CN1328816C - 一种集成式燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成式燃料电池，它由至少两组燃料电池堆以及一块集流板组成，所述的集流板为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口分别设在正面、背面或者其各流体总通道进口、出口均设在集流板正面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面，所述的集流板的各流体通道是在同一块板里的不同区域或不同层面上，且互不串流。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、阻力及压力损失小、安装容易等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种结构紧凑、效率较高的集成式燃料电池。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢燃料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反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，每块导流电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。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电极板上的导流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母板，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、甲醇或由甲醇、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后进行散热；(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，又可以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通过串联或并联组装一起成为燃料电池堆。
如图1～图3所示，图1是燃料电池堆中单电池导流极板的结构示意图，图2是燃料电池堆中单电池三合一电极的结构示意图，图3是燃料电池堆的结构示意图。燃料电池单电池的导流极板与三合一电极上一般都有六个(或小于六)导流孔，这六个导流孔分别是燃料(氢气)进口，燃料(氢气)出口，氧化剂(空气)进口，氧化剂(空气)出口，冷却流体(水)进口，冷却流体(水)出口。将若干个燃料电池单电池的导流极板与三合一电极组装成燃料电池堆后，以上导流极板与三合一电极上面的六个导流孔就构成燃料电池堆中的六条导流通道，这六条导流通道分别统一导氧化剂(空气)进入，通过这一导流通道将氧化剂(空气)均匀地分布在每个单电池的导流极板上，并在电极上发生反应，反应生成的产物水及过量的氧化剂(空气)，统一汇集到燃料电池堆中的氧化剂(空气)排出通道，其他分别是导燃料(氢气)进入通道，燃料(氢气)汇集排出通道，导冷却流体(水)进入通道，冷却流体(水)汇集排出通道。
如图4～图5所示，目前燃料电池堆的工程设计一般将上面六条导流通道直接汇集到燃料电池堆前端的同一块面板上(图4)，也有将上面六条导流通道分别汇集到燃料电池堆前、后端的二块面板上，例如前、后端每块面板分别汇集三条通道(图5)。前者设计技术产生的燃料电池堆所有六条通道都集成在同一块面板上，后者设计技术产生的燃料电池堆六条通道集成在前、后二块面板上。
将数个(多于2个)燃料电池堆上的所有氧化剂(空气)、燃料(氢气)、冷却流体(水)的进口、出口均实行统一集成连接成六大通道。这六大通道中的氧化剂(空气)、燃料(氢气)、冷却流体(水)均匀分配到各个燃料电池堆，而各个燃料电池堆中的氧化剂(空气)、燃料(氢气)、冷却流体排出也统一汇集到这六大通道中的氧化剂(空气)、燃料(氢气)、冷却流体(水)出的大通道上，使数个燃料电池堆运行条件都均一相同。这种数个燃料电池堆的集成技术一般通过以下方法实现：将数个燃料电池堆排列成燃料电池堆阵列，在阵列旁分别设置六大流体管道，例如，氧化剂(空气)进的大管道分叉出数根均匀细支管，每根细支管与各个燃料电池堆中的氧化剂(空气)进相连接，其余五大管道也一样各分叉出数根均匀细支管，与各个燃料电池堆中的相对应的同一流体相连接。
目前这种普遍推行的燃料电池导流通道集成面板设计与多个燃料电池堆集成技术有以下缺陷：
(1)、将六条导流通道直接汇集到燃料电池堆前端的同一块面板上，燃料电池堆内的导流通道就相应很长，容易产生流体阻力，导致较大的压力损失，进而引起流体在电池堆中的每个单电池中分布不均匀，引起各个单电池性能差异。
(2)、将燃料电池堆中六条导流通道分别汇集到燃料电池堆前、后端的二块面板上，例如，前后端每块面板分别汇集三条通道，也有技术缺陷，这种设计使导流通道进、出口分别在前后端，迫使管路连接无法集中一起，而分散在二头，当燃料电池用作车载或船载动力系统时，管路分散不利于电池的设置。
