一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆的製作方法

2023-04-23 20:01:56 1

專利名稱：一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆。
背景技術：
質子交換膜燃料電池技術是21世紀人類利用氫能的最主要的關鍵技術。很多國家對質子交換膜燃料電池技術產業化都給予了高度的重視與大力的支持，並取得了許多實質性的進展。可以預見，該技術的全面產業化將對未來世界能源供應和格局產生重大影響。 在現代社會生活和經濟建設中，電力供應和保障的重要性越來越重要，同時對提高電力生產和使用效率及環境友好的要求程度不斷提高。分布式發電的接近用戶，減少電力遠距離輸送，根據用電需求靈活調整的優勢越來越受到各國的重視。根據質子交換膜的運行溫度，質子交換膜燃料電池(PEMFC)可分為低溫和高溫兩種類型。低溫質子交換膜燃料電池(LT-PEMFC)的運行溫度一般不高於90°C，具有啟動快、功率密度高、重量輕、體積小的優點，它對作為燃料的氫氣純度要求很高，適合與太陽能等可再生能源銜接，利用電解水製取的高純度氫氣將不穩定的可再生能源轉化為穩定的電能；高溫質子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)的運行溫度在120°C到180°C，雖然相比低溫質子交換膜燃料電池(工作溫度<90°C)的啟動速度略慢(需要預熱)、功率密度稍低，但是高溫質子交換膜燃料電池(工作溫度120-180°C )有很強的抗CO中毒能力，非常適合由天然氣、管道煤氣、甲醇、丙烷、甚至是垃圾填埋氣以及生物能等多種方式重整製得的氫氣， 大大降低了燃料電池發電技術的使用門檻，而且由於高溫燃料電池運行與120°C以上的高溫，電堆生成水全部汽化，不會造成燃料電池堆內流道堵水，燃料電池的穩定可靠性大大提高，運行壽命比低溫燃料電池高出10倍以上。此外，高溫質子交換膜燃料電池(工作溫度 120-180°C )運行產生的高溫更容易被回收利用，整合成熱電聯供系統(CHP)進一步提高其能量利用率。高溫質子交換膜燃料電池具有運行穩定性高、系統簡單、壽命長等優點，其應用領域非常廣，從小型居民家用終端熱電聯供，到樓宇、小區的分布式發電、大型的中心發電站。高溫質子交換膜燃料電池(工作溫度120-180°C )技術作為燃料電池中使用固態質子交換膜作為電解質的一種，其電解質的重要特性、膜電極(membranee 1 ectrode assembly MEA)的基本結構和燃料電池的工作方式與低溫質子交換膜燃料電池(工作溫度 < 900C )類似電解質同樣是質子的導體、電子的絕緣體，並有非常低的氣體滲透性；膜電極MEA同樣是其核心部件，膜電極與其兩側的雙極板組成了燃料電池的基本單元-燃料電池單電池；膜電極的基本結構也是中間質子交換膜，膜兩側分別是陰極和陽極電催化劑，陰陽極電催化劑外附氣體擴散層；工作過程，氫氣透過有孔的氣體擴散層至催化劑層，燃料電池的氫氣一側為陽極，催化劑使氫氣分離為質子和電子，質子通過電解質達到陰極(即氧氣一側)，電子流過一個外部電路到達陰極，在陰極質子、電子和氧氣反應生成水。高溫質子交換膜燃料電池(工作溫度120-180°C )使用的高溫質子交換膜的質子傳導機理與低溫質子交換膜燃料電池(工作溫度<90°C)使用的質子交換膜質子傳導機理完全不同。低溫質子交換膜燃料電池運行過程中，質子穿過膜時必須攜帶水分子(最多時一個質子需攜帶14個水分子)，在水分子的幫助下才能穿過膜，在幹透或溼度不夠情況下質子將不能或少量可以穿過膜，從而增大膜的電阻，導致迅速降低性能、減少壽命。高溫質子交換膜的傳導機理是聚苯並咪唑(PBI)磷酸浸漬形成晶格，相當於形成磷酸二氫鹽，在 150°C -200°C溫度範圍內質子通過磷酸二氫鹽的氫鍵網格相當於接力一樣傳遞，完成質子穿過膜的過程，該過程中不需要攜帶水分子，但隨著溫度的降低，膜的電導率也將降低。故高溫質子交換膜燃料電池的運行條件完全不同於低溫質子交換膜燃料電池。