專利名稱：一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝的集成式燃料電 池堆的串聯(lián)方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly,簡稱 MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的 材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué) 反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) 過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并 在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移 穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化 劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在 催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子 與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子 交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外， 質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合 而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移 過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交 換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(yīng)H2 — 2H+ + 2e
陰極反應(yīng)l/202 + 2H+ + 2e—H20在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA) —般均放在兩塊導(dǎo)電的 極板中間，每塊導(dǎo)流電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻， 形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流電極板可以是金屬材料的極板，也可以 是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化 劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu) 造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化 劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流母板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械 支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道， 并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通 ?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串 聯(lián)式的電池組中， 一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜 電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種 極板叫做雙極板。 一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。 電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體) 和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電 池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出 電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料 氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常， 將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩 個端板上。質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可以用 作移動式或固定式發(fā)電站。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由燃料電池堆與電池堆支持運行系統(tǒng)組成。作為 車、船動力或發(fā)電站大功率的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)方面的應(yīng)用，要求可以輸出幾十千瓦，甚至輸出兒百千瓦的功率。對這樣大功率的輸出要求，必須有相應(yīng)的 大功率輸出的燃料電池堆與支持運行系統(tǒng)。大功率輸出的燃料電池堆工程設(shè)計與制造，從技術(shù)與制造成本方面來分 析， 一般無法釆用一個由許多塊大活性面積極板構(gòu)成的巨型大功率單堆方法， 而是釆用由多個中小功率燃料電池堆模塊集成在一起達(dá)到大功率輸出要求的 方法?，F(xiàn)有的大規(guī)模、大功率的燃料電池如圖l所示，其中1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16為各電池堆模塊上的電流集流母板， 作正負(fù)極。17為中央總集流、導(dǎo)流面板。A為第一對相對應(yīng)的二組電池堆模 塊，B為第二對相對應(yīng)的二組電池堆模塊，C、 D為第三、第四對相對應(yīng)的二 組電池堆模塊。現(xiàn)有的各電堆間正負(fù)極連接為3與2串聯(lián)，1與8串聯(lián)，7與6 串聯(lián)，5與12串聯(lián)，11與10串聯(lián)，9與16串聯(lián)，15與14串聯(lián)，最后13 與4電流集流母板作為整個集成式燃料電池正負(fù)極向外輸出端?？梢钥闯觯@ 個集成式燃料電池的若干正負(fù)極串聯(lián)引線在整個集成式電堆的兩側(cè)，其跨越獨 立式電堆模塊數(shù)量較多，引線空間布置很長很不合理。上海神力科技有限公司發(fā)明了一種可使集成式燃料電池正負(fù)極引線布置 合理的方法(發(fā)明專利申請?zhí)?00510026002.9，實用新型專利申請?zhí)?200520041695.4)。如圖2所示，標(biāo)號1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16為表示各電池堆模塊上的電流集流母板，作正負(fù)極。17 為中央總集流母板。A為第一對相對應(yīng)的二組電池堆模塊，B為第二對相對應(yīng) 的二組電池堆模塊，C、 D為第三、第四對相對應(yīng)的二組電池堆模塊，本發(fā)明 各電堆間正負(fù)極連接為3與2串聯(lián)，l與5串聯(lián)，6與7串聯(lián)，8與12串聯(lián)， 11與10串聯(lián)，9與13串聯(lián)，14與15串聯(lián)，最后16與4電流集流母板作為整 個集成式燃料電池正負(fù)極向外輸出端。可以看出，這個集成式燃料電池的正負(fù) 引線在整個電堆同側(cè)，空間跨越比原有的引線布置更加合理。但是這種設(shè)計需將燃料電池左右兩側(cè)同一組的二個電堆模塊中各個導(dǎo)流 極板加工完全一樣，并使各個單電池正負(fù)極取向完全一致，這樣這兩個模塊就 可以直接通過各自的集流母板串聯(lián)連接而相鄰的另一組的二個電堆模塊中燃 料電池各個導(dǎo)流極板加工完全一樣，但是卻與相鄰組中的燃料電池各個導(dǎo)流極
板成鏡像加工，使這一組中各個單電池正負(fù)極取向、排列雖然完全一致，但勾 相鄰組的正負(fù)極取向恰好相反，這樣這相鄰兩組電堆模塊就可以通過各自的集 流母板很容易實現(xiàn)正負(fù)極串聯(lián)連接，使得正負(fù)極引線處于整個電堆的同側(cè)，并 在空間連接上實現(xiàn)距離最小化。這種集成式燃料電池堆霈要加工兩種不同的導(dǎo)流板，工藝復(fù)雜，安裝不便， 成本較髙，給批量生產(chǎn)造成很大麻煩。因此目前普遍釆用的集成式燃料電池導(dǎo)流板相同，而正負(fù)極引線連接如圖3所示，中央集流板18前后設(shè)置的電池堆A、 B的各單電池的正負(fù)取向相同，通過穿設(shè)于中央集流板的導(dǎo)電桿20串聯(lián)，電池 堆C、 D單電池的正負(fù)取向與A、 B相同，電池堆B、 C通過導(dǎo)線19對角斜拉 串聯(lián)，從而使整個集成式電堆串聯(lián)。但是這種連接方法由于需要外設(shè)一根較長 導(dǎo)線，占用空間，浪費材料，一旦導(dǎo)線外的絕緣層有所磨損，非常不安全。飼豨本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種節(jié)省材 料、節(jié)約空間、安全可靠的集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn) 一種集成式燃料電池堆的串 聯(lián)方法，其特征在于，該方法包括中央集流板、后端板、四個或四個以上燃料 電池堆、導(dǎo)電體，所述的四個或四個以上燃料電池堆中各個導(dǎo)流極板加工完全 一樣，通過對中央集流板內(nèi)的各個導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流孔的設(shè)置，使中央集流板兩 側(cè)的兩個電堆為一組，該組的各個單電池正負(fù)極取向一致，這兩個電堆之間通 過垂直穿設(shè)于中央集流板的導(dǎo)電體串聯(lián)連接，而相鄰的另一組的兩個電堆中各 個單電池正負(fù)極取向一致，但與相鄰組各單電池正負(fù)極取向相反，相鄰兩組電 堆通過各自的集流母板間的導(dǎo)電體實現(xiàn)正負(fù)極串聯(lián)連接，使得正負(fù)極引線處于 整個集成式電堆的同側(cè)；所述的中央集流板內(nèi)設(shè)有氫氣、空氣、冷卻流體進(jìn)出 通道，各流體從中央集流板兩端或中間或從各電堆后端板前的集流板進(jìn)出電 堆，且各流體進(jìn)出通道與各電堆相應(yīng)流體進(jìn)出口相連。