CN112864410A - 一种燃料电池及燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阴极封闭式燃料电池技术领域，提供一种燃料电池及燃料电池发电系统，所述燃料电池包括布气板和阴极封闭式电堆，所述布气板的第一端面与所述阴极封闭式电堆的第一端板面接触，所述第一端板上设有阴极进气口和阴极出气口，所述第一端面上设有阴极进气槽和阴极出气槽，所述阴极进气口、所述阴极出气口分别与所述阴极进气槽、所述阴极出气槽连通。本发明的燃料电池通过在布气板上设置阴极进气槽和阴极出气槽，减少了阴极布气管路的使用，从而减少了发电系统中管路的长度、简化了管线结构、降低了气压损失；避免在系统中多堆气路连接时，为达到电堆间绝缘而必须采用的气管异相封接等复杂工艺带来的风险，有利于发电系统集成。

Description

一种燃料电池及燃料电池发电系统

技术领域

本发明涉及阴极封闭式燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池及燃料电池发电系统。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，主要由阳极、阴极、电解质和外部电路四部分组成。

燃料电池单体电池的功率有限，为了提高燃料电池的功率，通常将若干个单体电池组装成电堆，再将多个电堆组装成集成发电系统，电堆在集成过程中需要利用布气板对电堆进行供气，阴极封闭式电堆一端的端板上设有用于氢气和氧气进出的阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口和阴极出气口，布气板内设有分别与阴极封闭式电堆的阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口和阴极出气口连通的阳极进气管、阳极出气管、阴极进气管和阴极出气管。

燃料电池要想获得更高的功率密度和更好的性能，就必须在较高的压力下工作，由于需要参与电化学反应和冷却的空气量相对较大，利用布气管路配气时,阴极布气管道管径较大、管线较长、压损较大、线路复杂，尺寸较大、线路复杂的管线，在系统多堆集成过程中，不利于电堆之间的电路绝缘，系统内易形成电短路，不利于阴极封闭式电堆的集成。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池及燃料电池发电系统，以解决现有技术中的布气管路配气时，阴极布气管道管径较大、管线较长、压损较大、线路复杂，尺寸较大、线路复杂的管线，在系统多堆集成过程中，不利于电堆之间的电路绝缘，系统内易形成电短路，不利于阴极封闭式电堆的集成的问题。

为达到上述目的，本发明一方面提供一种燃料电池，包括布气板和阴极封闭式电堆，所述布气板的第一端面与所述阴极封闭式电堆的第一端板面接触，

所述第一端板上设有阴极进气口和阴极出气口，

所述第一端面上设有阴极进气槽和阴极出气槽，

所述阴极进气口、所述阴极出气口分别与所述阴极进气槽、所述阴极出气槽连通。

优选地，所述阴极进气口在所述第一端面上的投影位于所述阴极进气槽内；和/或，所述阴极出气口在所述第一端面上的投影位于所述阴极出气槽内。

优选地，所述阴极进气槽和所述阴极出气槽的一端贯穿所述布气板的侧面。

优选地，所述阴极进气槽和所述阴极出气槽分别设置在所述第一端面的两侧。

优选地，所述第一端板上设有阳极进气口和阳极出气口，所述燃料电池包括阳极进气管和阳极出气管，所述阳极进气管和所述阳极出气管的第一端贯穿所述第一端面且外周与所布气板密封连接，第二端延伸至所述布气板外，所述阳极进气管和所述阳极出气管的第一端分别与所述阳极进气口和所述阳极出气口连通。

优选地，所述布气板上设有两个管道凹槽，所述阳极进气管和所述阳极出气管分别设置在所述管道凹槽内。

优选地，所述管道凹槽与所述阳极进气管和所述阳极出气管之间的间隙填充有密封材料，以避免从所述管道凹槽泄漏的气体外溢。

优选地，所述燃料电池包括与所述第一端面面接触的盖板，所述盖板设置在所述布气板和所述阴极封闭式电堆之间，所述阳极进气管的第一端和所述阳极出气管的第一端分别密封地贯穿所述盖板。

