CN101540412A

CN101540412A - 一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法

Info

Publication number: CN101540412A
Application number: CN200710170928A
Authority: CN
Inventors: 胡里清; 王泽民; 章波
Original assignee: Shanghai Shen Li High Tech Co Ltd
Current assignee: Shanghai Shenli Technology Co Ltd
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-09-23

Abstract

本发明涉及一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，包括至少两组或两组以上燃料电池堆模块、前端板或中央集流板、集电流母板和后端板，所述的前端板或中央集流板和后端板的一侧或两侧开一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌集电流母板，并且嵌入后的集电流母板表面与前端板或中央集流板和后端板侧面平齐，所述的前端板或中央集流板同侧与各燃料电池堆模块相对应的集电流母板两两相连于凹形空间内，使前端板或中央集流板同侧的燃料电池堆模块相互串联或并联。与现有技术相比，本发明具有结构简单，节省材料、节省空间等优点。

Description

一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式或固定式发电站。

质子交换膜燃料电池一般由若干个单电池组成，将这些单电池以串联或并联的方式连接起来构成质子交换膜燃料电池堆，将质子交换膜燃料电池堆与其他运行支持系统组合起来构成整个质子交换膜燃料电池发电系统。为了将各燃料电池单堆串联或并联起来，一般是在燃料电池电堆的前后端板前隔设置一集电流母板，该集电流母板的延伸出燃料电池堆，通过导线连接集电流母板的延伸部，将各燃料电池堆串联或并联起来。

如图1是上海神力科技公司上海神力科技公司“一种集成式燃料电池堆的串联方法”(中国专利申请号为200610117252.8)的专利，是在两电池堆1a、1b的前端板21、后端板22、中央集流板23的一侧或两侧铣挖出一凹形空间，在该凹形空间内设置集电流母板31、32、33，通过螺杆8连接相应的集电流母板，将燃料电池堆1a和1b串联起来。

采用上述方法的二块集电流母板有以下二种功效：

1、将数个串联或并联的燃料电池单电池或整个燃料电池堆的电流引出来，构成导通外电路电流的正、负极；

2、集电流母板上也有各种流体道孔，可以让燃料电池各种流体自由通过，该流体孔与导流极板上的导流孔一样大小，集电流母板大小基本上与燃料电池堆中的导流极板大小相同。

但是，这种集电流母板的技术也有一定的技术缺陷：燃料电池单堆之间需要通过设置螺杆或导电线等设备将各单堆串联或并联起来，这种连接方法由于是外置式连接，需要在集电流母板上打孔或设置连接点，结构复杂，占用空间、浪费材料，而且一旦外置式连接导线的绝缘层有所磨损，非常不安全。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、节省材料的集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，包括至少两组或两组以上燃料电池堆模块、前端板或中央集流板、集电流母板和后端板，所述的前端板或中央集流板和后端板的一侧或两侧开一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌集电流母板，并且嵌入后的集电流母板表面与前端板或中央集流板和后端板侧面平齐，其特征在于，所述的前端板或中央集流板同侧与各燃料电池堆模块相对应的集电流母板两两相连于凹形空间内，使前端板或中央集流板同侧的燃料电池堆模块相互串联或并联。

所述的前端板或中央集流板同侧与燃料电池堆模块接触的一面开设一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌一整体式集电流母板，并且嵌入后的集电流母板表面与前端板或中央集流板侧面平齐，该集电流母板与燃料电池堆模块相对应处的大小形状与与其相接触的导流板的有效面积的大小和形状相同；所述的前端板或中央集流板同侧的燃料电池堆模块与前端板或中央集流板相接触的导流板一为空气导流板，与其相邻燃料电池堆模块的导流板为氢气导流板或空气导流板，使前端板或中央集流板同侧的燃料电池堆模块串联或并联。

所述的燃料电池堆模块为两组，设置于前端板同侧，前端板上该侧面开有一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌一整体式集电流母板，两组燃料电池堆模块靠近前端板一端一为正极，一为负极，使两燃料电池堆模块串联，所述的前端板上凹形空间位置周边设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

所述的燃料电池堆模块为两组，设置于前端板同侧，前端板上该侧面开有一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌一整体式集电流母板，两组燃料电池堆模块靠近前端板一端均为正极或均为负极，使两燃料电池堆模块并联，所述的前端板上凹形空间位置周边设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

所述的燃料电池堆模块为四组，分别设置于中央集流板两侧，该中央集流板同侧与之紧密相连的导流板一为空气导流板，一为氢气导流板或空气导流板，中央集流板两侧与之紧密相连的导流极板，一侧为空气导流板，另一侧为氢气导流板或空气导流板。

