【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢燃料电池，尤其是一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆。
技术介绍
1、随社会进步，使用化石能源导致环境问题受到关注，各种替代的新能源开始推广和普及。其中，氢能及质子交换膜燃料电池技术由于其环保性和能量高转化效率，有望成为理想的化石能源替代能源应用。由于燃料电池的燃料储存于外部容器，外部容器的大小决定了燃料电池的能量多少，所以能量密度远大于储能电池。而用于环保交通运输领域时，如航空电气化，能够比储能电池提供更长的续航里程。
2、目前，大功率的低温质子交换膜燃料电池为取得高性能高效率需要控制在严苛的条件下运行，且需要以大量的系统辅助设备进行水管理、热管理和气体压力控制，这导致目前此类燃料电池系统复杂，零部件众多，辅助功耗大、功率重量比低，难以应用于航空领域。
3、而使用nafion质子交换膜燃料电池，依赖水作为电解质。作为航空用途缺陷有二：1.随高度增加而空气中水汽含量减少，会导致燃料电池性能降低；2.海拔4000米以上温度为零度以下，水凝结成冰。这就需要携带大量的水对空气增湿，并进行水温控制。
4、且空压机在燃料电池系统中负责为电堆输送特定压力及流量的氧化剂，其性能和功耗直接决定了燃料电池系统整体的输出功率。现有空压机功耗为燃料电池系统辅助设备中占比最大件，约为电堆输出功率的20%。随海拔高度增加，空气中的氧含量减少，为保证燃料电池有足够的氧气运行，需要更多的空气进气量和更大的空压机功耗。
5、如申请号为202210366765.1的中国专利公开了一种带燃气涡
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种使用纯氢或液氢作为燃料、无氢气尾气排出，且增加功率比重量的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，包括电堆单元、涡轮电机、涡轮轴、压缩涡轮和膨胀涡轮组，所述涡轮电机的输出端通过超越离合器连接涡轮轴，所述涡轮轴穿过电堆单元连接压缩涡轮，所述膨胀涡轮组安装在压缩涡轮与涡轮电机之间的涡轮轴上，所述压缩涡轮与膨胀涡轮组之间设置有绝缘端板，该绝缘端板的边沿设有一圈导风槽，所述电堆单元中间设有容纳膨胀涡轮组的圆柱形通腔，且电堆单元的边沿分布有与导风槽相配合的空气进口以及氢气进口。
3、进一步地，所述电堆单元自绝缘端板向涡轮电机的方向依次设置阴极集流板、电堆主体和阳极集流板，所述电堆主体顺序并循环叠放膜电极、双极板和密封圈，所述双极板的两面分别设有阴极流场和阳极流场，面向阴极集流板的双极板一面为阴极流场，面向阳极集流板的双极板一面为阳极流场，所述阴极流场和阳极流场内设置有导电耐腐蚀涂层。
4、更进一步地，所述阴极流场为开放式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，环形流道之间是连通的，位于最外圈的环形流道与空气流通孔之间设有空气导流槽，位于最内圈的环形流道上也均布有空气导流槽。
5、更进一步地，所述阴极集流板面向电堆单元的一面上设有与阴极流场结构相同的阴极流场，阴极集流板外边沿设有正/负取电口。
6、更进一步地，所述阳极流场为双进口封闭式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，位于最外圈的环形流道通过氢气导流槽与两个氢气进口连通，两个氢气进口关于双极板的中心线呈轴对称分布。
7、更进一步地，所述阳极集流板面向电堆单元的一面上设有与阳极流场结构相同的阳极流场，阳极集流板的中心设有供涡轮轴通过的中心孔，该中心孔与阳极流场之间设有呈辐射状分布的导流片，以形成空气出口。
8、更进一步地，所述阴极集流板上预埋有温度传感器导线，所述阳极集流板上安装有温度传感器信号线，电堆单元两端的中心孔处各设有温度传感器探头，所述温度传感器探头与温度传感器导线、温度传感器信号线连接。
9、更进一步地，所述膜电极为环形高温型pbi膜质子交换膜膜电极，所述绝缘端板、阴极集流板、阳极集流板均采用铝合金材质。
10、进一步地，所述压缩涡轮外罩设有导风罩，所述导风罩、绝缘端板和电堆单元由贯穿三者边沿的铆接组件紧固成一整体，所述铆接组件穿过电堆单元的空气进口和绝缘端板的导风槽。
11、更进一步地，所述绝缘端板和铆接组件表面通过硬质阳极氧化处理形成绝缘层。
12、本专利技术的有益效果是：
13、（1）本专利技术轻量化设计，整体采用航空铝材和航空铆接，双极板使用铝合金薄板冲压，保证结构强度，同时增加功率比重量；
14、（2）使用独立辅助电机给压缩涡轮增速，确保特性情况下空气进气量和进行电堆温度控制；
15、（3）环形电堆设计布局环绕于涡轮轴外圈，空气通道沿离心涡轮气流方向直接导入电堆外圈，经电堆内部后，集中于电堆内侧并环绕于膨胀涡轮组四周，便于回收尾气能量；
16、（4）利用膨胀涡轮组回收空气尾气的压力和热量，转化为动能提供给进气压缩涡轮旋转，空气进气功耗降低50%以上；将进气口（空气+氢气）设置于航空器前进方向螺旋桨后，可进一步减少功耗，航空器飞行时涡轮进气可无需辅助动力；
17、（5）双极板两面的流场均具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，气量气压降均匀且对称；流道设计无锐角弯，压降损失小，尾气压力能量回收利用率高，避免管道输送增加压力和温度损失；
18、（6）供空气流入的阴极流场采用开放式设计，同时作为氧化剂供应和冷却流道，能避免氧化剂和散热的气量分配和简化散热器件及其控制；
19、（7）使用高温pbi质子交换膜，由于使用磷酸作为电解质，无需携带水和增湿控制，也不用考虑高空缺水堆发电性能的影响；
20、（8）简化热管理，减掉水管理，降低空压机能耗，减重减体积减辅助设备，环绕设计减少压力损失。
