CN101038974A - 一种分区燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种分区燃料电池涉及燃料电池设计技术领域。其特征是,含有两个结构相同、对扣在一起的壳体,每个壳体内侧有N个均匀分布的空腔,其底部开有电极通孔;两个壳体内的空腔对扣形成N个分区;每个分区中部放置有膜电极,其两侧分别放置碳板,在碳板的另一侧放置引出电流的电极,电极接线端通过电极通孔伸出壳体;空腔之间设置隔离带,其内分布有反应气体流道,在碳板表面有反应气体通道,在每一个壳体上分布有反应气体入口、出口;其分别通过隔离带内的反应气体流道与N个分区内碳板上的反应气体通道相通;壳体是表面绝缘的壳体。本发明的各分区可搭配成不同输出电压、电流的电源系统,可同时进行不同试验,能够降低试验成本,缩短试验周期。

Description

一种分区燃料电池
技术领域
一种分区燃料电池涉及燃料电池设计技术领域。
背景技术
实际应用中,燃料电池产品通常是需要将多个单片燃料电池单元串联起来,结构上表现为多个单片层叠装配成为一个整体,称为电堆(fuel cell stack),单片通常串联起来,共用一套燃料入口出口及冷却水入口出口。电堆的输出电流从电堆两端的单片引出。
根据数理统计及可靠性等理论可知,通常多个样本的统计量更接近真实的总体分布情况。在对某种类型或者批次燃料电池的耐久性测试中,也就是说需要对多个燃料电池样本,通常也就是多个电堆,进行试验,才可得到具有一定置信度的此类型或批次燃料电池耐久性评价结论。典型的燃料电池的可靠性、耐久性/寿命试验,具有如下特点:破坏性试验,多个样本的破坏,需要的成本很高;试验周期很长,特别是随着技术的进步,总是希望把耐久性和寿命做得更长、可靠性做得更高,同样试验条件下,这样破坏试验的周期也就越来越长。因此在短时间内完成燃料电池的可靠性、耐久性或寿命试验等工作,对于燃料电池的开发、使用、在线优化控制管理、故障诊断等工作具有重要意义。
为了评价燃料电池的耐久性,可以通过燃料电池输出电压的衰减来推断。燃料电池电压测量方面,有很多专利文献,如傅明竹、胡里清的专利CN1480741,加拿大N·A·弗里曼;S·马西;R·B·戈帕尔先生的专利CN1643390,王立明;付明竹;葛栩栩;胡里清等专利CN1841080,清华大学方成、许家群、李建秋、欧阳明高等发明的一种车用燃料电池堆单片电压监测装置等。以上发明中的燃料电池电压测量方法,基本均可以归结为对于单片电压或者电堆电压的测量。上述发明中所采用的装置,如果要用于耐久性试验,存在两方面不利影响:微小的燃料电池运行输出电压衰减叠加在幅度很大的开路输出电压上;燃料电池工作中,温度、湿度、压力、流量、流场中的瞬态现象、积水、持续工作时间等对于燃料电池的输出均有影响。这些影响往往远大于短期运行试验内的燃料电池性能衰减,使得运行试验时间大大延长,长时间的试验才能确定性能衰减的量。如果要快速获得燃料电池的性能衰减,则需要除去这部分影响。
本申请人研究的一种差分原理的快速电压衰减测试方法,将测量范围较大的输出电压变为测量范围较小的电压或电压衰减,部分或全部削减工作状态、不利影响。从而得到可以缩短试验时间的快速耐久性试验评价方法。这一方法可以基于常规的燃料电池试验台,对多个燃料电池样本进行试验,可以有两种做法:1)对多个样本逐个进行测试;2)多个试验台对多个电堆样本同时进行测量。前者测试周期拖得很长;后者需要多个燃料电池试验台,需要给每个样本配备相应的测试系统、水热管理系统、气体控制系统、负载控制系统等模块,成本很高。
经检索,国内外公开的文献中,没有即能节约成本,有能够缩短测试时间的燃料电池电压衰减测试装置。
发明内容
本发明的目的在于,克服现有技术的缺陷,提出一种分区燃料电池,这种分区燃料电池的每个分区可进行不同的试验或起不同作用,其分区可搭配成多种不同输出电压、电流不同的电源系统,可灵活运用于并满足多种电子电气设备或动力装置的需求等。尤其适用于上述差分快速电压衰减测量,可以加快燃料电池膜电极(MEA)的试验测试、特别是燃料电池耐久性试验的进程。也可用于燃料电池在线衰减电压的测量。
