專利名稱：一種集成式燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高的集成式燃料電池。
背景技術(shù)：
電化學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小分散的引發(fā)電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學反應過程中生成的電子，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)生電化學反應，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)生電化學反應得到電子，形成負離子。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，形成反應產(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)的催化電化學反應就產(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。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應，生成反應產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達陽極反應
陰極反應在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導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流槽。這些導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。這些導流電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導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流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導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，導流極板上的導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流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，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(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(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學放熱反應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(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)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可以用作移動式或固定式發(fā)電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般由若干個單電池通過串聯(lián)或并聯(lián)組裝一起成為燃料電池堆。
如圖1～圖3所示，圖1是燃料電池堆中單電池導流極板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是燃料電池堆中單電池三合一電極的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖。燃料電池單電池的導流極板與三合一電極上一般都有六個(或小于六)導流孔，這六個導流孔分別是燃料(氫氣)進口，燃料(氫氣)出口，氧化劑(空氣)進口，氧化劑(空氣)出口，冷卻流體(水)進口，冷卻流體(水)出口。將若干個燃料電池單電池的導流極板與三合一電極組裝成燃料電池堆后，以上導流極板與三合一電極上面的六個導流孔就構(gòu)成燃料電池堆中的六條導流通道，這六條導流通道分別統(tǒng)一導氧化劑(空氣)進入，通過這一導流通道將氧化劑(空氣)均勻地分布在每個單電池的導流極板上，并在電極上發(fā)生反應，反應生成的產(chǎn)物水及過量的氧化劑(空氣)，統(tǒng)一匯集到燃料電池堆中的氧化劑(空氣)排出通道，其他分別是導燃料(氫氣)進入通道，燃料(氫氣)匯集排出通道，導冷卻流體(水)進入通道，冷卻流體(水)匯集排出通道。
如圖4～圖5所示，目前燃料電池堆的工程設(shè)計一般將上面六條導流通道直接匯集到燃料電池堆前端的同一塊面板上(圖4)，也有將上面六條導流通道分別匯集到燃料電池堆前、后端的二塊面板上，例如前、后端每塊面板分別匯集三條通道(圖5)。前者設(shè)計技術(shù)產(chǎn)生的燃料電池堆所有六條通道都集成在同一塊面板上，后者設(shè)計技術(shù)產(chǎn)生的燃料電池堆六條通道集成在前、后二塊面板上。
將數(shù)個(多于2個)燃料電池堆上的所有氧化劑(空氣)、燃料(氫氣)、冷卻流體(水)的進口、出口均實行統(tǒng)一集成連接成六大通道。這六大通道中的氧化劑(空氣)、燃料(氫氣)、冷卻流體(水)均勻分配到各個燃料電池堆，而各個燃料電池堆中的氧化劑(空氣)、燃料(氫氣)、冷卻流體排出也統(tǒng)一匯集到這六大通道中的氧化劑(空氣)、燃料(氫氣)、冷卻流體(水)出的大通道上，使數(shù)個燃料電池堆運行條件都均一相同。這種數(shù)個燃料電池堆的集成技術(shù)一般通過以下方法實現(xiàn)將數(shù)個燃料電池堆排列成燃料電池堆陣列，在陣列旁分別設(shè)置六大流體管道，例如，氧化劑(空氣)進的大管道分叉出數(shù)根均勻細支管，每根細支管與各個燃料電池堆中的氧化劑(空氣)進相連接，其余五大管道也一樣各分叉出數(shù)根均勻細支管，與各個燃料電池堆中的相對應的同一流體相連接。
