CN106505226A - 一种燃料电池用连接模块 - Google Patents

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CN106505226A CN201611161409.7A CN201611161409A CN106505226A CN 106505226 A CN106505226 A CN 106505226A CN 201611161409 A CN201611161409 A CN 201611161409A CN 106505226 A CN106505226 A CN 106505226A
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池用连接模块，燃料电池领域。一种燃料电池用连接模块，所述连接模块设置于电堆模块总成和辅机模块总成之间，所述连接模块靠近辅机模块总成的一侧为板体，靠近电堆模块总成的一侧为腔体，所述腔体内设有曲折流道；来自电堆模块总成的冷却剂由腔体的一端流入腔体，并由曲折流道的入口流入曲折流道；所述板体上设有冷却剂的出口开口，所述出口开口用于将流经曲折流道的冷却剂排出腔体。本发明所述连接模块使维持了燃料电池内部温度分布的均匀，避免了边缘效应；自身重量减轻且提升燃料电池电堆寿命。

Description

一种燃料电池用连接模块
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用连接模块，燃料电池领域。
背景技术
面对能源瓶颈和日益严重的雾霾，发展新能源汽车是大势所趋。为保护环境，减少城市中的大气污染，以PEMFC(质子交换膜燃料电池)为动力的装置受到越来越多的关注，当PEMFC以纯氢为燃料时，它能达到真正的的“零”排放。目前PEMFC在交通、通讯等领域均有一定的应用。燃料电池电堆模块受木桶效应(短板效应)的影响，如果存在单池性能过低，燃料电池电堆模块需要停止工作。近些年，燃料电池电堆模块设计开发、生产制造、质量控制水平大幅提升，可以保证各单节性能一致。但因各节所处位置及环境有差异，导致燃料电池模块内各节性能存在差异，最明显为边缘效应。
在查新检索中，CN101447580A中在端板的紧靠集流板的侧面分布有凹沟槽，沟槽中密封铺设有电加热丝，电加热丝与外部电源连接，以使燃料电池内部温度分布比较均匀；CN 103682403B中，在空气进口管道上安装空气加热器，在进水管道上安装冷却剂加热器，电堆上还设有电堆加热器，用于对质子交换膜燃料电池的端板、绝缘板和集流板进行预热，以使燃料电池内部温度分布比较均匀，并在零度以下的环境中快速启动；为使燃料电池内部温度分布比较均匀，多采用加入假电池、或采用改变边缘节设计来实现；CN103633346B发明了一种简化的燃料电池结构，包括一体化端板和多节单池，多节单池与两个一体化端板之间不设集流板和假电池，一体化端板由导电材料制成，导电材料制成的端板的不与多节单池接触的表面进行绝缘处理，端板与多节单池接触面上加工有氢气流道、空气流道和冷却液流道，各流道间通过密封胶线隔离，端板侧面分别加工有与电堆正负极出线的接口。只需改动端板流场结构即可调整电堆“假电池”的边缘效应功能，便于结构优化。
以上专利分别采用了电加热或并联引入冷却液的方式或修改边缘节冷却通道设计使燃料电池内部温度分布比较均匀。
发明内容
为解决现有技术的下述问题：已有技术如果采用电加热的方式，需要附加电气元件连接并进行控制；如果采用并联引入冷却液的方式，增加了假电池的节数，降低了燃料电池堆的比功率密度；如果采用改变边缘节方案进行设计，增加了计算及设计难度，且需配套多种板型，小批量时大幅提升了板型开模费用。本发明在连接模块上配有冷却液拓展通道，使连接模块整体平均温度维持在冷却液入口温度附近，用以维持燃料电池内部温度分布均匀，避免边缘效应。
一种燃料电池用连接模块，所述连接模块设置于电堆模块总成和辅机模块总成之间，
