專利名稱：一種水冷封閉型燃料電池電堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水冷封閉型燃料電池電堆。
背景技術(shù)：
燃料電池是通過(guò)將燃料在電解質(zhì)中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的方式，直接將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)保地轉(zhuǎn)化為電能，其燃料不經(jīng)過(guò)燃燒，沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，因此發(fā)電效率是目前所有發(fā)電方式中最高的。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)燃燒，因而噪聲低、紅外特征小。燃料電池發(fā)電裝置的核心是電堆，其性能的優(yōu)劣直接決定整個(gè)電池的性能。燃料電池電堆由一片一片單電池串聯(lián)迭加而成，各單電池溫度是否均勻影響整體性能。同時(shí)燃料電池電堆性能受環(huán)境溫度影響較大。電堆工作整體性能均勻性直接決定整堆壽命。根據(jù)電堆散熱方式的不同，可以有多種不同實(shí)現(xiàn)方案:風(fēng)冷雙風(fēng)機(jī)方案、直接風(fēng)冷方案、水冷封閉結(jié)構(gòu)方案等。風(fēng)冷雙風(fēng)機(jī)方案的反應(yīng)風(fēng)機(jī)和散熱風(fēng)機(jī)采用兩個(gè)不同風(fēng)機(jī)且功能獨(dú)立，電堆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工藝性好，適于批量生產(chǎn)；反應(yīng)空氣風(fēng)道與散熱空氣風(fēng)道分離，電堆水、熱管理相對(duì)對(duì)立，管理策略簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)電堆優(yōu)化運(yùn)行，且空氣雜質(zhì)對(duì)膜電極污染小，膜電極使用壽命長(zhǎng)；電堆陰極尾氣循環(huán)利用，可實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極進(jìn)氣的自增濕功能；電堆設(shè)計(jì)小環(huán)境結(jié)構(gòu)，具有陰極自增濕功能，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是由于采用多個(gè)電堆并聯(lián)，自耗較大；一般適于功率范圍200W 3000W的電源系統(tǒng)。直接風(fēng)冷方案的反應(yīng)風(fēng)機(jī)和散熱風(fēng)機(jī)合二為一，電堆結(jié)構(gòu)更為緊湊，其反應(yīng)產(chǎn)生的水被大流量的空氣帶走，幾乎處于干膜發(fā)電，因此對(duì)環(huán)境溫度不敏感，可在高溫、低溫下正常工作。其缺點(diǎn)是電堆干膜發(fā)電，發(fā)電效率低、功率密度小、壽命短、成本高，電堆的體積、重量相對(duì)風(fēng)冷雙風(fēng)機(jī)方案較大。水冷封閉結(jié)構(gòu)方案的散熱能力強(qiáng)，電堆受環(huán)境溫度影響較小；采用產(chǎn)品化的工業(yè)空氣泵，空氣泵入口帶有空氣過(guò)濾裝置，因而膜電極受空氣雜質(zhì)污染的可能性減少；水冷散熱，電堆內(nèi)部溫度分布均勻；空氣泵供氣壓力遠(yuǎn)大于風(fēng)冷雙風(fēng)機(jī)方案中的反應(yīng)空氣壓力，電堆配氣均勻，因而電堆工作整體均一性好，整堆壽命較長(zhǎng)；控制環(huán)節(jié)較少，控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，適合設(shè)計(jì)較大功率(5kW 120kW)電源系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是在大功率變工況運(yùn)行時(shí)需要強(qiáng)制加濕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題在于提供一種水冷封閉型燃料電池電堆，使其受環(huán)境溫度影響較小，降低空氣雜質(zhì)對(duì)膜電極的污染；電堆整體均勻性好，延長(zhǎng)其工作壽命。