CN115172836A - 一种单段多室兆瓦级燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，包括单段发电模块，所述的单段发电模块包括依次堆叠的结构一致的单节电池(4)，所述的单节电池(4)包括多个发电小室，所述的单节电池(4)的各个发电小室中的燃料、氧化气和冷却液三种流场分别相互独立，组成燃料电池堆时，各个发电小室对齐组装，发电小室通过集电电路串联导通，每个发电小室所需燃料、氧化气和冷却液采用并联方式进出电堆。与现有技术相比，本发明电堆功率等级大，流体并联，易于保证其在各节、各室内流动时的一致性。

Description

一种单段多室兆瓦级燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种单段多室兆瓦级燃料电池堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是氢能发展的先进方向，是以一次能源为燃料的热机的重要替代品。在全世界范围内，PEMFC在乘用车、商用轻卡、长途重卡、无人机、两轮车、便携式电源及后备式电源等领域已得到了大量的应用，产业处于商业化初期，单堆功率普遍在100kW～200kW之间。然而，随着氢能的深入发展，目前单个燃料电池堆的功率已受到制约，很难突破MW水平。这就限制了其在机车、船舶、重型机械等需要MW级动力源交通运输领域，以及发电厂、离网电站等发电场景的应用；而这些应用对于氢能应用的深入推进有着重要意义，是我国乃至世界氢能发展的重要方向。
中国专利CN112768723B披露了一种用于大功率氢燃料电池堆的仿生相变冷却系统及方法，指在解决传统的大功率氢燃料电池堆冷却技术热交换能力差的问题。其核心的仿生换热单元包括箱形壳体、两组半椭圆形冷却板、两根导液管和两根导气管。但其针对的电堆的发热功率取值范围为仅127.27kW～190.91kw，根据燃料电池热功与电功的比例关系规律，可见该电堆的发电功率约在200kW左右，属目前行业先进水平，但离MW级尚有不小的差距。
中国实用新型专利CN215365999U公开了一种兆瓦级氢燃料电池电站，其包括制氢单元、储氢单元、发电单元以及水热单元。发电单元用于氢发电，并最终并网；它包括第二氢气调理子单元、燃料电池子单元以及输出电调理子单元；其中，燃料电池子单元由多堆串并联的燃料电池组组成，以达到兆瓦级输出功率。
中国实用新型专利CN215675427U公开了一种兆瓦级氢储能电站的热量回收系统。但该专利没有公开燃料电池堆的任何细节内容。
本课题组前期申请的中国专利CN202010065856A公开了一种基于金属双极板的大功率燃料电池堆，包括交错设置的双极板和膜电极，双极板包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板的相对面分别设有阳极冷却流道和阴极冷却流道，非相对面分别对应设有燃料气体流道和氧化气体流道，冷却液流场密封件挤压嵌入另一个面上的密封槽中形成半粘合组合方式，阳极冷却流道和阴极冷却流道连通形成密封冷却液腔。该专利公开的实施例可见，散热性能高，单体电压一致性高，电堆实测峰值功率达到了120kW，但离MW级也尚有不小的差距。
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单段多室兆瓦级燃料电池堆，大大提高电堆功率等级。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，包括单段发电模块，所述的单段发电模块包括依次堆叠的结构一致的单节电池，所述的单节电池包括多个发电小室，所述的单节电池的各个发电小室中的燃料、氧化气和冷却液三种流场分别相互独立，组成燃料电池堆时，各个发电小室对齐组装，发电小室通过集电电路串联导通，每个发电小室所需燃料、氧化气和冷却液采用并联方式进出电堆。
优选地，所述的发电小室的结构、面积和性能完全一致。
优选地，所述的单节电池包括依次设置的阴极板、膜电极和阳极板，所述的阴极板上接触膜电极的一面设置氧化气流道，所述的阳极板上接触膜电极的一面设置燃料气体流道，所述的阳极板的另一面设置冷却液流道，所述的阴极板和阳极板对应划分为多个区域，每个区域形成一个独立的发电小室，每个区域的氧化气流道、燃料气体流道和冷却液流道相互独立，且每个区域分别设置氧化气出入口、燃料气体出入口和冷却液出入口。
优选地，所述的发电小室设置四个，每个发电小室呈1/4圆形，四个发电小室组成一个完整的圆形。