所述连接模块靠近辅机模块总成的一侧为板体，靠近电堆模块总成的一侧为腔体，所述腔体内设有曲折流道；
来自电堆模块总成的冷却剂由腔体的一端流入腔体，并由曲折流道的入口流入曲折流道；所述板体上设有冷却剂的出口开口，所述出口开口用于将流经曲折流道的冷却剂排出腔体。
燃料电池可进行模块集成化处理以解决燃料电池占用空间大，扩展性移植性差等技术问题，该模块化燃料电池系统，包括：电堆模块总成，由后端(盲端)端板、绝缘板、集流板、电池组(含多层膜电极和双极板)及前端端板按需依次组合堆叠而成；连接模块，设置于所述电堆模块总成的一侧；辅机模块总成，设置于所述连接模块相对于设置所述电堆模块总成的另一侧；电气模块总成，设置于所述电堆模块总成相对于设置所述连接模块的另一侧；外封装总成，包括电堆模块封装箱和辅机模块封装箱，所述电堆模块封装箱和所述辅机模块封装箱通过所述连接模块固联构成分别用于容纳所述电堆模块总成及所述电气模块总成和所述辅机模块总成的容纳空间；所述电堆模块总成、所述辅机模块总成和所述电气模块总成通过所述外封装总成封装形成独立的、具有预设密封等级的燃料电池系统；在距离系统线路密集的所述辅机封装箱侧部固定有系统控制单元(ECU)。
其中，所述连接模块具备介质流道转换、分配能力等诸多功能，能够为多个相关元件提供可靠的连接与固定，其中，连接模块为电堆冷却剂进入和输出设置了单独流道。图2为一种目前所用的连接模块的示意图，如图所示，目前所用连接模块为实心板体，在板体上设有贯穿板体的诸多流道，其中包括了冷却剂入口流道和冷却剂出口流道。燃料电池用冷却剂流经冷却剂入口流道进入与之相邻的电堆模块总成的冷却剂入口中；冷却剂在电堆模块总成流转后，从电堆模块总成的冷却剂出口流出，完成换热功能的冷却剂经由连接模块的冷却剂出口流道流出。
本发明提供的连接模块为一侧具有腔体的连接模块，并在腔体内设置曲折流道，使完成换热功能的冷却剂不直接流出连接模块，而是使其流经连接模块腔体内的曲折流道，在冷却剂流经曲折流道后再通过冷却剂的出口开口流出。
本发明一个优选的技术方案为：所述曲折流道由腔体内上下交错设置的隔板组构成。
上述技术方案中，所述曲折流道由上下交错设置的隔板组构成，所述隔板组以垂直于连接模块长度方向的方式设置，以相互交替的方式分别固定于连接模块板体的长边上。
本发明另一个优选的技术方案为：所述曲折流道由腔体内的树形隔板构成。
上述技术方案中，所述曲折流道由树形隔板构成，所述树形隔板包括一个主干隔板和若干枝干隔板，所述主干隔板以平行于连接模块长度方向设置，所述枝干隔板固定在主干隔板的两侧；所述枝干隔板以非垂直的方式固定在主干隔板上，且位于同侧的枝干隔板相互平行。
进一步地，所述腔体通过密封胶线与电堆模块总成的端板或绝缘板通过组装力夹紧密封。
进一步地，所述腔体与电堆模块总成的冷却剂出口相连通，所述曲折流道的入口侧以靠近电堆模块总成的冷却剂出口的方式设置；所述曲折流道的出口侧以靠近出口开口的方式设置。
在板体上设置冷却剂入口流道，所述冷却剂入口流道以靠近电堆模块总成的冷却剂入口的方式设置，用于使冷却剂经由连接模块的端部通入电堆模块总成内部。
更进一步地，所述冷却剂入口流道与电堆模块总成的冷却剂入口采用直通式直接对应。
进一步地，所述曲折流道从流道进口至流道出口流通水力直径不小于冷却剂的电堆模块总成的冷却剂出口和出口开口的水力直径的较大值。
上述技术方案中，从电堆模块总成的冷却剂出口流出的冷却剂进入腔体的一端，该端附近设有曲折流道入口，冷却剂经由曲折流道入口进入曲折流道，流经曲折流道的冷却剂从曲折流道出口流出，并通过设于曲折流道出口附近的出口开口排出腔体。排出腔体后的冷却液进入辅机模块总成。
进一步地，为了使冷却液可在腔体内停留更长的时间，所述曲折流道在腔体内尽可能的长，即所述出口开口尽量远离电堆模块总成的冷却剂出口。
进一步地，所述板体的两端设有贯穿板体的诸多流道，如还原剂入口流道、还原剂出口流道、氧化剂入口流道、氧化剂出口流道。
