一种交叉氢气通道结构的氢燃料电池

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种交叉氢气通道结构的氢燃料电池。


背景技术：

2.氢燃料电池在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜是作为电解质存在。为了提高发电效率，需要尽可能的提高氢气和氧气的接触效率。为了增加反应效率，现在的燃料电池都会设计多条气体通道。但是氢气与氧气的在反应时产生会产生消耗，而每一条管道中的气体消耗并不能一样，会使燃料电池的不同区域产生的热量不同，对燃料电池造成记得影响。且若存在燃料电池中存在气体在通道中过早的反应完毕，而其他通道还存在大量的气体，也会降低燃料电池的反应效率。所以如何设计氢气和氧气的流道是一个重要的设计点。
3.氢燃料电池工作方式与蓄电池等常规化学电源不同，它的燃料及氧化剂储存在电池外，当电池工作时，连续向电池内送入燃料及氧化剂，产生电能。因而燃料电池是一种发电装置而非电能的储存装置。由于电池的不可逆性，产生的废热占到转化的化学能的50％甚至更多，所以电池的散热也是十分重要的一个设计点。电池排出的尾气、电池堆的辐射和循环水都可以从电池堆中带走热量。由于排气温度只能在70℃左右，因此通过排气的散热远远不能同传统内燃机在几百度的排气温度下所能达到的效果相比，实际计算表明燃料电池的排气散热只占总散热量的3％～5％左右。对于辐射散热，不管是燃料电池发动机还是内燃机，只占很小一部分，而对于燃料电池发动机而言，辐射散热大约占1％左右。因此，大约有95％的热量需要通过冷却水来带走，而对于发动机而言这个数值只有50％左右，所以燃料电池的散热的主要依靠液冷散热。为了更好的对氢燃料电池进行散热，冷却通道也是十分重要的设计点。
4.在现有的设计中，在阳极板和阴极板的设计上，有采用弓形通道设计的，但这种设计每条通道太长，还有每一次的直角弯，都会增加通道的阻力。而且无法保证每一条通道中的气体反应效率相同。也有采用菱形结构的通道设计方法，还在通道中加入突起，这种方法可以很好的平衡各个通道之间的压力，增加反应效率。但这种构建方法并不是最优的构建方法。


