一種可快速冷啟動的長壽命燃料電池電堆模塊的製作方法

2023-11-11 12:24:12 1

本發明屬於燃料電池技術領域，特別涉及一種可快速冷啟動的長壽命燃料電池電堆模塊。

背景技術：

質子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell,pemfc)是一種清潔環保的電化學發電裝置，由於其體積小、質量輕、操作條件溫和、能量轉換率高、結構簡單以及響應迅速等優勢，很適合用於可攜式電源和交通運輸工具。因此，pemfc被認為是21世紀首選的清潔、高效的發電裝置。近年來，世界各國都在積極研製以燃料電池電堆模塊為主要動力源的燃料電池電動汽車。

質子交換膜燃料電池工作時，維持內部適量的水濃度分布是其性能高效、穩定發揮的關鍵因素之一，正常情況下，良好的水管理策略既能保證膜的充分潤溼，又能使多餘的液態水及時排出，整個系統可維持在可靠、平穩運行狀態。但是，在冰點以下環境中，電池內部的液態水發生凍結將會對電池產生惡劣的影響，如啟動困難、啟動緩慢甚至啟動失敗，以及多起啟動後可能造成內部結構出現損傷和破環，造成性能衰減等諸多問題。然而，質子交換膜燃料電池堆的低溫冷啟動是燃料電池系統實際應用必然會經歷的過程。因此，燃料電池在汽車領域的應用，不可避免地會面臨低溫條件下的啟動等困難。近幾年來，成本和耐久性方面的技術進步使燃料電池處於產業化的邊緣，燃料電池的冷啟動問題因而變得更加突出，特別是對應用於汽車和野外基站的燃料電池而言，實現電池冰點下快速啟動和儘可能地減輕或者消除低溫對電池的破壞是一個急需解決的問題。

pemfc電堆是由多個單電池以串聯的形式層疊組合而成，其中每一個單電池性能的好壞直接影響到整個電堆的壽命。而每一個單電池性能的發揮程度的差異性產生了pemfc電堆單片的一致性問題。pemfc電堆各單片存在不同程度的差異性，主要是由多方面的原因所造成，其中，由於氣體經電堆公用通道流進各個單電池而引起的流量的分布不均、由於電堆外側散熱速率較中間部分快而引起的溫度分布不均，即所謂的「邊緣效應」是影響電堆壽命的重要因素。因此，通過合理的結構設計改善流量分布與溫度分布，以確保pemfc電堆單片的一致性是非常有必要的。

另外，當前人們對燃料電池電堆的機械力學性能，包括抗振動與衝擊性能尚未給予足夠的重視。實際上，車輛行駛時產生的各種振動衝擊負荷，由於應力集中可能導致燃料電池關鍵零部件的不可逆形變或破壞(如石墨板的碎裂、緊固件變形)，從而嚴重影響動力燃料電池全生命周期的性能。另外，當燃料電池電堆的長度發生變化時會帶來壓緊力的損失，影響電堆的性能。因此，燃料電池的機械力學性能對保證燃料電池的基本性能、安全性、可靠性以及耐久性至關重要，且合理的機械動力學設計有利於提高燃料電池系統的功率與能量密度，實現輕量化。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種可快速冷啟動的長壽命燃料電池電堆模塊，所述可快速冷啟動的長壽命燃料電池電堆模塊，包括(n-1)組複合雙極板和n片非均一化的膜電極組成的燃料電池電堆、1組前端複合端板、1組後端複合端板、前端集流板、後端集流板、前端板、後端板、電熱隔離板、保護罩、帶有彈性應力記憶能力的綑紮式固定帶、密封墊；其特徵在於：可快速冷啟動的長壽命燃料電池電堆模塊的總體結構是按照順序疊放：前端板7、前端集流板5、前端複合端板3、密封墊13、燃料電池電堆、密封墊13、後端複合端板4、後端集流板6、電熱隔離板9和後端板8疊放在一起、然後用帶有彈性應力記憶能力的綑紮式固定帶12綑紮壓緊；最後通過彈性元件10、緊固螺栓14及螺柱15固定，彈性元件10罩在保護罩11內；其中複合雙極板是由複合陽極板和複合陰極板組成；所述燃料電池電堆是由(n-1)組複合雙極板1與n片非均一化的膜電極2間隔、順序疊放組成；其順序疊放為m組前端複合雙極板、(n-m-n-1)組中間段複合雙極板、n組後端複合雙極板；其中前端複合雙極板、中間段複合雙極板、後端複合雙極板均由複合陽極板、複合陰極板組合而成；前端複合端板3由複合陽極板、複合陰極板及帶有公用通道的複合平板組合而成；後端複合端板4由複合陰極板和複合平板組合而成。

