CN107154503B - 一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块 - Google Patents

一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于燃料电池技术领域的一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块。其总体结构是按照顺序叠放：前端板、前端集流板、前端复合端板、密封垫、燃料电池电堆、密封垫、后端复合端板、后端集流板、电热隔离板和后端板叠放在一起、然后用带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带捆扎压紧；最后通过弹性元件、紧固螺栓及螺柱固定。本发明结构简单而新颖，使用新型超导体复合材料可实现简单快速的低温冷启动；通过改善公用通道中各单电池的气体分配、减小电堆中各单电池温度差异、增大两端膜电极的催化剂含量来提高电堆单片的一致性；抗振动与冲击性能得以提高，保证了燃料电池的安全、可靠及耐久性，同时，易于实现低温条件下的快速冷启动。

Description

一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC)是一种清洁环保的电化学发电装置，由于其体积小、质量轻、操作条件温和、能量转换率高、结构简单以及响应迅速等优势，很适合用于便携式电源和交通运输工具。因此，PEMFC被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电装置。近年来，世界各国都在积极研制以燃料电池电堆模块为主要动力源的燃料电池电动汽车。
质子交换膜燃料电池工作时，维持内部适量的水浓度分布是其性能高效、稳定发挥的关键因素之一，正常情况下，良好的水管理策略既能保证膜的充分润湿，又能使多余的液态水及时排出，整个系统可维持在可靠、平稳运行状态。但是，在冰点以下环境中，电池内部的液态水发生冻结将会对电池产生恶劣的影响，如启动困难、启动缓慢甚至启动失败，以及多起启动后可能造成内部结构出现损伤和破环，造成性能衰减等诸多问题。然而，质子交换膜燃料电池堆的低温冷启动是燃料电池系统实际应用必然会经历的过程。因此，燃料电池在汽车领域的应用，不可避免地会面临低温条件下的启动等困难。近几年来，成本和耐久性方面的技术进步使燃料电池处于产业化的边缘，燃料电池的冷启动问题因而变得更加突出，特别是对应用于汽车和野外基站的燃料电池而言，实现电池冰点下快速启动和尽可能地减轻或者消除低温对电池的破坏是一个急需解决的问题。
PEMFC电堆是由多个单电池以串联的形式层叠组合而成，其中每一个单电池性能的好坏直接影响到整个电堆的寿命。而每一个单电池性能的发挥程度的差异性产生了PEMFC电堆单片的一致性问题。PEMFC电堆各单片存在不同程度的差异性，主要是由多方面的原因所造成，其中，由于气体经电堆公用通道流进各个单电池而引起的流量的分布不均、由于电堆外侧散热速率较中间部分快而引起的温度分布不均，即所谓的“边缘效应”是影响电堆寿命的重要因素。因此，通过合理的结构设计改善流量分布与温度分布，以确保PEMFC电堆单片的一致性是非常有必要的。
另外，当前人们对燃料电池电堆的机械力学性能，包括抗振动与冲击性能尚未给予足够的重视。实际上，车辆行驶时产生的各种振动冲击负荷，由于应力集中可能导致燃料电池关键零部件的不可逆形变或破坏(如石墨板的碎裂、紧固件变形)，从而严重影响动力燃料电池全生命周期的性能。另外，当燃料电池电堆的长度发生变化时会带来压紧力的损失，影响电堆的性能。因此，燃料电池的机械力学性能对保证燃料电池的基本性能、安全性、可靠性以及耐久性至关重要，且合理的机械动力学设计有利于提高燃料电池系统的功率与能量密度，实现轻量化。
发明内容
