端板组件、电堆控制系统、燃料电池的制作方法

1.本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种端板组件、电堆控制系统、燃料电池。


背景技术：

2.随着化石燃料的需求日益增加，人们对于可再生资源越来越重视。氢氧燃料电池作为环境友好资源的一种逐渐进入人们的生活，其工作原理为：氢气在氧化剂的作用下，在阳极分解产生氢质子和电子，氢质子穿过质子交换膜，在阴极与氧气和外电路传输的电子反应，其产物为水，对于环境没有污染。氢氧燃料电池采用非燃烧的手段将化学能转化为电能，不受卡诺循环的约束其直接发电效率达45％，由于氢氧燃料电池具有优异的性能而受到各个国家的重视与关注，成为了各个国家研究的热点，目前已应用于民用、军工等生活各个领域。
3.燃料电池固定式发电系统及热电联产系统是质子交换膜燃料电池的重要应用场景也是氢能利用、节能减排的重要方向，目前已经有多款燃料电池电站系统进行示范运行，因为单电堆的输出功率在几千瓦至几十千瓦不等，所以该系统一般由多个乃至几十个电堆串并联而成，从而提供百千瓦乃至兆瓦级的输出功率。例如在兆瓦级发电系统应用领域，所需电堆的数量较多，所以多电堆集成应用成为该系统面临的关键技术挑战，所以提高多电堆集成度，提高电堆输出热电联产效率非常必要。但是目前多电堆的集成度一般较低，是通过管道将各个电堆并联起来，即氢气的进出口、空气的进出口、冷却水的进出口通过管道，分配到各个电堆。各个电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却水进出口都在各自电堆的端板上，通过管道连接，所以各个电堆是相互隔开的。
4.现有情况下，这种通过管道连接的多电堆集成方式会有以下问题存在。具体如下：
5.a.因为反应物和冷却水带有热量，如果经过长的管道，反应物的热量会被传递到环境中，造成热量的损失；
6.b.不利于集成封装，因为固定式发电系统需要相当多的电堆，所以将管道设计在电堆外部需要大量的空间，电堆的串并联需要电堆的堆砌，这样会造成电堆的固定不方便甚至造成安全问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种高集成度且高热电联产效率的端板组件、电堆控制系统、燃料电池。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.一种端板组件，与外部多个电堆配合使用，所述端板组件包括第一端板和第二端板，所述第一端板包括空气管道和氢气管道，所述空气管道被配置为将外部空气传送至每个电堆内，或者，将每个电堆内反应后的空气传送至外部；所述氢气管道被配置为将外部氢气传送至每个电堆内，或者，将每个电堆内反应后的氢气传送至外部；所述第二端板包括冷却水管道，所述冷却水管道被配置为外部冷却水传送至每个电堆内，或者，将每个电堆内反
应后的冷却水传送至外部。反应物即空气、氢气、冷却水通过设置在端板内的各自的管道分配到各个电堆中，这样能够保证管道内的热量会保存在端板内，进而对电堆的端电池起到保温的作用。
10.进一步地，所述空气管道包括第一空气管道和第二空气管道，所述氢气管道包括第一氢气管道和第二氢气管道，所述冷却水管道包括第一冷却水管道和第二冷却水管道。
11.进一步地，所述第一空气管道的入口与外部空气供应装置连通，所述第一空气管道具有多个出口，且多个出口与外部多个电堆一一对应；所述第二空气管道的出口与外部空气回收装置连通，所述第二空气管道具有多个入口，且多个入口与外部多个电堆一一对应；
12.所述第一氢气管道的入口与外部氢气供应装置连通，所述第一氢气管道具有多个出口，且多个出口与外部多个电堆一一对应；所述第二氢气管道的出口与外部氢气回收装置连通，所述第二氢气管道具有多个入口，且多个入口与外部多个电堆一一对应；