目前這種普遍推行的燃料電池導流通道集成面板設(shè)計與多個燃料電池堆集成技術(shù)有以下缺陷(1)、將六條導流通道直接匯集到燃料電池堆前端的同一塊面板上，燃料電池堆內(nèi)的導流通道就相應很長，容易產(chǎn)生流體阻力，導致較大的壓力損失，進而引起流體在電池堆中的每個單電池中分布不均勻，引起各個單電池性能差異。
(2)、將燃料電池堆中六條導流通道分別匯集到燃料電池堆前、后端的二塊面板上，例如，前后端每塊面板分別匯集三條通道，也有技術(shù)缺陷，這種設(shè)計使導流通道進、出口分別在前后端，迫使管路連接無法集中一起，而分散在二頭，當燃料電池用作車載或船載動力系統(tǒng)時，管路分散不利于電池的設(shè)置。
(3)、將數(shù)個燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻水的進口、出口實行統(tǒng)一集成連接成六大流體通道，再分叉出數(shù)根均勻細支管與各個燃料電池堆中的流體進出相連接的方法，其技術(shù)缺陷，是由于管道太多，容易產(chǎn)生滲漏，且擁擠問題十分突出，因此導致設(shè)計及安裝非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、阻力及壓力損失小、安裝容易的集成式燃料電池。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種集成式燃料電池，其特征在于，它由至少兩組燃料電池堆以及一塊集流板組成，所述的集流板內(nèi)設(shè)有總進氫氣通道、總進冷卻水通道、總進空氣通道、總出空氣通道、總出冷卻水通道、總出氫氣通道，這些總通道內(nèi)分別設(shè)有至少一條與其垂直相通的支進氫氣通道、支進冷卻水通道、支進空氣通道、支出空氣通道、支出冷卻水通道、支出氫氣通道，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道連接；所述的集流板的各流體通道是在同一塊板里的不同區(qū)域或不同層面上，且互不串流；所述的燃料電池堆包括至少一組單電池、正負極集流母板、二底端板；所述的集流板與各電池堆的底端板固定配合，構(gòu)成一集成式燃料電池。
所述的集流板為一長方體形板，其各流體總通道進口、出口分別設(shè)在正面、背面，其各流體支通道進、出口設(shè)在與相應電池堆連接的側(cè)面。
所述的集流板為一長方體形板，其各流體總通道進口、出口均設(shè)在正面，其各流體支通道進、出口設(shè)在與相應電池堆連接的側(cè)面。
所述的電池堆為兩組，所述的集流板各流體總通道內(nèi)設(shè)有一條與其垂直相通的支通道，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道連接，所述的兩組電池堆設(shè)在集流板的兩側(cè)面并夾住且共用集流板，從而構(gòu)成二合一集成式燃料電池。
所述的電池堆為四組，所述的集流板各流體總通道內(nèi)設(shè)有兩條與其垂直相通的支通道，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道連接，所述的四組電池堆設(shè)在集流板的兩側(cè)面并兩兩夾住且共用集流板，從而構(gòu)成四合一集成式燃料電池。
所述的各燃料電池堆的集流母板導出的電流可通過任意串、并聯(lián)后輸出。
所述的單電池包括導流極板、質(zhì)子交換膜電極，在質(zhì)子交換膜電極兩邊各夾持一塊導流極板構(gòu)成一單電池。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、各個導流通道集中在燃料電池堆中間的一塊集流板上，可以使整個燃料電池更加緊湊，體積減小。
2、燃料電池堆中間的一塊集流板設(shè)置了六個總流體通道，然后通過支流體通道與各燃料電池組的流體通道相連，使得整個燃料電池堆可以排列有很多組，而由于集流板在燃料電池堆中間，各個流體通道是整個燃料電池堆的一半長，避免了由于流體通道過長引起的阻力及壓力損失等問題，使流體在電池堆中的每個單電池中分布更均勻。
3、從中間進行各種進、出流體分配的燃料電池堆，其集成更方便、容易，且裝配簡單。整個集成的燃料電池陣列，體積更緊湊。
4、流體流動距離變短，循環(huán)加快，使電化學反應更加均勻，有利于散熱，從而提高反應效率。
5、維修方便，如果某一個電池堆出了故障，那么只需拆卸該電池堆進行維修，其它電池堆可以照常工作。


圖1是現(xiàn)有燃料電池單電池導流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有燃料電池單電池膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是現(xiàn)有燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是現(xiàn)有燃料電池六條通道進出口在一塊端板上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是現(xiàn)有燃料電池六條通道進出口分別在前后端板上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明燃料電池集流板正面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖7的A-A剖視圖；圖9是本發(fā)明燃料電池一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是圖9的俯視圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1如圖6所示，一種集成式燃料電池，它由四組燃料電池堆A、B、C、D(其中A、C組與B、D組左右對稱，B、D組圖未示)以及一塊集流板E組成。所述的集流板E為一長方體形板，其各流體總通道進口、出口分別設(shè)在正面、背面，其各流體支通道進、出口設(shè)在與相應電池堆連接的側(cè)面。所述的集流板E內(nèi)設(shè)有總進氫氣通道(口)1、總進冷卻水通道(口)2、總進空氣通道(口)3、總出空氣通道(口)4、總出冷卻水通道(口)5、總出氫氣通道(口)6，這些總通道內(nèi)分別設(shè)有兩條與其垂直相通的支進氫氣通道(口)7、8，支進冷卻水通道(口)9、10，支進空氣通道(口)11、12，支出空氣通道(口)13、14，支出冷卻水通道(口)15、16，支出氫氣通道(口)17、18，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道(圖未示)連接；所述的集流板E的各流體通道是在同一塊板里的不同區(qū)域或不同層面上，且互不串流；所述的四組燃料電池堆A、B、C、D，其中A、C組在集流板E同一側(cè)，B、D組在集流板E同另一側(cè)，A組與B組左右對稱，C組與D組左右對稱，B、D組圖未示。所述的燃料電池堆(以A組為例)包括組單電池19、正負極集流母板20、二底端板21；所述的集流板E與各電池堆A、B、C、D的底端板固定配合，構(gòu)成四合一集成式燃料電池。
