防爆空冷燃料电池系统的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种防爆空冷燃料电池系统。


背景技术：

2.阴极开放式空冷燃料电池是一种常用于无人机、机器人和备用电源等小功率设备的电池系统，此类电池系统相较于锂电池具有能量密度高、续航时间长、充电时间短等显著优势，相较于其他类型的燃料电池则具有结构简单、功率范围大、噪声小等优点，因此具有广阔的应用前景。
3.阴极开放式空冷燃料电池的阳极由高压气瓶提供氢气，气瓶中的氢气经过减压阀和开关阀进入双极板的密封阳极流道，因此该部分气路一直处在封闭状态；阴极开放式空冷燃料电池的阴极反应气体则是由大气直接提供，空气在风扇作用下直接穿过双极板的阴极流道，在给膜电极阴极侧提供反应所需氧气的同时也能起到冷却电堆的作用，因此，阴极开放式空冷燃料电池阴极端的进气口和出气口在工作状态下均直接处在大气环境之中。
4.根据相关研究，当燃料电池阴极侧气体中so2和no
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超过一定浓度时，燃料电池的性能就会发生显著甚至不可逆的降低，然而现有阴极开放式燃料工作电池缺乏相应的保护措施，只能应用于空气质量良好的大气环境中，很难被应用于高污染环境(例如煤矿等环境恶劣的场合)中。此外，当阴极开放式燃料电池工作在存在瓦斯等易燃易爆气体的环境中时，其电堆内部或者辅助系统出现异常高温时产生的电火花有可能引发爆炸，因此此类燃料电池很难被应用于具有防爆需求的场所。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种防爆空冷燃料电池系统。
6.本发明实施例提供的防爆空冷燃料电池系统，包括：电池盒、燃料电池堆，所述燃料电池堆位于所述电池盒内，所述电池盒设有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口处均设有固定格栅；移动格栅，所述移动格栅在打开位置和关闭位置之间可移动地设置，在所述关闭位置，所述移动格栅与所述固定格栅交错嵌合以使所述进气口和所述出气口关闭，在所述打开位置，所述移动格栅与所述固定格栅相离以使所述进气口和所述出气口打开。
7.本发明实施例提供的防爆空冷燃料电池系统能够使阴极开放式空冷燃料电池在污染环境下使用，当环境出现爆炸风险时通过移动格栅和固定格栅的匹配而及时将燃料电池与外界隔离，并且即使燃料电池在电池盒内发生爆炸，封闭的电池盒也可以起到隔爆的作用。因此，本发明实施例提供的防爆空冷燃料电池系统可以适用于煤矿等高污染、恶劣环境，具有安全性高、结构简单、成本低的优点。
8.在一些实施例中，防爆空冷燃料电池系统包括过滤装置，所述过滤装置包括空滤网，所述空滤网与所述进气口相对。
9.在一些实施例中，防爆空冷燃料电池系统包括风扇，所述风扇位于所述电池盒内并设在所述燃料电池堆的靠近所述出气口的一侧。
10.在一些实施例中，所述移动格栅包括第一格栅和第二格栅，所述第一格栅和所述第二格栅均位于所述电池盒内，所述第一格栅与所述进气口相对，所述第二格栅与所述出气口相对，所述第一格栅和所述第二格栅在气体流通方向上可移动地设置。
11.在一些实施例中，防爆空冷燃料电池系统包括移动设备，所述移动设备作用于所述第一格栅和所述第二格栅用于驱动所述第一格栅和所述第二格栅在打开位置和关闭位置之间共同移动。
12.在一些实施例中，所述第一格栅侧面设有第一滑动槽，所述第二格栅侧面设有第二滑动槽，所述移动设备包括推杆和分别与所述推杆的两端相连的第一滚轮和第二滚轮，所述第一滚轮可滑动地配合在所述第一滑动槽内，所述第二滚轮可滑动地配合在第二滑动槽内，所述推杆沿第一方向可移动地设置以便带动所述第一滚轮和所述第二滚轮分别沿所述第一滑动槽和所述第二滑动槽滑动，从而驱动所述第一格栅和所述第二格栅沿相反方向共同移动，所述第一方向与所述气体流通方向相互垂直。
13.在一些实施例中，所述移动设备包括驱动装置、滑块和丝杆，所述滑块设在所述丝杆上，所述滑块与所述推杆相连，所述丝杆沿所述第一方向延伸，所述驱动设备驱动所述丝杆旋转以带动所述滑块沿所述丝杆往复移动，所述滑块移动带动所述推杆沿所述第一方向移动。
14.在一些实施例中，所述第一格栅包括第一格栅部和位于所述第一格栅部一侧的第一推板，所述第二格栅包括第二格栅部和位于所述第二格栅部一侧的第二推板，所述第一推板和所述第二推板沿所述气体流通方向相向延伸，所述第一推板的外侧设有所述第一滑动槽，所述第二推板的外侧设有所述第二滑动槽。
15.在一些实施例中，所述电池盒为圆桶型，所述固定格栅和所述移动格栅为弧型。
