CN100346521C - 具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组 - Google Patents

Abstract

一种具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，属于燃料电池技术领域。本发明包括：质子交换膜燃料电池组和空气分流预热段，所述的质子交换膜燃料电池组，包括：空气进口、两块端板、两块电绝缘板、若干螺帽、若干预紧弹簧、若干螺杆、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却水进口、冷却水出口、两块集电板和燃料电池组本体，所述的空气分流预热段，包括：两块空气分流端板、不透气组件、空气分流双面板，空气分流预热段设在端板和电绝缘板之间，质子交换膜燃料电池组和空气分流预热段通过若干螺帽、若干预紧弹簧和若干螺杆预紧连接。本发明提高空气进口处的端电池群的发电性能，使电池组内各单电池的性能均一和质子交换膜燃料电池组结构紧凑。

Description

具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的装置，具体地说，是一种具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组。

背景技术

质子交换膜燃料电池组是一种采用氢气为燃料、空气中的氧气为氧化剂的发电装置，由于燃料电池的电化学反应机理，可使其不受卡诺尔循环效率的限制，因此，质子交换膜燃料电池组具有效率高、环境友好等特点。质子交换膜燃料电池组包括：空气进口和空气出口、氢气进口和氢气进口、冷却水进口和冷却水进口、端板、电绝缘板、集电板，燃料电池组本体、以及若干螺帽、若干预紧弹簧和若干螺杆。质子交换膜燃料电池组的一般工作过程如下：氢气和空气经增湿器增湿后，分别通过各自的进口进入燃料电池组本体，通过在单电池两侧发生电化学反应，生成质子和电子，质子经由质子交换膜从氢气电极传递至空气电极，而电子则通过集流板集电后从氢气电极经由外电路传递至空气电极，从而使燃料电池发电。目前由于采用机械化、批量化的生产方式，使得成品的质子交换燃料电池在实验台上的性能差异可略而不计；然而，将单电池组合成质子交换膜燃料电池组后，电池组中各单电池的性能却具有一定的波动，特别是靠近电池组空气进口处的端电池群，其中的各单电池性能往往低于整个电池组中其他单电池的性能，而这种性能的差异会随着电流的增大而越发严重，并在电流超过某一极值时，使单电池电压出现负值的现象，电池组的发电性能因此急剧下将，极端情况下，负值现象会使电池的本体结构遭受不可逆破坏。

经现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN 2718795Y，公开日为2005.08.17，专利名称为：一种具有较高运行稳定性的燃料电池。该专利的自叙述为：“本实用新型涉及一种具有较高运行稳定性的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢气减压阀、氢气稳压阀、空气过滤装置、空气压缩供应转置、第一氢气水—汽分离器、第二氢气水—汽分离器、第一空气水—汽分离器、第二空气水—汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器、氢循环泵、氢气增湿装置、空气增湿装置，所述第二氢气水—汽分离器设在燃料电池堆得氢气进口端，所述第二空气水—汽分离器设在燃料电池堆得空气进口端。”其不足之处是：首先，该发明中的第二水—汽分离器是一种外部结构，因此，采用该分离器后势必使质子交换膜燃料电池组的结构变得十分松散；其次，由于氢气的流量相对于空气的流量通常很小，所以，氢气中夹杂的冷凝水滴的量微乎其微，不会引起流场得堵塞，因此，对于在氢气进口前设置氢气第二水—气分离器势必进一步加大质子交换膜燃料电池组的松散性，并提高其成本；再次，由于热量损失的原因，增加的第二水—汽分离器，势必会加大空气进口温度与电池组本体温度差异，从而，使空气进口处的端电池群性能下降；最后，在该发明的第二水—汽分离器中，气体主流的方向与冷凝水滴的方向正好垂直反向，因此，仍会有部分原本已经降落的冷凝水滴又通过上升的主流被带入质子交换膜燃料电池组本体，因此会阻塞空气进口处的端电池群的流体通道，从而使其性能下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，使其消除湿空气进入电池组时夹带的冷凝水滴以及提高空气主流温度，提高空气进口处的端电池群的发电性能，使电池组内各单电池的性能均一和质子交换膜燃料电池组结构紧凑，并降低制造成本。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：质子交换膜燃料电池组和空气分流预热段，所述的质子交换膜燃料电池组，包括：空气进口、两块端板、两块电绝缘板、若干螺帽、若干预紧弹簧、若干螺杆、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却水进口、冷却水出口、两块集电板和燃料电池组本体，同一侧的端板、电绝缘板、集电板之间依次叠加，燃料电池组本体设在两块集电板之间，两块端板、两块电绝缘板、两块集电板和燃料电池组本体通过若干螺帽、若干预紧弹簧和若干螺杆预紧连接，空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却水进口和冷却水出口设在端板上，端板和电绝缘板分别与空气进口相邻；所述的空气分流预热段，包括：两块空气分流端板、不透气组件、空气分流双面板，不透气组件和空气分流双面板叠加，不透气组件和空气分流双面板设在两块空气分流端板之间；空气分流预热段设在端板和电绝缘板之间，质子交换膜燃料电池组和空气分流预热段通过若干螺帽、若干预紧弹簧和若干螺杆预紧连接。所述的燃料电池组本体，包括：端电池群和中部电池群，端电池群和中部电池群叠加。