本发明优选所述连接模块设有还原剂入口流道、还原剂出口流道、氧化剂入口流道、氧化剂出口流道；所述还原剂入口流道、还原剂出口流道、氧化剂入口流道、氧化剂出口流道均依据电堆模块总成的还原剂入口、还原剂出口、氧化剂入口、氧化剂出口位置确定，在不设置其他功能的前提下，采用直通式直接对应。
上述“直通式直接对应”指连接模块上的流道与电堆单元总成上的入口或出口一一直接连通对应。例如：连接模块的还原剂入口流道直接连通电堆模块总成的还原剂入口，连接模块的氧化剂入口流道直接连通电堆模块总成的氧化剂入口。
更进一步地，本发明所述连接模块板体优选采用铝合金材质制得。
更进一步地，优选所述连接模块的腔体与板体为一体结构，其可通过机械加工方式或铸造方式获得。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述连接模块使较高温度的冷却剂在其内流通，可以提高电堆单元总成边缘处的温度，维持了燃料电池内部温度分布的均匀，避免了边缘效应；
2、本发明所述连接模块由于为腔体结构，自身重量减轻，理想效果可以减重1/4连接模块重量；
3、本发明所述连接模块内部流经冷却剂，冷却剂的热容较连接模块的板体材料大，增加了分配连接模块的质量热容，延缓了低温储存过程中，边缘节的温度下降速度；从而提升燃料电池电堆寿命。
附图说明
图1为已有的电堆模块总成、辅机模块总成和连接模块的装配示意图；
图2为已有的实心板体连接模块示意图；
图3为实施例1所述燃料电池用连接模块示意图；
图4为实施例2所述燃料电池用连接模块示意图；
图5为实施例1所述燃料电池用连接模块板体后视图；
图6为实施例1所述连接模块温度分布测点位置图；
图7为实施例1所述燃料电池电堆模块性能图；
图8为已有的实心板体连接模块燃料电池电堆模块性能图。
附图标记如下：
I电堆模块总成，II连接模块，III辅机模块总成；
1腔体，101曲折流道，102隔板组，103树形隔板，2板体，3冷却剂的出口开口，4冷却剂入口流道，5还原剂入口流道，6还原剂出口流道，7氧化剂入口流道，8氧化剂出口流道，9冷却剂出口流道。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
如图1所示，所述连接模块II位于电堆模块总成I和辅机模块总成III之间。图2所示为实心板体连接模块，在该实心板体连接模块的一端由上至下分别设有还原剂入口流道5、冷却剂出口流道9、氧化剂出口流道8；另一端由上至下分别设有氧化剂入口流道7、冷却剂入口流道4、还原剂出口流道6。燃料电池用冷却剂流经冷却剂入口流道4，进入与之相邻的电堆模块总成I的冷却剂入口中；冷却剂在电堆模块总成I流转后，从电堆模块总成I的冷却剂出口流出，完成换热功能的冷却剂经由连接模块的冷却剂出口流道9流出。
实施例1
如图1所示，一种燃料电池用连接模块，所述连接模块II设置于电堆模块总成I和辅机模块总成III之间，
如图3所示，所述连接模块靠近辅机模块总成的一侧为板体2，靠近电堆模块总成的一侧为腔体1，所述腔体1内设有曲折流道101；来自电堆模块总成的冷却剂由腔体1的一端流入腔体1，并由曲折流道101的入口流入曲折流道101；所述板体2上设有冷却剂的出口开口3，所述出口开口3用于将流经曲折流道101的冷却剂排出腔体1。
如图3所示，所述曲折流道101由腔体1内上下交错设置的隔板组102构成。所述隔板组以垂直于连接模块长度方向的方式设置，以相互交替的方式分别固定于连接模块板体的长边上。
所述腔体1与电堆模块总成的冷却剂出口相连通，所述曲折流道101的入口侧以靠近电堆模块总成的冷却剂出口的方式设置；所述曲折流道101的出口侧以靠近出口开口3的方式设置。所述出口开口3设于连接模块长度方向远离电堆模块总成的冷却剂出口的一端，在板体2上设置冷却剂入口流道4，所述冷却剂入口流道4用于使冷却剂经由连接模块的端部通入电堆模块总成内部；所述冷却剂入口流道4以靠近电堆模块总成的冷却剂入口的方式设置，与电堆模块总成的冷却剂入口连通。