16.在一些实施例中，防爆空冷燃料电池系统包括缠绕层，所述缠绕层缠绕在所述电池盒外侧并向内压迫所述电池盒。
附图说明
17.图1是本发明实施例中的防爆空冷燃料电池系统的结构示意图(移动格栅位于打开位置)。
18.图2是本发明实施例中的防爆空冷燃料电池系统的结构示意图(移动格栅位于关闭位置)。
19.图3是图1的剖面图。
20.图4是图2的剖面图。
21.图5是图1的俯视图。
22.图6是图2的俯视图。
23.图7是本发明实施例的移动装置与移动格栅的配合示意图(移动格栅位于打开位置)。
24.图8是本发明实施例的移动装置与移动格栅的配合示意图(移动格栅位于关闭位置)。
25.图9是本发明实施例的移动格栅的结构示意图。
26.图10是本发明实施例的防爆空冷燃料电池系统的气体流通示意图。
27.附图标记：
28.电池盒110、盒体111、盒盖112、进气口113、出气口114、进气格栅115、出气格栅116、导轨117、燃料电池堆120、第一格栅131、第一格栅部1311、第一推板1312、第一滑动槽1313、第二格栅132、第二格栅部1321、第二推板1322、第二滑动槽1323、空滤盒141、空滤网142、风扇143、推杆151、第一滚轮152、第二滚轮153、驱动装置154、滑块155、丝杆156、联轴器157、辅助设备盒160、氢气连接口170、缠绕层180、固定隔条210、移动隔条220。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.下面根据图1-图10描述本发明实施例提供的防爆空冷燃料电池系统，防爆空冷燃料电池系统包括：电池盒110、燃料电池堆120和移动格栅。
31.燃料电池堆120位于电池盒110内，电池盒110设有进气口113和出气口114，进气口113和出气口114处均设有固定格栅。移动格栅在打开位置和关闭位置之间可移动地设置，在关闭位置，移动格栅与固定格栅交错嵌合以使进气口113和出气口关114闭，在打开位置，移动格栅与固定格栅相离以使进气口113和出气口114打开。也就是说，通过移动格栅和固定格栅之间的彼此配合，能够实现电池盒110的封闭和打开。
32.本发明实施例提供的防爆空冷燃料电池系统能够使阴极开放式空冷燃料电池在污染环境下使用，当环境出现爆炸风险时通过移动格栅和固定格栅的匹配而及时将燃料电池与外界隔离，并且即使燃料电池在电池盒内发生爆炸，封闭的电池盒也可以起到隔爆的作用。因此，本发明实施例提供的防爆空冷燃料电池系统可以适用于煤矿等高污染、恶劣环境，具有安全性高、结构简单、成本低的优点。
33.如图1-图10所示，固定格栅包括进气格栅115和出气格栅116。进气格栅115设在进气口113处，出气格栅116设在出气口114处。进气格栅115和出气格栅116均包括若干水平设置的固定隔条200，固定隔条200之间有间隔，间隔允许空气的流通。
34.移动格栅包括第一格栅131和第二格栅132，第一格栅131和第二格栅132均位于电池盒110内。第一格栅131与进气口113相对，第二格栅132与出气口114相对，第一格栅131和第二格栅132在气体流通方向上可移动地设置，以便在打开位置和关闭位置之间移动。气体流通方向如图1、3、5、10中的箭头所示。
35.第一格栅131和第二格栅132均包括若干水平设置的移动隔条220。第一格栅131的移动隔条220与进气格栅115的固定隔条210之间的间隔在气体流通方向上相对，第一格栅131的移动隔条220之间的间隔与进气格栅115的固定隔条210在气体流通方向上相对。第二格栅132的移动隔条220与出气格栅116的固定隔条210之间的间隔在气体流通方向上相对，第二格栅132的移动隔条220之间的间隔与出气格栅116的固定隔条210在气体流通方向上相对。
36.在图1-图10所示实施例中，进气格栅115、第一格栅131、燃料电池堆120、第二格栅132、出气格栅116在气体流通方向上依次设置。
37.如图2、4、6、8所示，在关闭位置，第一格栅131与进气格栅115交错嵌合使进气口113关闭，即第一格栅131的移动隔条220封堵进气格栅115的固定隔条210之间的间隔。第二格栅132与出气格栅116交错嵌合使出气口114关闭，即第二格栅132的移动隔条220封堵出气格栅116的固定隔条210之间的间隔，因此外界气体便不再能够进入电池盒110内部。
38.如图1、3、5、7所示，在打开位置，第一格栅131与进气格栅115相离，即第一格栅131与进气格栅115在气体流通方向之间具有间隔，第二格栅132与出气格栅116相离，即第二格栅132与出气格栅116在气体流通方向之间具有间隔，空气从而能够进入电池盒110内与燃料电池堆120接触反应后从出气口114流出。