13.所述第一冷却水管道的入口与外部冷却水供应装置连通，所述第一冷却水管道具有多个出口，且多个出口与外部多个电堆一一对应；所述第二冷却水管道的出口与外部冷却水回收装置连通，所述第二冷却水管道具有多个入口，且多个入口与外部多个电堆一一对应。
14.进一步优选地，所述第一端板上设有第一空气接口、第一氢气接口、第二空气接口、第二氢气接口，其中，所述第一空气管道的入口与所述第一空气接口连通，所述第一空气接口与外部空气供应装置连通；所述第二空气管道的出口与所述第二空气接口连通，所述第二空气接口与外部空气回收装置连通；所述第一氢气管道的入口与所述第一氢气接口连通，所述第一氢气接口与外部氢气供应装置连通；所述第二氢气管道的出口与所述第二氢气接口连通，所述第二氢气接口与外部氢气回收装置连通；
15.所述第二端板上设有第一冷却水接口和第二冷却水接口，其中，所述第一冷却水管道的入口与所述第一冷却水接口连通，所述第一冷却水接口与外部冷却水供应装置连通；所述第二冷却水管道的出口与所述第二冷却水接口连通，所述第二冷却水接口与外部冷却水回收装置连通。
16.进一步优选地，所述第一端板上开设有多个空气出口、多个空气入口、多个氢气出口、多个氢气入口，其中，所述多个空气出口与外部多个电堆一一对应设置，且所述多个空气出口与所述第一空气管道的多个出口一一对应连通，所述多个空气入口与外部多个电堆一一对应设置，且所述多个空气入口与所述第二空气管道的多个入口一一对应连通，使得外部空气通过所述第一空气管道进入至每个电堆中，并在电堆反应后通过所述第二空气管道传送至外部；所述多个氢气出口与外部多个电堆一一对应设置，且所述多个氢气出口与所述第一氢气管道的多个出口一一对应连通，所述多个氢气入口与外部多个电堆一一对应设置，且所述多个氢气入口与所述第二氢气管道的多个入口一一对应连通，使得外部氢气通过所述第一氢气管道进入至每个电堆中，并在电堆反应后通过所述第二氢气管道传送至外部；
17.所述第二端板上开设有多个冷却水出口、多个冷却水入口，其中，所述多个冷却水出口与外部多个电堆一一对应设置，且所述多个冷却水出口与所述第一冷却水管道的多个出口一一对应连通，所述多个冷却水入口与外部多个电堆一一对应设置，且所述多个冷却
水入口与所述第二冷却水管道的多个入口一一对应连通，使得外部冷却水通过所述第一冷却水管道进入至每个电堆中，并在电堆反应后通过所述第二冷却水管道传送至外部。
18.优选地，所述第一空气管道、第二空气管道、第一氢气管道、第二氢气管道位于同一平面内，并且，所述第一冷却水管道和所述第二冷却水管道位于同一平面内。
19.优选地，所述第一端板和第二端板均包括第一板面和第二板面，所述第一空气接口、第一氢气接口、第二空气接口、第二氢气接口设置在所述第一端板的第一板面上，且所述多个空气出口、多个空气入口、多个氢气出口、多个氢气入口设置在所述第一端板的第二板面上；所述第一冷却水接口设置在所述第二端板的第一板面上，且所述第二冷却水接口设置在所述第二端板上的第二板面上。
20.进一步地，所述第一端板和第二端板上还开设有多个通孔，所述通孔用于与外部螺帽、螺杆配合使用，使得外部多个电堆位于所述第一端板和第二端板之间的区域内。
21.一种电堆控制系统，所述电堆控制系统包括多个电堆、上文所述的端板组件、空气供应装置、氢气供应装置、冷却水供应装置、空气回收装置、氢气回收装置、冷却水回收装置及控制器，其中，所述控制器与所述空气供应装置、氢气供应装置、冷却水供应装置、空气回收装置、氢气回收装置、冷却水回收装置分别电连接，所述空气供应装置、氢气供应装置、冷却水供应装置、空气回收装置、氢气回收装置、冷却水回收装置分别与所述端板组件连接，所述端板组件与所述电堆配合连接。
22.一种燃料电池，所述燃料电池包括上文所述的端板组件。
