CN102569851A

CN102569851A - 可快速热插拔电堆结构

Info

Publication number: CN102569851A
Application number: CN2012100014607A
Authority: CN
Inventors: 顾荣鑫; 张超; 陶少龙; 沈军; 陈凌云; 徐麟
Original assignee: Kunshan FUersai Energy Co Ltd
Current assignee: Kunshan FUersai Energy Co Ltd
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及一种可快速热插拔电堆结构，燃料流道进口快速连接公头，冷却液流道出口快速连接公头，空气流道出口快速连接公头，燃料流道出口快速连接公头，冷却液流道进口快速连接公头和空气流道进口快速连接公头分别与相对应的安装在辅助系统管路上的燃料流道进口快速连接母头，冷却液流道出口快速连接母头，空气流道出口快速连接母头，燃料流道出口快速连接母头，冷却液流道进口快速连接母头，空气流道进口快速连接母头快速装卸连接。与现有技术相比，本发明能够将燃料电池电堆从系统上快速的装配和拆卸，并且能够快速切断气水，保障气水在拆卸过程中不外漏，从而达到燃料电池与系统的热插拔结构设计，大大延长了燃料电池系统的连续不间断运行时间。

Description

可快速热插拔电堆结构

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆与辅助系统接插件端口结构。

背景技术

燃料电池是通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能的装置，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。其中的质子交换膜燃料电池因其具有效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程：反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，同时放出热量。电极反应为：

阳极（负极）：H₂ → 2H⁺ + 2e

阴极（正极）：1/2O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O

电池反应： H₂ + 1/2O₂ → H₂O

一个典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极放在两块导电的导流极板中间，两块导流板分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这样形成的一个燃料电池称为单电池，为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，需要将多个单电池通过直叠的方式串联成电池组，又叫燃料电池电堆。在燃料电池电堆中，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，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。电堆通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起。

燃料电池发电系统主要由燃料电池堆与电池堆支持运行系统组成。当燃料电池发电系统用作车、船等运载工具的动力系统时，燃料电池发电系统又叫做燃料电池发动机。

氢气的流量、温度、压力和湿度，空气的流量、温度、压力和湿度，冷却水的流量、温度和压力，燃料电池堆流体出入口温差、压差，负载的加载频率变化，系统各零部件的响应速度等工作参数对于燃料电池的正常运行和效率有着重要的影响。

燃料电池电堆与支持电堆运行的辅助系统之间需要有连接端口进行连接，一般有2个空气导流端口、2个燃料导流端口、2个冷却液导流端口、2个正负极电缆接线端口和1个CVM监控端口。

目前燃料电池堆的工程设计一般将上述9个端口直接汇集到燃料电池堆前端面板上，也有将6个导流端口和2个电缆线接线端口分别汇集到电堆前后两块端板上，例如前后每块端板分别汇集3个导流端口和1个电缆线接线端口。

目前这些连接端口，特别是6个导流端口与辅助系统相连均使用的是不锈钢卡套或者不锈钢宝塔接头，需要用螺纹紧固或者喉箍等外接辅助连接，无论是将电堆安装上系统还是从系统上拆卸均不够快速方便。

中国专利号为200610014451.6的发明专利提到一种结构简单、防止电池端板腐蚀的燃料电池堆进出口装置，其通过将导流管自下至上依次穿过绝缘板和端板的方式使反应物经导流管直接进入到双极板，不与端板及其它部件接触，减少腐蚀，简化整体结构，但并没有涉及导流管与辅助系统的连接口如何设计，无法满足电堆与辅助系统快速便捷拆装的要求。

中国专利号2006100330464.2和02136045.6的发明专利涉及到一种集成式燃料电池集流板的设计，可以是燃料电池结构紧凑、阻力及压力损失小、装配容易。但其同样没有涉及到电堆与辅助系统连接问题，不支持电堆系统的热插拔，限制了燃料电池的应用范围。

中国专利号为200610137575.3的发明专利提到一种燃料电池组的结构，能够获得充分的流体密封性和结构的稳定性，但仅涉及导流管在电堆连接结构的设计，并没有提及电堆与辅助系统的连接结构设计。

对于上述燃料电池结构设计均只涉及到燃料电池堆自身的结构设计与改良，没有对电堆与辅助系统的连接件进行进一步设计优化，不能有效的将电堆从系统中快速拆装、支持电堆与系统之间的热插拔。