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種水冷封閉型燃料電池電堆，電堆封裝在殼體內(nèi)，由多個(gè)單電池串聯(lián)迭加組成電堆，單電池由膜電極、氫板和氧板組成，氫板和氧板分別設(shè)置在膜電極的兩側(cè)；陽(yáng)極封板緊壓電堆一端，陰極封板緊壓電堆另一端，電堆通過(guò)陽(yáng)極取電裝置和陰極取電裝置向負(fù)載提供電能；殼體上設(shè)有進(jìn)管口和出管口，進(jìn)管口設(shè)有通向電堆的氫氣輸入管道和空氣輸入管道，電堆反應(yīng)所需氫氣由氫氣管道流入，所需氧氣由空氣管道流入，進(jìn)管口還設(shè)有通向電堆的冷卻槽，向其提供冷卻水的冷卻水管道；與電堆相連接的氫氣輸出管道、空氣輸出管道和冷卻水排出管道通過(guò)出管口連接至殼體外。所述氫板在膜電極一側(cè)送入氫氣，氧板在膜電極的另一側(cè)送入空氣，氫氣和空氣中的氧氣在膜電極中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。所述氫板的入口與氫氣輸入管道相連接，其出口與氫氣輸出管道相連接；氧板的入口與空氣輸入管道相連接，其出口與空氣輸出管道相連接，空氣輸出管道與大氣相通。所述氫氣瓶中的氫氣經(jīng)過(guò)減壓閥、電磁閥、調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入增濕單元，氫氣增濕后由氫氣輸入管道進(jìn)入電堆；空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，由氣泵經(jīng)調(diào)節(jié)閥泵入增濕單元，空氣增濕后由空氣輸入管道進(jìn)入電堆。所述的氫氣經(jīng)氫氣輸入管道、空氣經(jīng)空氣輸入管道，并行的送達(dá)到每個(gè)單電池。所述的氫氣輸入管道、空氣輸入管道上均分別設(shè)有壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器。所述的冷卻水輸出管道在殼體外設(shè)有冷卻水泵，冷卻水泵將流出殼體的水泵入到冷卻水箱中；冷卻水箱中的水流出至散熱器進(jìn)行降溫，降溫后的冷卻水流入冷卻水輸入管道，進(jìn)入電堆的冷卻槽進(jìn)行冷卻。所述的冷卻水箱中的水流出至散熱器后，經(jīng)風(fēng)扇向環(huán)境散熱。所述的冷卻水輸出管道上設(shè)有壓力傳感器，冷卻水輸入管道上設(shè)有溫度傳感器。所述的陽(yáng)極封板外依次設(shè)有陽(yáng)極絕緣板和固定電堆用的壓板；陰極封板外依次設(shè)有陰極絕緣板和固定電堆用的壓板。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:本發(fā)明提供的水冷封閉型燃料電池電堆，電堆封裝在殼體內(nèi)，電堆反應(yīng)所需氫氣由氫氣管道流入，所需氧氣由空氣管道流入，并行地送達(dá)每個(gè)單電池。冷卻水系統(tǒng)將較低溫度冷卻水由冷卻水箱泵入電堆冷卻槽內(nèi)，與氫板、氧板交換熱量，熱量后高溫水在殼體外向環(huán)境散熱。本發(fā)明提供的水冷封閉型燃料電池電堆，采用水冷散熱冷卻效果好，可以提高散熱能力，使其受環(huán)境溫度減小，同時(shí)改善電堆溫度的均勻性，有效提高單電池的一致性和均勻性以及電堆性能，該電堆結(jié)構(gòu)能組成幾十或上百千瓦的電堆。進(jìn)一步，空氣經(jīng)過(guò)濾器，有效去除了雜質(zhì)，降低了其對(duì)膜電極的污染。而本發(fā)明的電堆是密封的，可以減少灰塵、雜質(zhì)的進(jìn)入，減少電堆中毒概率，延長(zhǎng)電堆的壽命。本發(fā)明提供的水冷封閉型燃料電池電堆，封閉式結(jié)構(gòu)還可以提高陰極濕度的均勻度，利用排氣壓力可以順利將液態(tài)水排出電堆，使電堆均勻性大幅提高。


圖1為本發(fā)明的電堆結(jié)構(gòu)示意圖之一；
圖2為本發(fā)明的電堆結(jié)構(gòu)示意圖之二 ；圖3為圖2的局部放大示意圖；圖4為本發(fā)明的電堆的左視圖；圖5為本發(fā)明的燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I為出管口 1,2為陰極取電裝置,3為殼體,4為陽(yáng)極取電裝置,5為進(jìn)管口，8為壓板,9為陽(yáng)極絕緣板,10為陽(yáng)極封板,11為氫板,12為膜電極,13為氧板,14為陰極封板，15為陰極絕緣板，19為螺栓,20為沉頭螺釘,21為螺釘。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。參見圖1 圖5，一種水冷封閉型燃料電池電堆，電堆封裝在殼體3內(nèi)，由多個(gè)單電池串聯(lián)迭加組成電堆，單電池由膜電極12、氫板11和氧板13組成，氫板11和氧板13分別設(shè)置在膜電極12的兩側(cè)；陽(yáng)極封板10緊壓電堆一端，陰極封板14緊壓電堆另一端，電堆通過(guò)陽(yáng)極取電裝置4和陰極取電裝置15向負(fù)載提供電能；殼體3上設(shè)有進(jìn)管口 5和出管口 I，進(jìn)管口 5設(shè)有通向電堆的氫氣輸入管道和空氣輸入管道，電堆反應(yīng)所需氫氣由氫氣管道流入，所需氧氣由空氣管道流入，進(jìn)管口 5還設(shè)有通向電堆的冷卻槽，向其提供冷卻水的冷卻水管道；與電堆相連接的氫氣輸出管道、空氣輸出管道和冷卻水排出管道通過(guò)出管口I連接至殼體3外。