專利名稱：對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，尤其涉及一種對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能夠?qū)⑷剂吓c氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極由一張質(zhì)子交換膜和夾在膜兩面的兩張可導(dǎo)電多孔性擴(kuò)散材料(如碳紙)組成，在質(zhì)子交換膜與導(dǎo)電材料接觸的兩邊界面上均勻分布有細(xì)小分散的可引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑(如金屬鉑)。膜電極兩邊用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電子通過外電路引出，就構(gòu)成了電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(如碳紙)，并在催化劑表面發(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(dá)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(kuò)散材料(如碳紙)，并在催化劑表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，得到電子形成負(fù)離子，該負(fù)離子進(jìn)一步與從陽極端遷移過來的正離子結(jié)合，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在以氫氣為燃料、以含有氧氣的空氣為氧化劑(或以純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)發(fā)生失去電子的催化電化學(xué)反應(yīng)，形成氫正離子(質(zhì)子)，其電化學(xué)反應(yīng)方程式為陽極反應(yīng)氧氣在陰極區(qū)發(fā)生得到電子的催化電化學(xué)反應(yīng)，形成負(fù)離子，該負(fù)離子進(jìn)一步與從陽極端遷移過來的氫正離子結(jié)合，形成反應(yīng)產(chǎn)物水。其電化學(xué)反應(yīng)方程式為
陰極反應(yīng)燃料電池中的質(zhì)子交換膜除了用于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以及遷移交換反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)子外，其作用還包括將含有燃料氫氣的氣流與含有氧化劑(氧氣)的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆炸式反應(yīng)。
在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極一般放在兩塊導(dǎo)電的極板之間，兩極板上均開設(shè)有導(dǎo)流槽，因此又稱作導(dǎo)流極板。導(dǎo)流槽開設(shè)在與膜電極接觸的表面上，通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻形成，其數(shù)量在一條以上。導(dǎo)流極板可以由金屬材料制成，也可以由石墨材料制成。導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽的作用是將燃料或氧化劑分別導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)或陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極和兩塊導(dǎo)流極板，兩塊導(dǎo)流極板分設(shè)在膜電極兩邊，一個作為陽極燃料的導(dǎo)流極板，另一個作為陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這兩塊導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也是膜電極兩邊的機(jī)械支撐。導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽既是燃料或氧化劑進(jìn)入陽極或陰極表面的通道，也是將電池運(yùn)行過程中生成的水帶走的出水通道。