本发明的特征在于,含有两个结构相同、对扣在一起的壳体,所述每一个壳体内侧有N个均匀分布的空腔(203),空腔(203)底部开有电极通孔(204);所述两个壳体内的空腔对扣形成了N个分区,N为大于等于2的自然数;在所述每一个分区中部放置有一块膜电极(5),在所述膜电极(5)的两侧分别放置一块碳板(6),在所述两块碳板的另一侧分别放置引出电流的电极(3),所述电极(3)的接线端通过所述电极通孔(204)伸出壳体外;所述每一个壳体内侧的空腔之间设置有将所述N个分区在电气上隔离开的隔离带(210),所述隔离带(210)内分布有反应气体流道,在所述碳板(6)表面有反应气体通道(101),在所述每一个壳体上分布有反应气体入口和反应气体出口;所述反应气体入口和反应气体出口分别通过隔离带(210)内的反应气体流道与N个分区内碳板(6)上的反应气体通道(101)相通;所述壳体是表面绝缘的壳体。
所述每一个壳体内侧分布有4个呈中心对称的空腔,所述两个壳体内的空腔对扣形成4个分区。
所述壳体上的反应气体入口有一个,反应气体出口有一个。
在所述每一个空腔边缘设置分区密封;在所述壳体边缘设置壳体密封,在所述电极通孔边缘设置电极出口密封,在所述隔离带和碳板上的反应气体通道的连接位置设置防止反应气体泄漏的密封,在所述电极接线端伸出电极通孔的接触部位设置密封。
采用水冷却,在所述碳板内部有冷却水流道(102),在所述隔离带内有冷却水通道(206);在所述壳体上分布有冷却水入口和冷却水出口;所述冷却水入口、冷却水出口分别通过隔离带内的冷却水通道(206)与碳板内部的冷却水通道(102)相通。
所述壳体上的冷却水入口有一个,冷却水出口有两个。在所述隔离带和碳板上的冷却水通道的连接位置设置防止冷却水泄漏的密封。
试验证明,本发明的各个分区可搭配成多种不同输出电压、电流不同的电源系统,可同时进行不同的试验,能够降低试验的成本,缩短试验周期,特别适用于差分快速电压衰减测量,从而加快电池耐久性试验的进程。
附图说明
图1是分区燃料电池的内部装配关系爆炸图;
图2是碳板外形结构示意图;
图3是壳体示意图;
图4是分区燃料电池外观图;
图5是用于差分快速电压衰减测试时的电路原理图。
具体实施方式
分区燃料电池在封装上为一个整体,外部由两个壳体(阴极侧、阳极侧各一个)封装,内部的碳板、电极、膜电极(MEA)则按照一定规律(均匀分布或中心对称原则)被分割为若干部分,相互之间电气上绝缘,在电气连接上构成若干个独立的分区(或称为单体电池),各自引出独立的电极。各个分区由阴阳极侧的电极、碳板、膜电极(MEA)、分区密封组成,装在壳体内。燃料电池壳体用于给各个分区电池提供保持架,同时也提反应物质的出入口。当燃料电池需要冷却系统时,在壳体表面设置冷却水的出入口,燃料电池封装内部的各个分区单体电池共用一套冷却系统,冷却系统采用循环往复对称布置使得各个单体的工作温度保持一致。
反应气体进入燃料电池壳体后,被分配到各个分区内的碳板,并被均匀扩散到膜电极上进行电化学反应,电流由各个分区的碳板和电极引出。未反应完的气体、反应生成的水汽、废气、经燃料电池壳体汇集后送出。反应气体的流道布置在碳板表面,与膜电极接触,将反应物质均匀扩散到膜电极;冷却水的流道布置在碳板内部,可以避免腐蚀与之接触的电极。
各分区之间依靠在壳体上设置的隔离带实现电气隔离;各个分区的边缘均设置有密封条,防止因为膜电极(MEA)不连续而产生的两种反应气体之间的混合;整个燃料电池外周也设有密封。
碳板可以整体加工或者拼合而成。壳体采用绝缘材料制造或者表面处理或者涂覆绝缘材料,可以整体加工也可以是拼合或者粘接而成的,满足和冷却水绝缘(如果采用风冷则不需要)、电极绝缘、与膜电极绝缘,密封良好等条件即可。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例是以四个分区为例,四个分区成中心对称分布。实际实施过程中,也不局限于四个分区,可以是两个、三个、五个或更多,依据中心对称或均匀布置即可。并且实施例是以水冷却为冷却方式。
