质子交换膜燃料电池的模块化设计方法技术

本发明专利技术涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种质子交换膜燃料电池的模块化设计方法，包括二个或二个以上的电堆、分配板，所述分配板依次由分配板盖板、氧化剂和冷却剂分配板、分隔板、燃料剂分配板和燃料剂腔盖板构成，它们的两侧分别设置有相互对应的流体进出通道，在分配板的两侧形成一组或一组以上的分配板流体进出通道；分配板氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道分别与电堆上的氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道相连接；氧化剂、冷却剂及燃料剂的进口分配通道和出口分配通道分别与其相应的外部流体管路连接；本发明专利技术改善多个燃料电池组的联接方式，改善了气体分布均匀性，提高了体积比功率，简化了系统部件，适用于燃料电池的商业化发展需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种质子交换膜燃料电池模块化的设计方法，通过分配板的使用，使多个燃料电池组象积木一样分布在分配板的两端，使燃料电池系统更加紧凑、合理地排布。通过改变单个燃料电池组的功率，能够实现燃料电池模块满足不同的输出功率要求。通过燃料电池模块化的设计，不但提高了整个系统的体积比功率，而且减简化了系统部件，适用于燃料电池的商业化发展的需要。
技术介绍
目前燃料电池发动机用的大功率燃料电池组，都是采用多个电池组通过外用管路串并联而成，不但在管路连接方面工作量很大，并且占用了燃料电池系统很大的空间。由于系统管路长，还需要增加一些系统部件来消除由此带来的负面影响。模块化电池是指有2个或2个以上电池组进行一定方式组合并进行一定功能性的集成的多个电池组封装在一起的结构，模块化电池有利于功率组合，可以实现功能集成，有利于批量化生产，降低成本，是国际车载燃料电池的发展趋势。
技术实现思路
本专利技术提供一种燃料电池模块化的设计方法。通过模块化的设计，实现多个燃料电池组通过分配板的设计与应用，变成简单的积木式的组装，通过改变单个电池组的功率，可以满足不同的输出功率要求。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池的模块化设计方法，包括二个或二个以上的电堆、分配板，所述分配板依次由分配板盖板、氧化剂和冷却剂分配板、分隔板、燃料剂分配板和燃料剂腔盖板构成，它们的两侧分别设置有相互对应的流体进出通道，在分配板的两侧形成一组或一组以上的分配板流体进出通道，其一组流体进出通道分别包括氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道；分配板氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道分别与电堆上的氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道相连接；氧化剂、冷却剂及燃料剂的进口分配通道和出口分配通道分别与其相应的外部流体管路连接；氧化剂和冷却剂分配板的一个面上设置有氧化剂进口分配通道和出口分配通道，另一个面上设置有冷却剂的进口分配通道和出口分配通道，它们分别与氧化剂和冷却剂分配板上的氧化剂和冷却剂进出通道相连；燃料剂分配板上设置燃料剂进口分配通道和出口分配通道，它们分别与燃料剂分配板上的燃料剂进出通道相连。-->所述分配板盖板、氧化剂和冷却剂分配板、分隔板、燃料剂分配板及燃料剂腔盖板之间粘接或采用橡胶件密封。在质子交换膜燃料电池的模块外侧设置有封装壳体；在壳体上设置有通风口。所述燃料剂的进口分配通道和出口分配通道通过经由氧化剂和冷却剂分配板上的接口与其相应的外部燃料剂管路连接。在所述的氧化剂及燃料剂进口分配通道上分别设置有排水口。本专利技术设计方法设计的燃料电池模块主要有三部分组成，分别为：1、模块封装结构部分；其中封装部分由树脂材料模铸而成，具有绝缘、隔离同时使整个系统美观的作用，封装结构在满足功能性要求的基础上，可以随意改变整个模块的外部形状、颜色等，以便使整体结构更加美观。2、模块的电堆部分，电堆部分是模块的核心部件。3、模块的分配板部分。分配板部分是用来给模块中的电堆输送以及排放燃料剂、氧化剂及冷却剂的部件，分配板部分中带有不规则形状的分配孔道，包括燃料剂、氧化剂及冷却剂的分配孔道。设计上应保证整个系统中的燃料剂、氧化剂及冷却剂在模块中每个电堆中的分配均匀。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过采用燃料电池模块化的设计方法，改善多个燃料电池组的联接方式，改善了气体分布均匀性，提高了体积比功率，简化了系统部件，适用于燃料电池的商业化发展需要，从而推动了燃料电池产业化的发展。附图说明图1为带有封装结构的50KW燃料电池模块图，其中，1为封装结构；2为电堆；3为分配板；图2为图1的反向视图；图3为无封装结构的50KW燃料电池模块图(4个电池组组成)；图4为本专利技术一个实施例的分配板的工作示意图，图中：4为分配板的盖板，5为氧化剂和冷剂的分配板，6为分隔板；7为燃料剂分配板；8为燃料剂腔盖板；图5燃料剂分配板结构示意图；图6氧化剂和冷却剂分配板结构示意图；图7冷剂分配板结构示意图；图8模块的台架试验数据图；图9模块在发动机上的运行数据图。