為了增大質(zhì)子交換膜燃料電池的功率，通常將兩個或兩個以上的單電池通過直疊的方式或平鋪的方式連在一起組成電池組，或稱作電池堆。這種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。在電池組中，位于兩質(zhì)子交換膜之間的極板的兩面都設(shè)有導(dǎo)流槽，稱為雙極板。雙極板的其中一面作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，另一面則作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面。一個典型的電池組通常還包括1)、燃料及氧化劑氣體的進(jìn)口和導(dǎo)流通道。其作用是將燃料(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(jìn)、出口與導(dǎo)流通道。其作用是將冷卻流體均勻地分布到各個電池組內(nèi)的冷卻通道中，吸收燃料電池內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)熱并將其帶出電池組進(jìn)行散熱；3)、燃料與氧化劑氣體的出口與導(dǎo)流通道。其作用是將沒有參與反應(yīng)的多余燃料氣體和氧化劑排出，同時將反應(yīng)生成的液態(tài)或氣態(tài)的水帶出。上述燃料進(jìn)出口、氧化劑進(jìn)出口和冷卻流體的進(jìn)出口通常都開設(shè)在燃料電池組的一個端板上或分別開設(shè)在兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)，又可制作成移動式或固定式的發(fā)電裝置。
在質(zhì)子交換膜燃料電池用作車、船的動力系統(tǒng)和移動式或固定式的發(fā)電裝置時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動控制機(jī)構(gòu)及電能輸出機(jī)構(gòu)各個部分。
圖1為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本組成示意圖。圖中標(biāo)號，1為燃料電池堆，2為儲氫瓶或其它儲氫裝置，3為減壓閥，4為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應(yīng)裝置，6、6’為水—汽分離器，7為水箱，8為冷卻流體循環(huán)泵，9為散熱器，10為氫循環(huán)泵，11、12為增濕裝置，13為氫穩(wěn)壓閥。
為了提高燃料電池整個發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，除了提高燃料電池的電極性能以外，提高燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的氫氣利用率非常重要。氫氣供應(yīng)及循環(huán)利用對提高燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的氫氣利用率，及保證燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性有關(guān)鍵作用。燃料氫氣經(jīng)過減壓、穩(wěn)壓后，又經(jīng)過增濕裝置輸送進(jìn)入燃料電池堆與電極另一側(cè)的氧化劑發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)。在電極的氫氣供應(yīng)一側(cè)隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，會慢慢產(chǎn)生水。這些水主要來自二個方面，一是增濕后的氫氣攜帶一部分水進(jìn)入燃料電池堆，氫氣反應(yīng)掉后，水就留下來；另一部分是在電極陰極側(cè)由電化學(xué)反應(yīng)生成的水經(jīng)過膜電極反滲透到電極陽極側(cè)。為了將這二部分水從電極陽極側(cè)帶出燃料電池堆，必須向燃料電池堆供應(yīng)大于1.0計量比的氫氣流量，使氫氣過量，通過過量的氫氣在離開燃料電池堆時將這二部分水帶出。
為了同時做到既可以將過量的氫氣循環(huán)使用，又可以將燃料電池堆中電極的氫氣供應(yīng)一側(cè)的水帶出，目前采用的技術(shù)是利用氫氣循環(huán)泵或氫氣循環(huán)裝置的技術(shù)。如圖1所示，在氫氣出口管路上設(shè)置一臺水汽分離器6，在水汽分離器6與氫氣進(jìn)口管道之間設(shè)置一臺氫氣循環(huán)泵10。通過氫氣循環(huán)泵將過量的氫氣回收，重新進(jìn)入燃料電池堆參與反應(yīng)，同時又可以將上述二部分水帶出燃料電池堆。如專利技術(shù)“一種適合低壓運(yùn)行的燃料電池氫氣循環(huán)利用裝置”，中國專利號為03255444.3。
上述氫氣循環(huán)利用技術(shù)對單燃料電池堆是比較合適的。但應(yīng)用于由多個單燃料電池堆模塊經(jīng)集成方式構(gòu)成的大型燃料電池堆時，就會出現(xiàn)問題。
