燃料电池堆及燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体地，涉及燃料电池堆及燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是通过甲醇或氢等燃料在膜电极组件的催化剂层与氧化气体发生电化学反应，获取电能的发电装置。燃料电池包括膜电极组件以及分别位于膜电极组件的相对侧的阳极极板和阴极极板。膜电极组件包括电解质膜以及位于电解质膜两侧表面的催化剂层和扩散层。阳极极板和阴极极板分别用于向膜电极组件输送燃料气体和氧化气体。

第一基板的第一表面例如是与膜电极组件相邻的阳极面，第二表面例如是阴极面、冷却面和平整表面之一。第二基板的第一表面例如是与膜电极组件相邻的阴极面，第二表面例如是阳极面、冷却面和平整表面之一。在阳极面、阴极面和冷却面上分别形成相应的流场结构，用于均匀分配燃料气体、氧化气体、冷却介质之一。

在燃料电池工作期间，燃料气体和氧化气体分别通过阳极面的流场结构的流道被传递到膜电极组件的相对表面。在膜电极组件内部的传递过程为燃料气体通过扩散层扩散到阳极催化层，氧化气体通过扩散到阴极催化层。在膜电极组件的阳极侧，在催化剂层催化剂的作用下，燃料气体放出电子形成阳离子。电子从催化剂表面经由扩散层传递到阳极极板，再从阳极极板传递到外部电路，再从外部电路传送到阴极极板。阳离子则经由电解质膜传递到阴极催化剂层。在膜电极组件的阴极侧，电子从阴极极板传递到扩散层，从扩散层传送至阴极催化剂层。氧化气体在阴极催化剂层上与从阳极传递过来的电子结合形成形成阴离子，阴离子与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成完整的电子回路和离子回路。电解质膜兼有离子通道和阻挡气体以及电子的作用。

随着技术的发展，现在燃料电池已经逐步进入重型商用车、船舶及储能等领域，并展现出了巨大的市场潜力，故对大功率燃料电池电堆提出了更迫切的要求。

行业内现有的燃料电池堆的功率以80-150kw级最为常见，但对于更高功率的燃料电池系统，通常需要多个电池堆进行组合，才可实现更高的功率的输出，但现有的多堆组合模式较为复杂，且对系统集成及运行时绝缘和散热等方面均提出了过高要求；同时，复杂的控制系统也减小了系统的有效可利用功率，极大减小了系统的发电效率。

因此，产业界期望有更好的解决方案，采用改进设计的极板结构来提高燃料电池的电化学性能和单堆功率。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供燃料电池堆及燃料电池系统，实现了多个电堆模块的连接及电堆模块间的有效绝缘，使得燃料电池堆的输出功率可达兆瓦级，满足了对大功率燃料电池堆的需求，且对应的燃料电池系统具有反馈调节和温度监控系统，可以对燃料电池堆中的各电堆模块进行单独的流量调节和温度控制，减少温度波动，增强各电堆模块的寿命。

根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池堆，包括：多个电堆模块，每个电堆模块具至少一个重复部件，至少部分物料在所述重复部件中反应以产生电能；配流模块，位于所述多个电堆模块下方，用于向所述多个电堆模块提供物料；第一绝缘模块，位于所述多个电堆模块与所述配流模块之间，使所述多个电堆模块与所述配流模块之间电绝缘；第二绝缘模块，位于所述多个电堆模块之间，用于将相邻的电堆模块彼此隔离；其中，所述第二绝缘模块中嵌有连接导板，所述连接导板将所述第二绝缘模块两侧的电堆模块相串联。

优选地，所述物料包括燃料流体、氧化流体和冷却流体。

优选地，所述配流模块包括：第一配流模块，所述第一配流模块与外界各流体源相连，所述第一配流模块通过调节阀门的开度调节各流体的流量；第二配流模块，位于所述第一配流模块与所述第一绝缘模块之间，所述第二配流模块设置有多个贯通孔，通过所述多个贯通孔的孔径调节各流体的流量。

优选地，该燃料电池堆还包括：第三绝缘模块，所述第三绝缘模块位于所述多个电堆模块上方，用于将所述多个电堆模块与外界隔离。

优选地，所述第一绝缘模块和所述第三绝缘模块的厚度之和为10mm-100mm。

优选地，所述第二绝缘模块的厚度为50mm-200mm。

优选地，所述第一绝缘模块、所述第二绝缘模块和所述第三绝缘模块中的至少一者采用聚氯乙烯板、聚四氟乙烯板、环氧树脂板或胶木板中的至少一种材料组成。

优选地，所述连接导板由紫铜板、银板、镀锌板中的至少一种组成，所述连接导板的厚度为2mm-10mm。

优选地，所述连接导板的形状为折线形、Z形、S形中的至少一种，所述连接导板与所述第二绝缘模块采用注塑工艺组合，所述第二绝缘模块在所述连接导板的周围均匀分布。

根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池系统，包括：如上所述的燃料电池堆；反馈调节装置，与所述配流模块相连，用于控制所述配流模块中各物料的流量。

