专利名称：一种充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种结构紧凑、便于安装的集成式燃料电 池集流板设计。
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l/202 + 2H+ + 2e—H20在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA) —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。 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。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，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。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。上海神力科技有限公司发明了"一种集成式燃料电池"(发明专利申请号02136045.6，实用新型专利申请号02265512.3)，该集成式燃料电池包括至 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。四组或四组以上燃料电池进行集成式安装时，需要用端板进行固定封装， 电堆中间就会留有较大缝隙，造成浪费。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、便于安装的充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设计。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 一种充分利用集成式燃料电 池堆空间的管道设计，其特征在于，该设计包括进空气管路、进氢气管路、进 冷却流体管路、出空气管路、出氢气管路、出冷却流体管路、四组或四组以上 燃料电池堆、端板，所述的四组或四组以上燃料电池堆中间设有中央集流板进 行集成封装，形成与中央集流板垂直的缝隙，进空气管路、进氢气管路、进冷 却流休管路分别从中央集流板同一测缝隙或两侧缝隙中连接到中央集流板上， 出空气管路从中央集流板两端引出，所述的端板前设有集流板，出氢气管路和 出冷却流体管路从各端板前的集流板引出或从中央集流板一端或两端引出。所述的进空气管路为方形管，该方形管高度与燃料电池堆相当，宽度与集 成式燃料电池堆中间缝隙相当。所述的进空气管路为方形管，该方形管出电堆后采用天圆地方或天方地圆 的变形接头与圆形管连接，其横截面积与相应圆形管横截面积相同。所述的进氢气管路、进冷却流体管路为圆形管，该进氢气管路、进冷却流 体管路从进空气管路对面缝隙或从进空气管路内穿过连接到中央集流板上。所述的四组或四组以上燃料电池堆设在中央集流板的两侧面并夹住且共 用中央集流板，用端板通过螺杆夹紧固定电池堆，从而构成集成式燃料电池。与现有技术相比，本发明将进流体管路设置在集成式电堆中间的缝隙处， 充分利用电堆空间，结构紧凑，便于安装。
图1是现有燃料电池的结构示意图； 图2是本发明实施例1的燃料电池的结构示意图； 图3是本发明实施例2的燃料电池的结构示意图； 图4是本发明实施例3的燃料电池的结构示意图。
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2所示， 一种50KW 100KW的充分利用集成式燃料电池堆之间形成 的空伺的管道设计，它包括四组燃料电池堆A、 B、 C、 D (其中A、 C组与B、 D组左右对称)以及一块中央集流板E，四组燃料电池堆设在中央集流板的两
侧面并夹住且共用中央集流板，用端板7通过螺杆9夹紧固定电池堆，从而构 成集成式燃料电池，进行集成封装时，形成与中央集流板垂直的缝隙，进空气
管路1、进氢气管路3、进冷却流体管路3分别从该中央集流板缝隙两侧连接 到中央集流板上，出空气管路4从中央集流板两端引出，所述的端板7前设有 集流板8，出氢气管路6从各端板前的集流板引出，出冷却流体管路5从中央 集流板两端引出。所述的进空气管路为方形管，该方形管高度与燃料电池堆相 当，宽度与集成式燃料电池堆中间缝隙相当。所述的进氢气管路3、进冷却流 体管路2为圆形管，该进氢气管路、进冷却流体管路从进空气管路对面缝隙连 接到中央集流板上。
所述的进空气管路为方形管，该方形管出电堆后采用天圆地方或天方地圆 的变形接头与圆形管连接，其横截面积与相应圆形管横截面积相同。
所述的进氢气管路、进冷却流体管路也可穿设于进空气管路内。
实施例2
如图3所示， 一种50KW 100KW的充分利用集成式燃料电池堆空间的管 道设计，它包括四组燃料电池堆A、 B、 C、 D (其中A、 C组与B、 D组左右 对称)以及一块中央集流板E，四组燃料电池堆设在中央集流板的两侧面并夹 住且共用中央集流板，用端板7通过螺杆9夹紧固定电池堆，从而构成集成式 燃料电池，进行集成封装时，形成与中央集流板垂直的缝隙，进空气管路1、 进氢气管路3、进冷却流体管路3分别从该缝隙两恻连接到中央集流板上，出 空气管路4从中央集流板两端引出，所述的端板7前设有集流板8，出氢气管 路6从各端板前的集流板引出，出冷却流体管路5从中央集流板一端引出。所 述的进空气管路为方形管，该方形管高度与燃料电池堆相当，宽度与集成式燃 料电池堆中间缝隙相当。所述的进氢气管路3、进冷却流体管路2为圆形管， 该进氢气管路、进冷却流体管路从进空气管路对面缝隙连接到中央集流板上。
所述的进空气管路为方形管，该方形管出电堆后采用天圆地方或天方地圆 的变形接头与圆形管连接，其横截面积与相应圆形管横截面积相同。