如图1所示的分区燃料电池的内部装配关系示意图。分区燃料电池含有相对称的两个壳体1,两个壳体对扣起来成为图4所示的一个整体。如图1,以位于上方的壳体为例,壳体1内分布有四个空腔203,空腔203内依次放置电极3,电极3的接线端可从空腔底部的电极孔伸出,电极3上放置碳板6,每一个空腔203的边缘装有分区密封条4,防止因为分区膜电极(MEA)边沿泄漏而引起阴阳极侧两种反应气体混合带来的问题;位于下方的壳体,及其内部的空腔及部件的放置方式与上方相同,不同之处是两个壳体内的电极一个为阴极,一个为阳极。两个壳体对扣在一起,形成四个分区,每一个分区的中部是膜电极5,膜电极5的两侧依次为碳板6和电极3,在两个壳体的边缘设置有密封槽,装配时装上壳体密封条7。在每一个壳体上装有冷却水入口、出口,反应气体入口、出口的管接头2。连接件8通过壳体螺栓孔207将两个壳体及其中装配的分区电池组件固定起来成为一个可以正常工作的整体。
图2为碳板的外形示意图。其上表面分布有反应气体的流道101;其内部有冷却水流道102,这些冷却水流道开口于碳板与其它分区相邻0侧的侧壁上,通过这些开口与隔离带210上的冷却水通道206相通,连同其间的密封,构成冷却水循环系统,保证四个单体电池的温度一致。
图3为壳体的示意图。壳体上分布着4个空腔203,中心对称分布,每一个空腔底部开有电极通孔204供电极伸出,211为电极通孔处的密封槽,用于设置密封。在各个空腔之间设置有隔离带210,隔离带内部有冷却水通道206。在一条隔离带的两端分别设置冷却水出、入口通道209,见A-A,在另一条隔离带上分别设置一个反应气体入口通道208和两个反应气体出口通道201,见B-B。当碳板装入这些空腔时,碳板上的反应气体流道101与隔离带上的反应气体出口通道201、入口通道208连接,冷却水流道102与隔离带上的冷却水出、入口通道209、以及冷却水通道206连接,使得冷却水能够在整个分区燃料电池内部流动。如图3和4,在隔离带的中心位置,有一个反应气体流入通道208与壳体外部装配的反应气体入口管接头322连接,反应气体从壳体背面的入口管接头322进入通道208后,分配到208两侧的方孔,再流入碳板表面的气体流道101,由这些流道将气体均匀分配到反应界面上,反应后的剩余气体及水汽由位于隔离带端部的2个通道201及对应的外部管接头323,324流出。冷却水由壳体上的冷却水入口管接头325进入壳体,经过隔离带内的冷却水入口通道209和冷却水通道206流入碳板内的冷却水流道102,在所有分区的碳板内循环流动,最后经过另一侧隔离带内的冷却水出口通道209到冷却水出口管接头321而流出壳体。碳板、壳体可采用焊接、胶结、铸造、注塑、机加工等方法制造。
各空腔的边沿设置有分区密封槽202,用于放置分区密封条4,防止分区的反应气体泄出分区。壳体边沿设置有壳体密封槽205,用于放置壳体密封条7,防止反应气体向外泄漏。两个壳体对扣起来组成了容纳四个分区的整体,四个分区分别容纳各自分区的电极3、碳板6、膜电极(MEA)5等。隔离带上的冷却水入口、出口通道与碳板上的冷却水流道的交接处、隔离带上的反应气体入口、出口通道与碳板上的反应气体流道的交接处、以及电极接线端与电极通孔的交接处也设置密封。
图4为分区燃料电池外观图。边角设置四个连接件8将电池装配起来;每侧壳体的外部均有5个管接头,分别为四个分区公用的冷却水的入口325、出口321,反应气体的公用的入口322、公用的出口(323、324)。每个单体的电流则由每个分区电极单独引出,可见共有4对电极。
本实施例采用的是水冷却方式,因此在电池内部设置冷却水通道。也可采用其它冷却方式,如风冷、外壳直接冷却、或者散热片冷却等,如外壳直接的自然冷却,就不需要设置冷却水通道,或功率较小时也不需要专门设置冷却系统。