一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收並帶出電池組後進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，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。目前低溫燃料電池，一般採用水作為冷卻散熱流體，但它易遭遇冷啟動問題，如在-20°C下，水結成了冰，無法啟動。高溫燃料電池，運行溫度為120_180°C，水汽化了，也無法使用。因此，需要一種既能抗冷抗低溫結凍，也能耐高溫、不會汽化的冷卻散熱流體，目前一般採用含氟油，或其他的合成油作為冷卻散熱流體，但是這些流體一旦滲透到電極板上， 就馬上汙染電極，使整個燃料電池報廢。現有的導流極板冷卻流體容易滲漏，汙染電極，因此，無法使用。
發明內容本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種冷卻流體不易滲漏、可同時適合高溫燃料電池和低溫燃料電池的外置冷卻流體通道的燃料電池堆。本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，包括導流板、電極、前端板、後端板，其特徵在於，所述的導流板包括間隔設置的帶導冷卻流體槽的導流雙極板和普通雙極板，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板由正面導空氣流槽板、反面導氫氣流槽板、中間導冷卻流體夾層組成，所述的普通雙極板由正面導空氣流槽板和反面導氫氣流槽板組成，普通雙極板中間沒有設到冷卻流體夾層；所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板兩端延伸出一凸塊，該凸塊與導流雙極板一體成型，導流雙極板的冷卻流體進出孔設置在延伸出導流雙極板兩端的凸塊上，相鄰帶導冷卻流體槽的導流雙極板的冷卻流體進出孔之間通過密封圈連接，密封圈和凸塊在燃料電池堆上下端構成外置的冷卻流體通道，冷卻流體通過外置的冷卻流體通道進出燃料電池堆進行冷卻散熱。相鄰兩塊帶導冷卻流體槽的導流雙極板之間設有1塊、2塊或3塊普通雙極板。所述的密封圈包括陰面和陽面，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板兩端凸塊上冷卻流體進出孔周邊設有與陰面和陽面相匹配的密封槽，密封圈兩端分別卡設在相鄰兩塊導流雙極板上冷卻流體進出孔的密封槽內，密封圈的長度與燃料電池堆緊固壓縮後相鄰帶導冷卻流體槽的導流雙極板間的距離相匹配，密封圈和凸塊在燃料電池堆上下端構成外置的冷卻流體通道。
4[0012]所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板的伸出段凸塊周邊設有連接孔，各連接孔通過緊固螺杆連接緊固。根據權利要求1所述的一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，其特徵在於，所述的凸塊設置在導流雙極板兩端的兩側或靠中間位置。所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板和普通雙極板為金屬板或石墨板。所述的密封圈的材料為氟橡膠或合成橡膠。與現有技術相比，本實用新型的特點是1、目前一般採用含氟油，或其他的合成油作為既能抗冷抗低溫結凍，也能耐高溫、 不會汽化的冷卻散熱流體，這種冷卻散熱流體易汙染電極，因此，本實用新型將帶導冷卻流體槽的導流雙極板兩端延伸出一凸塊，使其兩端比普通雙極板多出一塊，尺寸比較大，將冷卻流體通道引到導流雙極板兩端延伸出的凸塊上，燃料電池堆裝配後，冷卻流體從燃料電池外進出燃料電池堆，徹底防止冷卻流體滲透到電極汙染電極；2、冷卻散熱流體放到電堆外面可確保不漏油；3、帶導冷卻流體槽的導流雙極板兩端凸塊上冷卻散熱流體孔周邊設有與密封圈對應的密封槽，密封圈採用陰陽面設計，卡接在凸塊上，而且密封圈的長度等於燃料電池堆緊固壓縮後相鄰凸塊的距離，確保不漏油；需要拆卸維修時，將燃料電池堆豎起來，冷卻流體可沿著兩端的冷卻流體通道流出，不會洩漏到電極內；4、另外設置了緊固螺杆，通過緊固螺杆將引接塊拉緊，進一步密封。

