CN200965894Y - 一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆 - Google Patents

一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，该集成式燃料电池堆包括中央集流板、后端板、四个或四个以上燃料电池堆、导电体，所述的四个或四个以上燃料电池堆中各个导流极板加工完全一样，中央集流板两侧的两个电堆为一组，该组的各个单电池正负极取向一致，这两个电堆之间设有垂直穿设于中央集流板的串联导电体，而相邻的另一组的两个电堆中各个单电池正负极取向一致，但与相邻组各单电池正负极取向相反，相邻两组电堆各自的集流母板间设有导电体，正负极引线处于整个集成式电堆的同侧；与现有技术相比，本实用新型具有节省材料、节约空间、安全可靠等优点。

Description

一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆
技术领域
本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种结构紧凑、便于安装的正负极引线串联的集成式燃料电池堆。
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。
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。作为车、船动力或发电站大功率的燃料电池发电系统方面的应用，要求可以输出几十千瓦，甚至输出几百千瓦的功率。对这样大功率的输出要求，必须有相应的大功率输出的燃料电池堆与支持运行系统。
大功率输出的燃料电池堆工程设计与制造，从技术与制造成本方面来分析，一般无法采用一个由许多块大活性面积极板构成的巨型大功率单堆方法，而是采用由多个中小功率燃料电池堆模块集成在一起达到大功率输出要求的方法。
现有的大规模、大功率的燃料电池如图1所示，其中1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16为各电池堆模块上的电流集流母板，作正负极。17为中央总集流、导流面板。A为第一对相对应的二组电池堆模块，B为第二对相对应的二组电池堆模块，C、D为第三、第四对相对应的二组电池堆模块。现有的各电堆间正负极连接为3与2串联，1与8串联，7与6串联，5与12串联，11与10串联，9与16串联，15与14串联，最后13与4电流集流母板作为整个集成式燃料电池正负极向外输出端。可以看出，这个集成式燃料电池的若干正负极串联引线在整个集成式电堆的两侧，其跨越独立式电堆模块数量较多，引线空间布置很长很不合理。
上海神力科技有限公司发明了一种可使集成式燃料电池正负极引线布置合理的方法(发明专利申请号：200510026002.9，实用新型专利申请号：200520041695.4)。如图2所示，标号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16为表示各电池堆模块上的电流集流母板，作正负极。17为中央总集流母板。A为第一对相对应的二组电池堆模块，B为第二对相对应的二组电池堆模块，C、D为第三、第四对相对应的二组电池堆模块。本发明各电堆间正负极连接为3与2串联，1与5串联，6与7串联，8与12串联，11与10串联，9与13串联，14与15串联，最后16与4电流集流母板作为整个集成式燃料电池正负极向外输出端。可以看出，这个集成式燃料电池的正负引线在整个电堆同侧，空间跨越比原有的引线布置更加合理。
但是这种设计需将燃料电池左右两侧同一组的二个电堆模块中各个导流极板加工完全一样，并使各个单电池正负极取向完全一致，这样这两个模块就可以直接通过各自的集流母板串联连接；而相邻的另一组的二个电堆模块中燃料电池各个导流极板加工完全一样，但是却与相邻组中的燃料电池各个导流极板成镜像加工，使这一组中各个单电池正负极取向、排列虽然完全一致，但与相邻组的正负极取向恰好相反，这样这相邻两组电堆模块就可以通过各自的集流母板很容易实现正负极串联连接，使得正负极引线处于整个电堆的同侧，并在空间连接上实现距离最小化。
这种集成式燃料电池堆需要加工两种不同的导流板，工艺复杂，安装不便，成本较高，给批量生产造成很大麻烦。因此目前普遍采用的集成式燃料电池导流板相同，而正负极引线连接如图3所示，中央集流板18前后设置的电池堆A、B的各单电池的正负取向相同，通过穿设于中央集流板的导电杆20串联，电池堆C、D单电池的正负取向与A、B相同，电池堆B、C通过导线19对角斜拉串联，从而使整个集成式电堆串联。但是这种连接方法由于需要外设一根较长导线，占用空间，浪费材料，一旦导线外的绝缘层有所磨损，非常不安全。
发明内容
本实用新型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节省材料、节约空间、安全可靠的正负极引线串联的集成式燃料电池堆。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，其特征在于，该集成式燃料电池堆包括中央集流板、后端板、四个或四个以上燃料电池堆、导电体，所述的四个或四个以上燃料电池堆中各个导流极板加工完全一样，中央集流板两侧的两个电堆为一组，该组的各个单电池正负极取向一致，这两个电堆之间设有垂直穿设于中央集流板的串联导电体，而相邻的另一组的两个电堆中各个单电池正负极取向一致，但与相邻组各单电池正负极取向相反，相邻两组电堆各自的集流母板间设有导电体，正负极引线处于整个集成式电堆的同侧；所述的中央集流板内设有氢气、空气、冷却流体进出通道，各流体进出通道与各电堆相应流体进出口相连。
所述的燃料电池堆的相邻两组电堆之间有与中央集流板垂直的缝隙，相邻两组电堆对应的中央集流板内空气、氢气、冷却流体进出流体孔与该缝隙间距相同，各相应同一流体进出导流孔呈对称设置。
所述的中央集流板上同侧相邻两组电堆，其中一组中的紧贴第一块并与中央集流板相向的导流极板上的导流场为导空气流场，另一组中的紧贴第一块并与中央集流板相向的导流极板上的导流场为导氢气流场。
所述的导电体形状包括圆柱体、长方体、立方体、蹄形体。
所述的穿设于中央集流板的导电体有2～20个。
所述的中央集流板两侧设置的电堆的正负极取向相同，前后相邻设置的电堆正负极取向相反。
与现有技术相比，本实用新型燃料电池堆中间设有中央集流板，进行集成封装的后端板前设有后端集流板，氢气、空气和冷却流体可以根据需要从燃料电池堆不同方位引出，结构紧凑，便于安装，而且可以配合一种长宽比大于1∶1的燃料电池导流极板进行设计。
附图说明
图1为现有的集成式燃料电池堆正负极引线布置示意图；
图2为现有另一种集成式燃料电池堆正负极引线布置示意图；
图3为现有集成式燃料电池堆正负极连接示意图；
图4是本实用新型实施例中的集成式燃料电池堆正负极连接示意图；
图5为图4的剖面图；
图6为图4电池堆中央集流板上集流母板前的导流板。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例，对本实用新型作进一步说明。
实施例
如图4、5、6所示，一种50KW～100KW的正负极引线串联的集成式燃料电池堆，它包括四组燃料电池堆A、B、C、D以及一块中央集流板，这四组燃料电池堆中各个导流极板加工完全一样，A、B前后设置于中央集流板两侧，两个电堆模块各个单电池正负极取向完全一致，这两个电堆模块之间通过垂直穿设于中央集流板的导电体20串联连接，紧贴并与中央集流板相向的导流极板上的导流场是导空气流场，是正极；而相邻的另一组的二个电堆模块C、D中燃料电池各个导流极板与相邻组中的燃料电池各个导流极板排列以及各单电池正负极取向相反，靠近中央集流板的为导氢气极板，是负极，相邻两组电堆模块B、D通过各自的集流母板间的导电体19实现正负极串联连接，使得正极引线21、负极引线22处于整个电堆的同侧；空气从中央集流板一端进入空气通道，从空气入口23进入电堆，从空气出口26出电堆后，从中央集流板另一端流出；氢气从中央集流板一端进入，经氢气入口24流入电堆，沿28从后端板前的集流板流出电堆，冷却流体从中央集流板一端，经冷却流体入口25进入电堆，从冷却流体出口27流出后，从中央集流板另一端流出。如图6所示，该集成式燃料电池堆B、D电堆最靠近中央集流板18的集流母板前的导流板：导空气流槽板29、导氢气流槽板30，所述的燃料电池堆的相邻两电堆B、D之间形成与中央集流板18垂直的缝隙，相邻两组电堆B、D对应的中央集流板内空气进气口23、氢气进气口24、冷却流体进流体孔25，空气出气口26、氢气出气口28、冷却流体出流体孔27分别与该缝隙间距相同，即两空气进气口23到该缝隙的间距相同，两空气出气孔26到该缝隙的间距相同，相应氢气、冷却流体进出口也分别到该缝隙距离相等，各相应导流孔呈相对设置，并处于最近或最远位置。所述的中央集流板上同侧相邻电堆的集流母板前的导流板一块为导空气流槽板29，另一块为导氢气流槽板30。
所述的氢气、空气、冷却流体进出通道可设在中央集流板内或后端板前的集流板内，各流体从中央集流板两端或从各电堆后端板前的集流板进出电堆，且各流体进出通道与各电堆相应流体进出口相连。
氢气、空气、冷却流体也可从电堆中间与中央集流板垂直的缝隙一端或两端(电堆B、D中间或A、C中间)进入中央集流板，在分别从两边经相同距离进入电堆，在从中央集流板或后端板前的集流板流出。

