一种燃料电池堆用多功能端板及其工作方式的制作方法

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池堆用多功能端板及其工作方式，属于燃料电池技术领域。

背景技术：

燃料电池端板燃料电池堆的端板与紧固件配合，起到为内部组件提供封装力的作用,是决定电池堆综合性能的重要部件。常见的端板形式包括：方形端板、圆柱形端板、d形端板等。

现有的燃料电池端板功能简单，直接通过圆形通道与燃料电池堆内部组件通道连通，反应介质由端板通道进入内部组件通道后，压力分布不均，将导致电堆内部反应不均匀，影响电堆性能和使用寿命；特别的当进一步提升电堆反应介质压力时，这种不均一性将更加明显，无法满足大功率燃料电池堆使用需求。且在大功率燃料电池堆工况变化时，气体流量变化对电堆产生的冲击较大，影响燃料电池堆性能和寿命。

同时当前燃料电池发动机系统结构复杂，压力、温度传感器、连接组件均布置在电堆连接管道上，介质管路冗长，排布难度较大，电气接线复杂，泄漏点较多检修不便，且空间较大，难以满足未来燃料电池大规模推广需求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种燃料电池堆用多功能端板及其工作方式。

本发明的技术解决方案是：

一种燃料电池堆用多功能端板，包括前端板和后端板，前端板固定于燃料电池堆前绝缘板上，后端板固定于燃料电池堆后绝缘板上；

前端板前端面上方有空气入口和氢气入口，下方中间处设置有冷却液入口，前端板后端面上设置有第一空气导流腔、第一氢气导流腔和第一冷却液导流腔，所述空气入口与第一空气导流腔连通，氢气入口与第一氢气导流腔连通，冷却液入口与第一冷却液导流腔连通，所述第一空气导流腔的导流出口与燃料电池系统前绝缘板上的空气通道贴合，第一氢气导流腔的导流出口与燃料电池系统前绝缘板上的氢气通道贴合，第一冷却液导流腔的导流出口与燃料电池系统前绝缘板上的冷却液通道贴合；

后端板后端面下方有空气出口和氢气出口，上方中间处设置有冷却液出口，后端板前端面上设置有第二空气导流腔、第二氢气导流腔、第二冷却液导流腔，所述空气出口与第二空气导流腔连通，氢气出口与第二氢气导流腔连通，冷却液出口与第二冷却液导流腔连通，第二空气导流腔的导流入口与燃料电池系统后绝缘板上的空气通道贴合，第二氢气导流腔的导流入口与燃料电池系统后绝缘板上的氢气通道贴合，第二冷却液导流腔的导流入口与燃料电池系统后绝缘板上的冷却液通道贴合。

所述第一空气导流腔、第一氢气导流腔、第一冷却液导流腔、第二空气导流腔、第二氢气导流腔和第二冷却液导流腔均为类扇形腔，所述类扇形腔截面积从端板介质通道向端板边缘逐渐变大，类扇形腔在端板边缘处设置有直线介质通道，且类扇形腔内部，从端板介质通道向直线介质通道之间设置有多个介质流道，类扇形腔除直线介质通道外的边缘为圆弧状；

所述第一空气导流腔、第一氢气导流腔和第一冷却液导流腔的直线介质通道即为导流出口，所述第二空气导流腔、第二氢气导流腔和第二冷却液导流腔的直线介质通道即为导流入口。

所述第一空气导流腔的截面积至少是第一氢气导流腔截面积的倍，第二空气导流腔额截面积至少是第二氢气导流腔截面积的倍。

前端板的上表面，靠近空气入口处设置有空气入口温度传感器接口；前端板靠近空气入口的侧面设置有空气入口压力传感器接口；空气入口温度传感器接口和空气入口压力传感器接口均通过内部通道与空气入口连通；空气入口温度传感器接口前端安装空气入口温度传感器，空气入口压力传感器接口前端安装空气入口压力传感器；

