專利名稱：模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置。
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)H2→2H++2e陰極反應(yīng)1/2O2+2H++2e→H2O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。
上海神力科技有限公司現(xiàn)有專利，在“一種節(jié)能型燃料電池”(專利號為02279853.6)基礎(chǔ)上又改進(jìn)的專利申請“一種帶有空氣供應(yīng)裝置的節(jié)能型燃料電池堆”(專利申請?zhí)枮?00520044822.6)中，燃料電池堆的空氣供應(yīng)技術(shù)方法如圖1所示，采用空氣集流罩5將整個(gè)用中間供應(yīng)氫氣夾板集成的燃料電池堆的空氣導(dǎo)流槽端面罩起來，在集流罩5的中間位置開孔，開孔處4與小風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口3相連。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，由于空氣集流罩5的作用而產(chǎn)生負(fù)壓，使堆的另一側(cè)空氣導(dǎo)流板處的空氣被吸入。而且在堆的另一側(cè)鋪上了一層過濾網(wǎng)6，來防止灰塵和雜質(zhì)進(jìn)入電堆。氫氣則從1進(jìn)入，2排出。該專利中的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)功率在100～300W左右。如果在此燃料電池發(fā)電系統(tǒng)上，大規(guī)模地加單電池來滿足大增功率的要求，必會(huì)造成燃料電池單電池?cái)?shù)目過大，燃料電池堆過長，堆體積過大，裝配困難等一系列影響。不單如此，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)要提供所有單電池空氣流量，所以將采用的常壓空氣吸入式運(yùn)行的風(fēng)機(jī)就要求夠大。但是風(fēng)機(jī)足夠大，就會(huì)造成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)體積過大，噪聲過大，造價(jià)過大，超大型風(fēng)機(jī)的制造也就困難等不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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、噪聲低、功率大的模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，該裝置由至少兩套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。
所述的裝置由2～20套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。
所述的模塊化燃料電池堆包括膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前后端板、緊固拉桿以及空氣供應(yīng)裝置，該空氣供應(yīng)裝置包括風(fēng)機(jī)、空氣集流罩，所述的空氣集流罩將燃料電池堆一側(cè)所有空氣導(dǎo)流槽集合成的端面罩住，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而產(chǎn)生負(fù)壓，使電池堆另一側(cè)所有空氣導(dǎo)流槽集合成的端面處的空氣被吸入。
所述的模塊化燃料電池堆另一側(cè)所有空氣導(dǎo)流槽集合成的端面鋪設(shè)一層空氣過濾網(wǎng)。
所述的導(dǎo)流極板包括空氣導(dǎo)流極板、氫氣導(dǎo)流極板，其中，所述的空氣導(dǎo)流極板設(shè)有多條空氣導(dǎo)流槽，該空氣導(dǎo)流槽從空氣導(dǎo)流板的一側(cè)直接穿到另一側(cè)，在多塊空氣導(dǎo)流板、膜電極、氫氣導(dǎo)流板疊加后，整個(gè)模塊化燃料電池堆的一側(cè)形成空氣入口，另一側(cè)形成空氣出口。
所述的模塊化燃料電池堆還設(shè)有供氫夾板，該供氫夾板上設(shè)有氫氣進(jìn)、出導(dǎo)流孔，該導(dǎo)流孔與導(dǎo)流極板上的氫氣導(dǎo)流孔相對應(yīng)，所述的供氫夾板側(cè)面設(shè)有氫氣進(jìn)、出流道，該氫氣進(jìn)、出流道與上述氫氣進(jìn)、出導(dǎo)流孔相通，所述的供氫夾板設(shè)在電池堆的中部。
所述的模塊化燃料電池堆由40～100組單電池構(gòu)成。
本發(fā)明采用現(xiàn)有的100～200W單模塊常壓空氣吸入式空氣自冷卻的燃料電池發(fā)電裝置成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，將2～20套這樣的成熟模塊化的燃料電池發(fā)電裝置一體化組合，每個(gè)模塊化的常壓空氣吸入式空氣自冷卻燃料電池發(fā)電裝置都自帶一個(gè)小風(fēng)機(jī)?？筛鶕?jù)用戶對電壓、電流需求來組合，串或并聯(lián)來達(dá)到用戶的需求。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)每個(gè)模塊化常壓空氣吸入式空氣自冷卻燃料電池發(fā)電裝置的燃料電池單電池?cái)?shù)目比較適中，大約40～100片左右，裝配容易。所需供應(yīng)空氣與散熱風(fēng)機(jī)的體積、噪聲、重量也都有所降低。經(jīng)過常壓空氣吸入式空氣自冷卻燃料電池發(fā)電裝置技術(shù)組合與集成之后，該發(fā)電系統(tǒng)的功率可增加2～20倍。電流與電壓也可通過串、并聯(lián)來達(dá)到客戶的要求。