优选地，所述配流模块包括第一配流模块，所述第一配流模块的一端与外界各物料源相连，所述第一配流模块的另一端通过调节阀门与对应的所述电堆模块相连，所述反馈调节装置与所述调节阀门相连，用于调节所述调节阀门的开度。

优选地，所述反馈调节装置包括多个单元，每个单元与一个所述电堆模块相对应，以调节该电堆模块的物料流量。

优选地，所述反馈调节装置的每个单元均包括：第一压力传感器，用于获取燃料流体流入管路中的压力；第一流量计，位于燃料流体流入管路中，获取燃料流体的流量并产生第一流量信号；第一温度传感器，用于获取燃料流体流入管路中燃料流体的温度；电压传感器，用于获取对应的电堆模块的输出电压，产生电压信号；第一控制模块，与所述电压传感器和所述第一流量计相连，根据所述第一流量信号和所述电压信号产生第一控制信号，调整/保持所述燃料流体流入管路中的第一阀门的开度。

优选地，所述反馈调节装置的每个单元还包括：第二压力传感器，用于获取氧化流体流入管路中的压力；第二流量计，位于氧化流体流入管路中，获取氧化流体的流量并产生第二流量信号；第二温度传感器，用于获取氧化流体流入管路中氧化流体的温度；第二控制模块，与所述第一流量计和所述第二流量计相连，根据所述第一流量信号和所述第二流量信号产生第二控制信号，调整/保持所述氧化流体流入管路中的第二阀门的开度。

优选地，所述反馈调节装置的每个单元还包括：第三温度传感器，位于冷却流体流出管路中，获取冷却流体的温度并产生温度信号；第三控制模块，与所述电压传感器和所述第三温度传感器相连，根据所述温度信号和所述电压信号产生第三控制信号，调整/保持所述冷却流体流入管路中的第三阀门的开度。

本申请的燃料电池堆，实现了多个电堆模块的连接及电堆模块间的有效绝缘，使得燃料电池堆的输出功率可达兆瓦级，满足了对大功率燃料电池堆的需求，且该燃料电池堆具有多级配流，可以有效调整各流体的流量，增强该燃料电池堆的可靠性和稳定性，根据需要还可将不同数量的电堆模块进行串联并统一管理，该燃料电池堆的结构简单可靠，易于实现，具有很强的实用性。相应地，该燃料电池系统具有反馈调节和温度监控系统，可以对其燃料电池堆中的各电堆模块进行单独的流量调节和温度控制，使得燃料电池系统中的各电堆模块的电压与温度相一致，使其稳定在高效的温度区间内工作，减少温度波动，增强各电堆模块的寿命。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出本发明实施例的燃料电池堆示意图；

图2示出本发明实施例的燃料电池堆的配流示意图；

图3示出本发明实施例的燃料电池系统的示意图；

图4示出本发明实施例的燃料电池系统中第二配流模块的示意图；

图5示出本发明实施例的燃料电池系统中电堆模块的重复部件的截面示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

本文所使用的所有术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出本发明实施例的燃料电池堆的示意图；图中可见该燃料电池堆包括三个电堆模块101、102、103，第一配流模块140，第二配流模块150，第一绝缘模块111，第三绝缘模块112，第二绝缘模块120，连接导板130，正极连接端104和负极连接端105。其中，第一配流模块140位于该燃料电池堆的底部，第二配流模块150位于第一配流模块140上方并与第一配流模块140相连，三个电堆模块101、102、103均位于第二配流模块150上方，三个电堆模块101、102、103沿横向排列，电堆模块与第二配流模块150之间还设置有第一绝缘模块111，以将电堆模块与第二配流模块150电隔离。每个电堆模块例如均包括多个堆叠设置的重复部件。第一绝缘模块111例如采用氯乙烯板、聚四氟乙烯板、环氧树脂板或胶木板中的一种或几种材料组成。当然地，第一绝缘模块111在厚度方向设置有通孔，其通孔数量与第二配流模块150相等，其通孔尺寸不大于第二配流模块150的贯穿孔，并与电堆模块的主管道相对应。电堆模块101、102、103的顶部还设置有第三绝缘模块112，第三绝缘模块112将电堆模块101-103的顶面与外界相隔离，第一绝缘模块111与第三绝缘模块112的厚度之和例如为10mm-100mm，第三绝缘模块112例如也采用氯乙烯板、聚四氟乙烯板、环氧树脂板或胶木板中的一种或几种材料组成。正极连接端104例如位于电堆模块101的底部侧面并横向向外伸出，负极连接端105例如位于电堆模块103的上方并贯穿第三绝缘模块112从第三绝缘模块112的上表面露出。