實際上，目前燃料電池發(fā)電系統(tǒng)用于運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)或用作發(fā)電站，都要求有很高的功率輸出。這種高的功率輸出要求燃料電池堆必須實現(xiàn)高電壓、大電流輸出。為了實現(xiàn)大功率的燃料電池堆，有必要將多個單燃料電池堆模塊經(jīng)集成方式構(gòu)成體積上較緊湊的大燃料電池堆。例如“US Patent5486430”的方法，將多個單燃料電池堆平行排列，每個單燃料電池堆的所有空氣、氫氣、冷卻水的進(jìn)口、出口統(tǒng)一集成到一塊共用的前端面板上或后端面板上。前端面板與后端面板上設(shè)有供所有單燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口共用的六大流體通道。再例如上海神力科技有限公司的專利“一種集成式的燃料電池(專利號02265512.3)”所描述的方法，由多個燃料電池堆共用一塊集流面板，該集流面板上的前、后集成了多個燃料電池堆。該集流面板設(shè)置在多個燃料電池堆的中間，所有燃料電池堆的空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口都統(tǒng)一集成到這塊共用集流面板上。該集流面板上設(shè)有供所有燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口共用的六大流體通道。
上述通過各種方法實現(xiàn)的集成式燃料電池，每個燃料電池堆模塊雖然共用各流體通道，但每個模塊都有自己的正、負(fù)集流母板，通過對所有的燃料電池模塊上的正、負(fù)極母板進(jìn)行串、并聯(lián)連接，整個集成式燃料電池可以輸出符合實際需要的高電壓、大電流的要求。
對更大功率輸出的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，原則上可以通過集成更多的燃料電池堆模塊，并讓所有的燃料電池堆模塊上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口共用六大流體通道，即集成后的大燃料電池堆同樣是一種具有總空氣、總氫氣、總冷卻流體進(jìn)、出口的六大流體通道的一體化結(jié)構(gòu)。
為了使集成式燃料電池具有更高的體積、重量、功率密度，必須將集成式燃料電池前端集流面板、后端集流面板或中間總集流面板進(jìn)行最緊湊的工程設(shè)計，例如US Patent 6159629，對一種集成式燃料電池前端集流面板與后端集流面板，采用了一種導(dǎo)流層面結(jié)構(gòu)歧管設(shè)計，如圖2、圖3、圖4所示。
上述集成式燃料電池集流面板上的導(dǎo)流層面歧管設(shè)計技術(shù)可以讓集成式燃料電池中每個燃料電池堆模塊上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口共用六大流體通道，每一總流體通道構(gòu)成了集流面板內(nèi)部的一個層面，而每一個層面都有單獨(dú)的導(dǎo)流管道口引出，構(gòu)成集成式燃料電池總空氣、總氫氣、總冷卻流體進(jìn)出口的六大流體口。
上述技術(shù)雖然在設(shè)計上使集成式燃料電池達(dá)到了體積緊湊，大大提高體積功率密度的目的，但是在進(jìn)行氫燃料循環(huán)利用時，會有以下技術(shù)缺陷1、每種流體先從集成式燃料電池集流面板的總進(jìn)流體口進(jìn)入，先充滿一個層面，再分流到各個燃料電池模塊。為了增加集成式燃料電池體積功率密度，往往這個總進(jìn)流體通道構(gòu)成的整個層面比較窄，而各個燃料電池模塊的各個支進(jìn)流體口并不是完全占據(jù)了整個層面的面積，而是只占據(jù)了整個層面的一小部分(如圖3、圖4、圖5所示)。當(dāng)總進(jìn)流體是單一相的流體，如冷卻流體—水時，由流體完全充滿整個窄層層面的總進(jìn)流體通道，然后均勻地從各個燃料電池模塊的各個分進(jìn)流體口進(jìn)入，不會產(chǎn)生什么問題。但是當(dāng)流體是由大部分氣、少量液組成的二相流動狀態(tài)時，氣相流體很容易充滿整個窄層層面的總進(jìn)流體通道，并可以均勻地在各個燃料電池模塊的各個分進(jìn)流體口進(jìn)入，而少量液態(tài)流體(往往是冷凝水)則會積留在窄層層面的總進(jìn)流體通道中，并且當(dāng)積聚很多后，往往會導(dǎo)致隨機(jī)分配到某個燃料電池模塊中，造成氣相流動的導(dǎo)流槽充滿液態(tài)水而堵塞。
上述情況在集成式燃料電池中的總進(jìn)氫氣通道中經(jīng)常發(fā)生，增濕后的氫氣由于發(fā)生流速變化及溫度變化而冷凝出少部分液態(tài)水，長時間積聚很多水后，容易隨氫氣流動，并造成各個燃料電池模塊中某個或數(shù)個單電池中的氫氣導(dǎo)流槽中發(fā)生堵水。某個單電池氫氣導(dǎo)流槽中堵水會造成該單電池燃料氫處于饑餓狀態(tài)，電壓急劇下降，嚴(yán)重時會燒壞該電極。
2、在采用氫氣循環(huán)泵等氫氣循環(huán)利用裝置時，為了將整個集成式燃料電池堆中每個燃料電池堆模塊中氫側(cè)的水帶出來，必須采用循環(huán)流量很大的氫氣循環(huán)泵或氫氣循環(huán)利用裝置，這種總循環(huán)氫流量很大的裝置需要消耗很大的功率，降低了整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，即燃料氫氣的轉(zhuǎn)換效率。而且這種總循環(huán)氫流量很大的裝置往往占據(jù)了整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中很大的體積空間，并增加了重量，往往噪聲也較大。