所述綑紮式固定帶之間為平行排列；綑紮式固定帶為可拉伸、長度易調、帶有彈性的壓縮帶，其材質為鈹銅、高分子聚合物材料、纖維基複合材料或編織雙絞線，綑紮式固定帶的數目為2～10。

所述前端集流板和後端集流板均由在銅板中心焊接銅柱而成，集流板的表面均依次進行了鍍鎳、鍍金的處理。

所述的n片非均一化的膜電極由r組前端膜電極、(n-r-s)組中間段膜電極、s組後端膜電極組成；其膜電極的活性面積為50～500mm2；其中，前端膜電極的催化劑含量為0.2～0.6g/cm2，所述的r為1～10；後端膜電極的催化劑含量為0.2～0.6g/cm2，所述的s為1～10；中間段膜電極的催化劑含量為0.1～0.5g/cm2。

所述複合陽極板、複合陰極板、複合平板及帶有公用通道的複合平板的材質均為一種由石墨烯、碳纖維、填充樹脂及分布在中間的電阻絲組件所組成的超導體複合材料,其電阻絲組件的兩端分別與外部電源的正、負極相連，其成型方式均為雕刻、滾壓、衝壓或模壓成型。

所述前端板由前端板主體和楔形塊組成，後端板為後端板主體；它們的材質為玻璃纖維、聚甲醛、abs工程塑料、玻纖增強的尼龍材料，並且前/後端板主體和楔形塊的成型方式為銑削成型、模壓成型或注塑成型。

所述電熱隔離板由帶有加熱單元的絕緣板、彈性體、熱反射貼面及聚乙烯薄膜層壓而成，其中加熱單元的一端穿過孔後通過開關與前端集流板相連，另一端穿過孔後直接與後端集流板相連；其中，帶有加熱單元的絕緣板中的加熱單元置於絕緣板內部，加熱單元中的x組加熱元件的組成方式為串聯、並聯、串並聯，x為1～20。

所述(n-1)組複合雙極板的n為20～500；

所述m組前端複合雙極板的厚度為1.0～4.0mm，流道截面積為0.2mm2～1.5mm2，所述的m為1～20。

所述n組後端複合雙極板的厚度為1.0～4.0mm，流道截面積為0.2mm2～1.5mm2，所述的n為1～20。

所述(n-m-n-1)組中間段複合雙極板的厚度為1.0～3.0mm，流道截面積為0.1mm2～1.2mm2。

所述超導體複合材料中的填充樹脂為熱固性樹脂和/或熱塑性樹脂。

所述彈性元件為多個彈簧板、多個碟簧、一隻彈簧或一個活塞。

所述分布在超導體複合材料中間的電阻絲組件是由y組電阻絲所組成的，y組電阻絲的組成方式為串聯、並聯、串並聯，所述的y為1～50。

本發明的有益效果是本發明提供一種可快速冷啟動的長壽命的燃料電池電堆模塊，其結構簡單而新穎，使用新型超導體複合材料可實現簡單快速的低溫冷啟動；通過改善公用通道中各單電池的氣體分配、減小電堆中各單電池溫度差異、增大兩端膜電極的催化劑含量來提高電堆單片的一致性；使得氣體經電堆公用通道流進各單電池的流量分布均勻、電堆內各單電池的溫度分布均勻、兩端膜電極性能衰減速率明顯下降、抗振動與衝擊性能得以提高，保證了燃料電池的安全性、可靠性以及耐久性，同時，易於實現低溫條件下的快速冷啟動。