优选地，所述阳极进气管的第一端和所述阳极出气管的第一端凸出于所述盖板的外表面且分别与所述阳极进气口和所述阳极出气口过盈配合。

优选地，所述阳极进气管和所述阳极出气管分别包括垂直管，所述垂直管的分别与所述阳极进气管和所述阳极出气管的第二端连通，所述垂直管的轴线垂直所述第一端面设置。

优选地，所述阳极进气管和所述阳极出气管的材质与所述布气板的材质相同。

优选地，所述阳极进气管和所述阳极出气管的外周设有绝缘涂层。

优选地，所述布气板上设有减重槽。

此外，本发明还提供一种燃料电池发电系统，所述燃料电池发电系统包括本发明任意一项所述的燃料电池，多个所述阳极进气管和所述阳极出气管分别通过管道连通。

相对于现有技术，本发明的燃料电池通过在布气板上设置阴极进气槽和阴极出气槽，并使阴极进气槽和阴极出气槽分别与阴极封闭式电堆的阴极进气口和阴极出气口连通，使气体通过阴极进气槽和阴极出气槽直接与阴极进气口和阴极出气口连通，减少了阴极布气管路的使用，从而减少了发电系统中管路的长度、简化了管线结构、降低了气压损失，避免在系统中多堆气路连接时，为达到电堆间绝缘而必须采用的气管异相封接等复杂工艺带来的风险，有利于发电系统集成。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明的一种实施方式的燃料电池的装配示意图；

图2为本发明的一种实施方式的燃料电池的爆炸视图；

图3为本发明的一种实施方式的布气板的结构示意图；

图4为本发明的一种实施方式的布气板的爆炸视图；

图5为本发明的一种实施方式的布气板的俯视图；

图6为本发明的一种实施方式的布气板的仰视图；

图7为本发明的一种实施方式的盖板的结构示意图；

图8为本发明的一种实施方式的阴极封闭式电堆的结构示意图；

图9为本发明的一种实施方式的阴极封闭式电堆的仰视图；

图10为本发明的一种实施方式的多堆发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

1布气板 2阳极进气管

3阳极出气管 4盖板

5垂直管 6阴极封闭式电堆

11阴极进气槽 12阴极出气槽

13管道凹槽 14第一端面

15减重槽 61阴极进气口

62阴极出气口 63阳极进气口

64阳极出气口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指参考附图1所示的上、下。下面将参考附图1至图10并结合实施方式来详细说明本发明。

根据本发明的一个方面，提供一种燃料电池，如图1和图2所示，包括布气板1和阴极封闭式电堆6，所述布气板1的第一端面14与所述阴极封闭式电堆6的第一端板面接触，

如图9所示，所述第一端板上设有阴极进气口61和阴极出气口62，

如图5所示，所述第一端面14上设有阴极进气槽11和阴极出气槽12，

所述阴极进气口61、所述阴极出气口62分别与所述阴极进气槽11、所述阴极出气槽12连通。

本发明的燃料电池通过在布气板1上设置阴极进气槽11和阴极出气槽12，并使阴极进气槽11和阴极出气槽12分别与阴极封闭式电堆6的阴极进气口61和阴极出气口62连通，使气体通过阴极进气槽11和阴极出气槽12直接与阴极进气口61和阴极出气口62连通，减少了阴极布气管路的使用，从而减少了发电系统中管路的长度、简化了管线结构、降低了气压损失，避免在系统中多堆气路连接时，为达到电堆间绝缘而必须采用的气体管线异相封接等复杂工艺带来的风险，有利于发电系统集成。此外，本发明的布气板1不同时与阴极封闭式电堆6的正极和负极连接，避免阴极封闭式电堆6短路，相对于现有技术中利用陶瓷绝缘接头避免短路，降低了生产成本。当阴极进气口61的气压高于阴极出气口62的气压时，便可以对阴极封闭式电堆6供气。

为了提高供气效率，所述阴极进气口61在所述第一端面14上的投影位于所述阴极进气槽11内；和/或，所述阴极出气口62在所述第一端面14上的投影位于所述阴极出气槽12内。这样的设置使得阴极进气槽11的横截面积大于阴极进气口61的横截面积和/或阴极出气槽12的横截面积大于阴极出气口62的横截面积，一方面，增加了流道面积，有利于降低气压压力，另一方面，降低了阴极气体在输送过程中的阻力，从而提高阴极气体的供气效率。