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一種對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，它能避免冷凝水積存在總進(jìn)氫氣通道內(nèi)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，包括由至少兩個燃料電池堆模塊組成的集成式燃料電池堆和氫氣循環(huán)利用裝置，在集成式燃料電池堆的兩端各設(shè)有集流端面板，或在集成式燃料電池堆的中間設(shè)有集流中間面板，在一集流端面板上或在集流中間面板內(nèi)設(shè)有總進(jìn)氫氣通道，各燃料電池堆模塊分別設(shè)有支進(jìn)氫氣通道和支出氫氣通道，氫氣循環(huán)利用裝置包括氫循環(huán)泵和水汽分離器，其特點(diǎn)是所述的總進(jìn)氫氣通道為一平滑管道，其水平設(shè)置在一集流端面板的外側(cè)或集流中間面板內(nèi)，由總進(jìn)氫氣通道側(cè)面分流出多個支進(jìn)氫氣通道分別與各燃料電池堆模塊的支氫氣進(jìn)口相連；所述的各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道分別直接從另一集流端面板或集流中間面板引出；所述的氫氣循環(huán)利用裝置還包括一組合電磁閥，組合電磁閥中各單閥的進(jìn)口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道，組合電磁閥中各單閥的出口分別通過一根總管與水汽分離器連通。
所述的各支進(jìn)氫氣通道的有效通徑小于總進(jìn)氫氣通道的有效通徑。
所述的組合電磁閥中的各單閥可以分別依次導(dǎo)通，實現(xiàn)間歇式、脈沖式的對各燃料電池堆模塊的氫燃料進(jìn)行循環(huán)。
所述的集成式燃料電池堆由六個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由六個單電磁閥組合而成。
所述的集成式燃料電池堆由三個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由三個單電磁閥組合而成。
所述的集成式燃料電池堆由八個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由八個單電磁閥組合而成。
所述的集成式燃料電池堆由十個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由十個單電磁閥組合而成。
本發(fā)明對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、燃料氫氣先在集流端面板或集流中間面板中一條平滑規(guī)則的總進(jìn)氫通道流入，這條平滑規(guī)則的總進(jìn)氫通道再分流出數(shù)條與各個燃料電池模塊中的支氫氣進(jìn)相連的支進(jìn)氫氣通道，由于各支進(jìn)氫氣通道的有效通徑比總進(jìn)氫通道小，這樣，當(dāng)增濕后的氫氣進(jìn)入總進(jìn)氫氣通道后，再經(jīng)支進(jìn)氫氣通道分流到各個燃料電池模塊時，即使在最初產(chǎn)生的冷凝態(tài)水也無法積聚在總進(jìn)氫氣通道內(nèi)，可全部由過量的氫氣及時帶出燃料電池。
2、由于對氫氣循環(huán)利用裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，增設(shè)了一個組合電磁閥，通過組合電磁閥中的各單閥分別與各支出氫氣通道直接連通，通過將各單閥依次導(dǎo)通實現(xiàn)間歇性、脈沖式的對各個燃料電池堆模塊的氫燃料進(jìn)行循環(huán)，只需采用一個較小氫循環(huán)流量的氫氣循環(huán)泵，并可以更加容易地帶出每個燃料電池堆模塊中氫側(cè)的水。此外，由于采用了較小氫循環(huán)流量的氫氣循環(huán)泵，還具有節(jié)能、降噪和少占空間的有益效果。


通過以下對本發(fā)明對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池的一實施例結(jié)合其附圖的描述，可以進(jìn)一步理解本發(fā)明的目的、具體結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)點(diǎn)。其中，附圖為圖1是現(xiàn)有技術(shù)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本組成示意圖；圖2、圖3、圖4是現(xiàn)有技術(shù)對集流端面板導(dǎo)流層面結(jié)構(gòu)采用歧管設(shè)計的示意圖；圖5是本發(fā)明中對氫氣進(jìn)出通道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計的一種集成式燃料電池堆；圖6是本發(fā)明中對氫氣進(jìn)出通道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計的另一種集成式燃料電池堆；圖7是本發(fā)明中對氫氣循環(huán)利用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計的氫氣循環(huán)利用裝置的主要組成示意圖；圖8是本發(fā)明一實施例的基本組成示意圖。