附圖說明

圖1為可快速冷啟動的長壽命的燃料電池電堆的結構示意圖。

圖2為圖1中的後視圖。

圖3為圖1的a-a剖面圖。。

圖4為圖3的放大圖，其中，a零部件距離的拉開示意圖；b為前端板部分的局部放大圖；c前/後複合端板結構圖。

圖5為複合雙極板示意圖.其中a為複合雙極板整體示意圖；b為a部放大圖。

圖6為膜電極示意圖。

圖7為集流板的結構示意圖

圖8為前或後端板的結構示意圖。

圖9為分布在新型超導體複合材料中間的電阻絲組件的電氣原理圖。

圖10為置於絕緣板內部的加熱單元的電氣原理圖

具體實施方式

本發明提供一種可快速冷啟動的長壽命燃料電池電堆，下面結合附圖和實施例予以說明。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示的可快速冷啟動的長壽命的燃料電池電堆的結構示意圖，可快速冷啟動的長壽命燃料電池電堆的總體結構是按照順序疊放：前端板7、前端集流板5、前端複合端板3、密封墊13燃料電池電堆模塊、密封墊13、後端複合端板4、後端集流板6、電熱隔離板9和後端板8疊放在一起、然後用帶有彈性應力記憶能力的綑紮式固定帶12綑紮壓緊；最後通過彈性元件10、緊固螺栓14及螺柱15固定，彈性元件10罩在保護罩11內；其中複合雙極板是由複合陽極板和複合陰極板組成(如圖5所示為複合雙極板示意圖.其中a為複合雙極板整體示意圖；b為a部放大圖)；所述燃料電池電堆模塊是由(n-1)組複合雙極板1與n片非均一化的膜電極2間隔、順序疊放組成；其順序疊放為m組前端複合雙極板、(n-m-n-1)組中間段複合雙極板、n組後端複合雙極板(如圖4中a零部件距離的拉開示意圖所示)；其中前端複合雙極板、中間段複合雙極板、後端複合雙極板均由複合陽極板、複合陰極板組合而成(如圖4中b為前端板部分的局部放大圖所示)；前端複合端板3由複合陽極板、複合陰極板及帶有公用通道的複合平板組合而成(如圖4中c前/後複合端板結構圖所示)；後端複合端板4由複合陰極板和複合平板組合而成；使得氣體經電堆公用通道流進各單電池的流量分布均勻、電堆內各單電池的溫度分布均勻、兩端膜電極性能衰減速率明顯下降、抗振動與衝擊性能得以提高，保證了燃料電池的安全性、可靠性以及耐久性，同時，易於實現低溫條件下的快速冷啟動。

其中，綑紮式固定帶12為可拉伸、長度易調、帶有彈性的壓縮帶，其材質為鈹銅、高分子聚合物材料、纖維基複合材料或編織雙絞線，綑紮式固定帶的數目為4，綑紮式固定帶之間為平行排列。

圖5所示為複合雙極板示意圖，其中a為複合雙極板整體示意圖；b為a部放大圖。複合雙極板是由複合陽極板和複合陰極板組成；所述複合陽極板、複合陰極板、複合平板及帶有公用通道的複合平板的材質均為一種由石墨烯、碳纖維、填充樹脂及分布在中間的電阻絲組件所組成的超導體複合材料,其電阻絲組件的兩端分別與外部電源的正、負極相連(如圖9所示為分布在新型超導體複合材料中間的電阻絲組件的電氣原理圖)，其成型方式均為雕刻、滾壓、衝壓或模壓成型。所述(n-1)組複合雙極板的n為200；

所述m組前端複合雙極板的厚度為2.50mm，流道截面積為0.6mm2、m為10。

所述n組後端複合雙極板的厚度為2.5.0mm，流道截面積為0.6mm2，所述的n為10。

所述(n-m-n-1)組中間段複合雙極板的厚度為2.0mm，流道截面積為0.4mm2。

所述電熱隔離板由帶有加熱單元的絕緣板、彈性體、熱反射貼面及聚乙烯薄膜層壓而成，其中加熱單元的一端穿過孔後通過開關與前端集流板相連，另一端穿過孔後直接與後端集流板相連；其中，帶有加熱單元的絕緣板中的加熱單元置於絕緣板內部，加熱單元中的x組加熱元件的組成方式為並聯(如圖10所示的置於絕緣板內部的加熱單元的電氣原理圖)，x為10。所述超導體複合材料中的填充樹脂為熱固性樹脂。彈性元件為6個碟簧。

