风冷燃料电池发电装置及风冷燃料电池堆的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种风冷燃料电池发电装置及风冷燃料电池堆。

背景技术：

质子交换膜燃料电池具有清洁环保、高效高能量密度等特点。能被广泛应用于交通、军事、固定电源、便携式电源等领域。质子交换膜燃料电池风冷堆由于具有系统简单、能量密度高、体积可缩放等特点，多被用于无人机、单兵电源、备用电源等领域。

但现有的风冷型燃料电池堆基本都为近立方体结构，这存在以下问题：

(1)风扇位于燃料电池堆一侧，不利于某些特殊用途的安装；

(2)矩形双极板堆叠受力均匀性难管理，需要大的紧固负荷完成密封；

(3)配置的氢气存储罐比较占据空间体积，空间利用率相对不高，不利于缩减系统体积；

(4)空气流通不均匀，边角和上下侧的燃料电池空气流通速率相比中间部位的空气流通速率小很多。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的燃料电池电堆结构，以便克服现有燃料电池结构存在的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种风冷燃料电池发电装置及风冷燃料电池堆，改变现有质子交换膜燃料电池堆结构和发电系统结构，能有效解决质子交换膜燃料电池风冷堆遇到的空气流通不均问题和发电系统空间利用率不高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种风冷燃料电池发电装置，包括圆柱形风冷燃料电池堆、氢气储罐，所述氢气储罐设置于圆柱形风冷燃料电池堆的中间，该氢气储罐设有快速接头，能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定；

所述圆柱形风冷燃料电池堆包括：第一端板、第一永磁转子、第一绕线定子、正极集流板、发电单元、负极集流板、第二端板、空轴风机、第二绕线定子、第二永磁转子、轴承套件、空气网套、高强螺栓；

所述发电单元由若干个环形燃料电池堆叠组成，环形燃料电池的膜电极通过粘接剂粘接在环形石墨双极板的阳极侧，堆叠好的发电单元与正极集流板、负极集流板，以及第一端板、第二端板组装为一体；

每个膜电极均是由质子交换膜、触媒层和气体扩散层组成，膜电极均为环形结构；环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封；膜电极的阴极侧气体扩散层的内外径尺寸跟双极板的阴极流场的内外径尺寸相同，而膜电极的阳极侧气体扩散层的内外径尺寸跟膜电极阳极催化层有效面积尺寸相同，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致；

所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积；

所述发电单元的第一端分别设置第一端板、正极集流板，第一永磁转子、第一绕线定子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第一端设置；

所述发电单元的第二端依次设置负极集流板、第二端板、空气网套，空轴风机、第二绕线定子、第二永磁转子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第二端设置；

所述空轴风机为涡轮空轴风机；涡轮空轴风机的两个永磁转子安装在圆柱形发电单元的两端，涡旋空轴风机的中心线与圆柱形发电单元的中心线重合；涡轮空轴风机转动把外界气流从圆柱形发电单元侧面四周吸进来，然后再通过圆柱形发电单元的一端流出，或者，空气流从圆柱形发电单元的一端流入从圆柱形发电单元四周流出；

所述空轴风机通过第一永磁转子、第二永磁转子、第一绕线定子、第二绕线定子以及轴承套件固定设置于中空的发电单元中间，所述高强螺栓将空气网套与发电单元进行固定；

所述涡轮空轴风机为空轴结构，中间用于安装圆柱形氢气储存罐，以提供反应所需的燃料；或者，氢气储存容器设置于安装有永磁电极一端的圆柱形风冷燃料电池堆的一端，该氢气储存容器有快速接头，能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定。

一种风冷燃料电池发电装置，包括风冷燃料电池堆、氢气储存容器，所述氢气储存容器设有连接接头，所述风冷燃料电池堆设有供气接头，所述连接接头能与所述风冷燃料电池堆的供气接头连接；