发明内容

本发明是要解决现有的燃料电池无法实现电堆与系统的热插拔结构的技术问题，完成两者之间的快速装卸，提供一种可快速热插拔电堆结构，方便电堆快速装卸、更换维修，以及多模块的快速组合，该结构可以用在备用电源等燃料电池系统中，当有多台电堆与辅助系统相连工作，其中某一台运行发生故障，电气控制自动切断故障电堆负载，电堆可以在系统正常工作的状态下直接从系统中快速拆卸，而不需要暂停工况运作，如此可以大大提高燃料电池堆工作的稳定性，同时可以避免意外发生导致的系统瘫痪。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可快速热插拔电堆结构，包括固定连接在燃料电池电堆前面板上的CVM快速接插件，正负极电缆线快速接头，燃料流道进口快速连接公头，冷却液流道出口快速连接公头，空气流道出口快速连接公头，燃料流道出口快速连接公头，冷却液流道进口快速连接公头和空气流道进口快速连接公头；其中，燃料流道进口快速连接公头，冷却液流道出口快速连接公头，空气流道出口快速连接公头，燃料流道出口快速连接公头，冷却液流道进口快速连接公头和空气流道进口快速连接公头分别与相对应的安装在辅助系统管路上的燃料流道进口快速连接母头，冷却液流道出口快速连接母头，空气流道出口快速连接母头，燃料流道出口快速连接母头，冷却液流道进口快速连接母头，空气流道进口快速连接母头快速装卸连接。

各个快速连接公头与之配套的快速连接母头之间通过卡扣固定锁死，用于实现IP55防水防尘等级。

快速连接公头和快速连接母头内分别设有常闭阀门和顶针，当快速连接公头与快速连接母头连接时，顶针顶开相对应的常闭阀门从而使电堆与系统连通；当快速连接公头与快速连接母头拔开后，阀门重新关闭，用于实现电堆拆卸过程的密封。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的特点是能够将燃料电池电堆从系统上快速的装配和拆卸，并且能够快速切断气水，保障气水在拆卸过程中不外漏，从而达到燃料电池与系统的热插拔结构设计，大大延长了燃料电池系统的连续不间断运行时间。

本发明可以用在备用电源等燃料电池系统中，当有多台电堆与辅助系统相连工作，其中某一台运行发生故障，电气控制自动切断故障电堆负载，电堆可以在系统正常工作的状态下直接从系统中快速拆卸，而不需要暂停工况运作，如此可以大大提高燃料电池堆工作的稳定性，同时可以避免意外发生导致的系统瘫痪。

附图说明

图1是燃料电池电堆快速接头结构示意图。

具体实施方式

通过结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种可快速热插拔电堆结构，包括CVM快速接插件1（CVM是多片单电池电压巡检板），正负极电缆线快速接头2，燃料流道进口快速连接公头3，冷却液流道出口快速连接公头5，空气流道出口快速连接公头7，燃料流道出口快速连接公头9，冷却液流道进口快速连接公头11，空气流道进口快速连接公头13，CVM快速接插件1，正负极电缆线快速接头2，燃料流道进口快速连接公头3，冷却液流道出口快速连接公头5，空气流道出口快速连接公头7，燃料流道出口快速连接公头9，冷却液流道进口快速连接公头11，空气流道进口快速连接公头13固定连接在燃料电池电堆前面板上，其中，燃料流道进口快速连接公头3，冷却液流道出口快速连接公头5，空气流道出口快速连接公头7，燃料流道出口快速连接公头9，冷却液流道进口快速连接公头11，空气流道进口快速连接公头13与之相对应的安装在辅助系统管路上的燃料流道进口快速连接母头4，冷却液流道出口快速连接母头6，空气流道出口快速连接母头8，燃料流道出口快速连接母头10，冷却液流道进口快速连接母头12，空气流道进口快速连接母头14快速装卸连接。

各个连接端口快速连接公头均安装在燃料电池前面板上，与之配套的母头则安装在辅助系统管路上，两者通过一简单卡扣固定锁死，满足IP55防水防尘等级要求，并且气体流道和冷却液流道快速接头均带自闭功能，公母接头内均有常闭阀门与一顶针，当公母接头相连时，各自顶针顶开相对应的常闭阀门从而使电堆与系统连通，公母接头拔开后顶针不再作用，阀门重新关闭，可实现电堆从系统拆卸过程中，气水不往外泄露。

以上相对应的公母快速接头通过一简单的连接搭扣可以快速插拔，该接插件满足IP55防水防尘等级要求，并且气体流道和冷却液流道快速接头均带自闭功能，公母接头内均有常闭阀门与一顶针，当公母接头相连时，各自顶针顶开相对应的常闭阀门从而使电堆与系统连通，公母接头拔开后顶针不再作用，阀门重新关闭，可实现电堆从系统拆卸过程中，气水不往外泄露。