具體的，氫板11在膜電極12 —側(cè)送入氫氣，氧板13在膜電極12的另一側(cè)送入空氣，氫氣和空氣中的氧氣在膜電極12中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。單電池產(chǎn)生的電能小，電壓低，多個(gè)單電池串聯(lián)迭加組成電堆。電堆整體封裝在殼體3內(nèi)，陽(yáng)極封板10緊壓電堆一端，陰極封板14緊壓電堆另一端，保證各單電池緊湊，電化學(xué)反應(yīng)能順利進(jìn)行。陽(yáng)極封板10外依次設(shè)有陽(yáng)極絕緣板9和固定電堆用的壓板8 ;陰極封板14外依次設(shè)有陰極絕緣板15和固定電堆用的壓板8，通過(guò)螺栓19、沉頭螺釘20和螺釘21固定。進(jìn)一步，氫板11的入口與氫氣輸入管道相連接，其出口與氫氣輸出管道相連接；氧板13的入口與空氣輸入管道相連接，其出口與空氣輸出管道相連接，空氣輸出管道與大氣相通。氫氣瓶中的氫氣經(jīng)過(guò)減壓閥、電磁閥、調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入增濕單元，氫氣增濕后由氫氣輸入管道進(jìn)入電堆；空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，由氣泵經(jīng)調(diào)節(jié)閥泵入增濕單元，空氣增濕后由空氣輸入管道進(jìn)入電堆。氫氣經(jīng)氫氣輸入管道、空氣經(jīng)空氣輸入管道，并行的送達(dá)到每個(gè)單電池。所述的氫氣輸入管道、空氣輸入管道上均分別設(shè)有壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器，以便于更好的控制電堆電能的產(chǎn)生。所述的冷卻水輸出管道在殼體外設(shè)有冷卻水泵，冷卻水泵將流出殼體的水泵入到冷卻水箱中；冷卻水箱中的水流出至散熱器進(jìn)行降溫，降溫后的冷卻水流入冷卻水輸入管道，進(jìn)入電堆的冷卻槽進(jìn)行冷卻。所述的冷卻水箱中的水流出至散熱器后，經(jīng)風(fēng)扇向環(huán)境散熱。
參見圖5，電堆在組成燃料電池系統(tǒng)時(shí)，氫氣瓶中的氫氣經(jīng)過(guò)減壓閥、電磁閥、調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入增濕單元，空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，由氣泵經(jīng)調(diào)節(jié)閥泵入增濕單元。經(jīng)過(guò)增濕的空氣由空氣管道、氫氣由氫氣管道從進(jìn)管口進(jìn)入電堆，進(jìn)而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。冷卻水泵將冷卻水箱中的水經(jīng)散熱器降溫后，流入冷卻水管道從進(jìn)管口進(jìn)入電堆，從而實(shí)現(xiàn)電堆散熱。由于本發(fā)明采用了水冷封閉型燃料電池電堆，電堆封裝在殼體內(nèi)，可以減少灰塵、雜質(zhì)的進(jìn)入，減少電堆中毒概率，延長(zhǎng)電堆的壽命；進(jìn)入電堆內(nèi)的空氣經(jīng)過(guò)濾器，有效去除了雜質(zhì)，降低了其對(duì)膜電極的污染。采用水冷散熱冷卻效果好，可以提高散熱能力，使其受環(huán)境溫度減小，同時(shí)改善電堆溫度的均勻性，有效提高單電池的一致性和均勻性以及電堆性能。而且封閉式結(jié)構(gòu)還可以提高陰極濕度的均勻度，利用排氣壓力可以順利將液態(tài)水排出電堆，使電堆均勻性大幅提高。
權(quán)利要求
1.一種水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，電堆封裝在殼體(3)內(nèi)，由多個(gè)單電池串聯(lián)迭加組成電堆，單電池由膜電極(12)、氫板(11)和氧板(13)組成，氫板(11)和氧板(13)分別設(shè)置在膜電極(12)的兩側(cè)；陽(yáng)極封板(10)緊壓電堆一端，陰極封板(14)緊壓電堆另一端，電堆通過(guò)陽(yáng)極取電裝置(4)和陰極取電裝置(15)向負(fù)載提供電能； 殼體(3 )上設(shè)有進(jìn)管口(5)和出管口(I)，進(jìn)管口( 5 )設(shè)有通向電堆的氫氣輸入管道和空氣輸入管道，電堆反應(yīng)所需氫氣由氫氣管道流入，所需氧氣由空氣管道流入，進(jìn)管口(5)還設(shè)有通向電堆的冷卻槽，向其提供冷卻水的冷卻水管道；與電堆相連接的氫氣輸出管道、空氣輸出管道和冷卻水排出管道通過(guò)出管口( I)連接至殼體(3 )外。