所述的中央集流板两侧各开有一凹形空间，在该凹形空间内各镶嵌一整体式集电流母板，使中央集流板同侧燃料电池堆模块靠近中央集流板一端一为正极，一为负极，使其串联，或同为正极或负极使其并联，所述的中央集流板上凹形空间位置周边设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

所述的集电流母板设有至少一个从上面或从左和/或右引出的电流引出耳。

所述的电流引出耳上设有至少一个连接孔。

所述的前端板或中央集流板一侧或两侧开有凹形空间，在该凹形空间内各胶粘一整体式集电流母板，该整体式集电流母板与导流板相接触处的大小形状与该导流板的有效面积的大小和形状相同，与导流板不相接触处为相同材料的导电体，使中央集流板同侧的燃料电池堆模块两两串联或并联，所述的前端板或中央集流板的材料为环氧板、工程塑料。

所述的后端板一侧按集电流母板的形状尺寸铣挖出一凹形空间，所述的集电流母板嵌设在该凹形空间并与后端板通过胶粘剂粘接固定，所述的后端板的材料为环氧板、工程塑料。

本发明集成式燃料电池堆的中央集流板一侧或两侧铣挖出一凹形空间，该铣一凹形空间内设置一整体式集电流母板，该整体式集电流母板可通过自身将中央集流板同侧的燃料电池单堆串联起来，不需要额外设置连接导线。与现有技术相比，本发明具有结构简单、制造方便、成本低，节省空间等优点。

附图说明

图1为现有集成式燃料电池堆的外置式串联的结构示意图；

图2为本发明实施例1的结构示意图；

图3为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2所示，一种叉车用两电堆集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，包括两电池堆1a、1b、后端板21、后端板22、前端板23，所述的前端板23与燃料电池堆1a、1b接触的一面铣挖出一凹形空间，该凹形空间与燃料电池堆1a、1b接触部分331大约长20cm，宽10cm，深3mm，该凹形空间与燃料电池堆1a、1b不接触部分332长5cm，宽2cm，深3mm；在该凹形空间内镶嵌一与所述凹形空间相匹配的集电流母板，恰好可以放进上述凹形空间的集电流母板33，将集电流母板(紫铜材料)33涂上环氧胶放进上述凹形空间并在高温80℃固化后再磨平，使前端板23与集电流母板33处于同一平面。

后端板21、后端板22一侧中间部分铣挖出，大约长20cm，宽10cm，深3mm的凹形空间；在该凹形空间内镶嵌长20cm，宽10cm，大约2.9mm厚，恰好可以放进上述凹形空间的集电流母板31、32，将集电流母板(紫铜材料)31、32涂上环氧胶放进上述凹形空间并在高温80℃固化后再磨平，使后端板21、后端板22与集电流母板31、32处于同一平面，且两块集电流母板31、32上分别设有一个电流引出耳311、321，电流引出耳上设有的连接孔312、322将燃料电池堆1a、1b的电流引出电堆外。

燃料电池堆1a与前端板23相接触的导流板为氢气导流板，该氢气导流板的有效面积大小约长20cm，宽10cm，与集电流母板33的331部分相接触，使燃料电池堆1a靠近前端板23一端为负极，燃料电池堆1b与前端板23相接触的导流板为空气导流板，该空气导流板的有效面积大小约长20cm，宽10cm，与集电流母板33的331部分相接触，使燃料电池堆1b靠近前端板23一端为正极，通过集电流母板33将燃料电池堆1a、1b串联，燃料电池堆1a与后端板21相接触的导流板均为空气导流板，燃料电池堆1b与后端板22相接触的导流板均为氢气导流板，集电流母板31、32通过电流引出耳311、321将燃料电池堆1a、1b的电流引出。

上述两电池堆1a、1b与前端板23相接触的导流板也可均为氢气导流板或空气导流板，使两电池堆1a、1b并联，在集电流母板33一端或两端设置电流引出耳，使电流从集电流母板31、32和33引出。

实施例2

如图3所示，一种100KW大巴用四电堆集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，燃料电池堆为四组1a、1b、1c、1d，1a、1b设置于中央集流板23右侧，1c、1d设置于中央集流板23左侧，燃料电池堆1a与中央集流板23紧密相连的导流板为空气导流板，与后端板21紧密相连的导流板为氢气导流板，使电流引出耳311为负极；燃料电池堆1b与中央集流板23紧密相连的导流板为氢气导流板，与后端板21紧密相连的导流板为空气导流板，使电流引出耳321为正极；燃料电池堆1c与中央集流板23紧密相连的导流板为空气导流板，与后端板24紧密相连的导流板为氢气导流板，使电流引出耳341为负极；燃料电池堆1d与中央集流板23紧密相连的导流板为氢气导流板，与后端板25紧密相连的导流板为空气导流板，使电流引出耳351为正极。中央集流板23两侧各开有一凹形空间，在该凹形空间内各镶嵌一整体式集电流母板33。