优选地，所述的氧化气流道沿发电小室周向分布，所述的氧化气出入口包括氧化气入口和氧化气出口，分别位于发电小室的边缘并连通所述的氧化气流道。
优选地，所述的燃料气体流道沿发电小室径向分布，所述的燃料气体出入口包括燃料气体入口和燃料气体出口，所述的燃料气体入口和燃料气体出口分别连通所述的燃料气体流道。
优选地，每个发电小室中设置多组燃料气体流道，每组燃料气体流道分别配置一组燃料气体出入口。
优选地，所述的冷却液流道沿发电小室径向分布，且冷却液出入口与所述的燃料气体流道出入口交错设置，所述的冷却液出入口包括冷却液入口和冷却液出口，所述的冷却液入口和冷却液出口分别连通所述的冷却液流道。
优选地，所述的集电电路包括前端集流板、后端集流板以及集电铜排，所述的前端集流板和后端集流板分别位于单段发电模块的首尾部，所述的前端集流板上设有对应各个发电小室的正极接线柱，所述的后端集流板上设有对应各个发电小室的负极接线柱，各个发电小室的正极接线柱和负极接线柱通过集电铜排依次串联连接。
优选地，所述的燃料电池堆前端板上设置流体接头，每个发电小室分别配置独立的流体接头，所述的流体接头包括氧化气出入接头、燃料气体出入接头和冷却液出入接头。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过独特的单段多室设计，实现了在不牺牲流体分配均匀性的前提下，同时增加面积和节数，实现电路串联、流体并联的MW级电堆设计，突破目前的PEMFC行业瓶颈，能有效促进氢能在大功率发电装置领域的推广应用；
(2)本发明各发电小室所需的燃料、氧化气和冷却液采用并联方式进入电堆，通过良好的流体设计来改善其在各发电小室内的分配均匀性，在保障电堆性能和稳定性的同时，降低了各液体供应子系统的数量和控制复杂性。
附图说明
图1为本发明兆瓦级燃料电池堆的外部轮廓图一；
图2为本发明兆瓦级燃料电池堆的外部轮廓图二；
图3为本发明兆瓦级燃料电池堆的爆炸示意图；
图4为本发明阴极板正面(带氧化气气体流道)的结构示意图；
图5为本发明阴极板背面的结构示意图；
图6为本发明阳极板正面(带燃料气体流道)的结构示意图；
图7为本发明阳极板背面(带冷却液流道)的结构示意图；
图8为本发明的膜电极的结构示意图；
图9为本发明的前端板与接头的装配示意图；
图10为本发明的前端板氢气汇流示意图；
图11为本发明的前端板孔结构示意图；
图12为本发明后端板结构示意图；
图13为本发明电路联接图。
图中，1为阴极板，2为膜电极，3为阳极板，4为单节电池，5为堆芯，6为前端集流板，7为前端绝缘板，8为前端板，9为流体接头，10为后端集流板，11为后端绝缘板，12为后端板，13为内定位杆，14为集电铜排，15为丝杆，16为外定位杆，17为碟簧，18为碟簧压板；
101为I室阴极，102为冷却液总入口，103为冷却液分室入口，104为冷却液I室出口，105为氢气I室入口，106为氢气I室出口，107为空气I室入口，108为空气I室出口，109为空气II室入口，110为空气II室出口，111为空气III室入口，112为空气III室出口，113为空气IV室入口，114为空气IV室出口，115为内定位孔，116为外定位孔，117为注塑排气孔，118为空场流场，119为空场密封件，120为巡检插针孔；
201为活性区，202为边框，203为内定位杆孔；
301为I室阳极，302为冷却液总入口，303为冷却液分室入口，304为冷却液I室出口，305为氢气I室入口，306为氢气I室出口，307为空气I室入口，308为空气I室出口，309为空气II室入口，310为空气II室出口，311为空气III室入口，312为空气III室出口，313为空气IV室入口，314为空气IV室出口，315为内定位孔，316为外定位孔，317为注塑排气孔，318为氢场流场，319为氢场密封件，320为电压巡检插针孔，321为室冷却液腔，322为冷却液场密封件1，323为冷却液场密封件2，324为冷却液场流道；
601为I室正极接线柱，602为II室正极接线柱，603为III室正极接线柱，604为IV室正极接线柱，1001为I室负极接线柱，1002为II室负极接线柱，1003为III室负极接线柱，1004为IV室负极接线柱；
902为冷却液入接头，903为冷却液出接头，904为氢入接头，905为氢出接头，906为I室空入接头，907为I室空出接头，908为II室空入接头，909为II室空出接头，910为III室空入接头，911为III室空出接头，912为IV室空入接头，913为IV室空出接头，929为氢出和冷却液入接头总成；