2.如權(quán)利要求1所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，氫板(11)在膜電極(12) —側(cè)送入氫氣,氧板(13)在膜電極(12)的另一側(cè)送入空氣,氫氣和空氣中的氧氣在膜電極(12)中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。
3.如權(quán)利要求1所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，氫板(11)的入口與氫氣輸入管道相連接，其出口與氫氣輸出管道相連接；氧板(13)的入口與空氣輸入管道相連接，其出口與空氣輸出管道相連接，空氣輸出管道與大氣相通。
4.如權(quán)利要求1所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，氫氣瓶中的氫氣經(jīng)過(guò)減壓閥、電磁閥、調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入增濕單元，氫氣增濕后由氫氣輸入管道進(jìn)入電堆； 空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，由氣泵經(jīng)調(diào)節(jié)閥泵入增濕單元，空氣增濕后由空氣輸入管道進(jìn)入電堆。
5.如權(quán)利要求1或4所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，所述的氫氣經(jīng)氫氣輸入管道、空氣經(jīng)空氣輸入管道，并行的送達(dá)到每個(gè)單電池。
6.如權(quán)利要求1所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，所述的氫氣輸入管道、空氣輸入管道上均分別設(shè)有壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器。
7.如權(quán)利要求1所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，所述的冷卻水輸出管道在殼體外設(shè)有冷卻水泵，冷卻水泵將流出殼體的水泵入到冷卻水箱中；冷卻水箱中的水流出至散熱器進(jìn)行降溫，降溫后的冷卻水流入冷卻水輸入管道，進(jìn)入電堆的冷卻槽進(jìn)行冷卻。
8.如權(quán)利要求7所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，所述的冷卻水箱中的水流出至散熱器后，經(jīng)風(fēng)扇向環(huán)境散熱。
9.如權(quán)利要求1或7所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，所述的冷卻水輸出管道上設(shè)有壓力傳感器，冷卻水輸入管道上設(shè)有溫度傳感器。
10.如權(quán)利要求1所述的水冷封閉型燃料電池電堆，其特征在于，所述的陽(yáng)極封板(10)外依次設(shè)有陽(yáng)極絕緣板(9)和固定電堆用的壓板(8)； 陰極封板(14 )外依次設(shè)有陰極絕緣板(15 )和固定電堆用的壓板(8 )。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水冷封閉型燃料電池電堆，電堆封裝在殼體內(nèi)，由多個(gè)單電池串聯(lián)迭加組成電堆，單電池由膜電極、氫板和氧板組成，氫板和氧板分別設(shè)置在膜電極的兩側(cè)；陽(yáng)極封板緊壓電堆一端，陰極封板緊壓電堆另一端；殼體上設(shè)有進(jìn)管口和出管口，進(jìn)管口設(shè)有通向電堆的氫氣輸入管道和空氣輸入管道，電堆反應(yīng)所需氫氣由氫氣管道流入，所需氧氣由空氣管道流入，進(jìn)管口還設(shè)有通向電堆的冷卻槽，向其提供冷卻水的冷卻水管道；與電堆相連接的氫氣輸出管道、空氣輸出管道和冷卻水排出管道通過(guò)出管口連接至殼體外。本發(fā)明使電堆受環(huán)境溫度影響較小，能夠降低空氣雜質(zhì)對(duì)膜電極的污染；電堆整體均勻性好，延長(zhǎng)其工作壽命。
文檔編號(hào)H01M8/24GK103078125SQ20131001545
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者胡國(guó)昌, 沈承, 寧濤, 曹世宏, 張福才, 靳殷實(shí) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總后勤部建筑工程研究所