圖1為本實用新型帶導冷卻流體槽的導流雙極板的導氫氣流槽板的結構示意圖；圖2為圖1中導氫氣流槽板的背面結構示意圖；圖3為本實用新型帶導冷卻流體槽的導流雙極板的導空氣流槽板的結構示意圖；圖4為圖3中導空氣流槽板的背面結構示意圖；圖5為本實用新型粘合導氫氣流槽板和導空氣流槽板後的帶導冷卻流體槽的導流雙極板的結構示意圖；圖6本實用新型普通雙極板的結構示意圖；圖7為本實用新型燃料電池堆組裝前的結構示意圖；圖8為本實用新型密封圈的結構示意圖；圖9為本實用新型燃料電池堆組裝後的結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合具體實施例，對本實用新型作進一步說明。實施例1如圖1 9所示，一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，包括導流板、電極、前端板、後端板，所述的導流板包括間隔設置的帶導冷卻流體槽的導流雙極板，其尺寸長X 寬χ厚是400mmX 100mmX2. 5mm(如圖5所示)和普通雙極板，其尺寸長X寬X厚是 400mmX IOOmmX 1. 2mm(如圖6所示)，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板1包括正面導空氣流槽板11 (如圖3-4所示)、反面導氫氣流槽板12 (如圖1-2所示)、將導空氣流槽板11和導氫氣流槽板12粘合後中間形成導冷卻流體夾層，導空氣流槽板11上設有空氣進出流體孔3、氫氣進出流體孔4，以及連接空氣進出流體孔的導流槽，導空氣流槽板11兩端中間向外延伸出一凸塊111，凸塊111與導空氣流槽板11 一體成型，凸塊111上設有冷卻流體進出孔5，該冷卻流體進出孔5通過引流槽6連接到冷卻流體槽7，導氫氣流槽板12上也相應設有空氣進出流體孔3、氫氣進出流體孔4、冷卻流體進出孔5，將導空氣流槽板11和導氫氣流槽板12粘合後，如圖2和圖4所示的冷卻流體進出孔5、引流槽6、冷卻流體槽7形成完整的冷卻流體通道。所述的普通雙極板由正面導空氣流槽板和反面導氫氣流槽板組成(如圖6所示)， 其中加不含到冷卻流體夾層；普通雙極板2上也設有可供進出空氣、進出氫氣的流體孔(空氣進出流體孔3、氫氣進出流體孔4)，以及連接於進、出流體孔之間的導流槽。冷卻流體從伸出導流雙極板1外的冷卻流體進出孔5進入，沿著引流槽6流到冷卻流體槽7，對導流雙極板1進行冷卻。電堆的組裝為多個1對1間隔設置的帶導冷卻流體槽的導流雙極板1和普通雙極板2夾電極8，依次疊加，並在電堆前後分別設置前端板(圖未示)和後端板(圖未示)組成，具體如圖7和圖9所示一塊帶導冷卻流體槽的導流雙極板1、一張電極8和一塊普通雙極板2、一張電極8，依次疊加，相鄰帶導冷卻流體槽的導流雙極板1的冷卻流體進出孔5 之間通過密封圈9連接，所述的密封圈9 一端為陰面(設有內凹的環形槽)，另一端為陽面 (設有外凸的環形圈)，所述的凸塊111上冷卻流體進出孔5周邊設有與密封圈9陰面和陽面相匹配的密封槽(即連接密封圈9陰面的一側設有外凸連接塊，恰好卡進陰面的環形槽內，連接密封圈9陽面的一側設有內凹的連接槽，恰好卡接陽面的環形圈)，密封圈9的長度與燃料電池堆緊固壓縮後相鄰凸塊間的距離相匹配，即密封圈9兩端分別卡設在相鄰兩塊導流雙極板上冷卻流體進出孔5的密封槽內即可進行密封，密封圈9和凸塊111在導流板上下端構成外置的冷卻流體通道。凸塊111的伸出段周邊設有四個連接孔112，各凸塊111的連接孔112通過緊固螺杆113連接緊固，進一步對外置的冷卻流體通道進行緊固密封。燃料電池堆組裝後，冷卻流體從外置的冷卻流體通道流入，並通過各帶導冷卻流體槽的導流雙極板上的冷氣流體進出孔、引流槽引流到導流雙極板的導冷卻流體夾層內， 從而實現對燃料電堆的冷卻散熱。這種帶延伸塊的燃料電池導流極板的導冷卻流體可以是水或油，導冷卻流體是油時，也不會滲漏，因為油從導流極板外的冷卻流體進出孔引入導流極板，整個流體通道粘結密封，而易於漏油的進出口又設置在導流極板外，反應完畢，或檢修時，可以將整個燃料電池堆豎起來，冷卻流體就會從冷氣流體通道中倒出，因此不會出現漏油汙染電極的情況。所以上述導流極板可以用於高溫燃料電池，也可以用於低溫燃料電池。實施例2參見圖1 6，帶導冷卻流體槽的導流雙極板和普通雙極板也可以是其他形狀尺寸的，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板可以中間延伸出一凸塊，也可以兩端延伸出凸塊，設置冷卻流體進出孔。相鄰兩塊帶導冷卻流體槽的導流雙極板之間可以設置2塊或3 塊普通雙極板。
