专利名称：一种燃料电池堆流体进出口的设置方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池堆流体进出口的设置方法。
技术背景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可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可作手 提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池发电系统必须包括燃 料电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出等各个 部分。质子交换膜燃料电池运行的稳定与可靠性对作为车、船动力系统或可移 式发电装置的应用是非常重要的。其中提高燃料电池堆的运行稳定与可靠性是关键。目前，质子交换膜燃料电池堆在各流体通道的设计上通常采用牺牲极板的 有效利用面积，在各膜电极与极板的相同位置开设流体孔，并将各块膜电极与 极板经叠合组成各流体通道。也就是说，每块膜电极与极板上均设有燃料进、 燃料出、氧化剂进、氧化剂出、冷却流体进、冷却流体出的流体孔，这些膜电 极与导流极板经垂直叠合后就组成燃料电池组，而这些流体孔就组成了燃料电 池组内部的燃料进、出；氧化剂进、出；冷却流体进、出的各流体导流通道，并将这些流体通道集合在燃料电池组前或后端板上组成燃料进口、燃料出口， 氧化剂进口、氧化剂出口，冷却流体进口、冷却流体出口。目前，质子交换膜燃料电池发电系统中氢气供应、空气供应、冷却散热的三进三出管路都是设置在燃料电池堆的流体分配板7、 8的前后两端，如图1 所示，氢气进口管路1、空气进口管路3、冷却流体进口管路5设置在燃料电 池堆的前端板7的前后两端，氢气出口管路2、空气出口管路4、冷却流体出 口管路6设置在燃料电池堆的后端板8的前后两端，流体从流体分配板的前后 端进入电堆后，流过导流板反应后，汇集后，爬升到流体分配板的前后端流出， 必然会需要较大的流体压力将流到导流板下端的流体压到一定高度，才能从设 置在流体分配板前后端的流体出口流出，这种设计流体排出难度较大，易造成 堵水。发明内容本发明的目的就是为了解决上述问题而提供的一种有利于流体排出、不易 堵水的燃料电池堆流体进出口的设置方法。本发明的目的是这样实现的 一种燃料电池堆流体进出口的设置方法，包 括单电池堆或集成式电池堆、流体分配板、氢气进出管路、空气进出管路、冷 却流体进出管路的三进三出管路的设置，其特征在于，所述的流体分配板包括 中央集流板、前/后端流体分配板，所述的三进三出管路设置在燃料电池堆的流 体分配板上，其中氢气出口管路、空气出口管路、冷却流体出口管路设置在流 体分配板的下端，氢气、空气、冷却流体分别从中央集流板或前/后端流体分配 板进入电池堆，反应后，从中央集流板或前/后端流体分配板下端流出电堆。所述的集成式电池堆包括至少两组设置于中央集流板两侧或同侧的前、 后，左、右或上、下位置的燃料电池堆。所述的燃料电池堆为单电池堆，该单电池堆的流体分配板为燃料电池堆的 前/后端流体分配板，所述的氢气进口管路、空气进口管路、冷却流体进口管路 设置在前/后端流体分配板上，所述的氢气出口管路、空气出口管路、冷却流体 出口管路设置在前/后端流体分配板的下端。所述的燃料电池堆为集成式电池堆，该集成式电池堆的流体分配板包括中 央集流板及与其对应二端的二块后端流体分配板，所述的氢气进口管路、空气 进口管路、冷却流体进口管路设置在中央集流板或二块后端流体分配板上，所 述的氢气出口管路、空气出口管路、冷却流体出口管路设置在中央集流板或二 块后端流体分配板的下端。所述的氢气、空气分别从流体分配板进入电池堆，流经燃料电池堆中由所 有导流极板与电极的空气出口 、氢气出口组成的空气出口共用通道与氢气出口 共用通道后，经过流体分配板并直接从流体分配板下端排出。与现有技术相比，本发明将氢气出口管路、空气出口管路、冷却流体出口 管路设置在燃料电池堆的流体分配板的下端，使燃料电池堆反应后的流体在重 力作用下自然流出电堆，保证了流体流动的畅通，不易堵水。
图1是现有技术燃料电池的三进三出管路示意图；图2是本发明实施例1的燃料电池的三进三出管路示意图;图3是本发明实施例2的燃料电池的三进三出管路示意图。
具体实施方式