所述还原剂入口流道5、氧化剂出口流道8、氧化剂入口流道7、还原剂出口流道6、冷却剂入口流道4依据电堆模块总成的还原剂入口、氧化剂出口、氧化剂入口、还原剂出口、冷却剂入口位置确定，采用直通式一一直接对应(如还原剂入口流道5对应还原剂入口)。如图3所示，所述还原剂入口流道5、氧化剂出口流道8位于板体2的一端；所述氧化剂入口流道7、还原剂出口流道6、冷却剂入口流道4位于板体2的另一端；所述出口开口3位于冷却剂入口流道4的同侧，并位于曲折流道101出口的附近，以便冷却剂由此排出腔体1。
以附图为例，图2为已有传统设计的燃料电池连接模块，图3为本实施例的燃料电池连接模块，图6为连接模块温度分布测点位置图，传统设计的燃料电池和本实施例设计的燃料电池温度采用相同设置，测试过程中冷却液入口温度为65℃，冷却液出口温度为73℃，测试结果如下表所示(每组数据采集三次，取三次数据平均值)：
从测试结果来看，本发明实施例燃料电池连接模块温度高于传统设计的燃料电池连接模块温度。
图7为本实施例所述燃料电池电堆模块性能图，图中巡检按照2节一检，电堆共计160节，距离燃料电池连接模块位置最近节为第80节，从图中看本实施例，无边缘效应产生，燃料电池内部温度分布均匀，将该模块放置在-20℃低温环境中运行，电堆模块无边缘效应；而传统设计的燃料电池模块在常温环境中运行，也无边缘效应产生，但在-20℃低温环境中，出现边缘效应，如图8所示。因此通过本发明的设计，有效解决了燃料电池内部温度分布不均现象。
实施例2
如图1所示，一种燃料电池用连接模块，所述连接模块II设置于电堆模块总成I和辅机模块总成III之间，
如图3所示，所述连接模块靠近辅机模块总成的一侧为板体2，靠近电堆模块总成的一侧为腔体1，所述腔体1内设有曲折流道101；来自电堆模块总成的冷却剂由腔体1的一端流入腔体1，并由曲折流道101的入口流入曲折流道101；所述板体2上设有冷却剂的出口开口3，所述出口开口3用于将流经曲折流道101的冷却剂排出腔体1。
如图4所示，所述曲折流道101由腔体1内的树形隔板103构成。所述树形隔板包括一个主干隔板和若干枝干隔板，所述主干隔板以平行于连接模块长度方向设置，所述枝干隔板固定在主干隔板的两侧；所述枝干隔板以非垂直的方式固定在主干隔板上，且位于同侧的枝干隔板相互平行。所述树形隔板103通过密封胶线与腔体1部分的壳体通过组装力夹紧密封。
如图3所示，所述腔体1与电堆模块总成的冷却剂出口相连通，所述曲折流道101的入口侧以靠近电堆模块总成的冷却剂出口的方式设置；所述曲折流道101的出口侧以靠近出口开口3的方式设置。所述出口开口3设于连接模块长度方向远离电堆模块总成的冷却剂出口的一端，在板体2上设置冷却剂入口流道4，所述冷却剂入口流道4用于使冷却剂经由连接模块的端部通入电堆模块总成内部，所述冷却剂入口流道4以靠近电堆模块总成的冷却剂入口的方式设置，与电堆模块总成的冷却剂入口连通。
还原剂入口流道5、氧化剂出口流道8、氧化剂入口流道7、还原剂出口流道6、冷却剂入口流道4依据电堆模块总成的还原剂入口、氧化剂出口、氧化剂入口、还原剂出口、冷却剂入口位置确定，采用直通式直接对应。如图3所示，所述还原剂入口流道5、氧化剂出口流道8位于板体2的一端；所述氧化剂入口流道7、还原剂出口流道6、冷却剂入口流道4位于板体2的另一端；所述出口开口3位于冷却剂入口流道4的同侧，并位于曲折流道101出口的附近，以便冷却剂由此排出腔体1。
实施例3
如图1所示，一种燃料电池用连接模块，所述连接模块II设置于电堆模块总成I和辅机模块总成III之间，
如图3所示，所述连接模块靠近辅机模块总成的一侧为板体2，靠近电堆模块总成的一侧为腔体1，所述腔体1内设有曲折流道101；来自电堆模块总成的冷却剂由腔体1的一端流入腔体1，并由曲折流道101的入口流入曲折流道101；所述板体2上设有冷却剂的出口开口3，所述出口开口3用于将流经曲折流道101的冷却剂排出腔体1。