23.本发明具有的优点：将传送氢气、空气的管道集成至一个端板内，且将传送冷却水的管道集成至另一个端板内，缩减外部管道，这样设计有利于电堆的集成和节省空间资源，并且，保存端板的热量有利于提高端部节电池的输出电压，保证了端部节电池温度，提高端部节电池性能，进一步提高发电系统的热电联产效率。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的端板组件的第一结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的端板组件的第二结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的第一端板的局部透视图；
28.图4是本发明实施例提供的第一端板的局部结构图；
29.图5是本发明实施例提供的第二端板的局部透视图；
30.图6是本发明实施例提供的第二端板的局部结构图；
31.图7是本发明实施例提供的电堆控制系统的原理示意图。
32.其中，附图标记包括：11-第一端板，12-第二端板，111-第一空气接口，1111-第一空气出口，1112-第二空气出口，1113-第三空气出口，1114-第四空气出口，112-第一氢气接口，1121-第一氢气出口，1122-第二氢气出口，1123-第三氢气出口，1124-第四氢气出口，113-第一冷却水接口，1131-第一冷却水出口，1132-第二冷却水出口，1133-第三冷却水出
口，1134-第四冷却水出口，121-第二空气接口，1211-第一空气入口，1212-第二空气入口，1213-第三空气入口，1214-第四空气入口，122-第二氢气接口，1221-第一氢气入口，1222-第二氢气入口，1223-第三氢气入口，1224-第四氢气入口，123-第二冷却水接口，1231-第一冷却水入口，1232-第二冷却水入口，1233-第三冷却水入口，1234-第四冷却水入口，131-第一空气管道，132-第一氢气管道，133-第一冷却水管道，141-第二空气管道，142-第二氢气管道，143-第二冷却水管道，21-第一电堆，22-第二电堆，23-第三电堆，24-第四电堆，31-螺帽，32-螺杆，4-密封圈。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.本发明具体针对质子交换膜水冷燃料电池的大功率发电系统的多电堆集成设计问题，提出一新的设计方案：将多个电堆的氢气的进出口和空气的进出口都集成到一个端板上，而将冷却水的进出口都集成到另一个端板上，将外部管道缩减，集成到内部端板，这样设计有利于电堆的集成和节省空间资源，并提高电堆输出的一致性，提高电堆的使用寿命；另外，根据以往实验得知端部节电池电压的输出较低往往是因为端部温度低于电堆内部温度，所以将外部管道缩减并集成到内部端板可以降低外部散热，保存端板的热量，提高端部节电池性能，提高发电系统的热电联产效率；并且，在工艺制作上采用多层结构加密封的方式，更加稳定安全。
35.在本发明的一个实施例中，提供了一种端板组件，与外部多个电堆配合使用，如图1、2所示，端板组件包括第一端板11和第二端板12。
36.如图3所示，第一端板11包括空气管道，空气管道包括第一空气管道131和第二空气管道141，其中，第一空气管道131的入口与外部空气供应装置连通，第一空气管道131具有多个出口，且多个出口与外部多个电堆一一对应，并且，第二空气管道141的出口与外部空气回收装置连通，第二空气管道141具有多个入口，且多个入口与外部多个电堆一一对应，从而外部空气供应装置提供的空气能够通过第一空气管道131传送至每个电堆内，且每个电堆内反应后的空气及剩余物通过第二空气管道141传送至外部空气回收装置。在本实施例中，如图1所示，第一端板11上设有第一空气接口111、第二空气接口121，第一空气管道131的入口与第一空气接口111连通，第一空气接口111与外部空气供应装置连通，并且，第二空气管道141的出口与第二空气接口121连通，第二空气接口121与外部空气回收装置连
