一种燃料电池模组及燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池模组及燃料电池系统。

背景技术：

1、燃料电池是一种可以把在燃料和氧化剂中储存的化学能直接转化成电能的电化学装置。自20世纪40年代起，发展至今已有四代燃料电池，第一代燃料电池为碱性燃料电池(afc)和磷酸燃料电池(pafc)，第二代燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)，第三代燃料电池为固体氧化物燃料电池(sofc)，第四代燃料电池为质子交换膜燃料电池(pemfc)和直接甲醇燃料电池。

2、其中sofc具有较高的工作温度，通常在800～1000℃范围内，所以在发电的同时可以利用它的余热来实现热电联供，能量利用效率可高达90％，此外该发电过程高效、清洁，是一种极具前景的发电方式。为了提高发电效率，可将固体氧化物燃料电池堆模块化集成来构建大型的分布式发电站，燃料电池反应所需的天然气由现有的天然气管网来提供，发出来的电可就近供应楼宇、社区、厂房等的用电，还能够向电网输电，因此，sofc发电系统具有很广阔的商业前景。

3、目前，现有的sofc系统的燃料电池模组通常通过导电部件将燃料电池所产生的电能传导到外界。但是，现有燃料电池模组中导电部件的结构设计不合理，工作时导电效果较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种燃料电池模组及燃料电池系统，本发明提供的燃料电池模组的结构设计合理；导电部件的结构简单，实用性强，本发明通过导电板的第二表面与燃料电池堆的电输出面接触，从而使燃料电池堆工作所产生的电能通过导电部件传导，导电效果好。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供的一种燃料电池模组，包括导电部件及燃料电池堆；所述导电部件包括导电板及导电杆，所述导电板具有第一表面及第二表面，所述第一表面与第二表面相对，所述导电杆的一端与所述导电板连接，所述导电杆的另一端向远离所述第一表面的方向延伸；所述燃料电池堆具有电输出面，所述燃料电池堆的电输出面与所述导电板的第二表面接触。

4、与现有的燃料电池模组中的导电部件(如含引线的集电板或单一的导电杆)相比，本发明提供的燃料电池模组的结构设计合理；导电部件的结构简单，实用性强，本发明通过导电板的第二表面与燃料电池堆的电输出面接触，从而使燃料电池堆工作所产生的电能通过导电部件传导，导电效果好。

5、本发明通过控制导电板与燃料电池堆之间的接触面积，从而有效保证两者之间的导电效果；本发明通过优化导电杆的长度，可以实现长距离导电。

6、在本发明中，所述燃料电池堆由若干燃料电池堆单元依次层叠而成。

7、作为本发明的优选实施方式，所述导电杆的直径为2～30mm。在下述参数固定不变的情况下：导电板的形状、体积、第一表面的面积及第二表面的面积，若所述导电杆的直径小于2mm，所述导电部件的整体电阻较大，导电效果较差；若所述导电杆的直径大于30mm，所述导电部件的导电效果没有明显提升，影响了导电部件与其他零部件之间的装配效果，增加了不必要的成本。

8、作为本发明的优选实施方式，所述导电杆上设置有外螺纹，以便燃料电池系统的其它部件(如接线端子)可套设在导电杆上，通过螺母及螺纹锁紧配合。

9、作为本发明的优选实施方式，所述导电板的外表面设置有导电涂层，所述导电涂层为尖晶石涂层。在所述导电板的外表面施加导电涂层可以进一步提升所述导电部件的导电性能，还可以防止所述导电板在高温工作环境下氧化；而所述导电杆的表面不设置导电涂层，可避免因导电涂层而影响导电杆上螺母的锁紧效果，从而避免影响其它部件在导电杆上的固定效果。

10、作为本发明的优选实施方式，所述导电板与燃料电池堆通过定位销连接，所述导电板及燃料电池堆均设置有与所述定位销适配的定位销孔，所述定位销插设于所述定位销孔内，可以保证导电板与燃料电池堆之间的装配准确性。