所述的燃料電池堆的相鄰兩組電堆之間形成與中央集流板垂直的縫隙，相 鄰兩組電堆對應(yīng)的中央集流板內(nèi)空氣、氫氣、冷卻流體進(jìn)出流體孔與該縫隙間 距相同，各相應(yīng)同一流體進(jìn)出導(dǎo)流孔呈對稱設(shè)置。
所述的中央染流板上同側(cè)相鄰兩組電堆，其中一組中的緊貼第一塊并4't' 央集流板相向的導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流場為導(dǎo)空氣流場，另一組中的緊貼第一塊并 與中央集流板相向的導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流場為導(dǎo)氫氣流場。所述的導(dǎo)電體形狀包括圓柱體、長方體、立方體、蹄形體。所述的穿設(shè)于中央集流板的導(dǎo)電體有2 20個。所述的中央集流板兩倒設(shè)置的電堆的正負(fù)極取向相同，前后相鄰設(shè)置的電 堆正負(fù)極取向相反。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明燃料電池堆中間設(shè)有中央集流板，進(jìn)行集成封裝 的后端板前設(shè)有后端集流板，氫氣、空氣和冷卻流體可以根據(jù)需要從燃料電池 堆不同方位引出，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，而且可以配合一種長寬比大于1:1的 燃料電池導(dǎo)流極板進(jìn)行設(shè)計。附圉說明

圖1為現(xiàn)有的集成式燃料電池堆正負(fù)極引線布置示意圖圖2為現(xiàn)有另一種集成式燃料電池堆正負(fù)極引線布置示意圖；圖3為現(xiàn)有集成式燃料電池堆正負(fù)極連接示意圖；圖4是本發(fā)明實施例中的集成式燃料電池堆正負(fù)極連接示意圖；圖5為圖4的剖面圖；圖6為圖4電池堆中央集流板上集流母板前的導(dǎo)流板。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 實施例如圖4、 5、 6所示， 一種50KW 100KW的集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法， 它包括四組燃料電池堆A、 B、 C、 D以及一塊中央集流板，這四組燃料電池堆 中各個導(dǎo)流極板加工完全一樣，A、 B前后設(shè)置于中央集流板兩側(cè)，兩個電堆 模塊各個單電池正負(fù)極取向完全一致，這兩個電堆模塊之間通過垂直穿設(shè)于中 央集流板的導(dǎo)電體20串聯(lián)連接，緊貼并與中央集流板相向的導(dǎo)流極板上的導(dǎo) 流場是導(dǎo)空氣流場，是正極；而相鄰的另一組的二個電堆模塊C、 D中燃料電
池各個導(dǎo)流極板與相鄰組中的燃料電池各個導(dǎo)流極板排列以及各單電池正負(fù)極取向相反，靠近中央集流板的為導(dǎo)氫氣極板，是負(fù)極，相鄰兩組電堆模塊B、 D通過各自的集流母板間的導(dǎo)電體19實現(xiàn)正負(fù)極串聯(lián)連接，使得正極引線21、 負(fù)極引線22處于整個電堆的同側(cè)；空氣從中央集流板一端進(jìn)入空氣通道，從 空氣入口23進(jìn)入電堆，從空氣出口26出電堆后，從中央集流板另一端流出； 氫氣從中央集流板一端進(jìn)入，經(jīng)氫氣入口24流入電堆，沿28從后端板前的集 流板流出電堆，冷卻流體從中央集流板一端，經(jīng)冷卻流體入口 25進(jìn)入電堆， 從冷卻流體出口 27流出后，從中央集流板另一端流出。如圖6所示，該集成 式燃料電池堆B、 D電堆最靠近中央集流板18的集流母板前的導(dǎo)流板導(dǎo)空氣 流槽板29、導(dǎo)塞氣流槽板30，所述的燃料電池堆的相鄰兩電堆B、 D之間形成 與中央集流板18垂直的縫隙，相鄰兩組電堆B、 D對應(yīng)的中央集流板內(nèi)空氣進(jìn) 氣口23、氫氣進(jìn)氣口24、冷卻流體進(jìn)流體孔25，空氣出氣口26、氫氣出氣口 28、冷卻流體出流體孔27分別與該縫隙間距相同，即兩空氣進(jìn)氣口23到該縫 隙的間距相同，兩空氣出氣孔26到該縫隙的間距相同，相應(yīng)氫氣、冷卻流體 進(jìn)出口也分別到該縫隙距離相等，各相應(yīng)導(dǎo)流孔呈相對設(shè)置，并處于最近或最 遠(yuǎn)位置。所述的中央集流板上同側(cè)相鄰電堆的集流母板前的導(dǎo)流板一塊為導(dǎo)空 氣流槽板29，另一塊為導(dǎo)氡氣流槽板30。所述的氫氣、空氣、冷卻流體進(jìn)出通道可設(shè)在中央集流板內(nèi)或后端板前的 集流板內(nèi)，各流體從中央集流板兩端或從各電堆后端板前的集流板進(jìn)出電堆， 且各流體進(jìn)出通道與各電堆相應(yīng)流體進(jìn)出口相連。S氣、空氣、冷卻流體也可從電堆中間與中央集流板垂直的縫隙一端或兩 端(電堆B、 D中間或A、 C中間)進(jìn)入中央集流板，在分別從兩邊經(jīng)相同距 離進(jìn)入電堆，在從中央集流板或后端板前的集流板流出。
