[发明专利]可快速热插拔电堆结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆与辅助系统接插件端口结构。

背景技术

燃料电池是通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能的装置，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。其中的质子交换膜燃料电池因其具有效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程：反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，同时放出热量。电极反应为：

阳极（负极）：H₂ → 2H⁺ + 2e

阴极（正极）：1/2O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O

电池反应：   H₂ + 1/2O₂ → H₂O

一个典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极放在两块导电的导流极板中间，两块导流板分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这样形成的一个燃料电池称为单电池，为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，需要将多个单电池通过直叠的方式串联成电池组，又叫燃料电池电堆。在燃料电池电堆中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。电堆通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起。

燃料电池发电系统主要由燃料电池堆与电池堆支持运行系统组成。当燃料电池发电系统用作车、船等运载工具的动力系统时，燃料电池发电系统又叫做燃料电池发动机。

氢气的流量、温度、压力和湿度，空气的流量、温度、压力和湿度，冷却水的流量、温度和压力，燃料电池堆流体出入口温差、压差，负载的加载频率变化，系统各零部件的响应速度等工作参数对于燃料电池的正常运行和效率有着重要的影响。

燃料电池电堆与支持电堆运行的辅助系统之间需要有连接端口进行连接，一般有2个空气导流端口、2个燃料导流端口、2个冷却液导流端口、2个正负极电缆接线端口和1个CVM监控端口。

目前燃料电池堆的工程设计一般将上述9个端口直接汇集到燃料电池堆前端面板上，也有将6个导流端口和2个电缆线接线端口分别汇集到电堆前后两块端板上，例如前后每块端板分别汇集3个导流端口和1个电缆线接线端口。

目前这些连接端口，特别是6个导流端口与辅助系统相连均使用的是不锈钢卡套或者不锈钢宝塔接头，需要用螺纹紧固或者喉箍等外接辅助连接，无论是将电堆安装上系统还是从系统上拆卸均不够快速方便。

中国专利号为200610014451.6的发明专利提到一种结构简单、防止电池端板腐蚀的燃料电池堆进出口装置，其通过将导流管自下至上依次穿过绝缘板和端板的方式使反应物经导流管直接进入到双极板，不与端板及其它部件接触，减少腐蚀，简化整体结构，但并没有涉及导流管与辅助系统的连接口如何设计，无法满足电堆与辅助系统快速便捷拆装的要求。

中国专利号2006100330464.2和02136045.6的发明专利涉及到一种集成式燃料电池集流板的设计，可以是燃料电池结构紧凑、阻力及压力损失小、装配容易。但其同样没有涉及到电堆与辅助系统连接问题，不支持电堆系统的热插拔，限制了燃料电池的应用范围。

中国专利号为200610137575.3的发明专利提到一种燃料电池组的结构，能够获得充分的流体密封性和结构的稳定性，但仅涉及导流管在电堆连接结构的设计，并没有提及电堆与辅助系统的连接结构设计。

对于上述燃料电池结构设计均只涉及到燃料电池堆自身的结构设计与改良，没有对电堆与辅助系统的连接件进行进一步设计优化，不能有效的将电堆从系统中快速拆装、支持电堆与系统之间的热插拔。

发明内容