802为冷却液总入口，804为冷却液I室出口，805为氢气I室入口，806为氢气I室出口，807为空气I室入口，808为空气I室出口，809为空气II室入口，810为空气II室出口，811为空气III室入口，812为空气III室出口，813为空气IV室入口，814为空气IV室出口，815为内定位孔，816为外定位孔，825为螺杆孔，826为氢气汇集槽，827为接线柱孔，828为电堆安装孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
为了突破现有的单堆设计功率极限，既可以通过增大电堆横截面以提升电堆工作电流，也可以通过增加电堆节数以放大电堆工作电压；这样电堆的额定功率都可以得到提升。然而，不论是增大面积和增加节数，都会带来反应气体与冷却液的分配不均问题。本发明专利通过独特的单段多室设计，实现了在不牺牲流体分配均匀性的前提下，同时增加面积和节数，达到了MW级输出功率的单堆设计。
基于以上，本实施例提供一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，包括单段发电模块，单段发电模块包括依次堆叠的结构一致的单节电池4，单节电池4包括多个发电小室，各个发电小室的结构、面积和性能完全一致，单节电池4的各个发电小室中的燃料、氧化气和冷却液三种流场分别相互独立，组成燃料电池堆时，各个发电小室对齐组装，发电小室通过集电电路串联导通，每个发电小室所需燃料、氧化气和冷却液采用并联方式进出电堆。
本发明单段多室电堆的核心设计理念如下：每节单电池均由多个结构、面积和性能完全一致的发电小室构成(即多室)；发电小室之间的燃料、氧化气和冷却液三种流体并联，互不干涉；电路则互相串联。一定数量的单节电池4组成一个完整的发电模块(即单段)，即达到设计目标：能对外输出MW级电功的单堆。
在一优选的实施方式中，如图1、图2所示为本发明设计的燃料电池堆的示意图。
单节电池4包括依次设置的阴极板1、膜电极2和阳极板3，阴极板1上接触膜电极2的一面设置氧化气流道，阳极板3上接触膜电极2的一面设置燃料气体流道，阳极板3的另一面设置冷却液流道，阴极板1和阳极板3对应划分为多个区域，每个区域形成一个独立的发电小室，每个区域的氧化气流道、燃料气体流道和冷却液流道相互独立，且每个区域分别设置氧化气出入口、燃料气体出入口和冷却液出入口。
在一优选的实施方式中，发电小室设置四个，每个发电小室呈1/4圆形，四个发电小室组成一个完整的圆形。氧化气流道沿发电小室周向分布，氧化气出入口包括氧化气入口和氧化气出口，分别位于发电小室的边缘并连通氧化气流道。燃料气体流道沿发电小室径向分布，燃料气体出入口包括燃料气体入口和燃料气体出口，燃料气体入口和燃料气体出口分别连通燃料气体流道。每个发电小室中设置多组燃料气体流道，每组燃料气体流道分别配置一组燃料气体出入口。冷却液流道沿发电小室径向分布，且冷却液流道与燃料气体流道的出入口交错设置，冷却液出入口包括冷却液入口和冷却液出口，冷却液入口和冷却液出口分别连通冷却液流道。
以下以单段四室兆瓦级燃料电池堆为例，具体说明电堆的设计方式。
如图3所示，该燃料电池堆包括堆芯5、前端集流板6、前端绝缘板7、前端板8、后端集流板10、后端绝缘板11、后端板12。单节电池4堆叠形成堆芯5，内定位杆13和外定位杆16用于堆芯5与外部组件之间的定位组装。碟簧17和碟簧压板18保证电堆截面上，尤其是中心区域的受力均匀。电堆组装后与集电铜排14三根，丝杆15若干，流体接头9若干连接、组装后，形成完整的电堆结构。
单节电池4由阴极板1，膜电极2，阳极板3组成，为电堆中数量最多的重复单元。每节单电池由第I小室、第II小室、第III小室和第IV小室构成。
如图4、图5所述，阴极板1等分为四个发电小室，正面有氧化气流场(即空气流场)，背面无流场。空气从每个小室的空气入口分别进入，即I室空气入口107、II室空气入口109、III室空气入口111和IV室空气入口113。反应后的空气及生成的水流经空气场流道118后，再分别从各小室的出口流出，即I室空气出口108、II室空气出口110、III室空气出口112和IV室空气出口114。近圆心的大圆孔102是冷却液的总入口。
阴极板1可以是石墨(选材包括晶粒状石墨、膨胀石墨、各种人造石墨等)、金属(选材包括铝、不锈钢、镍、钛和各种合金等)及其复合材料、石墨-树脂复合材料等。它分为多个发电小室，负责把氧化气(一般是空气)通过空气场流道118均匀地分配到膜电极2的阴极表面，参与电化学反应；同时将反应生成水经空气场流道118排出电堆。