实施例1:如图2所示， 一种单电池燃料电池堆，包括氢气进口管路l、氢气出口管 路2、空气进口管路3、空气出口管路4、冷却流体进口管路5、冷却流体出口 管路6、前端板7、后端板8，所述的氢气进口管路l、空气进口管路3、冷却 流体进口管路5设置在燃料电池堆的前端板7的前后两端，所述的氢气出口管路2、空气出口管路4、冷却流体出口管路6设置在燃料电池堆的后端板8的 下端。氢气、空气、冷却流体分别从前端板7前后两端进入电池堆，反应后， 从后端板8下端流出电堆。所述的氢气进口管路l、氢气出口管路2、空气进口管路3、空气出口管路 4、冷却流体进口管路5、冷却流体出口管路6可以根据需要分别设置在前端板 7、后端板8的前后端或下端。实施例2:如图3所示， 一种四电堆的集成式燃料电池堆，包括氢气进口管路1、氢 气出口管路2、空气进口管路3、空气出口管路4、冷却流体进口管路5、冷却 流体出口管路6、中央集流板9、末端板10，所述的氢气进口管路1、空气进 口管路3、冷却流体进口管路5设置在燃料电池堆的中央集流板9的前两端， 所述的空气出口 4设置在中央集流板9的下端，所述的氢气出口管路2、冷却 流体出口管路6设置在末端板10的下端。氢气、空气、冷却流体分别从中央 集流板9前端进入电池堆，反应后，从中央集流板9或末端板IO的下端流出 电堆。可以根据需要，将氢气进口管路l、氢气出口管路2、空气进口管路3、空 气出口管路4、冷却流体进口管路5、冷却流体出口管路6设置在中央集流板9 或末端板10的前后或下端，保证各流体出口在中央集流板9或末端板10的下 端即可。利用重力作用，使各流体自然排出，保证了流体流动的畅通，不易堵 水。所述的燃料电池堆是集成式电池堆包括单电池堆，二个电池堆左右或上下 设置，四个电池堆前后左右或上下设置，及其他多个电池堆前后左右和/或上下 设置，氢气、空气分别从燃料电池堆的流体分配板前后两端进入电池堆，流经 燃料电池堆中由所有导流极板与电极的空气出口、氢气出口组成的空气出口通 道与氢气出口通道后，经过流体分配板并直接从流体分配板下端排出。
权利要求
1.一种燃料电池堆流体进出口的设置方法，包括单电池堆或集成式电池堆、流体分配板、氢气进出管路、空气进出管路、冷却流体进出管路的三进三出管路的设置，其特征在于，所述的流体分配板包括中央集流板、前/后端流体分配板，所述的三进三出管路设置在燃料电池堆的流体分配板上，其中氢气出口管路、空气出口管路、冷却流体出口管路设置在流体分配板的下端，氢气、空气、冷却流体分别从中央集流板或前/后端流体分配板进入电池堆，反应后，从中央集流板或前/后端流体分配板下端流出电堆。
2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池堆流体进出口的设置方法，其特 征在于，所述的集成式电池堆包括至少两组设置于中央集流板两侧或同侧的 前、后，左、右或上、下位置的燃料电池堆。
3. 根据权利要求1所述的一种燃料电池堆流体进出口的设置方法，其特 征在于，所述的燃料电池堆为单电池堆，该单电池堆的流体分配板为燃料电池 堆的前/后端流体分配板，所述的氢气进口管路、空气进口管路、冷却流体进口 管路设置在前/后端流体分配板上，所述的氢气出口管路、空气出口管路、冷却 流体出口管路设置在前/后端流体分配板的下端。
4. 根据权利要求1所述的一种燃料电池堆流体进出口的设置方法，其特 征在于，所述的燃料电池堆为集成式电池堆，该集成式电池堆的流体分配板包 括中央集流板及与其对应二端的二块后端流体分配板，所述的氢气进口管路、 空气进口管路、冷却流体进口管路设置在中央集流板或二块后端流体分配板 上，所述的氢气出口管路、空气出口管路、冷却流体出口管路设置在中央集流 板或二块后端流体分配板的下端。
5. 根据权利要求1所述的一种燃料电池堆流体进出口的设置方法，其特 征在于，所述的氢气、空气分别从流体分配板进入电池堆，流经燃料电池堆中 由所有导流极板与电极的空气出口、氢气出口组成的空气出口共用通道与氢气 出口共用通道后，经过流体分配板并直接从流体分配板下端排出。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池堆流体进出口的设置方法，包括单电池堆或集成式电池堆、流体分配板、氢气进出管路、空气进出管路、冷却流体进出管路的三进三出管路的设置，所述的流体分配板包括中央集流板、前/后端流体分配板，所述的三进三出管路设置在燃料电池堆的流体分配板上，其中氢气出口管路、空气出口管路、冷却流体出口管路设置在流体分配板的下端，氢气、空气、冷却流体分别从中央集流板或前/后端流体分配板进入电池堆，反应后，从中央集流板或前/后端流体分配板下端流出电堆。与现有技术相比，本发明具有有利于流体排出、不易堵水等特点。
文档编号H01M8/02GK101335354SQ20071004277
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者波 章, 胡里清 申请人:上海神力科技有限公司