11、作为本发明的优选实施方式，所述第二表面的面积为s，所述电输出面的面积为s，s及s满足：s/s＝1～4。经研究发现，本发明将s/s控制在1～4，在不影响燃料电池模组的各部件装配效果的同时，提高了燃料电池模组的导电效果。若s/s大于4，所述第二表面的面积相对过大，会影响所述燃料电池模组的装配效果，成本增加；若s/s小于1，所述第二表面的面积相对过小，第二表面与电输出面之间容易产生缝隙，气体在缝隙中流通，会显著降低燃料电池模组的导电效果。

12、作为本发明的优选实施方式，所述导电杆的材质包括镍基合金。这类材质的导电杆在高温下仍然能保持高强度特性，有利于压重机构通过导电杆向其它部件传导压力。

13、作为本发明的优选实施方式，所述导电板的材质包括铁素体不锈钢和镍基合金中的任意一种。所述导电板的材质与电输出面的材质相同。由于导电板与电输出面直接接触，两者材质相同，使高温下导电板与电输出面之间的热膨胀匹配性好。

14、作为本发明的优选实施方式，所述燃料电池模组还包括绝缘套筒，所述绝缘套筒套设于所述导电杆上，所述绝缘套筒的一端与所述导电板接触，所述绝缘套筒的另一端沿着所述导电杆的长度方向延伸。在本发明中，绝缘套筒的设置，可以提高燃料电池系统高温运行的安全性，避免漏电。

15、进一步的，所述导电杆的长度为l，所述绝缘套筒的长度为l，l及l满足：l/l＝0.4～0.8。经研究发现，若不设置绝缘套筒，在实际应用过程中，随着导电杆的长度增加，使燃料电池系统在工作时存在安全隐患，甚至发生漏电现象；若l/l小于0.4，相对于所述导电杆，所述绝缘套筒的长度过短，使燃料电池系统在工作时存在漏电隐患；若l/l大于0.8，相对于所述导电杆，所述绝缘套筒的长度过长，会影响其它部件在所述导电杆上的装配效果。

16、进一步的，所述绝缘套筒的壁厚为2～5mm。若所述绝缘套筒的壁厚小于2mm，容易导致所述绝缘套筒在燃料电池堆工作时出现电击穿现象；若所述绝缘套筒的壁厚大于5mm，随着其壁厚的继续增加，所述导电部件的安全性无明显改善作用，但是绝缘套筒的成本随之增加，还会影响导电部件与其它部件之间的装配效果。

17、作为本发明的优选实施方式，所述燃料电池模组还包括模组外框；所述燃料电池堆及导电板位于所述模组外框内，所述导电杆远离所述导电板的一端延伸至所述模组外框的外部。

18、进一步的，所述导电板与所述模组外框之间设置有绝缘垫，避免导电板与模组外框直接接触而产生漏电问题；所述燃料电池堆与所述模组外框之间设置有绝缘垫。

19、进一步的，所述导电板的材质与所述模组外框的材质相同，相同材质的导电板和模组外框在高温下能保持良好的的热膨胀匹配性。

20、进一步的，所述模组外框为框架结构或中空的壳体结构。

21、进一步的，所述燃料电池模组还包括第一压重机构，所述第一压重机构包括第一压板、第一螺栓、第一弹性部及第一卡止部，所述模组外框及第一压板均设置有与所述第一螺栓适配的第一螺孔，所述第一弹性部的一端与第一压板抵接，所述第一弹性部的另一端与第一卡止部抵接，所述第一卡止部与所述导电杆适配。

22、所述第一压板设置有供所述导电杆穿过的第一通孔，所述第一卡止部为螺母，所述第一卡止部与所述导电杆上的外螺纹适配。所述第一弹性部与第一压板之间设置有垫片，所述第一弹性部与第一卡止部之间设置有垫片。

23、所述第一卡止部、第一弹性部及第一压板依次套设在所述导电杆上，所述第一弹性部位于所述第一压板与第一卡止部之间，所述第一弹性部的一端与第一压板抵接，所述第一弹性部的另一端与所述第一卡止部抵接；所述第一螺栓的一端与所述第一压板上的第一螺孔螺纹连接，所述第一螺栓的另一端与所述模组外框的第一螺孔螺纹连接。