通。
37.在本实施例中，如图3所示，第一端板11还包括氢气管道，氢气管道包括第一氢气管道132和第二氢气管道142，其中，第一氢气管道132的入口与外部氢气供应装置连通，第一氢气管道132具有多个出口，且多个出口与外部多个电堆一一对应，并且，第二氢气管道142的出口与外部氢气回收装置连通，第二氢气管道142具有多个入口，且多个入口与外部多个电堆一一对应，从而外部氢气供应装置提供的氢气通过第一氢气管道132传送至每个电堆内，并将每个电堆内反应后的氢气及剩余物通过第二氢气管道142传送至外部氢气回收装置。在本实施例中，如图1所示，第一端板11上设有第一氢气接口112、第二氢气接口122，第一氢气管道132的入口与第一氢气接口112连通，第一氢气接口112与外部氢气供应装置连通；第二氢气管道142的出口与第二氢气接口122连通，第二氢气接口122与外部氢气回收装置连通。
38.在本实施例中，如图5所示，第二端板12包括冷却水管道，冷却水管道包括第一冷却水管道133和第二冷却水管道143，其中，第一冷却水管道133的入口与外部冷却水供应装置连通，第一冷却水管道133具有多个出口，且多个出口与外部多个电堆一一对应，并且，第二冷却水管道143的出口与外部冷却水回收装置连通，第二冷却水管道143具有多个入口，且多个入口与外部多个电堆一一对应，从而外部冷却水供应装置提供的冷却水通过第一冷却水管道133传送至每个电堆内，并将每个电堆内反应后的冷却水通过第二冷却水管道143传送至外部冷却水回收装置。在本实施例中，第二端板12上设有第一冷却水接口113和第二冷却水接口123，其中，第一冷却水管道133的入口与第一冷却水接口113连通，第一冷却水接口113与外部冷却水供应装置连通；第二冷却水管道143的出口与第二冷却水接口123连通，第二冷却水接口123与外部冷却水回收装置连通。
39.本端板组件能够与外部多个电堆配合使用，电堆的数量、空气管道的出口和入口数量、氢气管道的出口和入口数量、冷却水管道的出口和入口数量相互关联，具体地，第一端板11上开设有多个空气出口、多个空气入口，其中，多个空气出口与外部多个电堆一一对应设置，且多个空气出口与第一空气管道131的多个出口一一对应连通，多个空气入口与外部多个电堆一一对应设置，且多个空气入口与第二空气管道141的多个入口一一对应连通，使得外部空气通过第一空气管道132进入至每个电堆中，并在电堆反应后通过第二空气管道141传送至外部。第一端板11上开设有多个氢气出口、多个氢气入口，其中，多个氢气出口与外部多个电堆一一对应设置，且多个氢气出口与第一氢气管道132的多个出口一一对应连通，多个氢气入口与外部多个电堆一一对应设置，且多个氢气入口与第二氢气管道142的多个入口一一对应连通，使得外部氢气通过第一氢气管道132进入至每个电堆中，并在电堆反应后通过第二氢气管道142传送至外部。同时，第二端板12上开设有多个冷却水出口、多个冷却水入口，其中，多个冷却水出口与外部多个电堆一一对应设置，且多个冷却水出口与第一冷却水管道133的多个出口一一对应连通，多个冷却水入口与外部多个电堆一一对应设置，且多个冷却水入口与第二冷却水管道143的多个入口一一对应连通，使得外部冷却水通过第一冷却水管道133进入至每个电堆中，并在电堆反应后通过第二冷却水管道143传送至外部。
40.在本实施例中，第一端板11和第二端板12均包括第一板面和第二板面，第一空气接口111、第一氢气接口112、第二空气接口121、第二氢气接口122设置在第一端板11的第一