39.栅格结构的优势在于在保证电池盒110的进气量的同时可以通过很短的行程快速关闭电池盒110，也就是说，通过分别设置与进气格栅115和出气格栅116相对应的第一格栅131和第二格栅132，第一格栅131和第二格栅132各自的移动距离较短，第一格栅131和第二格栅132能够快速响应移动封堵进气口113和出气口114，实现关闭电池盒110的作用。
40.此外，由于在打开位置，第一格栅131与进气格栅115之前、第二格栅132和出气格栅116之间均具有着一定的距离，因此不会对空气的流通产生很大阻力。并且，如图10所示，燃料电池堆120上游的第一格栅131与进气格栅115起到扰流的作用，可使得进入燃料电池堆120的气流更加平稳，各单电池反应更加均匀，燃料电池堆120因反应不均而产生的寿命降低现象可得到一定程度的改善。
41.在一些实施例中，如图1和图2所示，空冷燃料电池系统还包括过滤装置，过滤装置包括空滤网142，空滤网142与进气口113相对。作为示例，如图1所示，过滤装置包括空滤盒141和空滤网142，空滤网142设在空滤盒141上，空滤盒141设在电池盒110外部并与其相连，空滤网142与进气口113相对。外界空气在进入电池盒110之前要先穿过空滤网142，空滤网142使用可有效降低燃料电池阴极吸入气体的有害成分浓度。
42.空冷燃料电池系统包括风扇143，风扇143位于电池盒110内并设在燃料电池堆120的靠近出气口114的一侧。穿过燃料电池对120的空气经由风扇143从出气口114排出。
43.进一步地，空冷燃料电池系统包括移动设备，移动设备作用于第一格栅131和第二格栅132，用于驱动第一格栅131和第二格栅132在打开位置和关闭位置之间共同移动。也就是说，利用移动设备能够实现第一格栅131和第二格栅132共同向打开位置移动或向关闭位置移动。可以理解的是，第一格栅131和第二格栅132的移动方向相反。当向关闭位置移动时，第一格栅131和第二格栅132相背移动，当向打开位置移动时，第一格栅131和第二格栅132相向移动。
44.在一些实施例中，如图9所示，第一格栅131包括第一格栅部1311和位于第一格栅部131一侧的第一推板1312，第二格栅132包括第二格栅部1321和位于第二格栅部1321一侧的第二推板1322，第一推板1312和第二推板1322沿气体流通方向相向延伸。
45.具体地，在图1-图10所示的实施例中，第一格栅131包括两个第一推板1312，两个第一推板1312分别与第一格栅部1311的两侧相连，第一推板1312从与第一格栅部1311相连处沿气体流通方向向第二格栅132的方向延伸。第二格栅132包括两个第二推板1322，两个第二推板1322分别与第二格栅部1321的两侧相连，第二推板1322从与第二格栅部1321相连处沿气体流通方向向第一格栅131的方向延伸。第一推板1312和第二推板1322均竖直设置。
46.如图7和图8所示，第一推板1312的外侧设有第一滑动槽1313，第二推板1322的外
侧设有第二滑动槽1323。第一滑动槽1313和第二滑动槽1323均倾斜设置，并且第一滑动槽1313和第二滑动槽1323的倾斜方向相反。
47.移动设备包括推杆151、第一滚轮152和第二滚轮153，第一滚轮152和第二滚轮153分别与推杆151的两端相连。第一滚轮152可滑动地配合在第一滑动槽1313内，第二滚轮153可滑动地配合在第二滑动槽1323内。推杆151沿第一方向可移动地设置以便带动第一滚轮152和第二滚轮153分别沿第一滑动槽1313和第二滑动槽1323滑动，从而驱动第一格栅131和第二格栅132在打开位置和关闭位置共同移动，其中，所述第一方向与所述气体流通方向相互垂直。
48.在本实施例中，推杆151水平设置，第一方向为竖直方向。移动设备还包括驱动装置154、滑块155和丝杆156，滑块155设在丝杆156上，滑块155与推杆151相连，丝杆156位于第一格栅131和第二格栅132之间且沿第一方向延伸，驱动设备154通过联轴器157驱动丝杆156正反旋转以带动滑块155沿丝杆156上下移动移动，滑块155移动带动推杆151沿第一方向移动，进而驱动第一格栅131和第二格栅132共同移动。本实施例采用一组移动装置同时实现了第一格栅131和第二格栅132的移动，结构简单，降低成本。
49.可选地，驱动装置154为电机，驱动装置145设在丝杆156的下方。
50.如图7所示，驱动装置145驱动滑块155向下移动，第一格栅131和第二格栅132均向打开位置移动，即第一格栅131和第二格栅132相向移动。如图8所示，驱动装置145驱动滑块155向上移动，第一格栅131和第二格栅132均向关闭位置移动，即第一格栅131和第二格栅132相背移动。