24、在本发明中，第一压重机构的第一卡止部与导电杆可拆卸连接，第一压重机构与模组外框通过第一螺栓实现可拆卸连接，组装和拆卸方便。通过旋拧螺栓或者第一卡止部，可以调节第一弹性部的压缩程度，从而调节第一弹性部压缩所产生的压力，所述第一弹性部压缩产生的压力通过导电杆传导至其它部件；将所述第一弹性部压缩产生的压力控制在稳定模组所需压力范围，能有效避免模组外框内的各部件在搬运过程中出现变形、移位、错位及破裂等现象。

25、在本发明中，所述第一弹性部为通过压缩产生弹力的部件，具体的，所述弹性部由弹簧、拉簧、碟簧、板簧中的至少一个弹性部件组成。所述第一弹性部的材质为碳钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢、铬钒钢中的任一种材质，这类材质的第一弹性部可在常温及高温(如300℃及其以上温度)下保持良好的回弹性及压缩性。

26、更进一步的，所述第一弹性部的弹力系数为20～600n/mm；所述第一弹性部的自然长度为15～150mm；所述第一弹性部压缩产生的压力为10～300kg。所述第一弹性部的自然长度是指在不受外力作用时所述第一弹性部的长度。

27、经研究发现，若所述第一弹性部的弹力系数大于600n/mm，随着第一弹性部的弹力系数增大，第一弹性部的压缩量不好控制，难以将第一弹性部压缩产生的压力调节至稳定模组所需压力范围；若所述第一弹性部的弹力系数小于20n/mm，为了第一弹性部所产生的压力达到稳定模组所需压力范围，需要增大的压缩量，对所述第一弹性部的自然长度要求过高。在所述第一弹性部的弹力系数不变的情况下，若所述第一弹性部的自然长度大于150mm，随着第一弹性部的自然长度增长，在压缩过程中第一弹性部的压缩量不易控制，难以将第一弹性部压缩产生的压力调节至稳定模组所需压力范围，即使调节成功，所述第一弹性部的长度仍过长，容易影响燃料电池模组的组装效果；若所述第一弹性部的自然长度小于15mm，无法提供充足的压缩量来以获得足够大的压力。在搬运模组时，若第一弹性部压缩所产生的压力小于10kg，使模组外框内的各部件在搬运过程中不稳定，容易出现移位、错位等现象；若所述第一弹性部压缩所产生的压力大于300kg，可能会使模组外框内的各部件结构变形。

28、第二方面，本发明提供的一种燃料电池系统，包括第一方面所述的燃料电池模组，还包括系统外框；所述燃料电池堆、导电板及模组外框位于所述系统外框内，所述导电杆远离导电板的一端延伸至所述系统外框的外部。

29、作为本发明的优选实施方式，所述燃料电池系统还包括第二压重机构，所述第二压重机构包括第二压板、第二螺栓、第二弹性部及第二卡止部；所述第二压板及系统外框均设置有与所述第二螺栓适配的第二螺孔；所述第二弹性部的一端与第二压板抵接，所述第二弹性部的另一端与第二卡止部抵接；所述第二卡止部与所述导电杆适配。

30、进一步的，所述第二压板设置有供所述导电杆穿过的第二通孔，所述第二卡止部为螺母，所述第二卡止部与所述导电杆的外螺纹适配；所述第二弹性部与第二压板之间设置有垫片，所述第二弹性部与第二卡止部之间设置有垫片。

31、所述第二卡止部、第二弹性部及第二压板依次套设在导电杆上，所述第二弹性部位于所述第二压板与第二卡止部之间，所述第二弹性部的一端与所述第二压板抵接，所述第二弹性部的另一端与所述第二卡止部抵接；所述第二螺栓的一端与所述第二压板上的第二螺孔螺纹连接，所述第二螺栓的另一端与所述系统外框的第二螺孔螺纹连接。

32、现有技术通常直接将燃料电池堆设置于框架内，通过现有的导电部件将燃料电池堆工作产生的电能导出，而燃料电池系统在运行时会产生大量的热，位于框架内部的部件易因热膨胀而导致的变形和失效。为了解决上述问题，本发明设置了第二压重机构，第二压重机构的第二卡止部与导电杆可拆卸连接，第二压重机构与系统外框通过第二螺栓实现可拆卸连接，通过旋拧第二螺栓或者第二卡止部，可以调节第二弹性部的压缩程度，从而调节第二弹性部压缩所产生的压力，所述第二弹性部产生的压力通过导电杆传导至其它部件；本发明通过旋拧第二螺栓或第二卡止部将第二弹性部压缩产生的压力控制在适当范围，能有效抑制燃料电池堆和导电板在高温下的变形程度，从而使燃料电池系统能够长期稳定运行，将该范围称为系统稳定运行所需压力范围。