为了便于向燃料电池的阴极供气，如图5所示，所述阴极进气槽11和所述阴极出气槽12的一端贯穿所述布气板1的侧面。这样的设置使得所述阴极进气槽11和所述阴极出气槽12的将布气板1的第一端面14和侧面连通，便于阴极气体从布气板1的侧面进出，从而便于燃料电池的集中供气，有利于燃料电池的集成。

进一步的，所述阴极进气槽11和所述阴极出气槽12分别设置在所述第一端面14的两侧。所述阴极进气槽11和所述阴极出气槽12相对设置，以保持所述阴极进气槽11和所述阴极出气槽12之间存在一定间距，这样的设置便于将阴极进气槽11设置在高压环境中，同时，不影响阴极出气槽12出气。

为了避免燃料电池向阳极供气过程中漏气，如图9所示，所述第一端板上设有阳极进气口63和阳极出气口64，所述燃料电池包括阳极进气管2和阳极出气管3，所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的第一端贯穿所述第一端面14且外周与所布气板1密封连接，避免阳极气体从阳极进气管2或阳极出气管3与布气板1之间泄露，第二端延伸至所述布气板1外，所述阳极进气管2的第一端和所述阳极出气管3的第一端分别与所述阳极进气口63和所述阳极出气口64连通。这样的设置阳极进气管2和阳极出气管3，使得阳极气体由阳极进气管2进入阳极进气口63，并由阳极出气口64进入阳极出气管3，避免阳极气体在布气板1内部泄露；通过所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的第一端贯穿所述第一端面14且外周与所布气板1密封连接，避免阳极气体从阳极进气管2或阳极出气管3与布气板1之间泄露；第二端延伸至所述布气板1外，便于管道与阳极进气管2和阳极出气管3连接，从而降低管道的复杂程度，以降低压力损耗。

上述中，为了便于所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的安装，如图5所示，所述布气板1上设有两个管道凹槽13，所述阳极进气管2和所述阳极出气管3分别设置在所述管道凹槽13内。此外，将所述阳极进气管2和所述阳极出气管3设置在布气板1的板体内，有利于布气板1为所述阳极进气管2和所述阳极出气管3提供支撑，避免所述阳极进气管2和所述阳极出气管3损坏。

为了避免气体外溢，所述管道凹槽13与所述阳极进气管2和所述阳极出气管3之间的间隙填充有密封材料，以避免从所述管道凹槽13泄漏的气体外溢。上述中，所述密封材料包括石棉布或耐高温胶，所述耐高温胶的导热系数小于0.06W/(m·K)。

进一步的，如图3和图4所示，所述布气板1包括与所述第一端面14面接触的盖板4，所述盖板4设置在所述布气板1和所述阴极封闭式电堆6之间，所述第一端面14通过所述盖板4与所述阴极封闭式电堆6面接触，所述阳极进气管2的第一端和所述阳极出气管3的第一端分别密封地贯穿所述盖板4。所述阳极进气管2的第一端和所述阳极出气管3的第一端贯穿所述盖板4，所述阳极进气管2的第一端和所述阳极出气管3的第一端的外周与所述盖板4密封连接，以避免气体从盖板4与所述阳极进气管2和所述阳极出气管3之间溢出。所述盖板4的两个端面分别与所述布气板1和所述阴极封闭式电堆6密封连接，以避免气体从盖板4与阴极封闭式电堆6之间溢出。优选地，所述盖板4与所述布气板1通过焊接连接，进一步的，所述盖板4与所述布气板1通过氩弧焊焊接连接，这样的设置使得盖板4与布气板1之间密封连接，成品率高，成本低。

上述中，如图3所示，所述盖板4不与所述阴极进气口61和所述阴极出气口62接触，从而避免盖板4影响阴极气体的流动。

为了避免阳极气体溢出，所述阳极进气管2的第一端和所述阳极出气管3的第一端凸出于所述盖板4的外表面且分别与所述阳极进气口63和所述阳极出气口64过盈配合。这样的设置一方面避免阳极气体从盖板4与阴极封闭式电堆6之间溢出，另一方面，避免阳极气体从阳极进气管2与阳极进气口63之间或阳极出气管3与阳极出气口64之间溢出。