具體實施例方式
參見圖5、圖6、圖7。本發(fā)明對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，包括由至少兩個燃料電池堆模塊組成的集成式燃料電池堆1(如圖5、圖6所示)和氫氣循環(huán)利用裝置(如圖7所示)，在集成式燃料電池堆1的兩端各設(shè)有集流端面板101、102(如圖5所示)，或在集成式燃料電池堆的中間設(shè)有集流中間面板103(如圖6所示)，在一集流端面板(如101)的外側(cè)(如圖5所示)或在集流中間面板103內(nèi)(如圖6所示)設(shè)有總進(jìn)氫氣通道104，由總進(jìn)氫氣通道的側(cè)面分出多個支進(jìn)氫氣通道104a、104b……分別與各燃料電池堆模塊的氫氣進(jìn)口連通，各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道105a、105b……分別直接從另一集流端面板(如102)或集流中間面板103引出，各支進(jìn)氫氣通道的有效通徑小于總進(jìn)氫氣通道的有效通徑。
氫氣循環(huán)利用裝置(參見圖7)包括氫循環(huán)泵10、水汽分離器6和組合電磁閥14，組合電磁閥中各單閥的進(jìn)口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道，組合電磁閥中各單閥的出口分別通過一根總管與水汽分離器連通。組合電磁閥中的各單閥可以分別依次導(dǎo)通，實現(xiàn)間歇式、脈沖式的對各燃料電池堆模塊的氫燃料進(jìn)行循環(huán)。
本發(fā)明一種對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池的主要結(jié)構(gòu)組成和工作原理可通過以下實施例作進(jìn)一步說明請參見圖8，本發(fā)明一種對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池的一實施例中的集成式燃料電池堆1包括六個燃料電池堆模塊，相應(yīng)的氫氣循環(huán)利用裝置中設(shè)有由六個單電磁閥組成的組合電磁閥14。六個燃料電池堆模塊共用一塊集流中間面板103。增濕后的燃料氫氣在集流中間面板上部從一條圓形的總進(jìn)氫氣通道104流入，再分流出六條與六個燃料電池堆模塊中的支氫氣進(jìn)相連的支進(jìn)氫氣通道104a、104b、104c……，將增濕后的燃料氫氣均勻分流到六個燃料電池堆模塊的支進(jìn)氫氣通道；每個燃料電池堆模塊的支出氫氣通道105a、105b、105c……，分別單獨(dú)直接從集流中間板104引出，并與組合式電磁閥14中各單閥的進(jìn)口一一對應(yīng)連接。圖中其它標(biāo)號，2為儲氫瓶或其它儲氫裝置，3為減壓閥，6為水—汽分離器，10為氫循環(huán)泵，11為增濕裝置，13為氫穩(wěn)壓閥。
該集成式燃料電池額定輸出功率是70千瓦，氫氣供應(yīng)量大約900標(biāo)準(zhǔn)立升/分鐘，其中按氫氣計量比1.2運(yùn)行，大約有180標(biāo)準(zhǔn)立升/分鐘的過量氫氣需要經(jīng)過氫氣循環(huán)泵循環(huán)回來。如果不采用發(fā)明的技術(shù)方案，需要有一個循環(huán)流量為180升/分鐘的大循環(huán)流量氫膜片泵，才能滿足其循環(huán)量的要求。該泵消耗功率為600瓦，而且噪聲高達(dá)80分貝，重達(dá)15公斤。由于各個燃料電池堆模塊采用統(tǒng)一總進(jìn)氫氣通道與總出氫氣通道，在氫循環(huán)流量達(dá)到180升/分鐘時，平均每個燃料電池堆模塊的氫循環(huán)流量僅為30升/分鐘，該循環(huán)流量往往無法保證每個燃料電池堆模塊中氫側(cè)水的帶出。
采用本發(fā)明的上述技術(shù)方案后，僅需要一個循環(huán)流量為90升/分鐘的中等循環(huán)流量的氫膜片泵，就可滿足其循環(huán)量的要求。該泵消耗功率僅為250瓦，而且噪聲僅為60分貝，重量僅為3公斤。
當(dāng)集成式燃料電池額定輸出功率為70千瓦時，氫氣供應(yīng)量大約為900立升/分鐘，按氫氣計量比1.1運(yùn)行，其中僅90升/分鐘過量氫氣經(jīng)過氫氣循環(huán)泵循環(huán)回來。由于采用了本發(fā)明的技術(shù)方案，該集成式燃料電池堆由六個燃料電池堆模塊組成，每個模塊的支出氫氣通道分別從集流中間面板引出，并與組合電磁閥中的六個單電磁閥分別連接。該組合電磁閥在任何時間內(nèi)僅開啟一個電磁閥，僅使一個燃料電池堆模塊的氫氣出口有氫氣進(jìn)入循環(huán)，所以每個燃料電池堆模塊的氫氣循環(huán)流量高達(dá)90升/分鐘，在這樣大的氫氣循環(huán)流量作用下，該模塊中的氫側(cè)水很容易被帶出燃料電池堆。