后端板的下表面，靠近空气出口处设置有空气出口温度传感器接口；后端板靠近空气出口的侧面设置有空气出口压力传感器接口，空气出口温度传感器接口和空气出口压力传感器接口均通过内部通道与空气出口连通；空气出口温度传感器接口前端安装空气出口温度传感器，空气出口压力传感器接口前端安装空气出口压力传感器。

前端板的上表面，靠近氢气入口处设置有氢气入口温度传感器接口；前端板靠近氢气入口的侧面设置有氢气入口压力传感器接口，氢气入口温度传感器接口和氢气入口压力传感器接口均通过内部通道与氢气入口连通；氢气入口温度传感器接口前端安装氢气入口温度传感器，氢气入口压力传感器接口前端安装氢气入口压力传感器；

后端板的下表面，靠近氢气出口处设置有氢气出口温度传感器接口；后端板靠近氢气出口的侧面设置有氢气出口压力传感器接口，氢气出口温度传感器接口和氢气出口压力传感器接口均通过内部通道与氢气出口连通；氢气出口温度传感器接口前端安装氢气出口温度传感器，氢气出口压力传感器接口前端安装氢气出口压力传感器。

前端板的下表面，靠近冷却液入口处设有冷却液入口温度传感器接口；前端板的侧面，靠近冷却液入口处设有冷却液入口压力传感器接口，冷却液入口温度传感器接口、冷却液入口压力传感器接口均通过内部通道与冷却液入口连通；冷却液入口温度传感器接口前端安装冷却液入口温度传感器，冷却液入口压力传感器接口前端安装冷却液入口压力传感器；

后端板的上表面，靠近冷却液出口处设有冷却液出口温度传感器接口；后端板的侧面，靠近冷却液出口处设有冷却液出口压力传感器接口，冷却液出口温度传感器接口、冷却液出口压力传感器接口均通过内部通道与冷却液出口连通；冷却液出口温度传感器接口前端安装冷却液出口温度传感器，冷却液出口压力传感器接口前端安装冷却液出口压力传感器。

所述前端板和后端板的厚度均大于20mm；第一空气导流腔、第一氢气导流腔和第一冷却液导流腔的深度相同，均小于前端板厚度的50％，第二空气导流腔、第二氢气导流腔和第二冷却液导流腔的深度相同，均小于后端板厚度的50％。

前端板和后端板上均设计有加强筋。

后端板的氢气出口处连接有气水分离器。

一种燃料电池堆用多功能端板的工作方式，步骤如下：

(1)燃料电池运行时，空气经过滤、增压、降温和加湿后进入前端板上的空气入口，空气入口压力传感器采集空气进入燃料电池堆时的压力，空气入口温度传感器采集空气进入燃料电池堆时的温度；空气进入空气入口后进入前端板上的第一空气导流腔，经第一空气导流腔缓冲和导流后进入燃料电池堆空气通道反应；经燃料电池堆反应后，剩余气体经后端板第二空气导流腔缓冲和导流后，通过后端板空气出口流出，空气出口压力传感器采集空气离开燃料电池堆时的压力，空气出口温度传感器采集空气离开燃料电池堆时的温度；

(2)冷却液经过系统温度调节和增压后进入前端板上的冷却液入口，冷却液入口压力传感器采集冷却液进入燃料电池堆时的压力，冷却液入口温度传感器采集冷却液进入燃料电池堆时的温度；冷却液进入冷却液入口后进入第一冷却液导流腔，经第一冷却液导流腔缓冲和导流后进入燃料电池堆；冷却液进入燃料电池堆带走反应热后，经后端板第二冷却液导流腔缓冲和导流后，通过后端板冷却液出口流出，冷却液出口压力传感器采集冷却液离开燃料电池堆时的压力，冷却液出口温度传感器采集冷却液离开燃料电池堆时的温度；