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1.一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：包括电堆单元（20）、涡轮电机（15）、涡轮轴（16）、压缩涡轮（12）和膨胀涡轮组（13），所述涡轮电机（15）的输出端通过超越离合器连接涡轮轴（16），所述涡轮轴（16）穿过电堆单元（20）连接压缩涡轮（12），所述膨胀涡轮组（13）安装在压缩涡轮（12）与涡轮电机（15）之间的涡轮轴（16）上，所述压缩涡轮（12）与膨胀涡轮组（13）之间设置有绝缘端板（6），该绝缘端板（6）的边沿设有一圈导风槽（61），所述电堆单元（20）中间设有容纳膨胀涡轮组（13）的圆柱形通腔，且电堆单元（20）的边沿分布有与导风槽（61）相配合的空气进口（1）以及氢气进口（3）。
2.根据权利要求1所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆单元（20）自绝缘端板（6）向涡轮电机（15）的方向依次设置阴极集流板（9）、电堆主体（21）和阳极集流板（8），所述电堆主体（21）顺序并循环叠放膜电极（11）、双极板（7）和密封圈（4），所述双极板（7）的两面分别设有阴极流场（71）和阳极流场（72），面向阴极
3.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极流场（71）为开放式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，环形流道之间是连通的，位于最外圈的环形流道与空气流通孔之间设有空气导流槽（73），位于最内圈的环形流道上也均布有空气导流槽（73）。
4.根据权利要求3所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极集流板（9）面向电堆单元（20）的一面上设有与阴极流场（71）结构相同的阴极流场，阴极集流板（9）外边沿设有正/负取电口（10）。
5.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阳极流场（72）为双进口封闭式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，位于最外圈的环形流道通过氢气导流槽（74）与两个氢气进口（3）连通，两个氢气进口（3）关于双极板（7）的中心线呈轴对称分布。
6.根据权利要求3所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阳极集流板（8）面向电堆单元（20）的一面上设有与阳极流场（72）结构相同的阳极流场，阳极集流板（8）的中心设有供涡轮轴（16）通过的中心孔，该中心孔与阳极流场之间设有呈辐射状分布的导流片（81），以形成空气出口（2）。
7.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极集流板（9）上预埋有温度传感器导线，所述阳极集流板（8）上安装有温度传感器信号线，电堆单元（20）两端的中心孔处各设有温度传感器探头（17），所述温度传感器探头（17）与温度传感器导线、温度传感器信号线连接。
8.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述膜电极（11）为环形高温型PBI膜质子交换膜膜电极，所述绝缘端板（6）、阴极集流板（9）、阳极集流板（8）均采用铝合金材质。
9.根据权利要求1所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述压缩涡轮（12）外罩设有导风罩（14），所述导风罩（14）、绝缘端板（6）和电堆单元（20）由贯穿三者边沿的铆接组件（5）紧固成一整体，所述铆接组件（5）穿过电堆单元（20）的空气进口（1）和绝缘端板（6）的导风槽（61）。
10.根据权利要求9所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述绝缘端板（6）和铆接组件（5）表面通过硬质阳极氧化处理形成绝缘层。
...【技术特征摘要】
1.一种航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：包括电堆单元（20）、涡轮电机（15）、涡轮轴（16）、压缩涡轮（12）和膨胀涡轮组（13），所述涡轮电机（15）的输出端通过超越离合器连接涡轮轴（16），所述涡轮轴（16）穿过电堆单元（20）连接压缩涡轮（12），所述膨胀涡轮组（13）安装在压缩涡轮（12）与涡轮电机（15）之间的涡轮轴（16）上，所述压缩涡轮（12）与膨胀涡轮组（13）之间设置有绝缘端板（6），该绝缘端板（6）的边沿设有一圈导风槽（61），所述电堆单元（20）中间设有容纳膨胀涡轮组（13）的圆柱形通腔，且电堆单元（20）的边沿分布有与导风槽（61）相配合的空气进口（1）以及氢气进口（3）。
2.根据权利要求1所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆单元（20）自绝缘端板（6）向涡轮电机（15）的方向依次设置阴极集流板（9）、电堆主体（21）和阳极集流板（8），所述电堆主体（21）顺序并循环叠放膜电极（11）、双极板（7）和密封圈（4），所述双极板（7）的两面分别设有阴极流场（71）和阳极流场（72），面向阴极集流板（9）的双极板（7）一面为阴极流场（71），面向阳极集流板（8）的双极板（7）一面为阳极流场（72），所述阴极流场（71）和阳极流场（72）内设置有导电耐腐蚀涂层。
3.根据权利要求2所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极流场（71）为开放式流场，其具有由内向外依次加大尺寸的同心圆内凹环形流道，环形流道之间是连通的，位于最外圈的环形流道与空气流通孔之间设有空气导流槽（73），位于最内圈的环形流道上也均布有空气导流槽（73）。
4.根据权利要求3所述的航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆，其特征在于：所述阴极集流板（9）面向电堆单元（20）的一面上设有与阴极流场（71）结构相同的阴极流场，阴极集流板（9...
【专利技术属性】
技术研发人员：康新，刘逦，潘尧尧，
申请(专利权)人：常州创氢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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