所述风冷燃料电池堆包括发电单元、风机；所述发电单元为中空结构，风机设置于所述发电单元内；所述发电单元包括若干环形燃料电池堆叠而成。

作为本发明的一种实施方式，各环形燃料电池的膜电极固定于双极板的阳极侧。

作为本发明的一种实施方式，各环形燃料电池的膜电极包括质子交换膜、触媒层和气体扩散层，所述膜电极均为环形结构；

环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封，膜电极的阴极侧气体扩散层跟环形石墨双极板的内外径尺寸一致，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致；

所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积。

作为本发明的一种实施方式，所述风冷燃料电池堆还包括第一端板、第一永磁转子、第一绕线定子、正极集流板、负极集流板、第二端板、第二绕线定子、第二永磁转子、轴承套件、空气网套、固定机构；所述风机为空轴风机；

所述发电单元的第一端分别设置第一端板、正极集流板，第一永磁转子、第一绕线定子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第一端设置；

所述发电单元的第二端依次设置负极集流板、第二端板、空气网套，空轴风机、第二绕线定子、第二永磁转子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第二端设置；

所述空轴风机通过第一永磁转子、第二永磁转子、第一绕线定子、第二绕线定子以及轴承套件固定设置于中空的发电单元中间，所述固定机构将空气网套与发电单元进行固定；

所述风机为涡轮空轴风机，所述发电单元为圆柱形发电单元；

所述涡轮空轴风机的两个永磁转子安装在圆柱形发电单元的两端，涡旋空轴风机的中心线与圆柱形发电单元的中心线重合；涡轮空轴风机转动把外界气流从圆柱形发电单元侧面四周吸进来，然后再通过圆柱形发电单元的一端流出，或者，空气流从圆柱形发电单元的一端流入从圆柱形发电单元四周流出；

所述涡轮空轴风机为空轴结构，涡轮空轴风机的中间用于安装圆柱形的氢气储存容器，以提供反应所需的燃料；或者，氢气储存容器设置于安装有永磁电极一端的圆柱形风冷燃料电池堆的一端，该氢气储存容器有快速接头，能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定。

一种风冷燃料电池堆，所述风冷燃料电池堆包括：第一端板、第一永磁转子、第一绕线定子、正极集流板、发电单元、负极集流板、第二端板、空轴风机、第二绕线定子、第二永磁转子、轴承套件、空气网套、高强螺栓；风冷燃料电池堆的中间设有放置氢气储罐的空间；

所述发电单元由若干个环形燃料电池堆叠组成，环形燃料电池的膜电极通过粘接剂粘接在环形石墨双极板的阳极侧，堆叠好的发电单元与正极集流板、负极集流板，以及第一端板、第二端板组装为一体；

每个膜电极均是由质子交换膜、触媒层和气体扩散层组成，膜电极均为环形结构；环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封；膜电极的阴极侧气体扩散层的内外径尺寸跟双极板的阴极流场的内外径尺寸相同，而膜电极的阳极侧气体扩散层的内外径尺寸跟膜电极阳极催化层有效面积尺寸相同，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致；

所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积；

所述发电单元的第一端分别设置第一端板、正极集流板，第一永磁转子、第一绕线定子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第一端设置；

所述发电单元的第二端依次设置负极集流板、第二端板、空气网套，空轴风机、第二绕线定子、第二永磁转子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第二端设置；

所述空轴风机为涡轮空轴风机；涡轮空轴风机的两个永磁转子安装在圆柱形发电单元的两端，涡旋空轴风机的中心线与圆柱形发电单元的中心线重合；涡轮空轴风机转动把外界气流从圆柱形发电单元侧面四周吸进来，然后再通过圆柱形发电单元的一端流出，或者，空气流从圆柱形发电单元的一端流入从圆柱形发电单元四周流出；

所述空轴风机通过第一永磁转子、第二永磁转子、第一绕线定子、第二绕线定子以及轴承套件固定设置于中空的发电单元中间，所述高强螺栓将空气网套与发电单元进行固定；

所述涡旋空轴风机为空轴结构，中间用于安装圆柱形氢气储存罐，以提供反应所需的燃料。

一种风冷燃料电池堆，所述风冷燃料电池堆包括发电单元、风机；所述发电单元为中空结构，风机设置于所述发电单元内；所述发电单元包括若干环形燃料电池堆叠而成。

作为本发明的一种实施方式，各环形燃料电池的膜电极固定于双极板的阳极侧。

作为本发明的一种实施方式，各环形燃料电池的膜电极包括质子交换膜、触媒层和气体扩散层，所述膜电极均为环形结构；

环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封，膜电极的阴极侧气体扩散层跟环形石墨双极板的内外径尺寸一致，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致；

