專利名稱：一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法。
技術(shù)背景電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly,簡稱 MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的 材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué) 反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) 過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并 在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移 穿過質(zhì)子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化 劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在 催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子 與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子 交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外， 質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合 而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移 過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交 換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達陽極反應(yīng)H2 — 2H+ + 2e陰極反應(yīng)l/202 + 2H+ + 2e—H20在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA) —般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻， 形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流電極板可以是金屬材料的極板，也可以 是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化 劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu) 造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化 劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流母板，也作為膜電極兩邊的機械 支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道， 并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通 ?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串 聯(lián)式的電池組中， 一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜 電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種 極板叫做雙極板。 一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。 電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進口和導(dǎo)流通 道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體) 和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中； (2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料 氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常， 將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩 個端板上。質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可作手 提式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)必須包括燃 料電池堆、燃料氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)、冷卻散熱、自動控制及電能輸出等各個 部分。質(zhì)子交換膜燃料電池運行的穩(wěn)定與可靠性對作為車、船動力系統(tǒng)或可移 式發(fā)電裝置的應(yīng)用是非常重要的。其中提高燃料電池堆的運行穩(wěn)定與可靠性是關(guān)鍵。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池堆在各流體通道的設(shè)計上通常采用犧牲極板的 有效利用面積，在各膜電極與極板的相同位置開設(shè)流體孔，并將各塊膜電極與 極板經(jīng)疊合組成各流體通道。也就是說，每塊膜電極與極板上均設(shè)有燃料進、 燃料出、氧化劑進、氧化劑出、冷卻流體進、冷卻流體出的流體孔，這些膜電 極與導(dǎo)流極板經(jīng)垂直疊合后就組成燃料電池組，而這些流體孔就組成了燃料電 池組內(nèi)部的燃料進、出；氧化劑進、出；冷卻流體進、出的各流體導(dǎo)流通道，并將這些流體通道集合在燃料電池組前或后端板上組成燃料進口、燃料出口， 氧化劑進口、氧化劑出口，冷卻流體進口、冷卻流體出口。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)、冷卻散熱的三進三出管路都是設(shè)置在燃料電池堆的流體分配板7、 8的前后兩端，如圖1 所示，氫氣進口管路1、空氣進口管路3、冷卻流體進口管路5設(shè)置在燃料電 池堆的前端板7的前后兩端，氫氣出口管路2、空氣出口管路4、冷卻流體出 口管路6設(shè)置在燃料電池堆的后端板8的前后兩端，流體從流體分配板的前后 端進入電堆后，流過導(dǎo)流板反應(yīng)后，匯集后，爬升到流體分配板的前后端流出， 必然會需要較大的流體壓力將流到導(dǎo)流板下端的流體壓到一定高度，才能從設(shè) 置在流體分配板前后端的流體出口流出，這種設(shè)計流體排出難度較大，易造成 堵水。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題而提供的一種有利于流體排出、不易 堵水的燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法，包 括單電池堆或集成式電池堆、流體分配板、氫氣進出管路、空氣進出管路、冷 卻流體進出管路的三進三出管路的設(shè)置，其特征在于，所述的流體分配板包括 中央集流板、前/后端流體分配板，所述的三進三出管路設(shè)置在燃料電池堆的流 體分配板上，其中氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻流體出口管路設(shè)置在流 體分配板的下端，氫氣、空氣、冷卻流體分別從中央集流板或前/后端流體分配 板進入電池堆，反應(yīng)后，從中央集流板或前/后端流體分配板下端流出電堆。