(3)、将数个燃料电池堆上的所有空气、氢气、冷却水的进口、出口实行统一集成连接成六大流体通道，再分叉出数根均匀细支管与各个燃料电池堆中的流体进出相连接的方法，其技术缺陷，是由于管道太多，容易产生渗漏，且拥挤问题十分突出，因此导致设计及安装非常困难。
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紧凑、阻力及压力损失小、安装容易的集成式燃料电池。
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，其特征在于，它由至少两组燃料电池堆以及一块集流板组成，所述的集流板内设有总进氢气通道、总进冷却水通道、总进空气通道、总出空气通道、总出冷却水通道、总出氢气通道，这些总通道内分别设有至少一条与其垂直相通的支进氢气通道、支进冷却水通道、支进空气通道、支出空气通道、支出冷却水通道、支出氢气通道，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道连接；所述的集流板为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口分别设在正面、背面或者其各流体总通道进口、出口均设在集流板正面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面，所述的集流板的各流体通道是在同一块板里的不同区域或不同层面上，且互不串流；所述的燃料电池堆包括至少一组单电池、正负极集流母板、二底端板；所述的集流板与各电池堆的底端板固定配合，构成一集成式燃料电池。
所述的集流板为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口分别设在正面、背面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面。
所述的集流板为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口均设在正面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面。
所述的电池堆为两组，所述的集流板各流体总通道内设有一条与其垂直相通的支通道，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道连接，所述的两组电池堆设在集流板的两侧面并夹住且共用集流板，从而构成二合一集成式燃料电池。
所述的电池堆为四组，所述的集流板各流体总通道内设有两条与其垂直相通的支通道，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道连接，所述的四组电池堆设在集流板的两侧面并两两夹住且共用集流板，从而构成四合一集成式燃料电池。
所述的各燃料电池堆的集流母板导出的电流可通过任意串、并联后输出。
所述的单电池包括导流极板、质子交换膜电极，在质子交换膜电极两边各夹持一块导流极板构成一单电池。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、各个导流通道集中在燃料电池堆中间的一块集流板上，可以使整个燃料电池更加紧凑，体积减小。
2、燃料电池堆中间的一块集流板设置了六个总流体通道，然后通过支流体通道与各燃料电池组的流体通道相连，使得整个燃料电池堆可以排列有很多组，而由于集流板在燃料电池堆中间，各个流体通道是整个燃料电池堆的一半长，避免了由于流体通道过长引起的阻力及压力损失等问题，使流体在电池堆中的每个单电池中分布更均匀。
3、从中间进行各种进、出流体分配的燃料电池堆，其集成更方便、容易，且装配简单。整个集成的燃料电池阵列，体积更紧凑。
4、流体流动距离变短，循环加快，使电化学反应更加均匀，有利于散热，从而提高反应效率。
5、维修方便，如果某一个电池堆出了故障，那么只需拆卸该电池堆进行维修，其它电池堆可以照常工作。
附图说明
图1是现有燃料电池单电池导流极板的结构示意图；
图2是现有燃料电池单电池膜电极的结构示意图；
图3是现有燃料电池的结构示意图；
图4是现有燃料电池六条通道进出口在一块端板上的结构示意图；
图5是现有燃料电池六条通道进出口分别在前后端板上的结构示意图；
图6是本发明燃料电池的结构示意图；
图7是本发明燃料电池集流板正面的结构示意图；
图8是图7的A-A剖视图；
图9是本发明燃料电池一实施例的结构示意图；
