一种高温质子交换膜燃料电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高温质子交换膜燃料电池系统，包括离心压气机、高速电机和多个电堆单元，所述离心压气机与所述高速电机同轴设置；所述离心压气机通过多个管式扩压器分别与各个所述电堆单元连通；其中，所述电堆单元绕所述高速电机的中心线呈圆周阵列分布；且相邻两所述电堆单元之间、所述电堆单元与所述高速电机之间设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔。本发明专利技术能够有效提高燃料电池系统的比功率，能够应用于轻型飞机等航空领域。能够应用于轻型飞机等航空领域。能够应用于轻型飞机等航空领域。

【技术实现步骤摘要】
一种高温质子交换膜燃料电池系统


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池
，具体涉及一种高温质子交换膜燃料电池系统。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能并产生一定量余热的发电装置。作为新一代发电技术，质子交换膜燃料电池具有能源转换效率高、无机械运动部件和环境友好的特点。
[0003]质子交换膜燃料电池依据工作温度可分为低温质子交换膜燃料电池(正常工作温度为60～90℃)和高温质子交换膜燃料电池(正常工作温度120～200℃)。质子交换膜燃料电池工作过程中产生的热功率与电功率相当，这导致前者在大功率电堆设计中通常赖基于液冷的热管理系统来带走大量废热。尽管电堆本身的比功率较高，但是若计入液冷散热系统等辅助设备，系统整体的比功率将大打折扣。这也是低温质子交换膜燃料电池难以广泛应用于航空领域的原因之一。若要将质子交换膜燃料电池技术用于轻型飞机等航空领域，需要进一步提高系统的比功率。
[0004]综上所述，如何进一步提高燃料电池系统的比功率，使其能够应用于轻型飞机等航空领域，是本领域亟待解决的重要问题之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种高温质子交换膜燃料电池系统，以解决现有技术中的不足，它能够具较高的燃料电池系统的比功率，能够应用于轻型飞机等航空领域。
[0006]本专利技术提供了一种高温质子交换膜燃料电池系统，包括离心压气机、高速电机和多个电堆单元，所述离心压气机与所述高速电机同轴设置；所述离心压气机通过多个管式扩压器分别与各个所述电堆单元连通；其中，
[0007]所述电堆单元绕所述高速电机的中心线呈圆周阵列分布；且相邻两所述电堆单元之间、所述电堆单元与所述高速电机之间设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔。
[0008]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括第一散热片，所述第一散热片由多个所述电堆单元向所述第一散热腔延伸形成。
[0009]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括隔热屏，所述隔热屏为圆筒状；所述隔热屏套设于所述高速电机的外周；所述第一散热腔为环形格栅，位于所述隔热屏的外周。
[0010]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，所述隔热屏与所述高速电机之间具有第二散热腔，所述第二散热腔用于供电机冷却空气穿过；
[0011]所述第二散热腔内设有第二散热片，所述第二散热片用于给所述高速电机散热。
[0012]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括径向涡轮，所述径向涡轮与所述高速电机同轴设置；
[0013]所述径向涡轮的空气进口与所述电堆单元的阴极出口连通，以使所述电堆单元排
出的阴极废气推动所述径向涡轮转动。
[0014]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括多个旁通管，多个所述旁通管与所述电堆单元一一对应，所述旁通管的两端分别与对应的所述电堆单元的阴极进口及阴极出口连通；
[0015]所述旁通管用于在对应的所述电堆单元故障时导通。
[0016]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括氢气循环泵，所述氢气循环泵与所述高速电机同轴设置；
[0017]所述氢气循环泵的进气口与各所述电堆单元的阳极出口连通，所述氢气循环泵的出气口与各所述电堆单元的阳极进口连通。
[0018]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括燃烧室，所述燃烧室的第一进气口与所述离心压气机连通，所述燃烧室的第二进气口与所述电堆单元的阳极出口连通，所述燃烧室的排气口与所述径向涡轮的进气口连通。
[0019]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，所述燃烧室为多个，且与所述电堆单元一一对应。
[0020]如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，所述燃烧室为环管燃烧室。