(3)氢气经过减压后进入前端板上的氢气入口，氢气入口压力传感器采集氢气进入燃料电池堆时的压力，氢气入口温度传感器采集氢气进入燃料电池堆时的温度；氢气进入氢气入口后进入前端板第一氢气导流腔，经第一氢气导流腔缓冲和导流后进入燃料电池堆氢气通道反应；经燃料电池堆反应后，剩余气体经后端板第二氢气导流腔缓冲和导流后，通过后端板氢气出口流出，氢气出口压力传感器采集氢气离开燃料电池堆时的压力，氢气出口温度传感器采集剩余氢气离开燃料电池堆时的温度；

(4)空气入口压力传感器、空气入口温度传感器、空气出口压力传感器、空气出口温度传感器、冷却液入口压力传感器、冷却液入口温度传感器、冷却液出口压力传感器、冷却液出口温度传感器、氢气入口压力传感器、氢气入口温度传感器、氢气出口压力传感器、氢气出口温度传感器将采集的参数反馈至燃料电池堆的控制器，由控制器根据各处的压力和温度以及压力和温度的设计要求，调整进入前端板的空气、氢气或冷却液的流量和温度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明在前后端板上分别设置了空气导流腔、氢气导流腔和冷却液导流腔，通过导流腔形状和结构的设计，实现了对工作介质的缓冲和导流功能，有效促进介质压力在电堆内部通道内均匀分布，当大功率燃料电池堆工况变化时，将降低气体流量变化对电堆产生的冲击，有效提升燃料电池堆性能和燃料电池堆使用寿命。

(2)本发明空气导流腔、氢气导流腔和冷却液导流腔的设计，保证了反应介质(即使是压力很大的反应介质)进入燃料电池堆内部通道后，压力分布均匀，进而保证电堆内部反应均匀，满足大功率燃料电池堆使用需求，显著提高了电堆性能和使用寿命；

(3)本发明设计灵活，可以通过调节端板数量实现燃料电池堆不同功率的需求，且端板上设计有加强筋，为大功率燃料电池堆使用奠定基础。

(4)本发明在保证现有燃料电池堆总装压力、绝缘和工作介质流通功能的基础上，代替了燃料电池系统部分管路和采集功能，在前后端板上增加了对空气路、氢气路和冷却液路的压力和温度采集功能，大大简化燃料电池系统构造，减小系统体积，方便检修，减少系统成本。

附图说明

图1为本发明多功能端板示意图；

图2为前端板前后端面示意图，其中(a)为前端面，(b)为后端面；

图3为后端板前后端面示意图，其中(a)为前端面，(b)为后端面；

图4为前端板上下表面和侧面示意图；

图5为后端板上下表面和侧面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提出了一种燃料电池堆用多功能端板，包括前端板1和后端板2，前端板1固定于燃料电池堆前绝缘板上，后端板2固定于燃料电池堆后绝缘板上。

如图2中(a)所示，前端板1前端面左上方有空气入口11，右上方有氢气入口12，下方中间处设置有冷却液入口13，如图2中(b)所示，前端板1后端面上设置有第一空气导流腔14，第一氢气导流腔15和第一冷却液导流腔16(第一空气导流腔14的截面积至少是第一氢气导流腔15的2倍)，由空气入口11进入的空气经第一空气导流腔14导流到前端板1一侧，然后通过燃料电池堆前绝缘板上的空气通道进入燃料电池堆；由氢气入口12进入的氢气经第一氢气导流腔15导流到前端板1另一侧，然后通过燃料电池堆前绝缘板上的氢气通道进入燃料电池堆；由冷却液入口13进入的冷却液经第一冷却液导流腔16导流到前端板1下侧，然后通过燃料电池堆前绝缘板下侧的冷却液通道进入燃料电池堆。

如图3中(a)所示，后端板2后端面右下方有空气出口21，左下方有氢气出口22，上方中间处设置有冷却液出口23，如图3中(b)所示，后端板2前端面上设置有第二空气导流腔24、第二氢气导流腔25(第二空气导流腔24截面积至少是第二氢气导流腔25截面积的2倍)、第二冷却液导流腔26，燃料电池堆反应后的空气通过后绝缘板空气通道经第二空气导流腔导流后通过空气出口21返回燃料电池系统；燃料电池堆反应后的氢气通过后绝缘板空气通道经第二氢气导流腔导流后通过氢气出口22返回燃料电池系统；燃料电池堆热交换后的冷却液通过后绝缘板冷却液通道经第二冷却液导流腔导流后通过冷却液出口23返回燃料电池系统。