后端板21、22、24、25一侧按集电流母板31、32、34、35的形状尺寸铣挖出一凹形空间，所述的集电流母板31、32、34、35嵌设在该凹形空间并与后端板21、22、24、25通过胶粘剂粘接固定。

上述四组燃料电池堆模块中的1a、1b可并联、1c、1d也可并联，根据需要在整体式集电流母板33两端或一端或上端设置电流引出耳，使四组燃料电池堆模块1a、1b、1c、1d任意串联或并联。

整体式集电流母板与导流板相接触处的大小形状与该导流板的有效面积的大小和形状相同，与导流板不相接触处为相同材料的导电体，使中央集流板同侧的燃料电池堆两两串联。所述的中央集流板上凹形空间位置周边设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

所述的燃料电池堆是集成式电池堆包括二个电池堆左右或上下设置，四个电池堆前后左右或上下设置，及其他多个电池堆前后左右和/或上下设置。在集成式燃料电池堆的中央集流板上铣挖出一凹形空间，在该凹形空间内设置一整体式集电流母板，中央集流板同侧相邻的两个燃料电池单堆与所述整体式集电流母板相接触的导流板一为空气导流板一为氢气导流板。

导流板的有效面积可以为长方形或八角形，集电流母板与其相对应的部分的大小和形状与其相同，也为长方形或八角形。

上述的前端板、中央集流板和后端板的材料为环氧板、工程塑料。

Claims

1.一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，包括至少两组或两组以上燃料电池堆模块、前端板或中央集流板、集电流母板和后端板，所述的前端板或中央集流板和后端板的一侧或两侧开一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌集电流母板，并且嵌入后的集电流母板表面与前端板或中央集流板和后端板侧面平齐，其特征在于，所述的前端板或中央集流板同侧与各燃料电池堆模块相对应的集电流母板两两相连于凹形空间内，使前端板或中央集流板同侧的燃料电池堆模块相互串联或并联。

2.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的前端板或中央集流板同侧与燃料电池堆模块接触的一面开设一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌一整体式集电流母板，并且嵌入后的集电流母板表面与前端板或中央集流板侧面平齐，该集电流母板与燃料电池堆模块相对应处的大小形状与与其相接触的导流板的有效面积的大小和形状相同；所述的前端板或中央集流板同侧的燃料电池堆模块与前端板或中央集流板相接触的导流板一为空气导流板，与其相邻燃料电池堆模块的导流板为氢气导流板或空气导流板，使前端板或中央集流板同侧的燃料电池堆模块串联或并联。

3.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的燃料电池堆模块为两组，设置于前端板同侧，前端板上该侧面开有一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌一整体式集电流母板，两组燃料电池堆模块靠近前端板一端一为正极，一为负极，使两燃料电池堆模块串联，所述的前端板上凹形空间位置周边设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

4.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的燃料电池堆模块为两组，设置于前端板同侧，前端板上该侧面开有一凹形空间，在该凹形空间内镶嵌一整体式集电流母板，两组燃料电池堆模块靠近前端板一端均为正极或均为负极，使两燃料电池堆模块并联，所述的前端板上凹形空间位置周边设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

5.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的燃料电池堆模块为四组，分别设置于中央集流板两侧，该中央集流板同侧与之紧密相连的导流板一为空气导流板，一为氢气导流板或空气导流板，中央集流板两侧与之紧密相连的导流极板，一侧为空气导流板，另一侧为氢气导流板或空气导流板。

6.根据权利要求5所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的中央集流板两侧各开有一凹形空间，在该凹形空间内各镶嵌一整体式集电流母板，使中央集流板同侧燃料电池堆模块靠近中央集流板一端一为正极，一为负极，使其串联，或同为正极或负极使其并联，所述的中央集流板上凹形空间位置周边设有氢气进出孔道、空气进出孔道、冷却水进出孔道。

7.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的集电流母板设有至少一个从上面或从左和/或右引出的电流引出耳。

8.根据权利要求7所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的电流引出耳上设有至少一个连接孔。

9.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的前端板或中央集流板一侧或两侧开有凹形空间，在该凹形空间内各胶粘一整体式集电流母板，该整体式集电流母板与导流板相接触处的大小形状与该导流板的有效面积的大小和形状相同，与导流板不相接触处为相同材料的导电体，使中央集流板同侧的燃料电池堆模块两两串联或并联，所述的前端板或中央集流板的材料为环氧板、工程塑料。

10.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池堆模块间的内置式串并联方法，其特征在于，所述的后端板一侧按集电流母板的形状尺寸铣挖出一凹形空间，所述的集电流母板嵌设在该凹形空间并与后端板通过胶粘剂粘接固定，所述的后端板的材料为环氧板、工程塑料。