如图6所示，阳极板3正面也等分为四个发电小室，跟阴极板1相对应，其正面有燃料气体流场(即氢气流场)，背面是冷却液流场。氢气从各小室的入口进入，经过氢气流场，再从中间靠近大圆孔的氢气出口流出。如在I室中氢气由入口305进入活性区，经过氢气流场318后，最后从出口306流出。其余各室类似。
阳极板3可以是石墨(选材包括晶粒状石墨、膨胀石墨、各种人造石墨等)、金属(选材包括铝、不锈钢、镍、钛和各种合金等)及其复合材料、石墨-树脂复合材料等。它分为多个发电小室，其正面负责把燃料(一般为氢气)通过流场318均匀地分配到膜电极2的阳极催化层表面，参与电化学反应；同时，氢气极背面的冷却液流场324将反应的废热排出电堆。
如图7所示，冷却液从氢气板中心的冷却液总入口302进入四个发电小室。在I室中，冷却液经总入口302分流后进入I室入口303，经过冷却液流场324后，再从I室的冷却液出口304流出。其余各室类似。
如图8所示，膜电极2包括活性区201、边框202和内定位杆孔203。膜电极2由质子交换膜与在其两侧涂覆(工艺可以是喷涂、狭缝喷涂、刮涂和转印等)的阳极催化层和阴板催化层构成，形成三合一的发电单元。质子交换膜隔开氢气和空气，利用阳极侧的氢氧化反应与阴板侧的氧还原反应，分别作为燃料电池的负极和正极，从而产生电压和电流，对外作电功。
阴极板1、膜电极2和阳极板3三个关键部件之间的组合与密封可以是分体式，后期可拆卸；也可以是一体化组合后用密封剂粘接后固化成为一个整件，后期不可拆卸。
质子交换膜燃料电池的工作原理：
1、氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列反应：
H2→2H++2e-
Figure BDA0003740323590000073
2、氢离子通过电解质到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，在阴极催化剂的作用下，与氧气反应生成水，反应式如下：
2H++2e-+1/2O2→H2O
Figure BDA0003740323590000072
3、综合起来，即氢燃料电池中的总反应为：
2H2+O2→2H2O E0＝1.229V (3)
正是通过该电池反应，电池向外输出电能，只要保证氢气和空气或氧气的供给，该燃料电池即可连续不断产生电能。对于质子交换膜燃料电池，由于不受卡诺循环约束，在标准态下理想的最大转化效率为83％，而实际应用中由于各种条件影响，燃料电池系统的实际效率约在45％～60％。每个发电单元对外作电功时的工作电压仅为约0.5～0.8V，电流密度约为0.5～4A/cm2。
结合图9和图11所示，燃料电池堆前端板8上设置流体接头9，每个发电小室分别配置独立的流体接头9，流体接头9包括氧化气出入接头、燃料气体出入接头和冷却液出入接头。从图中可见，前端板8上设置冷却液总入口802、冷却液I室出口804、氢气I室入口805、氢气I室出口806、空气I室入口807、空气I室出口808、空气II室入口809、空气II室出口810、空气III室入口811、空气III室出口812、空气IV室入口813、空气IV室出口814、内定位孔815、外定位孔816，螺杆孔825、氢气汇集槽826、接线柱孔827和电堆安装孔828。对应于设计的流道，流体接头9包括图中布置的冷却液入接头902、冷却液出接头903、氢入接头904，氢出接头905、I室空入接头906、I室空出接头907、II室空入接头908、II室空出接909、III室空入接头910、III室空出接头911、IV室空入接头912、IV室空出接头913，其中，冷却液入接头902和氢出接头905组成氢出和冷却液入接头总成929。
如图10所示为前端板8氢气汇流示意图，以I室为例，阳极板3上的2个氢气I室出口306经过氢气汇集槽826汇集后进入氢气I室总出口806，进而从氢出接头905排出。
集电电路包括前端集流板6、后端集流板10以及集电铜排14，前端集流板6和后端集流板10分别位于单段发电模块的首尾部，前端集流板6上设有对应各个发电小室的正极接线柱，后端集流板10上设有对应各个发电小室的负极接线柱，各个发电小室的正极接线柱和负极接线柱通过集电铜14排依次串联连接。具体地，如图13所示，在各发电小室内，各单电池为串联结构，依次是I室正极接线柱601、I室负极接线柱1001、II室正极接线柱602、II室负极接线柱1002、III室正极接线柱603、III室负极接线柱1003、IV室正极接线柱604和IV室负极接线柱1004。I室正极接线柱601和IV室负极接线柱1004也分别是整个电堆的正、负接线柱。
一个MW单堆分为M个小室，N节单电池串联堆叠后形成堆芯5；各个编号相同的小室分别叠加，然后经外电路串联。假设每个小室发电电流为I，电压为V，则可以对外提供的电功率为：I×V×M×N。