Claims (6)

1.一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，其特征在于，该集成式燃料电池堆包括中央集流板、后端板、四个或四个以上燃料电池堆、导电体，所述的四个或四个以上燃料电池堆中各个导流极板加工完全一样，中央集流板两侧的两个电堆为一组，该组的各个单电池正负极取向一致，这两个电堆之间设有垂直穿设于中央集流板的串联导电体，而相邻的另一组的两个电堆中各个单电池正负极取向一致，但与相邻组各单电池正负极取向相反，相邻两组电堆各自的集流母板间设有导电体，正负极引线处于整个集成式电堆的同侧；所述的中央集流板内设有氢气、空气、冷却流体进出通道，各流体进出通道与各电堆相应流体进出口相连。
2.根据权利要求1所述的一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，其特征在于，所述的燃料电池堆的相邻两组电堆之间有与中央集流板垂直的缝隙，相邻两组电堆对应的中央集流板内空气、氢气、冷却流体进出流体孔与该缝隙间距相同，各相应同一流体进出导流孔呈对称设置。
3.根据权利要求1所述的一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，其特征在于，所述的中央集流板上同侧相邻两组电堆，其中一组中的紧贴第一块并与中央集流板相向的导流极板上的导流场为导空气流场，另一组中的紧贴第一块并与中央集流板相向的导流极板上的导流场为导氢气流场。
4.根据权利要求1所述的一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，其特征在于，所述的导电体形状包括圆柱体、长方体、立方体、蹄形体。
5.根据权利要求1所述的一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，其特征在于，所述的穿设于中央集流板的导电体有2～20个。
6.根据权利要求1所述的一种正负极引线串联的集成式燃料电池堆，其特征在于，所述的中央集流板两侧设置的电堆的正负极取向相同，前后相邻设置的电堆正负极取向相反。
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CN101425587B (zh) * 2007-10-30 2011-09-28 上海神力科技有限公司 一种集成式用于燃料电池增湿的装置
WO2023044756A1 (zh) * 2021-09-24 2023-03-30 罗伯特·博世有限公司 燃料电池电堆模块

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