所述的集成式電池堆包括至少兩組設(shè)置于中央集流板兩側(cè)或同側(cè)的前、 后，左、右或上、下位置的燃料電池堆。所述的燃料電池堆為單電池堆，該單電池堆的流體分配板為燃料電池堆的 前/后端流體分配板，所述的氫氣進口管路、空氣進口管路、冷卻流體進口管路 設(shè)置在前/后端流體分配板上，所述的氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻流體 出口管路設(shè)置在前/后端流體分配板的下端。所述的燃料電池堆為集成式電池堆，該集成式電池堆的流體分配板包括中 央集流板及與其對應(yīng)二端的二塊后端流體分配板，所述的氫氣進口管路、空氣 進口管路、冷卻流體進口管路設(shè)置在中央集流板或二塊后端流體分配板上，所 述的氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻流體出口管路設(shè)置在中央集流板或二 塊后端流體分配板的下端。所述的氫氣、空氣分別從流體分配板進入電池堆，流經(jīng)燃料電池堆中由所 有導(dǎo)流極板與電極的空氣出口 、氫氣出口組成的空氣出口共用通道與氫氣出口 共用通道后，經(jīng)過流體分配板并直接從流體分配板下端排出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻流體出口 管路設(shè)置在燃料電池堆的流體分配板的下端，使燃料電池堆反應(yīng)后的流體在重 力作用下自然流出電堆，保證了流體流動的暢通，不易堵水。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)燃料電池的三進三出管路示意圖；圖2是本發(fā)明實施例1的燃料電池的三進三出管路示意圖;圖3是本發(fā)明實施例2的燃料電池的三進三出管路示意圖。
具體實施方式
實施例1:如圖2所示， 一種單電池燃料電池堆，包括氫氣進口管路l、氫氣出口管 路2、空氣進口管路3、空氣出口管路4、冷卻流體進口管路5、冷卻流體出口 管路6、前端板7、后端板8，所述的氫氣進口管路l、空氣進口管路3、冷卻 流體進口管路5設(shè)置在燃料電池堆的前端板7的前后兩端，所述的氫氣出口管路2、空氣出口管路4、冷卻流體出口管路6設(shè)置在燃料電池堆的后端板8的 下端。氫氣、空氣、冷卻流體分別從前端板7前后兩端進入電池堆，反應(yīng)后， 從后端板8下端流出電堆。所述的氫氣進口管路l、氫氣出口管路2、空氣進口管路3、空氣出口管路 4、冷卻流體進口管路5、冷卻流體出口管路6可以根據(jù)需要分別設(shè)置在前端板 7、后端板8的前后端或下端。實施例2:如圖3所示， 一種四電堆的集成式燃料電池堆，包括氫氣進口管路1、氫 氣出口管路2、空氣進口管路3、空氣出口管路4、冷卻流體進口管路5、冷卻 流體出口管路6、中央集流板9、末端板10，所述的氫氣進口管路1、空氣進 口管路3、冷卻流體進口管路5設(shè)置在燃料電池堆的中央集流板9的前兩端， 所述的空氣出口 4設(shè)置在中央集流板9的下端，所述的氫氣出口管路2、冷卻 流體出口管路6設(shè)置在末端板10的下端。氫氣、空氣、冷卻流體分別從中央 集流板9前端進入電池堆，反應(yīng)后，從中央集流板9或末端板IO的下端流出 電堆?？梢愿鶕?jù)需要，將氫氣進口管路l、氫氣出口管路2、空氣進口管路3、空 氣出口管路4、冷卻流體進口管路5、冷卻流體出口管路6設(shè)置在中央集流板9 或末端板10的前后或下端，保證各流體出口在中央集流板9或末端板10的下 端即可。利用重力作用，使各流體自然排出，保證了流體流動的暢通，不易堵 水。所述的燃料電池堆是集成式電池堆包括單電池堆，二個電池堆左右或上下 設(shè)置，四個電池堆前后左右或上下設(shè)置，及其他多個電池堆前后左右和/或上下 設(shè)置，氫氣、空氣分別從燃料電池堆的流體分配板前后兩端進入電池堆，流經(jīng) 燃料電池堆中由所有導(dǎo)流極板與電極的空氣出口、氫氣出口組成的空氣出口通 道與氫氣出口通道后，經(jīng)過流體分配板并直接從流體分配板下端排出。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法，包括單電池堆或集成式電池堆、流體分配板、氫氣進出管路、空氣進出管路、冷卻流體進出管路的三進三出管路的設(shè)置，其特征在于，所述的流體分配板包括中央集流板、前/后端流體分配板，所述的三進三出管路設(shè)置在燃料電池堆的流體分配板上，其中氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻流體出口管路設(shè)置在流體分配板的下端，氫氣、空氣、冷卻流體分別從中央集流板或前/后端流體分配板進入電池堆，反應(yīng)后，從中央集流板或前/后端流體分配板下端流出電堆。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法，其特 征在于，所述的集成式電池堆包括至少兩組設(shè)置于中央集流板兩側(cè)或同側(cè)的 前、后，左、右或上、下位置的燃料電池堆。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法，其特 征在于，所述的燃料電池堆為單電池堆，該單電池堆的流體分配板為燃料電池 堆的前/后端流體分配板，所述的氫氣進口管路、空氣進口管路、冷卻流體進口 管路設(shè)置在前/后端流體分配板上，所述的氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻 流體出口管路設(shè)置在前/后端流體分配板的下端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法，其特 征在于，所述的燃料電池堆為集成式電池堆，該集成式電池堆的流體分配板包 括中央集流板及與其對應(yīng)二端的二塊后端流體分配板，所述的氫氣進口管路、 空氣進口管路、冷卻流體進口管路設(shè)置在中央集流板或二塊后端流體分配板 上，所述的氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻流體出口管路設(shè)置在中央集流 板或二塊后端流體分配板的下端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法，其特 征在于，所述的氫氣、空氣分別從流體分配板進入電池堆，流經(jīng)燃料電池堆中 由所有導(dǎo)流極板與電極的空氣出口、氫氣出口組成的空氣出口共用通道與氫氣 出口共用通道后，經(jīng)過流體分配板并直接從流體分配板下端排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池堆流體進出口的設(shè)置方法，包括單電池堆或集成式電池堆、流體分配板、氫氣進出管路、空氣進出管路、冷卻流體進出管路的三進三出管路的設(shè)置，所述的流體分配板包括中央集流板、前/后端流體分配板，所述的三進三出管路設(shè)置在燃料電池堆的流體分配板上，其中氫氣出口管路、空氣出口管路、冷卻流體出口管路設(shè)置在流體分配板的下端，氫氣、空氣、冷卻流體分別從中央集流板或前/后端流體分配板進入電池堆，反應(yīng)后，從中央集流板或前/后端流體分配板下端流出電堆。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有有利于流體排出、不易堵水等特點。
文檔編號H01M8/02GK101335354SQ20071004277
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者波 章, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司