權(quán)利要求
1.一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法，其特征在于，該方法包括中央集流板、后端板、四個或四個以上燃料電池堆、導(dǎo)電體的設(shè)計，所述的四個或四個以上燃料電池堆中各個導(dǎo)流極板加工完全一樣，通過對中央集流板內(nèi)的各個導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流孔的設(shè)置，使中央集流板兩側(cè)的兩個電堆為一組，該組的各個單電池正負(fù)極取向一致，這兩個電堆之間通過垂直穿設(shè)于中央集流板的導(dǎo)電體串聯(lián)連接，而相鄰的另一組的兩個電堆中各個單電池正負(fù)極取向一致，但與相鄰組各單電池正負(fù)極取向相反，相鄰兩組電堆通過各自的集流母板間的導(dǎo)電體實現(xiàn)正負(fù)極串聯(lián)連接，使得正負(fù)極引線處于整個集成式電堆的同側(cè)；所述的中央集流板內(nèi)設(shè)有氫氣、空氣、冷卻流體進(jìn)出通道，各流體從中央集流板兩端或中間或從各電堆后端板前的集流板進(jìn)出電堆，且各流體進(jìn)出通道與各電堆相應(yīng)流體進(jìn)出口相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法，其特征在 于，所述的燃料電池堆的相鄰兩組電堆之間形成與中央集流板垂直的縫隙，相 鄰兩組電堆對應(yīng)的中央集流板內(nèi)空氣、氫氣、冷卻流體進(jìn)出流體孔與該縫隙間 距相同，各相應(yīng)同一流體進(jìn)出導(dǎo)流孔呈對稱設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法，其特征在 于，所述的中央集流板上同側(cè)相鄰兩組電堆，其中一組中的緊貼第一塊并與中 央集流板相向的導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流場為導(dǎo)空氣流場，另一組中的緊貼第一塊并 與中央集流板相向的導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流場為導(dǎo)氫氣流場。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法，其特征在 于，所述的導(dǎo)電體形狀包括圓柱體、長方體、立方體、蹄形體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法，其特征在 于，所述的穿設(shè)于中央集流板的導(dǎo)電體有2 20個。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法，其特征在 于，所述的中央集流板兩側(cè)設(shè)置的電堆的正負(fù)極取向相同，前后相鄰設(shè)置的電 堆正負(fù)極取向相反。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成式燃料電池堆的串聯(lián)方法，該方法包括中央集流板、后端板、四個或四個以上燃料電池堆、導(dǎo)電體，所述的四個或四個以上燃料電池堆中各個導(dǎo)流極板加工完全一樣，中央集流板兩側(cè)的兩個電堆為一組，該組的各個單電池正負(fù)極取向一致，這兩個電堆之間通過垂直穿設(shè)于中央集流板的導(dǎo)電體串聯(lián)連接，而相鄰的另一組的兩個電堆中各個單電池正負(fù)極取向一致，但與相鄰組各單電池正負(fù)極取向相反，相鄰兩組電堆通過各自的集流母板間的導(dǎo)電體實現(xiàn)正負(fù)極串聯(lián)連接，使得正負(fù)極引線處于整個電堆的同側(cè)；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有節(jié)省材料、節(jié)約空間、安全可靠等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/24GK101165957SQ20061011725
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月18日
發(fā)明者波 章, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司