所述的端电池群是指1个单电池，或2-5个单电池的叠加；所述的中部电池群是指1个单电池，或2～300个单电池的叠加。

所述的空气分流端板，在其正面上设有空气气道和密封槽，在空气分流端板上开有流体孔，在空气分流端板的背面设有密封槽。

所述的不透气组件包括：不透气膜、密封边框和流体孔，不透气膜和密封边框粘接或热压连接，在密封边框上开有流体孔。

所述的不透气组件，其具体数量为1～10片。

所述的空气分流双面板，在其两侧设有空气气道和密封槽，在空气分流双面板上开有流体孔。

所述的空气分流双面板，其具体数量为0～9片。

所述的密封槽内嵌橡胶密封件。

所述的橡胶密封件，其宽度比密封槽的宽度小0.1mm～4mm，在橡胶密封件上开有流体孔。

本发明的工作过程和工作原理是：湿空气、氢气和冷却水分别通过空气进口、氢气进口和冷却水进口经由与空气进口相邻的端板进入空气分流预热段。湿空气在流体孔中前进时，有小部分湿空气分配到不透气组件两侧的空气气道中并依靠不透气膜的分隔保持一定的流速，夹杂在湿空气进气中的所有冷凝水滴依靠这部分空气的动量作用，经由空气气道被提前从空气出口排出；此外，由于燃料电池组本体对于空气分流预热段的加热作用，因此，其余不携带冷凝水滴的湿空气主流在通过分流预热段后，温度可升高到燃料电池组本体的温度。氢气和冷却水则直接经由流体孔通过空气分流预热段。不携带冷凝水滴的湿空气主流、氢气和冷却水进一步经过与空气进口相邻的电绝缘板和集电板进入由端电池群及中部电池群叠加的燃料电池组本体，进而在其内分别完成电化学反应和散热，从而使质子交换膜燃料电池组发电，质子交换膜燃料电池组的总电压是各单电池的电压之和。反应后的空气和氢气的尾气以及吸热后的冷却水分别通过空气出口、氢气出口和冷却水出口排出。

整个过程中，嵌入空气分流端板的橡胶密封件和嵌入空气分流双面板的橡胶密封件与不透气组件的密封边框接触；橡胶密封件在若干螺帽、若干预紧弹簧和若干螺杆的预紧力作用下，其弹性形变使空气、氢气和冷却水在通过空气分流预热段时不发生外漏和内窜。

本发明的有益效果是：当湿空气通过空气分流预热段后，夹杂在湿空气中的冷凝水滴经过其空气气道被全部排到空气出口外；此外，由于空气分流预热段受到电池组本体热传导的作用而被加热，所以，当湿空气主流通过该段后，其温度可升至质子交换膜燃料电池组的工作温度；在上述两点的前提下，采用本发明后，空气进口处端电池群内5个单电池的性能可分别比原先提高5％-30％，从而使质子交换膜燃料电池组内各单电池的性能均一。其次，本发明可以使质子交换膜燃料电池组结构紧凑，并降低制造成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为空气分流端板的结构示意图

其中：图2-a、图2-b分别表示正面和背面结构示意图。

图3为不透气组件的结构示意图

图4为空气分流双面板的结构示意图

其中，图4-a、图4-b分别表示空气分流双面板一侧和另一侧的结构示意图。

图5为橡胶密封件的结构示意图

具体实施方式

如图1、2、3、4和5所示，本发明包括：质子交换膜燃料电池组1和空气分流预热段2，所述的质子交换膜燃料电池组1，包括：空气进口3、两块端板4、两块电绝缘板5、若干螺帽6、若干预紧弹簧7、若干螺杆8、空气出口9、氢气进口10、氢气出口11、冷却水进口12、冷却水出口13、两块集电板14和燃料电池组本体15，同一侧的端板4、电绝缘板5、集电板14之间依次叠加，燃料电池组本体15设在两块集电板14之间，两块端板4、两块电绝缘板5、两块集电板14和燃料电池组本体15通过若干螺帽6、若干预紧弹簧7和若干螺杆8预紧连接，空气进口3、空气出口9、氢气进口10、氢气出口11、冷却水进口12和冷却水出口13设在端板4上，端板4和电绝缘板5分别与空气进口3相邻；所述的空气分流预热段2，包括：两块空气分流端板18、不透气组件19、空气分流双面板20，不透气组件19和空气分流双面板20叠加，不透气组件19和空气分流双面板20设在两块空气分流端板18之间；空气分流预热段2设在端板4和电绝缘板5之间，质子交换膜燃料电池组1和空气分流预热段2通过若干螺帽6、若干预紧弹簧7和若干螺杆8预紧连接。