51.为了提高空冷燃料电池系统的自动化程度和反应速度，空冷燃料电池系统进一步包括控制器(图中未示出)，电池盒110内安装有甲烷、氢气等易燃易爆气体的传感器以及用于测量燃料电池堆120温度的温度传感器(图中未示出)。当某一气体的浓度达到爆炸极限的50％或以上时，或当燃料电池堆120的温度超过正常工作温度时，控制器向驱动装置145发送关闭电池盒110的信号，驱动装置145运作驱动滑块16沿丝杆156向上移动，带动推杆151向上移动，第一滚轮151和第二滚轮153分别沿第一滑动槽1313和第二滑动槽1323向上滑动，驱动第一格栅131和第二格栅132从打开位置移动到关闭位置，从而封闭电池盒110。随后控制器控制依次关闭氢气进气阀、辅助电源和阳极排气阀，从而将整台设备断电，这样就能保证整个电池系统在具有潜在安全问题的情况下及时与外界隔离，可避免发生爆炸等事故。
52.当控制器向驱动装置145发送开启电池盒110的信号，驱动装置145运作驱动滑块16沿丝杆156向下移动，带动推杆151向下移动，第一滚轮151和第二滚轮153分别沿第一滑动槽1313和第二滑动槽1323向下滑动，驱动第一格栅131和第二格栅132从关闭位置移动到打开位置，从而打开电池盒110。由于移动格栅和固定格栅之间的开度很小，滑块155的行程很短，因此该机械结构的设计可使得电池盒110的开启和关闭在很短时间内完成，在紧急情况下能够实现快速响应。
53.可选地，为使受力对称，移动装置可以包括两个，分别作用于第一格栅131和第二格栅132的左右两侧，并基于指令协同工作。
54.移动设备不限于上述丝杆结构，在其他实施例中，移动设备也可以是链条、齿轮等其他传动机构。
55.在一些实施例中，如图1所示，电池盒110包括盒体111和盒盖112，盒盖111扣设在盒体111的顶部开口并与盒体111螺纹连接，可随时打开盒盖111对电池盒110内部的零部件进行检修。为了避免移动格栅在移动的过程中出现偏移的情况，电池盒110内还设有两条沿移动格栅的移动方向延伸的导轨117，盒盖112的下表面也设置有相对应的导轨，第一推板1312和第二推按1322均沿导轨117移动，受导轨117的限制，只能在一个方向上位移，可进一步保证前后推板的准确移动。
56.电池盒110底部还安装有辅助设备盒160，辅助设备盒160里面用于放置辅助锂电池、dc/dc、控制板等设备，电池盒110底部的氢气连接口7则是用于将氢气管路引入燃料电池堆120的阳极。
57.为保证燃料电池系统能够被应用于机器狗、无人机等移动设备，本发明在保证电池盒强度的同时对其进行了轻量化设计。如图1-图10所示，电池盒110为圆桶型，进气口113和出气口114均设置在盒体111的侧壁上并在径向上相对，固定格栅和移动格栅均为弧型。
58.进一步地，如图1所示，盒体111的侧壁外缠绕有缠绕层180，缠绕层180向内压迫电池盒。缠绕层180的作用在于对盒体111施加向内的预应力从而使得电池盒110始终处于压应力状态，当电池盒110内发生爆炸时，缠绕层180施加的预应力能抵消很大一部分爆炸给电池盒110带来的张力，从而提升整个壳体的抗拉强度。图1所示的实施例包括三个缠绕层180，三个缠绕层180间隔设置。
59.可选地，缠绕层180采用碳纤维、玻璃纤维等高比强度材料，给电池盒110提供足够强度的同时最大限度地降低整体结构质量，此外电池盒110优选采用轻质合金。
60.综上所述，本发明实施例所提供的燃料电池系统防爆空冷燃料电池系统一方面能够使得阴极开放式空冷燃料电池在污染环境下使用，另一方面是对外部环境具有快速的响应能力，当环境出现爆炸风险时可及时将燃料电池与外界隔离，即使发生爆炸也可以起到隔爆作用。此外预应力结构的使用使得本发明在实现防爆功能的同时降低了系统的整体重量，使得该燃料电池系统能够运用于无人机等移动设备。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
63.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
64.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以
是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
65.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
66.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。