图10是图9的俯视图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图6所示，一种集成式燃料电池，它由四组燃料电池堆A、B、C、D(其中A、C组与B、D组左右对称，B、D组图未示)以及一块集流板E组成。所述的集流板E为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口分别设在正面、背面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面。所述的集流板E内设有总进氢气通道(口)1、总进冷却水通道(口)2、总进空气通道(口)3、总出空气通道(口)4、总出冷却水通道(口)5、总出氢气通道(口)6，这些总通道内分别设有两条与其垂直相通的支进氢气通道(口)7、8，支进冷却水通道(口)9、10，支进空气通道(口)11、12，支出空气通道(口)13、14，支出冷却水通道(口)15、16，支出氢气通道(口)17、18，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道(图未示)连接；所述的集流板E的各流体通道是在同一块板里的不同区域或不同层面上，且互不串流；所述的四组燃料电池堆A、B、C、D，其中A、C组在集流板E同一侧，B、D组在集流板E同另一侧，A组与B组左右对称，C组与D组左右对称，B、D组图未示。所述的燃料电池堆(以A组为例)包括组单电池19、正负极集流母板20、二底端板21；所述的集流板E与各电池堆A、B、C、D的底端板固定配合，构成四合一集成式燃料电池。
实施例2
如图7～图10所示，一种集成式燃料电池，它由四组燃料电池堆A、B、C、D(其中A、C组与B、D组左右对称)以及一块集流板E组成。所述的集流板E为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口均设在集流板E正面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面。所述的集流板E内设有总进氢气通道(口)1、总进冷却水通道(口)2、总进空气通道(口)3、总出空气通道(口)4、总出冷却水通道(口)5、总出氢气通道(口)6，这些总通道内分别设有两条与其垂直相通的支进氢气通道(口)7、8，支进冷却水通道(口)9、10，支进空气通道(口)11、12，支出空气通道(口)13、14，支出冷却水通道(口)15、16，支出氢气通道(口)17、18，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道(图未示)连接；所述的集流板E的各流体通道是在同一块板里的不同区域或不同层面上，且互不串流；所述的四组燃料电池堆A、B、C、D，其中A、C组在集流板E同一侧，B、D组在集流板E同另一侧，A组与B组左右对称，C组与D组左右对称。所述的燃料电池堆(以A组为例)包括组单电池19、正负极集流母板20、二底端板21；所述的集流板E与各电池堆A、B、C、D的底端板固定配合，构成四合一集成式燃料电池。
此外，本发明燃料电池还可以由二组或六组、八组、十组等多组电池堆组合而成。
Claims (7)
1.一种集成式燃料电池，其特征在于，它由至少两组燃料电池堆以及一块集流板组成，所述的集流板内设有总进氢气通道、总进冷却水通道、总进空气通道、总出空气通道、总出冷却水通道、总出氢气通道，这些总通道内分别设有至少一条与其垂直相通的支进氢气通道、支进冷却水通道、支进空气通道、支出空气通道、支出冷却水通道、支出氢气通道，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道连接；所述的集流板为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口分别设在正面、背面或者其各流体总通道进口、出口均设在集流板正面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面，所述的集流板的各流体通道是在同一块板里的不同区域或不同层面上，且互不串流；所述的燃料电池堆包括至少一组单电池、正负极集流母板、二底端板；所述的集流板与各电池堆的底端板固定配合，构成一集成式燃料电池。
2.根据权利要求1所述的集成式燃料电池，其特征在于，所述的集流板为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口分别设在正面、背面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面。
3.根据权利要求1所述的集成式燃料电池，其特征在于，所述的集流板为一长方体形板，其各流体总通道进口、出口均设在正面，其各流体支通道进、出口设在与相应电池堆连接的侧面。
4.根据权利要求2或3所述的集成式燃料电池，其特征在于，所述的电池堆为两组，所述的集流板各流体总通道内设有一条与其垂直相通的支通道，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道连接，所述的两组电池堆设在集流板的两侧面并夹住且共用集流板，从而构成二合一集成式燃料电池。
5.根据权利要求2或3所述的集成式燃料电池，其特征在于，所述的电池堆为四组，所述的集流板各流体总通道内设有两条与其垂直相通的支通道，这些支通道与各燃料电池相应的进出流体通道连接，所述的四组电池堆设在集流板的两侧面并两两夹住且共用集流板，从而构成四合一集成式燃料电池。
6.根据权利要求1所述的集成式燃料电池，其特征在于，所述的各燃料电池堆的集流母板导出的电流可通过任意串、并联后输出。
7.根据权利要求1所述的集成式燃料电池，其特征在于，所述的单电池包括导流极板、质子交换膜电极，在质子交换膜电极两边各夹持一块导流极板构成一单电池。
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