本发明的目的是提供一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，包括(N-1)组复合双极板和N片非均一化的膜电极组成的燃料电池电堆、1组前端复合端板、1组后端复合端板、前端集流板、后端集流板、前端板、后端板、电热隔离板、保护罩、带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带、密封垫；其特征在于：可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块的总体结构是按照顺序叠放：前端板7、前端集流板5、前端复合端板3、密封垫13、燃料电池电堆、密封垫13、后端复合端板4、后端集流板6、电热隔离板9和后端板8叠放在一起、然后用带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带12捆扎压紧；最后通过弹性元件10、紧固螺栓14及螺柱15固定，弹性元件10罩在保护罩11内；其中复合双极板是由复合阳极板和复合阴极板组成；所述燃料电池电堆是由(N-1)组复合双极板1与N片非均一化的膜电极2间隔、顺序叠放组成；其顺序叠放为m组前端复合双极板、(N-m-n-1)组中间段复合双极板、n组后端复合双极板；其中前端复合双极板、中间段复合双极板、后端复合双极板均由复合阳极板、复合阴极板组合而成；前端复合端板3由复合阳极板、复合阴极板及带有公用通道的复合平板组合而成；后端复合端板4由复合阴极板和复合平板组合而成。
所述捆扎式固定带之间为平行排列；捆扎式固定带为可拉伸、长度易调、带有弹性的压缩带，其材质为铍铜、高分子聚合物材料、纤维基复合材料或编织双绞线，捆扎式固定带的数目为2～10。
所述前端集流板和后端集流板均由在铜板中心焊接铜柱而成，集流板的表面均依次进行了镀镍、镀金的处理。
所述的N片非均一化的膜电极由r组前端膜电极、(N-r-s)组中间段膜电极、s组后端膜电极组成；其膜电极的活性面积为50～500mm2；其中，前端膜电极的催化剂含量为0.2～0.6g/cm2，所述的r为1～10；后端膜电极的催化剂含量为0.2～0.6g/cm2，所述的s为1～10；中间段膜电极的催化剂含量为0.1～0.5g/cm2。
所述复合阳极板、复合阴极板、复合平板及带有公用通道的复合平板的材质均为一种由石墨烯、碳纤维、填充树脂及分布在中间的电阻丝组件所组成的超导体复合材料,其电阻丝组件的两端分别与外部电源的正、负极相连，其成型方式均为雕刻、滚压、冲压或模压成型。
所述前端板由前端板主体和楔形块组成，后端板为后端板主体；它们的材质为玻璃纤维、聚甲醛、ABS工程塑料、玻纤增强的尼龙材料，并且前/后端板主体和楔形块的成型方式为铣削成型、模压成型或注塑成型。
所述电热隔离板由带有加热单元的绝缘板、弹性体、热反射贴面及聚乙烯薄膜层压而成，其中加热单元的一端穿过孔后通过开关与前端集流板相连，另一端穿过孔后直接与后端集流板相连；其中，带有加热单元的绝缘板中的加热单元置于绝缘板内部，加热单元中的x组加热元件的组成方式为串联、并联、串并联，x为1～20。
所述(N-1)组复合双极板的N为20～500；
所述m组前端复合双极板的厚度为1.0～4.0mm，流道截面积为0.2mm2～1.5mm2，所述的m为1～20。
所述n组后端复合双极板的厚度为1.0～4.0mm，流道截面积为0.2mm2～1.5mm2，所述的n为1～20。
所述(N-m-n-1)组中间段复合双极板的厚度为1.0～3.0mm，流道截面积为0.1mm2～1.2mm2。
所述超导体复合材料中的填充树脂为热固性树脂和/或热塑性树脂。
所述弹性元件为多个弹簧板、多个碟簧、一只弹簧或一个活塞。
所述分布在超导体复合材料中间的电阻丝组件是由y组电阻丝所组成的，y组电阻丝的组成方式为串联、并联、串并联，所述的y为1～50。
本发明的有益效果是本发明提供一种可快速冷启动的长寿命的燃料电池电堆模块，其结构简单而新颖，使用新型超导体复合材料可实现简单快速的低温冷启动；通过改善公用通道中各单电池的气体分配、减小电堆中各单电池温度差异、增大两端膜电极的催化剂含量来提高电堆单片的一致性；使得气体经电堆公用通道流进各单电池的流量分布均匀、电堆内各单电池的温度分布均匀、两端膜电极性能衰减速率明显下降、抗振动与冲击性能得以提高，保证了燃料电池的安全性、可靠性以及耐久性，同时，易于实现低温条件下的快速冷启动。
附图说明
图1为可快速冷启动的长寿命的燃料电池电堆的结构示意图。
图2为图1中的后视图。
图3为图1的A-A剖面图。。
图4为图3的放大图，其中，a零部件距离的拉开示意图；b为前端板部分的局部放大图；c前/后复合端板结构图。