相邻的电堆模块之间例如设置有第二绝缘模块120，通过第二绝缘模块120将相邻的电堆模块在横向方向上相隔离，第二绝缘模块120采用氯乙烯板、聚四氟乙烯板、环氧树脂板或胶木板中的一种或几种材料组成。第二绝缘模块120的厚度例如为50mm-200mm。第二绝缘模块120中还设置有用于串联相邻电堆模块的Z形的连接导板130，连接导板130嵌入第二绝缘模块120中，通过连接导板130将相邻的电堆模块相串联。具体地，该连接导板130的材料例如为紫铜、银、铝、铁、锌中的一种或几种，当然地，连接导板130外表面也可设置有镀层，连接导板130例如可选用镀锌钢板。连接导板130的厚度例如为2mm-10mm，其宽度例如为5mm-50mm。电堆模块101和102之间的连接导板130的一端与电堆模块101的顶部相连，该连接导板130的另一端与电堆模块102的底部相连，类似地，电堆模块102和103之间的连接导板130的一端与电堆模块102的顶部相连，另一端与电堆模块103的底部相连。使得电堆模块101-103形成串联结构，正极连接端104和负极连接端105分别设置在该串联结构的两端，正极连接端104和负极连接端105用于连接负载以向负载供电。具体地，连接导板130与第二绝缘模块120之间优选采用注塑的方式进行组合，确保连接导板130将相邻电堆模块串联导通的前提下，将第二绝缘模块120的原料在连接导板130周围注塑成型，确保第二绝缘模块120在连接导板130周围的均匀分布，从而保证相邻电堆模块间的绝缘性。

当然地，虽然图1中仅示出了三个电堆模块的设计，但根据实际需求，也可采用两个电堆模块或三个以上的多电堆模块的设计，以满足不同的输出功率需求。

本发明提供的燃料电池堆，在多个电堆模块下方和上方分别设置第一绝缘模块111和第三绝缘模块112，保证了多个电堆模块与外界环境的绝缘性；相邻的电堆模块间设置第二绝缘模块120，保证相邻电堆模块之间的绝缘性。

进一步地，该燃料电池堆还具有多级配流设计，以使多个电堆模块的电压及温度一致，其中，例如包括三级配流设计，由第一配流模块140进行第一级配流，由第二配流模块150进行第二级配流，由各电堆模块中的主管道等进行第三级配流。

图2示出了本发明实施例的燃料电池堆的配流示意图，其中，以电堆模块101为例，其第三级配流例如包括电堆模块101中的主管道1011以及导流结构等，主要用以调节电堆模块101内电芯各单元以及电芯模块间的一致性。第二级配流例如为第一级配流与第三级配流之间的过度，第二配流模块150与第一绝缘模块111配合，通过调整第一绝缘模块111通孔尺寸的大小实现流体流速的放大或缩小，从而调整进入各电堆模块的流体流量。第一级配流例如为反馈式调节，其对应的第一配流模块140中具有反馈式流量调节系统，该第一配流模块140例如包括物料入口141和物料出口142，通过物料入口141和物料出口142为该燃料电池堆提供流动的燃料气体、氧化气体和冷却介质。

图3示出本发明实施例的燃料电池系统的示意图，以下将针对燃料电池系统中反馈调节部分进行详细说明，其反馈调节部分主要集中于第一配流模块，由反馈调节装置控制第一配流模块中阀门的开度，在图3中对第二配流模块以及燃料气体和氧化气体的回流路径进行了省略。

具体地，该燃料电池系统可包括多个单元，每个单元与一个电堆模块相对应，用于控制一个电堆模块中的流体的流量，图中例如包括第一单元至第三单元共三个单元，分别与电堆模块101-103相对应，以第一单元为例对各流体的流动路径、传感器及阀门等进行说明。