具体实施方式-->实施例一种质子交换膜燃料电池的模块化设计方法，包括二个或二个以上的电堆、分配板，所述分配板依次由分配板盖板4、氧化剂和冷却剂分配板5、分隔板6、燃料剂分配板7和燃料剂腔盖板8构成，它们的两侧分别设置有相互对应的流体进出通道，在分配板的两侧形成一组或一组以上的分配板流体进出通道，其一组流体进出通道分别包括氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道；分配板氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道分别与电堆上的氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道相连接；氧化剂、冷却剂及燃料剂的进口分配通道和出口分配通道分别与其相应的外部流体管路连接；其中，燃料剂的进口分配通道和出口分配通道通过经由氧化剂和冷却剂分配板5上的接口与其相应的外部燃料剂管路连接；氧化剂和冷却剂分配板5的一个面上设置有氧化剂进口分配通道和出口分配通道，另一个面上设置有冷却剂的进口分配通道和出口分配通道，它们分别与氧化剂和冷却剂分配板5上的氧化剂和冷却剂进出通道相连；燃料剂分配板7上设置燃料剂进口分配通道和出口分配通道，它们分别与燃料剂分配板7上的燃料剂进出通道相连。在所述的氧化剂及燃料剂进口分配通道上分别设置有排水口。在质子交换膜燃料电池的模块外侧设置有封装壳体，壳体上设置有通风口。所述燃料电池的模块化的设计方法具体步骤如下：(1)先根据输出的功率要求确定燃料电池组在整个模块中的数量；根据需要本实例采用了一个燃料电池模块有4个燃料电池组组成的设计方案。即：每个模块由4个电池组组成，每个电池组由130节单电池组成，总单电池的节数为520节，4个电堆在电路上串联，这样在正常的工作范围内，电压在340-480V范围内，满足车上电压需求。(2)根据要求的空间尺寸确定燃料电池在模块中的相对位置关系；本实例的方案如图3示，4个燃料电池组分布于分配板的两侧，每两个电池组叠放在一起。在几何尺寸设计上，除了考虑活性面积、流场等方面的性能需求外，还考虑车载空间的要求，兼容轿车与客车的空间布局，外形尺寸为：830*430*230mm。(3)分配板的设计；模块中各电堆之间的流体分配是模块设计的关键。因为，流体分配不均匀，会导致性能不均匀，在同样加载程度时，个别堆中的个别节容易发生燃料饥饿，引起材料的衰减，严重的甚至会导致整体失效。通过气液两相流的模拟计算，确定等阻力的分配板结构，保证在模块内各个电池的流体分配均匀，从而保证性能均匀，充分发挥每个模块的潜力，提高整体性能。-->其中分配板由：氧化剂分配板、冷却液分配板及燃料剂分配板组成，见附图4。图中4号板和5号板通过粘结剂粘合在一起，6号、7号、8号板也是使用粘结剂粘结在一起，最后使用螺杆将5块板紧固。(4)封装结构的设计；燃料电池模块是由数百片单电池集成和装配而成的，封装位置、封装压力和封装次序的选取非常重要。在模块开发中研究了燃料电池复杂结构封装技术及其关键工艺力学问题，选取合适的轻质聚合物材料，设计了合理的几何尺寸，模铸成型，保证整体结构强度、刚度需求，同时具有防水、防尘、防短路功能。模块化设计经加工实施组装完成后，分别在台架和发动机上测试了它们的性能。其性能数据如图8和9所示。-->本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池的模块化设计方法，包括二个或二个以上的电堆、分配板，其特征在于：所述分配板依次由分配板盖板（４）、氧化剂和冷却剂分配板（５）、分隔板（６）、燃料剂分配板（７）和燃料剂腔盖板（８）构成，它们的两侧分别设置有相互对应的流体进出通道，在分配板的两侧形成一组或一组以上的分配板流体进出通道，其一组流体进出通道分别包括氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道；分配板氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道分别与电堆上的氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道相连接；氧化剂、冷却剂及燃料剂的进口分配通道和出口分配通道分别与其相应的外部流体管路连接；氧化剂和冷却剂分配板（５）的一个面上设置有氧化剂进口分配通道和出口分配通道，另一个面上设置有冷却剂的进口分配通道和出口分配通道，它们分别与氧化剂和冷却剂分配板（５）上的氧化剂和冷却剂进出通道相连；燃料剂分配板（７）上设置燃料剂进口分配通道和出口分配通道，它们分别与燃料剂分配板（７）上的燃料剂进出通道相连。

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的模块化设计方法，包括二个或二个以上的电堆、分配板，其特征在于：所述分配板依次由分配板盖板(4)、氧化剂和冷却剂分配板(5)、分隔板(6)、燃料剂分配板(7)和燃料剂腔盖板(8)构成，它们的两侧分别设置有相互对应的流体进出通道，在分配板的两侧形成一组或一组以上的分配板流体进出通道，其一组流体进出通道分别包括氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道；分配板氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道分别与电堆上的氧化剂、冷却剂及燃料剂进出通道相连接；氧化剂、冷却剂及燃料剂的进口分配通道和出口分配通道分别与其相应的外部流体管路连接；氧化剂和冷却剂分配板(5)的一个面上设置有氧化剂进口分配通道和出口分配通道，另一个面上设置有冷却剂的进口分配通道和出口分配通道，它们分别与氧化剂和冷却剂分配板(5)上的氧化剂和冷却剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜玉玉，侯明，林业发，明平文，衣宝廉，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：[]