圖6所示為膜電極示意圖。n片非均一化的膜電極由r組前端膜電極、(n-r-s)組中間段膜電極、s組後端膜電極組成；其膜電極的活性面積為200mm2；其中，前端膜電極的催化劑含量為0.5g/cm2，所述的r為10；後端膜電極的催化劑含量為0.5g/cm2，s為10；中間段膜電極的催化劑含量為0.4g/cm2。

圖7所示為集流板的結構示意圖所述前端集流板和後端集流板均由在銅板中心焊接銅柱而成，集流板的表面均依次進行了鍍鎳、鍍金的處理。

圖8所示為前或後端板的結構示意圖。其中前端板由前端板主體和楔形塊組成，後端板為後端板主體；它們的材質為玻璃纖維，並且前/後端板主體和楔形塊的成型方式為銑削成型、模壓成型或注塑成型。

採用本發明的新型的可快速冷啟動的長壽命的燃料電池電堆模塊的設計組裝了一臺200節的燃料電池電堆模塊，經測試，其性能接近或趕超國際先進水平，該電堆模塊的耐久性超過6000小時，抗振動與衝擊性能超過4g，並且在-30℃條件下快速冷啟動的時間不超過30秒。與現有技術相比，本發明的優點在於：

a.由石墨烯、碳纖維、填充樹脂及分布在中間的電阻絲組件所組成的新型超導體複合材料，其導電性優異，因此燃料電池模塊的性能較好，效率較高。

b.由於新型複合雙極板中含有碳纖維，電堆模塊的抗振動與衝擊強度較大。

c.在低溫條件下，通過外部電源給予分布在中間的電阻絲組件一定的電能，使得燃料電池電堆模塊的冷啟動速度加快，同時，避免了由於反覆啟動失敗導致的關鍵部件的損傷，使得燃料電池的壽命得以延長。

d.燃料電池電堆採用前端、中間、後端的三段式設計，是由(n-1)組複合雙極板1與n片非均一化的膜電極2間隔、順序疊放組成；其順序疊放為m組前端複合雙極板、(n-m-n-1)組中間段複合雙極板、n組後端複合雙極板組成；前、後兩端雙極板的流道截面積大於中間段的雙極板，這有助於氣體在公用通道能均勻地分配到各個單體電池中，從而提高了燃料電池的耐久性。

e.非均一化的膜電極採用前端、中間、後端的三段式非均一化設計，前、後兩端膜電極的催化劑含量高於中間段的膜電極，這樣能夠方便地解決現有技術中出現的氣體分配或溫度分布呈現「邊緣效應」而導致的前、後兩端的單電池的性能較差、性能衰減較快的問題，使得每節單電池的性能較為均一、衰減速率較為一致，從而延長了燃料電池模塊的壽命。

f.由於在前端板的氣體進口處引入了楔形塊，提高前端單電池的氣體分配量，彌補了前端氣體分配量偏少的不足，有助於氣體分配得均一性。

g.前端複合端板採用了由新型的複合陽極板、新型的複合陰極板及帶有公用通道的新型的複合平板所組成的「三明治」結構，該結構一方面迫使本來分配較少的「第一節」的空氣不參與反應(即真正的第一節單電池的空氣在空氣公用通道中處於分配的「第二節」)，另一方面「第一節」中不參與反應的熱空氣對第一節單電池起到了隔熱、保溫的作用，使得前端單電池性能得以提高。

h.引入的新型電熱隔離板中，彈性體有助於提高電堆模塊的抗振動與衝擊性能；熱反射貼面使得電堆後端向外散發的熱量得以反射回去，這將有助於電堆模塊的溫度分布一致性；帶有加熱單元的絕緣板，一方面可以對電堆後端單電池進行加熱補償，提高電堆模塊的整體溫度分布一致性，另一方面，加熱單元可以在電堆模塊運行結束後(即斷開電子負載後)作為微型負載對電堆進行放電，並且消耗掉電堆模塊內多餘的氣體。

i.綑紮式固定帶可拉伸、長度易調、且帶有彈性，提高了電堆模快的抗振動與衝擊性能，其帶有的彈性應力記憶能力使得電堆模塊的預緊力在全生命周期內維持不變。

j.電堆模塊結構簡單，降低了工藝複雜性及電池製造成本，同時，易於進行多個模塊的串並聯疊加。