燃料气体在管路中依次通过阀门1、压力传感器2、流量计3、温度传感器4后输入至电堆模块101；氧化气体在管路中依次通过阀门11、压力传感器12、流量计13、温度传感器14后输入至电堆模块101；冷却介质在管路中通过阀门9后输入至电堆模块101，冷却介质从电堆模块101流出的管路上设置有温度传感器10，电堆模块101的输出端设置有电压表6，以检测电堆模块101的输出电压。

在燃料气体管路中，阀门1为调节阀，由与其相连的控制模块5调节其开度，控制模块5与电压表6和流量计3相连，控制模块5根据电堆模块101的电压以及流量计3的流量进行逻辑运算后调整/保持阀门1的开度。具体地，流量计3和电压表6的信号分别以4-20mA的电信号(第一流量信号、电压信号)传送至控制模块5，控制模块5产生对应的第一控制信号对阀门1的开度进行调整。

在氧化气体的管路中，阀门11为调节阀，由与其相连的控制模块15调节其开度，控制模块15与燃料气体管路中的流量计3和氧化气体管路中的流量计13相连，流量计3和流量计13的信号分别以4-20mA的电信号(第一流量信号、第二流量信号)传送至控制模块15，控制模块15产生对应的第二控制信号对阀门15的开度进行调整，具体地，采用燃料气体/氧化气体的设定比例(例如1:1.5或1:2)控制阀门15的开度，当然地，也可通过对燃料气体和氧化气体的流量进行逻辑运算控制阀门15的开度。

在冷却流体管路中，阀门9位于冷却流体的流入路径上，阀门9为调节阀，由与其相连的控制模块8调节其开度，控制模块8与电压表6以及冷却流体流出管路上的温度传感器10相连，根据温度传感器10的温度调整/保持阀门9的开度，并设置温度报警阈值，监测冷却流体的温度变化。

图中的第二单元与第三单元的设计与第一单元相类似，其传感器、阀门、控制模块的具体位置及连接关系不再赘述，第二单元与电堆模块102相对应，用于控制电堆模块102的流体流量；第三单元与电堆模块103相对应，用于控制电堆模块103的流体流量。

该燃料电池系统通过采用反馈式流量调节及多级配流设计，使得各单元中的电堆模块均可处在高效工作的温度区间，且多个电堆模块的流量均可独立调节，可以使得多个电堆模块的电压和温度相一致，提高该燃料电池系统运行的稳定性，使得多个电堆模块的电压性能和散热性能一致与稳定，提升燃料电池系统的可靠性及寿命。

图4示出本发明实施例的燃料电池系统中第二配流模块的示意图；该第二配流模块150例如为矩形，第二配流模块150包括三组沿其电堆模块排列方向阵列的贯通孔，三组贯通孔分别与三个电堆模块相对应，其中，第一组贯通孔151例如与电堆模块101相对应，第二组贯通孔152例如与电堆模块102相对应，第三组贯通孔153例如与电堆模块103相对应。每组贯通孔例如包括两个或两个以上的单元。以第一组贯通孔151为例，其例如包括横向阵列的两个单元，每个单元均包括冷却流体通道1513、燃料流体通道1512和氧化流体通道1511，通过控制各流体通道的尺寸和截面面积，控制各物料(燃料流体、氧化流体和冷却流体)的流量及比例关系，每种物料对应至少两个贯通孔，其中一个贯通孔用于物料的流入，另一个贯通孔用于物料的流出，两贯通孔的孔径可相同也可不同。

图5示出根据本发明实施例的燃料电池系统中电堆模块的重复部件的截面示意图；该重复部件例如包括阳极极板100和阴极极板200，阳极极板100和阴极极板200上均设置有多组贯穿孔，阳极极板100和阴极极板200的第一表面和第二表面上还分别设置有对应的流场结构。阳极极板100和阴极极板200彼此间隔设置，两者的第一表面相对，在二者之间夹有膜电极组件300；三者在纵向上堆叠，使得各贯穿孔在纵向上形成相应的多组主管路1011，以作为第三级配流分别运输燃料气体、氧化气体和冷却介质。阳极极板100和阴极极板200例如包第一模块1和第二模块2两个相互独立的反应模块，当然地，根据需要也可包括单个模块或三个以上的反应模块。

膜电极组件300包括电解质膜31，以及在电解质膜31的第一表面(燃料气体侧)上依次堆叠的阳极催化剂层32、阳极扩散层34；在电解质膜31的第二表面(氧化气体侧)上依次堆叠有阴极催化剂层33、阴极扩散层35；以及位于非反应区的环绕各层的边框36。