图5为复合双极板示意图.其中a为复合双极板整体示意图；b为A部放大图。
图6为膜电极示意图。
图7为集流板的结构示意图
图8为前或后端板的结构示意图。
图9为分布在新型超导体复合材料中间的电阻丝组件的电气原理图。
图10为置于绝缘板内部的加热单元的电气原理图
具体实施方式
本发明提供一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆，下面结合附图和实施例予以说明。
如图1、图2、图3、图4所示的可快速冷启动的长寿命的燃料电池电堆的结构示意图，可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆的总体结构是按照顺序叠放：前端板7、前端集流板5、前端复合端板3、密封垫13燃料电池电堆模块、密封垫13、后端复合端板4、后端集流板6、电热隔离板9和后端板8叠放在一起、然后用带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带12捆扎压紧；最后通过弹性元件10、紧固螺栓14及螺柱15固定，弹性元件10罩在保护罩11内；其中复合双极板是由复合阳极板和复合阴极板组成(如图5所示为复合双极板示意图.其中a为复合双极板整体示意图；b为A部放大图)；所述燃料电池电堆模块是由(N-1)组复合双极板1与N片非均一化的膜电极2间隔、顺序叠放组成；其顺序叠放为m组前端复合双极板、(N-m-n-1)组中间段复合双极板、n组后端复合双极板(如图4中a零部件距离的拉开示意图所示)；其中前端复合双极板、中间段复合双极板、后端复合双极板均由复合阳极板、复合阴极板组合而成(如图4中b为前端板部分的局部放大图所示)；前端复合端板3由复合阳极板、复合阴极板及带有公用通道的复合平板组合而成(如图4中c前/后复合端板结构图所示)；后端复合端板4由复合阴极板和复合平板组合而成；使得气体经电堆公用通道流进各单电池的流量分布均匀、电堆内各单电池的温度分布均匀、两端膜电极性能衰减速率明显下降、抗振动与冲击性能得以提高，保证了燃料电池的安全性、可靠性以及耐久性，同时，易于实现低温条件下的快速冷启动。
其中，捆扎式固定带12为可拉伸、长度易调、带有弹性的压缩带，其材质为铍铜、高分子聚合物材料、纤维基复合材料或编织双绞线，捆扎式固定带的数目为4，捆扎式固定带之间为平行排列。
图5所示为复合双极板示意图，其中a为复合双极板整体示意图；b为A部放大图。复合双极板是由复合阳极板和复合阴极板组成；所述复合阳极板、复合阴极板、复合平板及带有公用通道的复合平板的材质均为一种由石墨烯、碳纤维、填充树脂及分布在中间的电阻丝组件所组成的超导体复合材料,其电阻丝组件的两端分别与外部电源的正、负极相连(如图9所示为分布在新型超导体复合材料中间的电阻丝组件的电气原理图)，其成型方式均为雕刻、滚压、冲压或模压成型。所述(N-1)组复合双极板的N为200；
所述m组前端复合双极板的厚度为2.50mm，流道截面积为0.6mm2、m为10。
所述n组后端复合双极板的厚度为2.5.0mm，流道截面积为0.6mm2，所述的n为10。
所述(N-m-n-1)组中间段复合双极板的厚度为2.0mm，流道截面积为0.4mm2。
所述电热隔离板由带有加热单元的绝缘板、弹性体、热反射贴面及聚乙烯薄膜层压而成，其中加热单元的一端穿过孔后通过开关与前端集流板相连，另一端穿过孔后直接与后端集流板相连；其中，带有加热单元的绝缘板中的加热单元置于绝缘板内部，加热单元中的x组加热元件的组成方式为并联(如图10所示的置于绝缘板内部的加热单元的电气原理图)，x为10。所述超导体复合材料中的填充树脂为热固性树脂。弹性元件为6个碟簧。
图6所示为膜电极示意图。N片非均一化的膜电极由r组前端膜电极、(N-r-s)组中间段膜电极、s组后端膜电极组成；其膜电极的活性面积为200mm2；其中，前端膜电极的催化剂含量为0.5g/cm2，所述的r为10；后端膜电极的催化剂含量为0.5g/cm2，s为10；中间段膜电极的催化剂含量为0.4g/cm2。
图7所示为集流板的结构示意图所述前端集流板和后端集流板均由在铜板中心焊接铜柱而成，集流板的表面均依次进行了镀镍、镀金的处理。