为了便于向阳极进气管2供气和便于阳极出气管3排气，如图2所示，所述阳极进气管2和所述阳极出气管3分别包括垂直管5，所述垂直管5的分别与所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的第二端连通，所述垂直管5的轴线垂直所述第一端面14设置。这样的设置便于燃料电池在集成的过程中多个所述阳极进气管2或多个所述阳极出气管3连接。

由于阴极封闭式电堆6的温度较高，为了减小所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的热应力，所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的材质与所述布气板1的材质相同，这样的设置使得所述阳极进气管2和所述阳极出气管3与布气板1的膨胀系数相同，避免较大热应力，从而避免阳极进气管2和阳极出气管3损坏。

为了避免燃料电池短路，所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的外周设有绝缘涂层，上述中，所述绝缘涂层包括石棉纤维纸，所述石棉纤维纸包裹在所述阳极进气管2和所述阳极出气管3的外周，这样的设置避免阳极进气管2和阳极出气管3与布气板1电连接，从而避免燃料电池短路。

为了降低燃料电池的重量，所述布气板1上设有减重槽15。这样的设置有利于多个燃料电池集成。

此外，本发明还提供一种燃料电池发电系统，如图10所示，所述燃料电池发电系统包括本发明任意一项所述的燃料电池，多个所述阳极进气管2和所述阳极出气管3分别通过管道连通。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括布气板(1)和阴极封闭式电堆(6)，所述布气板(1)的第一端面(14)与所述阴极封闭式电堆(6)的第一端板面接触，

所述第一端板上设有阴极进气口(61)和阴极出气口(62)，

所述第一端面(14)上设有阴极进气槽(11)和阴极出气槽(12)，

所述阴极进气口(61)、所述阴极出气口(62)分别与所述阴极进气槽(11)、所述阴极出气槽(12)连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极进气口(61)在所述第一端面(14)上的投影位于所述阴极进气槽(11)内；和/或，所述阴极出气口(62)在所述第一端面(14)上的投影位于所述阴极出气槽(12)内。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极进气槽(11)和所述阴极出气槽(12)的一端贯穿所述布气板(1)的侧面。

4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极进气槽(11)和所述阴极出气槽(12)分别设置在所述第一端面(14)的两侧。

5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述第一端板上设有阳极进气口(63)和阳极出气口(64)，所述燃料电池包括阳极进气管(2)和阳极出气管(3)，所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)的第一端贯穿所述第一端面(14)且外周与所布气板(1)密封连接，第二端延伸至所述布气板(1)外，所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)的第一端分别与所述阳极进气口(63)和所述阳极出气口(64)连通。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述布气板(1)上设有两个管道凹槽(13)，所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)分别设置在所述管道凹槽(13)内。

7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述管道凹槽(13)与所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)之间的间隙填充有密封材料，以避免从所述管道凹槽(13)泄漏的气体外溢。

8.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括与所述第一端面(14)面接触的盖板(4)，所述盖板(4)设置在所述布气板(1)和所述阴极封闭式电堆(6)之间，所述阳极进气管(2)的第一端和所述阳极出气管(3)的第一端分别密封地贯穿所述盖板(4)。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管(2)的第一端和所述阳极出气管(3)的第一端凸出于所述盖板(4)的外表面且分别与所述阳极进气口(63)和所述阳极出气口(64)过盈配合。

10.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)分别包括垂直管(5)，所述垂直管(5)的分别与所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)的第二端连通，所述垂直管(5)的轴线垂直所述第一端面(14)设置。

11.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)的材质与所述布气板(1)的材质相同。

12.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)的外周设有绝缘涂层。

13.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述布气板(1)上设有减重槽(15)。

14.一种燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统包括多个权利要求1-13中任意一项所述的燃料电池，多个所述阳极进气管(2)和所述阳极出气管(3)分别通过管道连通。

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