本实施例中堆芯直径780mm，高度960mm，堆芯体积＝460.00L，堆芯重量＝825.64kg，体积紧凑、重量轻，功率密度高。单室活性面积为600cm2，每段按MEA性能1.4W/cm2计算，共300节单电池，额定功率即可达1.01MW，额定功率下功率密度分别达到2.19kW/L和1.20kW/kg。
本发明单段多室电堆通过M室、N节的电堆设计，实现电路串联、流体并联的MW级单堆，突破目前的PEMFC行业瓶颈，能有效促进氢能在大功率发电装置领域的推广应用。各发电小室所需的燃料、氧化气和冷却液采用并联方式进入电堆，通过良好的流体设计来改善其在各发电小室内的分配均匀性，在保障电堆性能和稳定性的同时，减少了各液体供应子系统的数量和控制复杂性。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，包括单段发电模块，所述的单段发电模块包括依次堆叠的结构一致的单节电池(4)，所述的单节电池(4)包括多个发电小室，所述的单节电池(4)的各个发电小室中的燃料、氧化气和冷却液三种流场分别相互独立，组成燃料电池堆时，各个发电小室对齐组装，发电小室通过集电电路串联导通，每个发电小室所需燃料、氧化气和冷却液采用并联方式进出电堆。
2.根据权利要求1所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的发电小室的结构、面积和性能完全一致。
3.根据权利要求1所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的单节电池(4)包括依次设置的阴极板(1)、膜电极(2)和阳极板(3)，所述的阴极板(1)上接触膜电极(2)的一面设置氧化气流道，所述的阳极板(3)上接触膜电极(2)的一面设置燃料气体流道，所述的阳极板(3)的另一面设置冷却液流道，所述的阴极板(1)和阳极板(3)对应划分为多个区域，每个区域形成一个独立的发电小室，每个区域的氧化气流道、燃料气体流道和冷却液流道相互独立，且每个区域分别设置氧化气出入口、燃料气体出入口和冷却液出入口。
4.根据权利要求3所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的发电小室设置四个，每个发电小室呈1/4圆形，四个发电小室组成一个完整的圆形。
5.根据权利要求4所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的氧化气流道沿发电小室周向分布，所述的氧化气出入口包括氧化气入口和氧化气出口，分别位于发电小室的边缘并连通所述的氧化气流道。
6.根据权利要求4所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的燃料气体流道沿发电小室径向分布，所述的燃料气体出入口包括燃料气体入口和燃料气体出口，所述的燃料气体入口和燃料气体出口分别连通所述的燃料气体流道。
7.根据权利要求6所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，每个发电小室中设置多组燃料气体流道，每组燃料气体流道分别配置一组燃料气体出入口。
8.根据权利要求6所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的冷却液流道沿发电小室径向分布，且冷却液流道出入口与所述的燃料气体流道出入口交错设置，所述的冷却液出入口包括冷却液入口和冷却液出口，所述的冷却液入口和冷却液出口分别连通所述的冷却液流道。
9.根据权利要求1所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的集电电路包括前端集流板(6)、后端集流板(10)以及集电铜排(14)，所述的前端集流板(6)和后端集流板(10)分别位于单段发电模块的首尾部，所述的前端集流板(6)上设有对应各个发电小室的正极接线柱，所述的后端集流板(10)上设有对应各个发电小室的负极接线柱，各个发电小室的正极接线柱和负极接线柱通过集电铜排(14)依次串联连接。
10.根据权利要求1所述的一种单段多室兆瓦级燃料电池堆，其特征在于，所述的燃料电池堆的前端板(8)上设置流体接头(9)，每个发电小室分别配置独立的流体接头(9)，所述的流体接头(9)包括氧化气出入接头、燃料气体出入接头和冷却液出入接头。
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