33、进一步的，所述第二弹性部为通过压缩产生弹力的部件，具体的，所述第二弹性部由弹簧、拉簧、碟簧、板簧中的至少一个弹性部件组成。所述第二弹性部的材质为碳钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢、铬钒钢中的任一种材质，这类材质的第二弹性部可在常温及高温(如300℃及其以上温度)下保持良好的回弹性及压缩性。

34、进一步的，所述第二弹性部的弹力系数为20～600n/mm。经研究发现，若所述第二弹性部的弹力系数大于600n/mm，随着所述第二弹性部的弹性系数增加，第二弹性部的压缩量不好控制，难以将第二弹性部压缩产生的压力精确调节至系统稳定运行所需压力范围；若所述第二弹性部的弹力系数小于20n/mm，随着所述第二弹性部的弹力系数减小，为了使第二弹性部压缩所产生的压力达到系统稳定运行所需压力范围，需要增大第二弹性部的压缩量，对所述第二弹性部的自然长度要求过高。

35、进一步的，所述第二弹性部的自然长度为15～150mm。所述第二弹性部的自然长度是指在不受外力作用时弹性部的长度。经研究发现，在所述第二弹性部的弹力系数不变的情况下，若所述第二弹性部的自然长度大于150mm，随着第二弹性部的自然长度增长，在压缩过程中第二弹性部的压缩量不易控制，难以将第二弹性部压缩产生的压力精确调节至系统稳定运行所需压力范围；即使所述第二弹性部压缩产生的压力达到了系统稳定运行所需压力范围，所述第二弹性部的长度仍过长，容易影响燃料电池系统的组装效果；若所述第二弹性部的自然长度小于15mm，随着所述第二弹性部的自然长度减小，第二弹性部将无法提供充足的压缩量来产生足够大的压力。

36、进一步的，第二弹性部压缩所产生的压力为10～300kg。经研究发现，在燃料电池系统运行时，若第二弹性部压缩所产生的压力小于10kg，会导致燃料电池堆中相邻燃料电池堆单元之间的接触不良，影响单元间导电；若第二弹性部压缩所产生的压力大于300kg，容易导致单元间的密封物质失效，导致燃料电池堆出现气体泄漏或损耗等问题。

37、在本发明中，所述系统外框为框架结构或一端开口且内部中空的壳体结构。

38、作为本发明的优选实施方式，所述系统外框具有支撑结构，所述第二螺孔设置于所述支撑结构上。为了进一步防止导电杆与系统外框之间发生电击穿，系统外框优选为框架结构，框架结构属于不完全密封结构，而且导电杆与系统外框内壁之间保持一定的间隔。在第二压板尺寸固定的情况下，若导电杆与系统外框内壁之间的间隔增大至第二压重机构无法通过第二螺栓与系统外框进行固定连接时，可以在系统外框上设置支撑结构，在支撑结构上设置与第二螺栓适配的第二螺孔，将第二压重机构通过第二螺栓固定于支撑结构上，仍可以实现良好的固定效果。

39、作为本发明的优选实施方式，所述燃料电池系统还包括绝缘保温壳，所述绝缘保温壳设置于系统外框与模组外框之间，所述绝缘保温壳由若干绝缘保温块拼接而成。所述绝缘保温块的材质为绝缘保温材质，优选为保温棉；保温棉具有较好的绝缘性能和保温性能，能够有效减少燃料电池堆工作产生的热量外溢。本发明可以选择合适长度的导电杆，通过导电杆件将电能从绝缘保温壳内的高温区域导至绝缘保温壳外的常温区域。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

41、本发明提供的燃料电池模组的结构设计合理；导电部件的结构简单，实用性强，本发明通过导电板的第二表面与燃料电池堆的电输出面接触，从而使燃料电池堆工作所产生的电能通过导电部件传导，导电效果好。