[0021]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0022]本专利技术中，设置了多个电堆单元，电堆单元为高温质子交换膜燃料电池堆，其正常工作温度为120到200℃；通过将电堆单元呈圆周阵列布置，有效地增加了电堆的表面积，可实现风冷散热。能够大幅简化热管理系统，降低系统重量。
[0023]将电堆单元沿环形布置，其内设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔，当将其应用于轻型飞机等航空领域时，能够使电堆冷却空气穿过第一散热腔，利用飞机飞行时产生的气流对电堆单元进行散热。
[0024]多个电堆单元之间并行布置，形成了多个电堆单元互为备份的冗余设计，有利于提升适航安全性。
[0025]高温质子交换膜燃料电池的高工作温度提高了离心压气机与径向涡轮构成的布雷顿循环的热效率，大幅降低了系统功率消耗，也减小了高速电机的尺寸重量，有利于提高燃料电池系统的比功率。
[0026]在高温质子交换膜燃料电池的启动过程中，可利用离心压气机对空气的加温实现质子交换膜温度快速、均匀地提高，有利于缩短启动时间。
附图说明
[0027]图1是本专利技术实施例1的结构示意图；
[0028]图2是本专利技术实施例2的结构示意图。
[0029]附图标记说明：
[0030]1－离心压气机，2－高速电机，3－电堆单元，4－第一散热腔，5－第一散热片，6－隔热屏，7－第二散热腔，8－第二散热片，9－径向涡轮，10－旁通管，11－氢气循环泵，12－燃烧室，13－磁悬浮轴承。
具体实施方式
[0031]下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。
[0032]本专利技术旨在解决如何进一步提高燃料电池系统的比功率的问题，以使燃料电池系统能够应用于轻型飞机等航空领域。为此，本专利技术提出了以下实施例以解决该问题。
[0033]实施例1
[0034]请参照图1和图2，本实施例公开了一种高温质子交换膜燃料电池系统，包括离心压气机1、高速电机2和多个电堆单元3，所述离心压气机1与所述高速电机2同轴设置；所述离心压气机1通过多个管式扩压器分别与各个所述电堆单元3连通。所述离心压气机1用于将空气压缩后供给电堆单元3，高速电机2用于驱动离心压气机1转动。在实际应用时，电堆单元3的正常工作还需要氢罐等用于给电堆单元3供给氢气的部件，由于燃料电池的供氢系统为现有技术，本领域技术人员能够实现，且不是本方案改进的关键点，在此不再赘述。具体实施时，所述管式扩压器的数量与所述电堆单元3的数量相等，且一一对应，所述离心压气机1分出多条支路，每条支路通过一个管式扩压器与一个所述电堆单元3连接。
[0035]在具体实施时，所述电堆单元3为高温质子交换膜燃料电池堆。本申请中，高温质子交换膜燃料电池堆是指工作温度为120℃至200℃的燃料电池堆。相比于工作温度为60到90℃的低温质子交换膜燃料电池，高温质子交换膜对于散热的强度需求更小，使得通过风冷进行散热成为可能。因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温质子交换膜燃料电池系统，包括离心压气机(1)、高速电机(2)和多个电堆单元(3)，所述离心压气机(1)与所述高速电机(2)同轴设置；所述离心压气机(1)通过多个管式扩压器分别与各个所述电堆单元(3)连通；其特征在于：所述电堆单元(3)为高温质子交换膜燃料电池堆；所述电堆单元(3)绕所述高速电机(2)的中心线呈圆周阵列分布；且相邻两所述电堆单元(3)之间、所述电堆单元(3)与所述高速电机(2)之间设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔(4)。2.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：还包括第一散热片(5)，所述第一散热片(5)由多个所述电堆单元(3)向所述第一散热腔(4)延伸形成。3.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：还包括隔热屏(6)，所述隔热屏(6)为圆筒状；所述隔热屏(6)套设于所述高速电机(2)的外周；所述第一散热腔(4)为环形格栅，位于所述隔热屏(6)的外周。4.根据权利要求3所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：所述隔热屏(6)与所述高速电机(2)之间具有第二散热腔(7)，所述第二散热腔(7)用于供电机冷却空气穿过；所述第二散热腔(7)内设有第二散热片(8)，所述第二散热片(8)用于给所述高速电机(2)散热。5.根据权利要求1所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：还包括径向涡轮(9)，所述径向涡轮(9)与所述高速电机(...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂幸民，王书昊，金东海，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：