板面上，且多个空气出口、多个空气入口、多个氢气出口、多个氢气入口设置在第一端板11的第二板面上，第一冷却水接口113设置在第二端板12的第一板面上，且第二冷却水接口123设置在第二端板12上的第二板面上，即与外部供应装置和回收装置连通的接口与与每个电堆对应配合设置的接口不在第一端板11的同一面上，这样有利于整个电堆系统的空间规划，但也可以根据情况自行设置接口的位置，不以此限定本发明的保护范围。
41.在本发明的一个实施例中，本端板组件与外部的四个电堆配合使用，四个电堆分别为第一电堆21、第二电堆22、第三电堆23、第四电堆24。
42.如图1、2、3、5所示，第一空气管道131具有四个出口，这四个出口分别与开设在第一端板11上的第一空气出口1111、第二空气出口1112、第三空气出口1113、第四空气出口1114一一对应连通；第二空气管道141具有四个入口，这四个入口分别与开设在第一端板11上的第一空气入口1211、第二空气入口1212、第三空气入口1213、第四空气入口1214一一对应连通；第一氢气管道132具有四个出口，这四个出口分别与开设在第一端板11上的第一氢气出口1121、第二氢气出口1122、第三氢气出口1123、第四氢气出口1124一一对应连通；第二氢气管道142具有四个入口，这四个入口分别与开设在第一端板11上的第一氢气入口1221、第二氢气入口1222、第三氢气入口1223、第四氢气入口1224一一对应连通；第一冷却水管道133具有四个出口，这四个出口分别与开设在第二端板12上的第一冷却水出口1131、第二冷却水出口1132、第三冷却水出口1133、第四冷却水出口1134一一对应连通；第二冷却水管道143具有四个入口，这四个入口分别与开设在第二端板12上的第一冷却水入口1231、第二冷却水入口1232、第三冷却水入口1233、第四冷却水入口1234一一对应连通；同时，第一空气出口1111、第四空气入口1214、第一氢气出口1121、第四氢气入口1224、第一冷却水出口1131、第四冷却水入口1234均与第一电堆21对应设置，使得外部的空气、氢气、冷却水能够进入第一电堆21以反应，并在反应后输出至外部；第二空气出口1112、第三空气入口1213、第二氢气出口1122、第三氢气入口1223、第二冷却水出口1132、第三冷却水入口1233均与第二电堆22对应设置，使得外部的空气、氢气、冷却水能够进入第二电堆22以反应，并在反应后输出至外部；第三空气出口1113、第二空气入口1212、第三氢气出口1123、第二氢气出口1122、第三冷却水出口1133、第二冷却水入口1232均与第三电堆23对应设置，使得外部的空气、氢气、冷却水能够进入第三电堆23以反应，并在反应后输出至外部；第四空气出口1114、第一空气入口1211、第四氢气出口1124、第一氢气出口1121、第四冷却水出口1134、第一冷却水入口1231均与第四电堆24对应设置，使得外部的空气、氢气、冷却水能够进入第四电堆24以反应，并在反应后输出至外部。
43.需要说明的是，在本实施例中，如图3所示，第一端板11上的空气总入口即第一空气接口111与其中一个子电堆的空气入口即第一空气出口1111相对，所以可以直接利用第一空气接口111作为一个电堆的进气口，同理，第一端板11上的空气总出口即第二空气接口121其中一个子电堆的空气出口即第一空气入口1211相对，所以可以直接利用第二空气接口121作为一个电堆的出气口，同理，第一端板11上的氢气总入口即第一氢气接口112与其中一个子电堆的氢气入口即第一氢气出口1121相对，所以可以直接利用第一氢气接口112作为一个电堆的进气口，同理，第一端板11上的氢气总出口即第二氢气接口122其中一个子电堆的氢气出口即第一氢气入口1221相对，所以可以直接利用第二氢气接口122作为一个电堆的出气口，同理，第二端板12上的冷却水总入口即第一冷却水接口113与其中一个子电