所述的燃料电池组本体15，包括：端电池群16和中部电池群17，端电池群16和中部电池群17叠加。

所述的端电池群16是指1个单电池，或2-5个单电池的叠加；所述的中部电池群17是指1个单电池，或2～300个单电池的叠加。

所述的空气分流端板18，在其正面上设有空气气道21和密封槽22，在空气分流端板18上开有流体孔23，在空气分流端板18的背面设有密封槽22。所述的不透气组件19包括：不透气膜24、密封边框25和流体孔23，不透气膜24和密封边框25粘接或热压连接，在密封边框25上开有流体孔23。

所述的不透气组件19，其具体数量为1～10片。

所述的空气分流双面板20，在其两侧设有空气气道21和密封槽22，在空气分流双面板20上开有流体孔23。

所述的空气分流双面板20，其具体数量为0～9片。

所述的密封槽22内嵌橡胶密封件26。

所述的橡胶密封件26，其宽度比密封槽22的宽度小0.1mm～4mm，在橡胶密封件26上开有流体孔23。

Claims (10)

1.一种具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，包括：质子交换膜燃料电池组(1)和空气分流预热段(2)，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池组(1)，包括：空气进口(3)、两块端板(4)、两块电绝缘板(5)、若干螺帽(6)、若干预紧弹簧(7)、若干螺杆(8)、空气出口(9)、氢气进口(10)、氢气出口(11)、冷却水进口(12)、冷却水出口(13)、两块集电板(14)和燃料电池组本体(15)，同一侧的端板(4)、电绝缘板(5)、集电板(14)之间依次叠加，燃料电池组本体(15)设在两块集电板(14)之间，两块端板(4)、两块电绝缘板(5)、两块集电板(14)和燃料电池组本体(15)通过若干螺帽(6)、若干预紧弹簧(7)和若干螺杆(8)预紧连接，空气进口(3)、空气出口(9)、氢气进口(10)、氢气出口(11)、冷却水进口(12)和冷却水出口(13)设在端板(4)上，端板(4)和电绝缘板(5)分别与空气进口(3)相邻；所述的空气分流预热段(2)，包括：两块空气分流端板(18)、不透气组件(19)、空气分流双面板(20)，不透气组件(19)和空气分流双面板(20)叠加，不透气组件(19)和空气分流双面板(20)设在两块空气分流端板(18)之间；空气分流预热段(2)设在端板(4)和电绝缘板(5)之间，质子交换膜燃料电池组(1)和空气分流预热段(2)通过若干螺帽(6)、若干预紧弹簧(7)和若干螺杆(8)预紧连接。

2.根据权利要求1所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的燃料电池组本体(15)，包括：端电池群(16)和中部电池群(17)，端电池群(16)和中部电池群(17)叠加。

3.根据权利要求2所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的端电池群(16)是指1个单电池，或2-5个单电池的叠加；所述的中部电池群(17)是指1个单电池，或2～300个单电池的叠加。

4.根据权利要求1所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的空气分流端板(18)，在其正面上设有空气气道(21)和密封槽(22)，在空气分流端板(18)上开有流体孔(23)，在空气分流端板(18)的背面设有密封槽(22)。

5.根据权利要求1所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的不透气组件(19)包括：不透气膜(24)、密封边框(25)和流体孔(23)，不透气膜(24)和密封边框(25)粘接或热压连接，在密封边框(25)上开有流体孔(23)。

6.根据权利要求5所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的不透气组件(19)，其具体数量为1～10片。

7.根据权利要求1所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的空气分流双面板(20)，在其两侧设有空气气道(21)和密封槽(22)，在空气分流双面板(20)上开有流体孔(23)。

8.根据权利要求7所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的空气分流双面板(20)，其具体数量为0～9片。

9.根据权利要求4或7所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的密封槽(22)内嵌橡胶密封件(26)。

10.根据权利要求9所述的具有空气分流预热段的质子交换膜燃料电池组，其特征是，所述的橡胶密封件(26)，其宽度比密封槽(22)的宽度小0.1mm～4mm，在橡胶密封件(26)上开有流体孔(23)。

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