该实施例中电极、反应气体入口、出口布置在平面上,是为了测试便于目的,也可布置于周围侧面,进一步压缩其厚度。壳体采用绝缘材料制造或经过表面处理绝缘或涂覆绝缘材料,可以整体加工也可以是拼合或者粘接而成的,只需满足与冷却水、电极和膜电极绝缘,并密封良好等条件即可。
实施例可便捷地更换膜电极,对于燃料电池的维护或试验带来很大便利。其它部件则仍可继续利用,大大降低了维护或试验费用。
分区燃料电池的用途
本发明的分区燃料电池,将一个大单片或者电堆分割为若干个小单片或者电堆,这样就可得到若干个小分区(或称为单体电池),这些小分区,既可用于同时进行多种不同试验,比如,可用于同时模拟研究多种燃料电池汽车工况对于燃料电池耐久性影响的规律,为验证燃料电池在汽车工况下的基本衰减规律等研究提供依据。也可用于同一试验中作为多个样本,比如运用于破坏性的时间、消耗代价较高的加速寿命试验;解决样本容量问题等。
各个单体电池可以在外部进行各种电气连接,可串联、并联组成电压、电流各不相同的若干种平板或超薄电池。有潜力用于并满足多种电子、电气设备对于电压、电流、外形的需求。也可取其中一个单体电池作为参考电池用于快速耐久性试验,或者用于电压、电压衰减在线精密测试等,进而用于燃料电池的在线优化管理、监控、故障诊断等目的。
在用于差分原理的快速电压衰减测试时,其中的一个分区(单体电池)用作参考,让其工作在一个衰减很慢的状态,外接恒定的负载,其它单体则作为待测电池,模拟实际的工作状态或者加速衰减的考核工作状态,然后均进入稳态,通过差分方法测量其电压差,即可获得待测单体在考核工作状态下的衰减,如图5所示,给出了电路连接的一种方式。其中,U是待测燃料电池,Ur是参考燃料电池,RL1和RL2是负载电阻,A是差分放大器。

Claims (7)

1、一种分区燃料电池,其特征在于,含有两个结构相同、对扣在一起的壳体,所述每一个壳体内侧有N个均匀分布的空腔(203),空腔(203)底部开有电极通孔(204);所述两个壳体内的空腔对扣形成了N个分区,N为大于等于2的自然数;在所述每一个分区中部放置有一块膜电极(5),在所述膜电极(5)的两侧分别放置一块碳板(6),在所述两块碳板的另一侧分别放置引出电流的电极(3),所述电极(3)的接线端通过所述电极通孔(204)伸出壳体外;所述每一个壳体内侧的空腔之间设置有将所述N个分区在电气上隔离开的隔离带(210),所述隔离带(210)内分布有反应气体流道,在所述碳板(6)表面有反应气体通道(101),在所述每一个壳体上分布有反应气体入口和反应气体出口;所述反应气体入口和反应气体出口分别通过隔离带(210)内的反应气体流道与N个分区内碳板(6)上的反应气体通道(101)相通;所述壳体是表面绝缘的壳体。
2、如权利要求1所述的分区燃料电池,其特征在于,所述每一个壳体内侧分布有4个呈中心对称的空腔,所述两个壳体内的空腔对扣形成4个分区。
3、如权利要求1所述的分区燃料电池,其特征在于,所述壳体上的反应气体入口有一个,反应气体出口有一个。
4、如权利要求1所述的分区燃料电池,其特征在于,在所述每一个空腔边缘设置分区密封;在所述壳体边缘设置壳体密封,在所述电极通孔边缘设置电极出口密封,在所述隔离带和碳板上的反应气体通道的连接位置设置防止反应气体泄漏的密封,在所述电极接线端伸出电极通孔的接触部位设置密封。
5、如权利要求1所述的分区燃料电池,其特征在于,采用水冷却,在所述碳板内部有冷却水流道(102),在所述隔离带内有冷却水通道(206);在所述壳体上分布有冷却水入口和冷却水出口;所述冷却水入口、冷却水出口分别通过隔离带内的冷却水通道(206)与碳板内部的冷却水通道(102)相通。
6、如权利要求5所述的分区燃料电池,其特征在于,所述壳体上的冷却水入口有一个,冷却水出口有两个。
7、如权利要求5所述的分区燃料电池,其特征在于,在所述隔离带和碳板上的冷却水通道的连接位置设置防止冷却水泄漏的密封。
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