如图3所示，所述曲折流道101由腔体1内上下交错设置的隔板组102构成。所述隔板组以垂直于连接模块长度方向的方式设置，以相互交替的方式分别固定于连接模块板体的长边上。隔板间距55mm，隔板宽度6mm，隔板长67mm，上下隔板间间距为21.5mm，隔板深(腔体深36mm)，连接模块总厚度50mm。
所述腔体1与电堆模块总成的冷却剂出口相连通，所述曲折流道101的入口侧以靠近电堆模块总成的冷却剂出口的方式设置；所述曲折流道101的出口侧以靠近出口开口3的方式设置。所述出口开口3设于连接模块长度方向远离电堆模块总成的冷却剂出口的一端，在板体2上设置冷却剂入口流道4，所述冷却剂入口流道4用于使冷却剂经由连接模块的端部通入电堆模块总成内部；所述冷却剂入口流道4以靠近电堆模块总成的冷却剂入口的方式设置，与电堆模块总成的冷却剂入口连通。
还原剂入口流道5、氧化剂出口流道8、氧化剂入口流道7、还原剂出口流道6、冷却剂入口流道4依据电堆模块总成的还原剂入口、氧化剂出口、氧化剂入口、还原剂出口、冷却剂入口位置确定，采用直通式直接对应。如图3所示，所述还原剂入口流道5、氧化剂出口流道8位于板体2的一端；所述氧化剂入口流道7、还原剂出口流道6、冷却剂入口流道4位于板体2的另一端；所述出口开口3位于冷却剂入口流道4的同侧，并位于曲折流道101出口的附近，以便冷却剂由此排出腔体1。
所述曲折流道101从流道进口至流道出口流通水力直径大于电堆模块总成的冷却剂出口和出口开口3的水力直径，本实施例中电堆模块总成的冷却剂出口和出口开口3的水力直径均为41.7mm。

Claims (9)

1.一种燃料电池用连接模块，其特征在于：所述连接模块设置于电堆模块总成和辅机模块总成之间，
所述连接模块靠近辅机模块总成的一侧为板体(2)，靠近电堆模块总成的一侧为腔体(1)，所述腔体(1)内设有曲折流道(101)；
来自电堆模块总成的冷却剂由腔体(1)的一端流入腔体(1)，并由曲折流道(101)的入口流入曲折流道(101)；所述板体(2)上设有冷却剂的出口开口(3)，所述出口开口(3)用于将流经曲折流道(101)的冷却剂排出腔体(1)。
2.根据权利要求1所述的连接模块，其特征在于：所述曲折流道(101)由腔体(1)内上下交错设置的隔板组(102)构成。
3.根据权利要求1所述的连接模块，其特征在于：所述曲折流道(101)由腔体(1)内的树形隔板(103)构成。
4.根据权利要求1所述的连接模块，其特征在于：所述腔体(1)通过密封胶线与电堆模块总成的端板或绝缘板通过组装力夹紧密封。
5.根据权利要求1所述的连接模块，其特征在于：所述腔体(1)与电堆模块总成的冷却剂出口相连通，所述曲折流道(101)的入口侧以靠近电堆模块总成的冷却剂出口的方式设置；所述曲折流道(101)的出口侧以靠近出口开口(3)的方式设置。
6.根据权利要求5所述的连接模块，其特征在于：在板体(2)上设置冷却剂入口流道(4)，所述冷却剂入口流道(4)以靠近电堆模块总成的冷却剂入口的方式设置，用于使冷却剂经由连接模块的端部通入电堆模块总成内部。
7.根据权利要求1所述的连接模块，其特征在于：所述曲折流道(101)从流道进口至流道出口流通水力直径不小于冷却剂的电堆模块总成的冷却剂出口和出口开口(3)的水力直径的较大值。
8.根据权利要求1所述的连接模块，其特征在于：所述连接模块设有还原剂入口流道(5)、还原剂出口流道(6)、氧化剂入口流道(7)、氧化剂出口流道(8)；所述还原剂入口流道(5)、还原剂出口流道(6)、氧化剂入口流道(7)、氧化剂出口流道(8)均依据电堆模块总成的还原剂入口、还原剂出口、氧化剂入口、氧化剂出口位置确定，在不设置其他功能的前提下，采用直通式直接对应。
9.根据权利要求1所述的连接模块，其特征在于：所述曲折流道(101)在腔体(1)内尽可能的长；所述出口开口尽量远离电堆模块总成的冷却剂出口。
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