實施例2如圖7～圖10所示，一種集成式燃料電池，它由四組燃料電池堆A、B、C、D(其中A、C組與B、D組左右對稱)以及一塊集流板E組成。所述的集流板E為一長方體形板，其各流體總通道進口、出口均設(shè)在集流板E正面，其各流體支通道進、出口設(shè)在與相應電池堆連接的側(cè)面。所述的集流板E內(nèi)設(shè)有總進氫氣通道(口)1、總進冷卻水通道(口)2、總進空氣通道(口)3、總出空氣通道(口)4、總出冷卻水通道(口)5、總出氫氣通道(口)6，這些總通道內(nèi)分別設(shè)有兩條與其垂直相通的支進氫氣通道(口)7、8，支進冷卻水通道(口)9、10，支進空氣通道(口)11、12，支出空氣通道(口)13、14，支出冷卻水通道(口)15、16，支出氫氣通道(口)17、18，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道(圖未示)連接；所述的集流板E的各流體通道是在同一塊板里的不同區(qū)域或不同層面上，且互不串流；所述的四組燃料電池堆A、B、C、D，其中A、C組在集流板E同一側(cè)，B、D組在集流板E同另一側(cè)，A組與B組左右對稱，C組與D組左右對稱。所述的燃料電池堆(以A組為例)包括組單電池19、正負極集流母板20、二底端板21；所述的集流板E與各電池堆A、B、C、D的底端板固定配合，構(gòu)成四合一集成式燃料電池。
此外，本發(fā)明燃料電池還可以由二組或六組、八組、十組等多組電池堆組合而成。
權(quán)利要求
1.一種集成式燃料電池，其特征在于，它由至少兩組燃料電池堆以及一塊集流板組成，所述的集流板內(nèi)設(shè)有總進氫氣通道、總進冷卻水通道、總進空氣通道、總出空氣通道、總出冷卻水通道、總出氫氣通道，這些總通道內(nèi)分別設(shè)有至少一條與其垂直相通的支進氫氣通道、支進冷卻水通道、支進空氣通道、支出空氣通道、支出冷卻水通道、支出氫氣通道，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道連接；所述的集流板的各流體通道是在同一塊板里的不同區(qū)域或不同層面上，且互不串流；所述的燃料電池堆包括至少一組單電池、正負極集流母板、二底端板；所述的集流板與各電池堆的底端板固定配合，構(gòu)成一集成式燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式燃料電池，其特征在于，所述的集流板為一長方體形板，其各流體總通道進口、出口分別設(shè)在正面、背面，其各流體支通道進、出口設(shè)在與相應電池堆連接的側(cè)面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式燃料電池，其特征在于，所述的集流板為一長方體形板，其各流體總通道進口、出口均設(shè)在正面，其各流體支通道進、出口設(shè)在與相應電池堆連接的側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的集成式燃料電池，其特征在于，所述的電池堆為兩組，所述的集流板各流體總通道內(nèi)設(shè)有一條與其垂直相通的支通道，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道連接，所述的兩組電池堆設(shè)在集流板的兩側(cè)面并夾住且共用集流板，從而構(gòu)成二合一集成式燃料電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的集成式燃料電池，其特征在于，所述的電池堆為四組，所述的集流板各流體總通道內(nèi)設(shè)有兩條與其垂直相通的支通道，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道連接，所述的四組電池堆設(shè)在集流板的兩側(cè)面并兩兩夾住且共用集流板，從而構(gòu)成四合一集成式燃料電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式燃料電池，其特征在于，所述的各燃料電池堆的集流母板導出的電流可通過任意串、并聯(lián)后輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式燃料電池，其特征在于，所述的單電池包括導流極板、質(zhì)子交換膜電極，在質(zhì)子交換膜電極兩邊各夾持一塊導流極板構(gòu)成一單電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成式燃料電池，它由至少兩組燃料電池堆以及一塊集流板組成，所述的集流板內(nèi)設(shè)有總進氫氣通道、總進冷卻水通道、總進空氣通道、總出空氣通道、總出冷卻水通道、總出氫氣通道，這些總通道內(nèi)分別設(shè)有至少一條與其垂直相通的支進氫氣通道、支進冷卻水通道、支進空氣通道、支出空氣通道、支出冷卻水通道、支出氫氣通道，這些支通道與各燃料電池相應的進出流體通道連接；所述的集流板的各流體通道是在同一塊板里的不同區(qū)域或不同層面上，且互不串流；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、阻力及壓力損失小、安裝容易等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/24GK1469502SQ0213604
公開日2004年1月21日 申請日期2002年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月15日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉 申請人:上海神力科技有限公司