圖1為現(xiàn)有模塊化燃料電池堆的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有模塊化燃料電池堆的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1如圖3所示，一種模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，該裝置由兩套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。該發(fā)電裝置重量約為8～12Kg，體積約為275mm×154mm×284mm，功率為200～600W，串聯(lián)起來可輸出80～160V的電壓，并聯(lián)起來則可以輸出40～80V左右電壓。
實(shí)施例2如圖4所示，一種模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，該裝置由四套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。該發(fā)電裝置重量約為16～24Kg，體積約為470mm×154mm×284mm，功率為400～1200W，串聯(lián)起來可輸出160～320V的電壓，并聯(lián)起來則可以輸出80～160V左右電壓。
實(shí)施例3如圖5所示，一種模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，該裝置由八套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。該發(fā)電裝置重量約為32～48Kg，體積約為470mm×360mm×284mm，功率為800～2400W，串聯(lián)起來可輸出320～640V的電壓，并聯(lián)起來則可以輸出160～320V左右電壓。
權(quán)利要求
1.模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，該裝置由至少兩套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述的裝置由2～20套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述的模塊化燃料電池堆包括膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前后端板、緊固拉桿以及空氣供應(yīng)裝置，該空氣供應(yīng)裝置包括風(fēng)機(jī)、空氣集流罩，所述的空氣集流罩將燃料電池堆一側(cè)所有空氣導(dǎo)流槽集合成的端面罩住，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而產(chǎn)生負(fù)壓，使電池堆另一側(cè)所有空氣導(dǎo)流槽集合成的端面處的空氣被吸入。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述的模塊化燃料電池堆另一側(cè)所有空氣導(dǎo)流槽集合成的端面鋪設(shè)一層空氣過濾網(wǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述的導(dǎo)流極板包括空氣導(dǎo)流極板、氫氣導(dǎo)流極板，其中，所述的空氣導(dǎo)流極板設(shè)有多條空氣導(dǎo)流槽，該空氣導(dǎo)流槽從空氣導(dǎo)流板的一側(cè)直接穿到另一側(cè)，在多塊空氣導(dǎo)流板、膜電極、氫氣導(dǎo)流板疊加后，整個(gè)模塊化燃料電池堆的一側(cè)形成空氣入口，另一側(cè)形成空氣出口。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述的模塊化燃料電池堆還設(shè)有供氫夾板，該供氫夾板上設(shè)有氫氣進(jìn)、出導(dǎo)流孔，該導(dǎo)流孔與導(dǎo)流極板上的氫氣導(dǎo)流孔相對應(yīng)，所述的供氫夾板側(cè)面設(shè)有氫氣進(jìn)、出流道，該氫氣進(jìn)、出流道與上述氫氣進(jìn)、出導(dǎo)流孔相通，所述的供氫夾板設(shè)在電池堆的中部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，所述的模塊化燃料電池堆由40～100組單電池構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及模塊組合式常壓運(yùn)行燃料電池發(fā)電裝置，該裝置由至少兩套模塊化燃料電池堆串聯(lián)或并聯(lián)組合而成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低、功率大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01M8/04GK1964119SQ20051011009
公開日2007年5月16日 申請日期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, 夏建偉, 章波, 王立明 申請人:上海神力科技有限公司