将辅助系统各快速连接母头固定在指定位置上，和电堆面板快速接头一一对应，电堆往前推动，电堆面板公头插入系统各相应母头，卡扣自动锁住，顶针顶开常闭阀门，完成电堆与辅助系统的连接。

当电堆发生故障需要从系统上拆卸时，通过接插件卡扣的简单反向推动可以松开电堆接插端口和系统接口的连接，将电堆从系统上直接拉出，公母头内阀门关闭，阻隔气水，完成拆卸。若有多套电堆模块与系统相连，只要断开需要拆卸电堆模块电子负载，启动备用电堆，即可在燃料电池系统不停止工作的情况下直接拔下电堆，从而完成电堆的热插拔设计理念。

本发明的以上技术方案拓展了燃料电池技术的应用范围，能够完成燃料电池系统的不间断运行过程中的在线诊断修复，对燃料电堆的发展起到进一步的推动作用。

下面进一步描述本发明快速热插拔电堆结构的具体实施例：

实施例一：

本实施例为电堆系统的快速装卸。

具体过程为：CVM快速接插件1，正负极电缆线快速接头2，燃料流道进口快速连接公头3，冷却液流道出口快速连接公头5，空气流道出口快速连接公头7，燃料流道出口快速连接公头9，冷却液流道进口快速连接公头11，空气流道进口快速连接公头13等9个快速接头均安装在燃料电池前面板上，分别对应辅助系统中控制系统的单电池巡检5芯航空插头，外接负载线母头，燃料流道进口快速连接母头4，冷却液流道出口快速连接母头6，空气流道出口快速连接母头8，燃料流道出口快速连接母头10，冷却液流道进口快速连接母头12，空气流道进口快速连接母头14。将这些接插头一一对应，固定在同一水平位置处，握住电堆后端板把手将电堆向前推动，各个快速连接公头一一对应插入辅助系统母头中，燃料电池连接端口公母头是一配套的接插件结构单元，两者通过一简单卡扣固定锁死，满足IP55防水防尘等级要求，并且气体流道和冷却液流道快速接头均带自闭功能，公母接头内均有常闭阀门与一顶针，当公母接头相连时，各自顶针顶开相对应的常闭阀门从而使电堆与系统连通，公母接头拔开后顶针不再作用，阀门重新关闭，可实现电堆从系统拆卸过程中，气水不往外泄露。当电堆发生故障需要从系统上拆卸时，通过接插件卡扣的简单反向推动可以松开电堆接插端口和系统接口的连接，将电堆从系统上直接拉出，公母头内阀门关闭，阻隔气水，完成拆卸。

实施例二：

本实施例为备用电源1+1系统用燃料电池的在线不间断运行热插拔操作。

具体过程为：备用电源由2台燃料电池与一套辅助系统构成，2台燃料电池共用1套辅助系统，1台电堆A正常运行使用，另外1台电堆B作为应急备用。当A电堆在运行过程中发生故障需要进行维修处理时，只要启动应急备用电堆B的辅助系统供给，启动燃料电池B，然后在燃料电池系统不停止工作的情况下通过实施例A方式直接取下故障电堆A，从而完成燃料电池的在线不间断运行热插拔操作。

Claims

1.一种可快速热插拔电堆结构，包括固定连接在燃料电池电堆前面板上的CVM快速接插件（1），正负极电缆线快速接头（2），燃料流道进口快速连接公头（3），冷却液流道出口快速连接公头（5），空气流道出口快速连接公头（7），燃料流道出口快速连接公头（9），冷却液流道进口快速连接公头（11）和空气流道进口快速连接公头（13），其特征在于：所述燃料流道进口快速连接公头（3），冷却液流道出口快速连接公头（5），空气流道出口快速连接公头（7），燃料流道出口快速连接公头（9），冷却液流道进口快速连接公头（11）和空气流道进口快速连接公头（13）分别与相对应的安装在辅助系统管路上的燃料流道进口快速连接母头（4），冷却液流道出口快速连接母头（6），空气流道出口快速连接母头（8），燃料流道出口快速连接母头（10），冷却液流道进口快速连接母头（12），空气流道进口快速连接母头（14）快速装卸连接。

2.根据权利要求1所述的可快速热插拔电堆结构，其特征在于：所述各个快速连接公头与之配套的快速连接母头之间通过卡扣固定锁死，用于实现IP55防水防尘等级。

3.根据权利要求1或2所述的可快速热插拔电堆结构，其特征在于：所述快速连接公头和快速连接母头内分别设有常闭阀门和顶针，当快速连接公头与快速连接母头连接时，顶针顶开相对应的常闭阀门从而使电堆与系统连通；当快速连接公头与快速连接母头拔开后，阀门重新关闭，用于实现电堆拆卸过程的密封。