權利要求1.一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，包括導流板、電極、前端板、後端板，其特徵在於，所述的導流板包括間隔設置的帶導冷卻流體槽的導流雙極板和普通雙極板，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板由正面導空氣流槽板、反面導氫氣流槽板、中間導冷卻流體夾層組成，所述的普通雙極板由正面導空氣流槽板和反面導氫氣流槽板組成；所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板兩端延伸出一凸塊，該凸塊與導流雙極板一體成型，導流雙極板的冷卻流體進出孔設置在延伸出導流雙極板兩端的凸塊上，相鄰帶導冷卻流體槽的導流雙極板的冷卻流體進出孔之間通過密封圈連接，密封圈和凸塊在燃料電池堆上下端構成外置的冷卻流體通道。
2.根據權利要求1所述的一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，其特徵在於，相鄰兩塊帶導冷卻流體槽的導流雙極板之間設有1塊、2塊或3塊普通雙極板。
3.根據權利要求1所述的一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，其特徵在於，所述的密封圈包括陰面和陽面，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板兩端凸塊上冷卻流體進出孔周邊設有與陰面和陽面相匹配的密封槽，密封圈兩端分別卡設在相鄰兩塊導流雙極板上冷卻流體進出孔的密封槽內，密封圈的長度與燃料電池堆緊固壓縮後相鄰帶導冷卻流體槽的導流雙極板間的距離相匹配，密封圈和凸塊在燃料電池堆上下端構成外置的冷卻流體通道。
4.根據權利要求3所述的一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，其特徵在於，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板的伸出段凸塊周邊設有連接孔，各連接孔通過緊固螺杆連接緊固。
5.根據權利要求1所述的一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，其特徵在於，所述的凸塊設置在導流雙極板兩端的兩側或靠中間位置。
6.根據權利要求1所述的一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，其特徵在於，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板和普通雙極板為金屬板或石墨板。
7.根據權利要求1所述的一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，其特徵在於，所述的密封圈的材料為氟橡膠或合成橡膠。
專利摘要本實用新型涉及一種外置冷卻流體通道的燃料電池堆，包括導流板、電極、前端板、後端板，所述的導流板包括間隔設置的帶導冷卻流體槽的導流雙極板和普通雙極板，所述的帶導冷卻流體槽的導流雙極板兩端延伸出一凸塊，該凸塊與導流雙極板一體成型，導流雙極板的冷卻流體進出孔設置在延伸出導流雙極板兩端的凸塊上，相鄰帶導冷卻流體槽的導流雙極板的冷卻流體進出孔之間通過密封圈連接，密封圈和凸塊在燃料電池堆上下端構成外置的冷卻流體通道，冷卻流體通過外置的冷卻流體通道進出燃料電池堆進行冷卻散熱。與現有技術相比，本實用新型冷卻流體不易滲漏、可同時適合高溫燃料電池和低溫燃料電池。
文檔編號H01M2/08GK202134613SQ201120183490
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月1日 優先權日2011年6月1日
發明者李麗, 王祥生, 胡卓滔, 胡裡清, 鍾擁軍 申請人:上海神力科技有限公司