組合電磁閥中的各單閥依次按固定順序循環(huán)進(jìn)行開啟，造成每個燃料電池堆模塊的氫氣循環(huán)也是間歇脈沖式的，實際運(yùn)行的效果證明，這種優(yōu)化設(shè)計的氫氣循環(huán)利用裝置使每個燃料電池堆排水更干凈了。并且具有節(jié)能和降低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池中的集成式燃料電池堆可以由兩個以上數(shù)目的燃料電池堆模塊組成，例如3個、8個、10個等等，相應(yīng)的氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥也由兩個以上數(shù)目的單電磁閥組成，例如3個、8個、10個等等。
權(quán)利要求
1.一種對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，包括由至少兩個燃料電池堆模塊組成的集成式燃料電池堆和氫氣循環(huán)利用裝置，在集成式燃料電池堆的兩端各設(shè)有集流端面板，或在集成式燃料電池堆的中間設(shè)有集流中間面板，在一集流端面板上或在集流中間面板內(nèi)設(shè)有總進(jìn)氫氣通道，各燃料電池堆模塊分別設(shè)有支進(jìn)氫氣通道和支出氫氣通道，氫氣循環(huán)利用裝置包括氫循環(huán)泵和水汽分離器，其特征在于所述的總進(jìn)氫氣通道為一平滑管道，其水平設(shè)置在一集流端面板的外側(cè)或集流中間面板內(nèi)，由總進(jìn)氫氣通道側(cè)面分流出多個支進(jìn)氫氣通道分別與各燃料電池堆模塊的支氫氣進(jìn)口相連；所述的各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道分別直接從另一集流端面板或集流中間面板引出；所述的氫氣循環(huán)利用裝置還包括一組合電磁閥，組合電磁閥中各單閥的進(jìn)口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道，組合電磁閥中各單閥的出口分別通過一根總管與水汽分離器連通。
2.如權(quán)利要求1所述的對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，其特征在于所述的各支進(jìn)氫氣通道的有效通徑小于總進(jìn)氫氣通道的有效通徑。
3.如權(quán)利要求1所述的對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，其特征在于所述的組合電磁閥中的各單閥可以分別依次導(dǎo)通，實現(xiàn)間歇式、脈沖式的對各燃料電池堆模塊的氫燃料進(jìn)行循環(huán)。
4.如權(quán)利要求1所述的對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，其特征在于所述的集成式燃料電池堆由六個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由六個單電磁閥組合而成。
5.如權(quán)利要求1所述的對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，其特征在于所述的集成式燃料電池堆由三個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由三個單電磁閥組合而成。
6.如權(quán)利要求1所述的對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，其特征在于所述的集成式燃料電池堆由八個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由八個單電磁閥組合而成。
7.如權(quán)利要求1所述的對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，其特征在于所述的集成式燃料電池堆由十個燃料電池堆模塊組成，相應(yīng)氫氣循環(huán)利用裝置中的組合電磁閥由十個單電磁閥組合而成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對氫氣進(jìn)出通道及循環(huán)利用優(yōu)化設(shè)計的集成式燃料電池，其特點(diǎn)是，其中的總進(jìn)氫氣通道為一平滑管道，水平設(shè)置在一集流端面板的外側(cè)或集流中間面板內(nèi)，由總進(jìn)氫氣通道側(cè)面分流出多個支進(jìn)氫氣通道分別與各燃料電池堆模塊的支氫氣進(jìn)口相連；其中的各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道分別直接從另一集流端面板或集流中間面板引出；其中的氫氣循環(huán)利用裝置設(shè)置了組合電磁閥，組合電磁閥中各單閥的進(jìn)口分別連通各燃料電池堆模塊的支出氫氣通道。采用本發(fā)明的技術(shù)，能避免冷凝水積存在總進(jìn)氫氣通道內(nèi)，可全部由過量的氫氣及時帶出燃料電池，還具有節(jié)能、降噪和少占空間的有益效果。
文檔編號H01M8/04GK1770527SQ20041006771
公開日2006年5月10日 申請日期2004年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 付明竹, 章波, 趙景輝 申請人:上海神力科技有限公司