电解质膜31是输送质子且具有使电子绝缘功能的一种选择性渗透膜。电解质膜31通过构成材料即离子交换树脂的种类，大体分为氟系电解质膜和烃系电解质膜。其中，氟系电解质膜因为具有C-F键，所述耐热性和化学稳定性优异。例如，作为电解质膜，广泛使用以Nafion(注册商标，杜邦有限公司)的商品名得知的全氟磺酸膜。

阳极催化剂层32含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进将氢解离成质子及电子的反应(氢氧反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

阴极催化剂层33含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进由质子和电子和氧生成水的反应(氧还原反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

阳极扩散层34和阴极扩散层35分别由多孔疏松导电材料组成，例如多孔碳纸材料,阳极扩散层34和阴极扩散层35分别将燃料气体和氧化气体从流场的流道中均匀扩散到电解质膜31催化层的两侧表面上，使燃料气体和氧化气体分别与阳极催化剂层32和阴极催化剂层33接触。

阳极极板100的第一表面与膜电极组件300中的阳极扩散层34接触，在第一表面中形成燃料气体流场。

该燃料气体流场包括与第一组主管路连接且横向延伸的多个第一流场结构123，阳极极板100的流场结构在第一表面上是开口的，燃料气体沿着第一流场结构123的方向传递，并输送到膜电极组件300的阳极侧。

阴极极板200的第一表面与膜电极组件300中的阴极扩散层35接触，在第一表面中形成氧化气体流场。该氧化气体流场包括与第二组主管路连接且横向延伸的多个第二流场结构223，阴极极板200的第二流场结构223在第一表面上是开口的，氧化气体沿着第二流场结构223的方向传递，并输送到膜电极组件300的阴极侧。

在膜电极组件300的阳极侧，燃料气体通过膜电极组件300的阳极扩散层34扩散到阳极催化剂层32，燃料气体在膜电极组件300的阳极催化剂层32上通过电化学反应产生阳离子和电子，阳离子经由电解质膜迁移至阴极侧，电子则经由阳极扩散层34传导至阳极极板100。然后，电子经由外部电路从膜电极组件300的阳极侧传送至阴极侧。在膜电极组件300的阴极侧，电子经由阴极极板200传导至阴极扩散层35，然后传导至膜电极组件300的阴极催化剂层33，氧化气体通过膜电极组件300的阴极扩散层35扩散到阴极催化剂层33，氧化气体与电子结合形成形成阴离子，阴离子又与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成电流回路。

在上述的电化学反应中，膜电极组件300的阴极催化剂层表面产生化学反应生成水。进一步地，在膜电极组件300的阴极侧，由于阴极极板流场结构中的脊与其紧密接触，反应生成的水需要由行进中的氧化气体通过阴极极板200的流道带出活性区域。如果生成的水不能及时排出，在活性区域聚集，就会形成水滴，水滴会阻碍氧化气体和阴极催化剂层的接触，造成被水滴淹没的阴极催化剂层无法进行电化学反应，就产生了通常所说的“水淹”现象。在膜电极组件300的阳极侧，存在着经由电解质膜反渗透扩散过去的水，因此也可能产生“水淹”现象。“水淹”现象的产生，影响了电化学反应的进行，从而降低了燃料电池的放电性能。对于燃料电池而言，放电电流越大，反应生成的水越多，就越易产生“水淹”现象，对电池放电性能的影响就越显著。

进一步地，阳极极板100和阴极极板200的第二表面例如均为冷却面，阳极极板100的第二表面设置有冷却流场结构133，阴极极板200的第二表面设置有冷却流场结构223。为了增强极板间的密封性以及极板与膜电极组件300之间的密封性，还在极板的第一表面和第二表面设置有密封框40。

通过多级配流模块的配合可实现多个电堆模块间电压性能及散热性能的一致与稳定，从而保证该燃料电池堆系统的稳定运行，提高该系统中各电堆模块的可靠性及寿命。

本申请的燃料电池堆，实现了多个电堆模块的连接及电堆模块间的有效绝缘，使得燃料电池堆的输出功率可达兆瓦级，满足了对大功率燃料电池堆的需求，且可根据需要将不同数量的电堆模块进行串联并统一管理，该燃料电池堆的结构简单可靠，易于实现，具有很强的实用性。相应地，该燃料电池系统具有反馈调节和温度监控系统，可以对其燃料电池堆中的各电堆模块进行单独的流量调节和温度控制，使得燃料电池系统中的各电堆模块的电压与温度相一致，使其稳定在高效的温度区间内工作，减少温度波动，增强各电堆模块的寿命。

应当说明的是，在本发明的描述中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施例的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。