第一空气导流腔、第一氢气导流腔、第一冷却液导流腔、第二空气导流腔、第二氢气导流腔和第二冷却液导流腔均为类扇形腔，所述类扇形腔截面积从端板介质通道向端板边缘逐渐变大，类扇形腔在端板边缘处设置有直线介质通道，且类扇形腔内部，从端板介质通道向直线介质通道之间设置有多个介质流道，类扇形腔除直线介质通道外的边缘为圆弧状。

第一空气导流腔14的直线介质通道(导流入口)与燃料电池系统前绝缘板上的空气通道贴合，第一氢气导流腔15的直线介质通道(导流入口)与燃料电池系统前绝缘板上的氢气通道贴合，第一冷却液导流腔16的直线介质通道(导流入口)与燃料电池系统前绝缘板上的冷却液通道贴合，第二空气导流腔24的直线介质通道(导流出口)与燃料电池系统后绝缘板上的空气通道贴合，第二氢气导流腔25的直线介质通道(导流出口)与燃料电池系统后绝缘板上的氢气通道贴合，第二冷却液导流腔26的直线介质通道(导流出口)与燃料电池系统后绝缘板上的冷却液通道贴合。

如图4所示，前端板1的上表面，靠近空气入口11处设置有空气入口温度传感器接口111，前端板1靠近空气入口11的侧面，设置有空气入口压力传感器接口112，空气入口温度传感器接口111和空气入口压力传感器接口112均通过内部通道与空气入口11连通；空气入口温度传感器接口前端安装空气入口温度传感器，空气入口压力传感器接口前端安装空气入口压力传感器。

前端板1的上表面，靠近氢气入口12处设置有氢气入口温度传感器接口121；前端板1靠近氢气入口12的侧面设置有氢气入口压力传感器接口122，氢气入口温度传感器接口121和氢气入口压力传感器接口122均通过内部通道与氢气入口12通过内部通道连通；氢气入口温度传感器接口前端安装氢气入口温度传感器，氢气入口压力传感器接口前端安装氢气入口压力传感器。

前端板1的下表面，靠近冷却液入口13处设有冷却液入口温度传感器接口131；前端板1的侧面，靠近冷却液入口13处设有冷却液入口压力传感器接口132，冷却液入口温度传感器接口131、冷却液入口压力传感器接口132均通过内部通道与冷却液入口13连通；冷却液入口温度传感器接口前端安装冷却液入口温度传感器，冷却液入口压力传感器接口前端安装冷却液入口压力传感器。

如图5所示，后端板2的下表面，靠近空气出口21处设置有空气出口温度传感器接口211；后端板2靠近空气出口21的侧面设置有空气出口压力传感器接口212，空气出口温度传感器接口211和空气出口压力传感器接口212均通过内部通道与空气出口21连通；空气出口温度传感器接口前端安装空气出口温度传感器，空气出口压力传感器接口前端安装空气出口压力传感器。

后端板2的下表面，靠近氢气出口22处设置有氢气出口温度传感器接口221；后端板2靠近氢气出口22的侧面设置有氢气出口压力传感器接口222，氢气出口温度传感器接口221和氢气出口压力传感器接口222均通过内部通道与氢气出口22通过内部通道连通；氢气出口温度传感器接口前端安装氢气出口温度传感器，氢气出口压力传感器接口前端安装氢气出口压力传感器。

后端板2的上表面，靠近冷却液出口23处设有冷却液出口温度传感器接口231；后端板2的侧面，靠近冷却液出口23处设有冷却液出口压力传感器接口232，冷却液出口温度传感器接口231、冷却液出口压力传感器接口232均通过内部通道与冷却液出口23连通；冷却液出口温度传感器接口前端安装冷却液出口温度传感器，冷却液出口压力传感器接口前端安装冷却液出口压力传感器。