所述的进氢气管路、进冷却流体管路也可穿设于进空气管路内。
实施例3
如图4所示， 一种50KW 100KW的充分利用集成式燃料电池堆空间的管
道设计，它包括四组燃料电池堆A、 B、 C、 D(其中A、 C组与B、 D组左右 对称)以及一块中央集流板E，四组燃料电池堆设在中央集流板的两侧面并夹 住且共用中央集流板，用端板7通过螺杆9夹紧固定电池堆，从而构成集成式 燃料电池，进行集成封装时，形成与中央集流板垂直的缝隙，进空气管路1、 进氢气管路3、进冷却流体管路3分别从该缝隙两侧连接到中央集流板上，出 空气管路4从中央集流板两端引出，所述的端板7前设有集流板8，出氢气管 路6从各端板前的集流板引出，出冷却流体管路5从各端板前的集流板引出。 所述的进空气管路为方形管，该方形管高度与燃料电池堆相当，宽度与集成式 燃料电池堆中间缝隙相当。所述的进氢气管路3、进冷却流体管路2为圆形管， 该进氢气管路、进冷却流体管路从进空气管路对面缝隙连接到中央集流板上。
所述的进空气管路为方形管，该方形管出电堆后采用天圆地方或天方地圆 的变形接头与圆形管连接，其横截面积与相应圆形管横截面积相同。
所述的进氢气管路、进冷却流体管路也可穿设于进空气管路内。
实施例4
参见图2、 3、 4， 一种50KW 100KW的充分利用集成式燃料电池堆空间 的管道设计，其特征在于，该设计包括进空气管路、进氢气管路、进冷却流体 管路、出空气管路、出氢气管路、出冷却流体管路、四组或四组以上燃料电池 堆、端板，所述的四组或四组以上燃料电池堆中间设有中央集流板，进行集成 封装形成与中央集流板垂直的缝隙，进空气管路、进氢气管路、进冷却流体管 路分别从该缝隙同侧或两侧连接到中央集流板上，出空气管路从中央集流板两 端引出，所述的端板前设有集流板，出氢气管路和出冷却流体管路从各端板前 的集流板引出或从中央集流板一端或两端引出。
所述的进空气管路为方形管，该方形管高度与燃料电池堆相当，宽度与集 成式燃料电池堆中间缝隙相当。
所述的进空气管路为方形管，该方形管出电堆后采用天圆地方或天方地圆 的变形接头与圆形管连接，其横截面积与相应圆形管横截面积相同。
所述的进氢气管路、进冷却流体管路为圆形管，该进氢气管路、进冷却流 体管路从进空气管路对面缝隙或从进空气管路内穿过连接到中央集流板上。
所述的四组或四组以上燃料电池堆设在中央集流板的两侧面并夹住且共
用中央集流板，用端板通过螺杆夹紧固定电池堆，从而构成集成式燃料电池。 氢气、空气、冷却流体可以根据需要分别从中央集流板或者从端板前的集
流板出燃料电池堆。
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。
权利要求
1.一种充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设计，其特征在于，该设计包括进空气管路、进氢气管路、进冷却流体管路、出空气管路、出氢气管路、出冷却流体管路、四组或四组以上燃料电池堆、端板，所述的四组或四组以上燃料电池堆中间设有中央集流板进行集成封装，形成与中央集流板垂直的缝隙，进空气管路、进氢气管路、进冷却流体管路分别从中央集流板同一测缝隙或两侧缝隙中连接到中央集流板上，出空气管路从中央集流板两端引出，所述的端板前设有集流板，出氢气管路和出冷却流体管路从各端板前的集流板引出或从中央集流板一端或两端引出。
2. 根据权利要求1所述的一种充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设 计，其特征在于，所述的进空气管路为方形管，该方形管高度与燃料电池堆相 当，宽度与集成式燃料电池堆中间缝隙相当。
3. 根据权利要求1所述的一种充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设 计，其特征在于，所述的进空气管路为方形管，该方形管出电堆后釆用天圆地 方或天方地圆的变形接头与圆形管连接，其横截面积与相应圆形管横截面积相 同。
4. 根据权利要求1所述的一种充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设 计，其特征在于，所述的进氢气管路、进冷却流体管路为圆形管，该进氢气管 路、进冷却流体管路从进空气管路对面缝隙或从进空气管路内穿过连接到中央 集流板上。
5. 根据权利要求1所述的一种充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设 计，其特征在于，所述的四组或四组以上燃料电池堆设在中央集流板的两侧面 并夹住且共用中央集流板，用端板通过螺杆夹紧固定电池堆，从而构成集成式 燃料电池。
全文摘要
本发明涉及一种充分利用集成式燃料电池堆空间的管道设计，该设计包括进空气管路、进氢气管路、进冷却流体管路、出空气管路、出氢气管路、出冷却流体管路、四组或四组以上燃料电池堆、端板，所述的四组或四组以上燃料电池堆中间设有中央集流板进行集成封装，形成与中央集流板垂直的缝隙，进空气管路、进氢气管路、进冷却流体管路分别从中央集流板同一测缝隙或两侧缝隙中连接到中央集流板上，出空气管路从中央集流板两端引出，所述的端板前设有集流板，出氢气管路和出冷却流体管路从各端板前的集流板引出或从中央集流板一端或两端引出；与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、空间利用充分等优点。
文档编号H01M4/88GK101132073SQ20061003046
公开日2008年2月27日 申请日期2006年8月25日 优先权日2006年8月25日
发明者丽 李, 波 章, 胡里清, 龚松涛 申请人:上海神力科技有限公司