所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积；

作为本发明的一种实施方式，所述风冷燃料电池堆还包括第一端板、第一永磁转子、第一绕线定子、正极集流板、负极集流板、第二端板、第二绕线定子、第二永磁转子、轴承套件、空气网套、固定机构；所述风机为空轴风机；

所述发电单元的第一端分别设置第一端板、正极集流板，第一永磁转子、第一绕线定子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第一端设置；

所述发电单元的第二端依次设置负极集流板、第二端板、空气网套，空轴风机、第二绕线定子、第二永磁转子设置于中空的发电单元内、靠近发电单元的第二端设置；

所述空轴风机通过第一永磁转子、第二永磁转子、第一绕线定子、第二绕线定子以及轴承套件固定设置于中空的发电单元中间，所述固定机构将空气网套与发电单元进行固定；

所述风机为涡轮空轴风机，所述发电单元为圆柱形发电单元；

所述涡轮空轴风机的两个永磁转子安装在圆柱形发电单元的两端，涡旋空轴风机的中心线与圆柱形发电单元的中心线重合；涡轮空轴风机转动把外界气流从圆柱形发电单元侧面四周吸进来，然后再通过圆柱形发电单元的一端流出，或者，空气流从圆柱形发电单元的一端流入从圆柱形发电单元四周流出；

所述涡轮空轴风机为空轴结构，中间用于安装圆柱形氢气储存罐，以提供反应所需的燃料。

本发明的有益效果在于：本发明提出的风冷燃料电池发电装置及风冷燃料电池堆，可提高质子交换膜燃料电池风冷堆空气流通的均匀性，提高发电装置的空间利用率。

附图说明

图1为本发明风冷燃料电池一实施例的结构示意图；

图2为本发明风冷燃料电池一实施例的轴向剖视图；

图3为本发明风冷燃料电池一实施例的爆炸图。

附图标注如下：

第一端板1；永磁转子2；绕线定子3；

正极集流板4；发电单元5；负极集流板6；

第二端板7；空轴风机8；绕线定子9；

永磁转子10；轴承套件11；空气网套12；

氢气储罐13；高强螺栓14。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

本发明揭示了一种风冷燃料电池发电装置，请参阅图1至图3，在本发明的一个实施例中，风冷燃料电池发电装置包括圆柱形风冷燃料电池堆、氢气储罐13，所述氢气储罐13设置于圆柱形风冷燃料电池堆的中间，该氢气储罐设有快速接头，能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定。在本发明的另一个实施例中，氢气储罐安装在圆柱形燃料电池发电单元和空轴风机的中间。在本发明的又一个实施例中，氢气储罐安装在圆柱形燃料电池发电系统的安装有永磁电机的一端。

所述圆柱形风冷燃料电池堆包括：第一端板1、第一永磁转子2、第一绕线定子3、正极集流板4、发电单元5、负极集流板6、第二端板7、空轴风机8、第二绕线定子9、第二永磁转子10、轴承套件11、空气网套12、高强螺栓14。

所述发电单元5由若干个环形燃料电池堆叠组成，环形燃料电池的膜电极通过粘接剂粘接在环形石墨双极板的阳极侧，堆叠好的发电单元5与正极集流板4、负极集流板6，以及第一端板1、第二端板7组装为一体。

每个膜电极均是由质子交换膜、触媒层和气体扩散层组成，膜电极均为环形结构；环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封。膜电极的阴极侧气体扩散层的内外径尺寸跟双极板的阴极流场的内外径尺寸相同，而膜电极的阳极侧气体扩散层的内外径尺寸跟膜电极阳极催化层有效面积尺寸相同，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致。