前端板1和后端板2的厚度均大于20mm；第一空气导流腔、第一氢气导流腔和第一冷却液导流腔的深度相同，均小于前端板1厚度的50％，第二空气导流腔、第二氢气导流腔和第二冷却液导流腔的深度相同，均小于后端板2厚度的50％。

前端板1和后端板2上均设计有加强筋。后端板2的氢气出口21处连接有气水分离器。

燃料电池运行时：空气经过滤、增压、降温和加湿后通过通道进入前端板左上方空气入口，空气入口压力传感器采集空气进入燃料电池堆时的压力，空气入口温度传感器采集空气进入燃料电池堆时的温度；空气进入空气入口后进入前端板上的第一空气导流腔，经第一空气导流腔缓冲和导流后进入燃料电池堆空气通道反应；经燃料电池堆反应后，剩余气体经后端板第二空气导流腔缓冲和导流后，通过后端板空气出口流出，空气出口压力传感器采集空气离开燃料电池堆时的压力，空气出口温度传感器采集空气离开燃料电池堆时的温度。

燃料电池运行时：冷却液经过系统温度调节和增压后通过通道进入前端板下方中间处冷却液入口，冷却液入口压力传感器采集冷却液进入燃料电池堆时的压力，冷却液入口温度传感器采集冷却液进入燃料电池堆时的温度；冷却液进入冷却液入口后进入前端板第一冷却液导流腔，经第一冷却液导流腔缓冲和导流后进入燃料电池堆；冷却液进入燃料电池堆带走反应热后，经后端板第二冷却液导流腔缓冲和导流后，进入后端板上方中间处冷却液出口，冷却液出口压力传感器采集冷却液离开燃料电池堆时的压力，冷却液出口温度传感器采集冷却液离开燃料电池堆时的温度。

燃料电池运行时：氢气经过减压通过通道进入前端板右上方氢气入口，氢气入口压力传感器采集氢气进入燃料电池堆时的压力，氢气入口温度传感器采集氢气进入燃料电池堆时的温度；氢气进入氢气入口后进入前端板第一氢气导流腔，经第一氢气导流腔缓冲和导流后进入燃料电池堆氢气通道反应；经燃料电池堆反应后，剩余气体经后端板第二氢气导流腔缓冲和导流后，通过后端板左下方氢气出口流出，氢气出口压力传感器采集氢气离开燃料电池堆时的压力，氢气出口温度传感器采集剩余氢气离开燃料电池堆时的温度；

剩余氢气通过与后端板氢气出口连接的气水分离器，在气水分离器中与液态水分离；剩余氢气离开气水分离器后进入与气水分离器连接的氢气循环泵；氢气经氢气循环泵增压后与燃料电池堆入口的氢混合进入燃料电池堆，不断循环。

空气入口压力传感器、空气入口温度传感器、空气出口压力传感器、空气出口温度传感器、冷却液入口压力传感器、冷却液入口温度传感器、冷却液出口压力传感器、冷却液出口温度传感器、氢气入口压力传感器、氢气入口温度传感器、氢气出口压力传感器、氢气出口温度传感器将采集的参数反馈至燃料电池堆的控制器，由控制器根据各处的压力和温度以及压力和温度的工况要求，调节系统运行状态，使进入前端板的空气、氢气或冷却液的流量和温度满足目标要求。

本发明在保证现有燃料电池堆提供总装压力、绝缘和工作介质流通功能的基础上，代替了燃料电池系统部分管路和采集功能，尤其是增加了工作介质反应前的导流和缓冲功能，实现了对空气路、氢气路和冷却液路的压力和温度的采集；氢气路对氢气进出能够实现氢水分离、循环回收和加温加湿等功能。大大简化燃料电池系统构造，减小系统体积，方便检修，减少系统成本；同时满足燃料电池堆尤其是大功率燃料电池堆对工作介质流量和压力变化的适应能力，有效提升燃料电池堆性能和燃料电池堆使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。