技术实现要素：

5.为了提高氢燃料电池的发电效率并解决氢燃料电池工作时散热的问题，本发明提出一种交叉氢气通道结构的氢燃料电池，包括空气压缩装置、气泵、氢气存储装置、压力平衡装置、电池反应堆、冷却装置、风冷、水泵、冷却水储存装置，在电池反应堆中氢气流道采用网状结构，网状结构横向延展；氧气流道采用直线结构，直线结构纵向延展，即氢气流道与氧气流道的延展方向相互垂直。
6.进一步的，所述氢气流道采用的网状结构由多个交叉单元拼接构成，每个交叉单
元由两个交叉的曲线管道形成x结构。
7.进一步的，以曲线管道两个端点构建矩形方框，曲线管道的中心点的切线的延长线与矩形方框某一边长的交点，该交点与该边长中心点的距离与该交点到曲线管道最近的距离之间的比例为1:0.618。
8.进一步的，氢燃料电池的冷却通道采用波浪形管道，且该波浪形管道从左到右横穿燃料电池，管道中的冷却液流向与氢气的流向相同。
9.进一步的，电池反应堆的阳极输出端与第二冷却装置连接，电池反应堆的阴极输出端与第一冷却装置连接。
10.进一步的，电池反应堆的阴极输出端与第一冷却装置连接，第一冷却装置其左侧表面从上到下均匀设置有多个排气孔，第一冷却装置内部由一个曲面分割为两个部分，右侧部分为填充固定的实心部分，左侧部分为空心并与排气孔连接，排气孔从上到下与右侧实心部分的距离依次增大，第一冷却装置底部设置有用于气体输出孔，该孔与氢气存储装置连接。
11.进一步的，电池反应堆的阳极输出端与第二冷却装置连接，第二冷却装置连接左侧表面从上到下均匀设置有多个排气孔，第二冷却装置内部由一个曲面分割为两个部分，右侧部分为填充固定的实心部分，左侧部分为空心并与排气孔连接，排气孔从上到下与右侧实心部分的距离依次增大，第二冷却装置底部设置有用于将冷却后形成的水导入冷却水储存装置的通道，右侧下方设置有排出空气的通道。
12.进一步的，电池反应堆的阴极和阳极均设置有压力平衡装置，压力平衡装置为气体入口结构，其为长方体结构，压力平衡装置以一条形似对数函数曲线形成曲面作为分界面，曲面右侧为空心且压力平衡装置右侧表面为从上到下设置有多个出气孔，出气孔从上到下到曲面的距离一次增加，曲面左侧采用固体填充。
13.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
14.1)、本发明中的氢气的流道依据特定的样条曲线进行设计，呈现出网状结构，此结果可以使每一条通道之间的气压保持平衡，并且使电池的反应效率达到最优；
15.2)、本发明中氧气通道采用直线的方式进行排列，并且与氢气的流动方向垂直，此设计方法是保证在每一条氧气的通道中，扩散过来的氢离子的数量是相同的，可以有效的提高氢燃料电池的工作效率，且还能使氢燃料电池在工作时散热均匀，提高使用寿命；
16.3)、本发明中氢燃料电池的散热区域，位于整个电池的中心区域，冷却通道整体是从左到右分布，与氢气的流向相同，因为氢气入口处密度高，反应更加充分，产生的热量也更多；而此时冷却液流入电池，温度较低，能起到更好的降温作用，后续冷却液温度升高，电池的产生的热量也下降，可以使电池的散热均匀，且冷却通道采用波浪线分布方法，在简短的路径下覆盖更多的面积，提高散热效率；
17.4)、本发明还在气体的入口处设置了特殊的气体入口流道，用于平衡流入燃料电池各个通道中的气压，并且在出口处也设置特殊的出口通道，对流出的其他进行冷却处理；
18.5)、本发明在电池中反应结束后，分别对阳极和阴极排出的气体进行冷却，对排出的氢气进行冷却后，输送回氢气储存装置；在阳极排除的气体中存在反应生成的水，进行冷却后将水导入冷却水的储存装置中，其它气体排除。
附图说明
19.图1为本发明的氢燃料电池设计结构图；
20.图2为本发明中氢燃料电池中氢气的流道设计；
21.图3为本发明中氢气流道的局方方法设计；
22.图4为本发明中氢燃料电池的氢气与氧气的分布方法；
23.图5为本发明中冷却通道的分布方式；
24.图6为本发明中气体的入口通道设计；
25.图7为本发明中阴极气体出口处的通道设计；
26.图8为本发明中阳极气体出口处的通道设计。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明提出一种交叉氢气通道结构的氢燃料电池，包括空气压缩装置、气泵、氢气存储装置、压力平衡装置、电池反应堆、冷却装置、风冷、水泵、冷却水储存装置，在电池反应堆中氢气流道采用网状结构，网状结构横向延展；氧气流道采用直线结构，直线结构纵向延展，即氢气流道与氧气流道的延展方向相互垂直。
29.图1中的风冷用于对冷却液进行冷却，该结构不是本发明的发明要点，因此不对此进行赘述。
30.图2为图1中电池反应堆中氢气的流道设计，整体上，每一条流道采用特定的曲线设计，图3中是设计的一部分放大图，用于表明流道设计中最明显的结构特征。其中氢气流道的设计曲线如图3中1所指向的曲线。若以此曲线的两个端点构建一个长方形，线段的中间点的切线，最后与长方形边界的交点，将此交点分别与长方形这条边的端点和这条边的中心点构成了两条线段，其比值为0.618：1。每两条相邻的氢气通道之间都存在的交会处，此结构能确保每一条流道中的气压都相等，以此特定曲线构成的氢气通道结构，既可以优化反应效率，又可以增加使电池受热均匀，增加使用寿命。
31.图4为氧气通道与氢气通道的分布图，两种通道互相垂直。在这种设计结构下，可以使每一条氧气通道中扩散过来的氢离子是均匀的，增加氧气与氢气的实际接触面积，让氢气与氧气的反应更充分。图4中网状结构是氢气管道，虚线的直线结构是氧气管道，两个管道气体流向垂直。
32.图5为氢燃料电池的冷却通道的结构示意图。燃料电池中的冷却通道从左到右横穿燃料电池，与氢气的流向相同。这是因为在入口处氢气的含量更高，与氧气的反应更加充分，产生的热量更多。而入口处冷却液温度也更低，可以吸收更多的热量，使电池的整体受热均匀，增加使用寿命。冷却通道波浪形的设计，和直通道的冷却通道相比，不仅增加了冷却通道的面积，而且波浪形的通道会使流过的冷却液产生湍流。产生湍流现象可以增加冷却液的冷却效果，进一步增强燃料电池散热结构的散热能力。
33.图6为气体入口处的通道设计，是图1中的压力平衡装置。气体从图中的下侧流入
此设备，经过图中的右侧的诸多的分流管道流入电池中。此设计中存在一条弧线，弧线的左侧为固体，右侧为流通的通道，此设计使流入的气体在往上方流动时，即使存在一部分气体已经从右侧的出口流入电池中，因为流道会越来越小，压强也可以保持稳定。采用这样的设计可以保证流入到电池的气体，每一条管道中的压强都是相同的，这可以保证在相同的氢气和氧气的含量的情况下，反应最充分。
34.图7和图8分别为阴极和阳极流出的气体的冷却装置，采用风冷，对应图1中的冷却装置。图7和图8这样的结构可以保证从上到下每一条管道的压强相同，能很好的保证每一根管道中气体都能有很好的能却效果。其中图7为与阴极相连的冷却装置，其中的气体为氢气，所以冷却后的气体导入氢气储存装置中。图8与阳极相连，气体为空气和反应生成的水。所以图8存在两个出口，其中一个出口位于下方，用于将冷却后水导入冷却水的储存装置中。另一个出口位于右侧，位置较高，可以避免水流入，用于排出空气。
35.本发明中设计的氢燃料电池结构，与其他的一些设计相比，可以确保电池中气体的压降最小，在同样的输出功率下，h2的消耗量小，燃料电池的效率高；温度最低，在同等h2用量下，电池发热量小，燃料电池效率高。反应速率最快，在同样的时间内，产生电能最多。而且实现了氢气和生成的水的复用，节约资源。
36.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。