所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积。

所述发电单元5的第一端分别设置第一端板1、正极集流板4，第一永磁转子2、第一绕线定子3设置于中空的发电单元5内、靠近发电单元5的第一端设置。所述发电单元5的第二端依次设置负极集流板6、第二端板7、空气网套12，空轴风机8、第二绕线定子9、第二永磁转子10设置于中空的发电单元5内、靠近发电单元5的第二端设置。

在本发明的一个实施例中，所述空轴风机8为涡轮空轴风机。涡轮空轴风机的两个永磁转子安装在圆柱形发电单元5的两端，涡旋空轴风机的中心线与圆柱形发电单元5的中心线重合；涡轮空轴风机转动把外界气流从圆柱形发电单元5侧面四周吸进来，然后再通过圆柱形发电单元5的一端流出，或者，空气流从圆柱形发电单元5的一端流入，从圆柱形发电单元5四周流出。所述空轴风机8通过第一永磁转子2、第二永磁转子10、第一绕线定子3、第二绕线定子9以及轴承套件11固定设置于中空的发电单元5中间，所述高强螺栓14将空气网套12与发电单元5进行固定。

在本发明的另一个实施例中，空轴风机可以只安装一个永磁转子电机，该永磁转子电机安装在圆柱形电堆的一端。

在本发明的一个实施例中，所述涡轮空轴风机为空轴结构，中间用于安装圆柱形氢气储存罐，以提供反应所需的燃料；或者，氢气储存容器设置于安装有永磁电极一端的圆柱形风冷燃料电池堆的一端，该氢气储存容器有快速接头，能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定。

在本发明的一个实施例中，风冷燃料电池发电装置包括风冷燃料电池堆、氢气储存容器，所述氢气储存容器设有连接接头，所述风冷燃料电池堆设有供气接头，所述连接接头能与所述风冷燃料电池堆的供气接头连接；所述风冷燃料电池堆包括发电单元5、风机；所述发电单元5为中空结构，风机设置于所述发电单元内；所述发电单元5包括若干环形燃料电池堆叠而成。

在本发明的一个实施例中，各环形燃料电池的膜电极固定于双极板的阳极侧。各环形燃料电池的膜电极包括质子交换膜、触媒层和气体扩散层，所述膜电极均为环形结构。环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封。膜电极的阴极侧气体扩散层的内外径尺寸跟双极板的阴极流场的内外径尺寸相同，而膜电极的阳极侧气体扩散层的内外径尺寸跟膜电极阳极催化层有效面积尺寸相同，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致。所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积。

本发明揭示一种风冷燃料电池堆，请参阅图1至图3，在本发明的一个实施例中，所述风冷燃料电池堆包括：第一端板1、第一永磁转子2、第一绕线定子3、正极集流板4、发电单元5、负极集流板6、第二端板7、空轴风机8、第二绕线定子9、第二永磁转子10、轴承套件11、空气网套12、高强螺栓14；风冷燃料电池堆的中间设有放置氢气储罐13的空间。

所述发电单元5由若干个环形燃料电池堆叠组成，环形燃料电池的膜电极通过粘接剂粘接在环形石墨双极板的阳极侧，堆叠好的发电单元5与正极集流板4、负极集流板6，以及第一端板1、第二端板7组装为一体。

每个膜电极均是由质子交换膜、触媒层和气体扩散层组成，膜电极均为环形结构；环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封，膜电极的阴极侧气体扩散层跟环形石墨双极板的内外径尺寸一致，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致。

所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积。

所述发电单元5的第一端分别设置第一端板1、正极集流板4，第一永磁转子2、第一绕线定子3设置于中空的发电单元5内、靠近发电单元5的第一端设置。

所述发电单元5的第二端依次设置负极集流板6、第二端板7、空气网套12，空轴风机8、第二绕线定子9、第二永磁转子10设置于中空的发电单元5内、靠近发电单元5的第二端设置。

