一种易于封装的集成式燃料电池堆进出管道的设计

摘要

本发明提供了一种易于封装的集成式燃料电池堆进出管道的设计，该设计包括氢气进出管路、空气进出管路、冷却流体进出管路的三进三出管路，所述的空气进出管路为方形管，该方形管从燃料电池堆中间集流板引出电堆前后两端，紧贴燃料电池堆边沿引出，再用圆形管通过圆变方接头与该方形管连接后，再连接到空气供应系统；所述的氢气进出管路、冷却流体进出管路为圆形管，该圆形管从燃料电池堆中间集流板引出电堆前后两端，从进出空气的方形管中引出，或与进出空气的方形管分两边引出。与现有技术相比，本发明具有节约空间、易于安装、防水、防尘等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种易于封装的集成式燃料电池堆进出管道的设计。

背景技术

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：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一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发电系统中氢气供应、空气供应、冷却散热各个部分管路都是三进三出的圆形管路，占据很大空间，当这些管路与燃料电池堆一起特别是进行防水、防尘封装时，由于电池堆是方形的，必然会有的空间没有充分利用起来，造成浪费，而且封装难度较大。

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节约空间、防水、防尘的易于封装的集成式燃料电池堆进出管道的设计。

本发明的目的是这样实现的：一种易于封装的集成式燃料电池堆进出管道的设计，该设计包括氢气进出管路、空气进出管路、冷却流体进出管路的三进三出管路，其特征在于，所述的空气进出管路为方形管，该方形管从燃料电池堆中间集流板引出电堆前后两端，紧贴燃料电池堆边沿引出，再用圆形管通过圆变方接头与该方形管对接，再连接到空气供应系统；所述的氢气进出管路、冷却流体进出管路为圆形管，该圆形管从燃料电池堆中间集流板引出电堆前后两端，穿过进出空气的方形管，从空气方形管一端或两端引出，或与进出空气的方形管分两边引出。

所述的三进三出管路靠近燃料电池堆的部分与燃料电池堆一起封装，其出口根据需要从封装板面上引出，其中进出空气的方形管采用天圆地方或天方地圆的变形接头与圆形管连接。

所述的方形管与相应圆形管横截面积相同。

所述的燃料电池堆是集成式电池堆包括单电池堆。

所述的氢气进出管路、冷却流体进出管路穿设于空气方形管内部，横截面积比整个空气方形管面积小。

所述的氢气进出管路、冷却流体进出管路穿设于空气方形管内部，并从空气方形管管壁进、出处经过焊接密封。

与现有技术相比，本发明将从电池堆引出的管路设计为方形管，与电池堆一起封装，节约了空间、有利于进行防水防尘封装，而且方形管与相应的圆形管横截面积相同，阻力不变，保证了流体流动的畅通。

附图说明

图1是现有技术燃料电池的三进三出管路示意图；

图2是本发明燃料电池的三进三出管路示意图。

具体实施方式

实施例：

目前60kw集成式燃料电池堆的三进三出管路(如图1所示)，氢气进出管路3、空气进出管路2、冷却流体进出管路4从燃料电池堆1中间集流板引出电堆前后两端，本发明涉及一种易于封装的集成式燃料电池堆进出管道的设计(如图2所示)，该设计包括氢气进出管路3、空气进出管路2、冷却流体进出管路4等三进三出管路，其特征在于，所述的空气进出管路为方形管，该方形管从燃料电池堆中间集流板引出电堆前后两端，紧贴燃料电池堆边沿引出，再用圆形管通过圆变方接头与该方形管对接，再连接到空气供应系统；所述的氢气进出管路、冷却流体进出管路为圆形管，该圆形管从燃料电池堆中间集流板引出电堆前后两端，穿过进出空气的方形管，从空气方形管一端或两端引出，或与进出空气的方形管分两边引出。

所述的三进三出管路靠近燃料电池堆的部分与燃料电池堆一起封装，其出口根据需要从封装板面上引出，其中进出空气的方形管采用天圆地方或天方地圆的变形接头与圆形管连接。所述的空气方形管与相应对接圆形管横截面积相同，为30cm²。所述的燃料电池堆是集成式电池堆包括单电池堆。所述的氢气进出圆形管路穿设于空气方形管内部，横截面积为2cm²、冷却流体进出圆形管路穿设于空气方形管内部，横截面积为5cm²。所述的氢气进出管路、冷却流体进出管路穿设于空气方形管内部，并从空气方形管管壁进、出处经过焊接密封。

本发明将从电池堆引出的管路设计为方形管，与电池堆一起封装，节约了空间、有利于进行防水防尘封装，而且方形管与相应的圆形管横截面积相同，阻力不变，保证了流体流动的畅通。