极双极板的材料均为纯钛或钛基合金，氧化剂通道和燃料
通道均为拱桥型结构，气体扩散层包括纤维毡和电镀在纤维毡上的钛基合金或镍基合金，催化层为二氧化钛
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金/铂核壳纳米结构，质子交换膜为长纤维增强的纳米颗粒复合膜；液冷系统，液冷系统和单电池连通以冷却单电池，液冷系统包括用于安装在车辆中的车载泵、中冷器和车载防冻液恒温循环系统；电机和整流变压器，电堆的输出端、整流变压器和电机依次连接。传统的电堆的工作温度一般不超过80℃，需要液冷系统进行冷却以避免温度过高。在该方案中，对单电池中各部分的材料和结构进行了优化，这样电堆可以适应240℃以上的工作温度，本方案中可大大减低液冷系统的冷却能力即可满足冷却需求，并对燃料电池的高温废气进行循环再利用，这样电堆被液冷系统带走的热量少，被有效利用的热量增多，从而提高了热效率。
附图说明
[0019]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨温区气氢燃料电池动力系统，其特征在于，包括：依次连通的气氢瓶(10)、气氢降压通道(21)、去碳整流器(22)和气氢输送通道(23)，所述气氢瓶(10)用于存储气氢；电堆，所述电堆包括多个堆叠设置的单电池(30)，所述单电池(30)包括正极双极板(31)、负极双极板(32)、气体扩散层(33)、催化层(34)和质子交换膜(35)，所述正极双极板(31)具有氧化剂通道(311)，所述负极双极板(32)具有燃料通道(321)，所述燃料通道(321)和所述气氢输送通道(23)连通，其中，所述正极双极板(31)和所述负极双极板(32)的材料均为纯钛或钛基合金，所述氧化剂通道(311)和所述燃料通道(321)均为拱桥型结构，所述气体扩散层(33)包括纤维毡和电镀在所述纤维毡上的钛基合金或镍基合金，所述催化层(34)为二氧化钛
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金/铂核壳纳米结构，所述质子交换膜(35)为长纤维增强的纳米颗粒复合膜；液冷系统(40)，所述液冷系统(40)和所述单电池(30)连通以冷却所述单电池(30)，所述液冷系统(40)包括用于安装在车辆中的车载泵、中冷器和车载防冻液恒温循环系统；电机(50)和整流变压器(60)，所述电堆的输出端、所述整流变压器(60)和所述电机(50)依次连接。2.根据权利要求1所述的跨温区气氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述正极双极板(31)包括正极板体(312)和多个正极拱形板(313)，多个所述正极拱形板(313)排列设置在所述正极板体(312)朝向所述气体扩散层(33)的一侧，每个所述正极拱形板(313)的腔体形成一个所述氧化剂通道(311)，所述正极板体(312)和相邻两个所述正极拱形板(313)之间的区域形成一个电池液冷通道(36)，所述电池液冷通道(36)和所述液冷系统(40)连通，所述氧化剂通道(311)和所述电池液冷通道(36)的容积比值大于4.5；所述负极双极板(32)包括负极板体(322)和多个负极拱形板(323)，多个所述负极拱形板(323)排列设置在所述负极板体(322)朝向所述气体扩散层(33)的一侧，每个所述负极拱形板(323)的腔体形成一个所述燃料通道(321)，所述负极板体(322)和相邻两个所述负极拱形板(323)之间的区域形成一个所述电池液冷通道(36)，所述燃料通道(321)和所述电池液冷通道(36)的容积比值大于4.5。3.根据权利要求1所述的跨温区气氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述正极双极板(31)和所述负极双极板(32)均为表面渗氮的纯钛或钛基合金拱桥型薄片结构，所述薄片的厚度不高于0.3mm。4.根据权利要求1所述的跨温区气氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述气体扩散层(33)为表面渗氮的钛基合金或镍基合金泡沫结构，所述气体扩散层(33)的孔隙率大于80％，所述催化层(34)使用直接喷雾沉积法沉积在所述质子交换膜(35)上。5.根据权利要求1所述的跨温区气氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述二氧化钛
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金/铂核壳纳米结构包括无氧化物的金纳米核和沉积在所述金纳米核上的单原子层铂壳，且所述金纳米核的边缘和顶点被二氧化钛覆盖。6.根据权利要求1所述的跨温区气氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述质子交换膜(35)为氧化铝纤维或氧化锆纤维增强的乙酸稳定的纳米纤铁矿复合膜。7.根据权利要求1所述的跨温区气氢燃料电池动力系统，其特征在于，所述质子交换膜(35)包括纳米颗粒基体(351)和设置在所述纳米颗粒基体(351)内的多个经向内芯(352)和
多个纬向内芯(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁宗立，
申请(专利权)人：北京海神动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：