所述空轴风机8为涡轮空轴风机；涡轮空轴风机的两个永磁转子安装在圆柱形发电单元5的两端，涡旋空轴风机的中心线与圆柱形发电单元5的中心线重合。

在本发明的一个实施例中，涡轮空轴风机转动把外界气流从圆柱形发电单元5侧面四周吸进来，然后再通过圆柱形发电单元5的一端流出；在本发明的另一个实施例中，空气流从圆柱形发电单元5的一端流入从圆柱形发电单元5四周流出。

所述空轴风机8通过第一永磁转子2、第二永磁转子10、第一绕线定子3、第二绕线定子9以及轴承套件11固定设置于中空的发电单元5中间，所述高强螺栓14将空气网套12与发电单元5进行固定；高强螺栓14中螺杆的安装位置位于环形燃料电池的内外径对称位置。所述涡旋空轴风机为空轴结构，中间用于安装圆柱形氢气储存罐，以提供反应所需的燃料。

在本发明的一个实施例中，所述风冷燃料电池堆包括发电单元5、风机；所述发电单元5为中空结构，风机设置于所述发电单元内；所述发电单元5包括若干环形燃料电池堆叠而成。

在本发明的一个实施例中，各环形燃料电池的膜电极固定于双极板的阳极侧。各环形燃料电池的膜电极包括质子交换膜、触媒层和气体扩散层，所述膜电极均为环形结构。双极板可以是复合石墨双极板、金属双极板、高纯石墨双极板。

在本发明的一个实施例中，环形膜电极的内外径通过刚性材料制作边框；膜电极通过粘结剂将膜电极的内外径刚性边框粘结在环形石墨双极板阳极侧边缘形成密封，膜电极的阴极侧气体扩散层跟环形石墨双极板的内外径尺寸一致，确保环形石墨双极板压在膜电极表面各处的压力均匀一致；所述环形石墨双极板的阴极侧呈锯齿状的结构，阴极侧外径的风冷流道的横截面积大于阴极侧内径的风冷流道的横截面积。

在本发明的一个实施例中，该圆柱形风冷燃料电池堆的发电单元5由若干个环形燃料电池堆叠组成，环形燃料电池的膜电极通过粘接剂粘接在环形双极板的阳极侧，堆叠好的燃料电池堆与正负极集流板4和6，以及上第二端板1和7组装成一个燃料电池堆。空轴风机8通过永磁转子2和永磁转子10，绕线定子3和绕线定子9，轴承套件11固定在组装好的发电单元5中间。通过高强螺栓14将空气网套12与发电单元5进行固定。最后将氢气储罐13插入到圆柱形风冷燃料电池堆的中间，该氢气储罐有快速接头能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定。

在本发明的一个实施例中，本发明圆柱形风冷燃料电池堆的发电单元由若干个环形燃料电池堆叠组成，环形燃料电池的膜电极通过粘接剂粘接在环形双极板的阳极侧，堆叠好的燃料电池堆与正负极集流板，以及上第二端板组装成一个燃料电池堆。空轴风机通过一个永磁转子和绕线定子及轴承套件固定在组装好的发电单元中间。通过高强螺栓将空气网套与发电单元进行固定。最后将氢气储罐插入到圆柱形风冷燃料电池堆的中间，该氢气储罐有快速接头能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定。

在本发明的一个实施例中，本发明圆柱形风冷燃料电池堆的发电单元由若干个环形燃料电池堆叠组成，环形燃料电池的膜电极通过粘接剂粘接在环形双极板的阳极侧，堆叠好的燃料电池堆与正负极集流板以及上第二端板组装成一个燃料电池堆。空轴风机通过一个永磁转子、绕线定子、轴承套件固定在组装好的发电单元中间。通过高强螺栓将空气网套与发电单元进行固定。氢气储罐安装在安装有永磁电极一端的圆柱形风冷燃料电池堆的一端，该氢气储罐有快速接头能与该圆柱风冷燃料电池堆的供气接头固定。

综上所述，本发明提出的风冷燃料电池发电装置及风冷燃料电池堆，可提高质子交换膜燃料电池风冷堆空气流通的均匀性，提高发电装置的空间利用率。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。