堆的冷却水入口即第一冷却水出口1131相对，所以可以直接利用第一冷却水接口113作为一个电堆的进气口，同理，第二端板12上的冷却水总出口即第二冷却水接口123与其中一个子电堆的冷却水出口即第一冷却水入口1231相对，所以可以直接利用第二冷却水接口123作为一个电堆的出气口，但各个接口的位置可以根据实际情况选定，不以此限定本发明的保护范围。
44.需要强调的是，以上应用至四个电堆的端板组件仅为举例说明，具体根据实际需要应用的电堆数而选择管道的出口和入口数量，不以此限定本发明的保护范围；另外，关于外部空气供应装置、氢气供应装置、冷却水供应装置的供应物的输出和外部空气回收装置、氢气回收装置、冷却水回收装置的回收通过外部控制器控制实现，具体可参见图7，不以控制器的型号等参数限定本发明的保护范围。
45.在本发明的一个实施例中，第一空气管道131、第二空气管道141、第一氢气管道132、第二氢气管道142位于同一平面内，并且，第一冷却水管道133和第二冷却水管道143位于同一平面内，这样设置的好处在于，第一端板11和第二端板12的厚度相较于管道相互架设的方式要更小些。
46.在本发明的一个实施例中，第一端板11和第二端板12上还开设有多个通孔，通孔用于与外部螺帽31、螺杆32配合使用，使得外部多个电堆位于第一端板11和第二端板12之间的区域内。
47.在本发明的一个实施例中，如图4、6所示，第一端板11和第二端板12上还设有密封圈4，以起到密封作用，从图4、6可以看出，第一端板11和第二端板12的厚度均为上下各2层，即本端板组件总共4层。另外，在本实施例中，第一端板11为和第二端板12为两端集成端板，这样保证电堆的前后两块端板都集成为一块，有利于装配螺杆32和空间利用。
48.在本发明的一个实施例中，提供了一种电堆控制系统，如图7所示，电堆控制系统包括上文所述的端板组件、多个电堆、空气供应装置、氢气供应装置、冷却水供应装置、空气回收装置、氢气回收装置、冷却水回收装置及控制器，其中，空气供应装置、氢气供应装置、冷却水供应装置、空气回收装置、氢气回收装置、冷却水回收装置分别与端板组件连接，在本实施例中，冷却水供应装置和冷却水回收装置为同一个装置即冷却水循环装置，故有控制器与冷却水循环装置电连接，空气供应装置、氢气供应装置、氮气吹扫装置、冷却水循环装置分别与端板组件连接，端板组件与电堆配合连接，具体地，电堆的一端与第一端板11连接，电堆的另一端与第二端板12连接，从而在控制器的控制下，反应物通过端板组件输送至各个电堆中。
49.具体地，如图7所示，v-17为电磁阀，v-19为调压阀，e-10为水泵，e-9为散热风扇，在控制器的控制下，反应物从各自的供应装置通过三通阀进入到反应物加湿装置再进入到电堆，冷却水从供应装置直接进入到冷却水循环装置为电堆进行循环散热。反应物在电堆中进行反应后，剩余反应物从各自的出口排出。电堆与电子负载相连接模拟真实负载，电子负载与控制器相连接，采集数据传回上位机，上位机根据所需温度大小、电压大小等发送控制信号控制氢气进气量、空气进气量和水泵转速、风扇转速等参数，不以此限定本发明的保护范围。
50.本电堆控制系统实施例的思想与上述实施例中端板组件的工作过程属于同一思想，通过全文引用的方式将上述端板组件实施例的全部内容并入本电堆控制系统实施例，
不再赘述。
51.在本发明的一个实施例中，提供了一种燃料电池，燃料电池包括上文所述的端板组件。本燃料电池实施例的思想与上述实施例中端板组件的工作过程属于同一思想，通过全文引用的方式将上述端板组件实施例的全部内容并入本燃料电池实施例，不再赘述。
52.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。