图8所示为前或后端板的结构示意图。其中前端板由前端板主体和楔形块组成，后端板为后端板主体；它们的材质为玻璃纤维，并且前/后端板主体和楔形块的成型方式为铣削成型、模压成型或注塑成型。
采用本发明的新型的可快速冷启动的长寿命的燃料电池电堆模块的设计组装了一台200节的燃料电池电堆模块，经测试，其性能接近或赶超国际先进水平，该电堆模块的耐久性超过6000小时，抗振动与冲击性能超过4g，并且在-30℃条件下快速冷启动的时间不超过30秒。与现有技术相比，本发明的优点在于：
a.由石墨烯、碳纤维、填充树脂及分布在中间的电阻丝组件所组成的新型超导体复合材料，其导电性优异，因此燃料电池模块的性能较好，效率较高。
b.由于新型复合双极板中含有碳纤维，电堆模块的抗振动与冲击强度较大。
c.在低温条件下，通过外部电源给予分布在中间的电阻丝组件一定的电能，使得燃料电池电堆模块的冷启动速度加快，同时，避免了由于反复启动失败导致的关键部件的损伤，使得燃料电池的寿命得以延长。
d.燃料电池电堆采用前端、中间、后端的三段式设计，是由(N-1)组复合双极板1与N片非均一化的膜电极2间隔、顺序叠放组成；其顺序叠放为m组前端复合双极板、(N-m-n-1)组中间段复合双极板、n组后端复合双极板组成；前、后两端双极板的流道截面积大于中间段的双极板，这有助于气体在公用通道能均匀地分配到各个单体电池中，从而提高了燃料电池的耐久性。
e.非均一化的膜电极采用前端、中间、后端的三段式非均一化设计，前、后两端膜电极的催化剂含量高于中间段的膜电极，这样能够方便地解决现有技术中出现的气体分配或温度分布呈现“边缘效应”而导致的前、后两端的单电池的性能较差、性能衰减较快的问题，使得每节单电池的性能较为均一、衰减速率较为一致，从而延长了燃料电池模块的寿命。
f.由于在前端板的气体进口处引入了楔形块，提高前端单电池的气体分配量，弥补了前端气体分配量偏少的不足，有助于气体分配得均一性。
g.前端复合端板采用了由新型的复合阳极板、新型的复合阴极板及带有公用通道的新型的复合平板所组成的“三明治”结构，该结构一方面迫使本来分配较少的“第一节”的空气不参与反应(即真正的第一节单电池的空气在空气公用通道中处于分配的“第二节”)，另一方面“第一节”中不参与反应的热空气对第一节单电池起到了隔热、保温的作用，使得前端单电池性能得以提高。
h.引入的新型电热隔离板中，弹性体有助于提高电堆模块的抗振动与冲击性能；热反射贴面使得电堆后端向外散发的热量得以反射回去，这将有助于电堆模块的温度分布一致性；带有加热单元的绝缘板，一方面可以对电堆后端单电池进行加热补偿，提高电堆模块的整体温度分布一致性，另一方面，加热单元可以在电堆模块运行结束后(即断开电子负载后)作为微型负载对电堆进行放电，并且消耗掉电堆模块内多余的气体。
i.捆扎式固定带可拉伸、长度易调、且带有弹性，提高了电堆模快的抗振动与冲击性能，其带有的弹性应力记忆能力使得电堆模块的预紧力在全生命周期内维持不变。
j.电堆模块结构简单，降低了工艺复杂性及电池制造成本，同时，易于进行多个模块的串并联叠加。

Claims (13)

1.一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，包括(N-1)组复合双极板和N片非均一化的膜电极组成的燃料电池电堆、1组前端复合端板、1组后端复合端板、前端集流板、后端集流板、前端板、后端板、电热隔离板、保护罩、带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带、密封垫；其特征在于：可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块的总体结构是按照顺序叠放：前端板(7)、前端集流板(5)、前端复合端板(3)、密封垫(13)、燃料电池电堆、密封垫(13)、后端复合端板(4)、后端集流板(6)、电热隔离板(9)和后端板(8)叠放在一起、然后用带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带(12)捆扎压紧；最后通过弹性元件(10)、紧固螺栓(14)及螺柱(15)固定，弹性元件(10)罩在保护罩(11)内；其中复合双极板是由复合阳极板和复合阴极板组成；所述燃料电池电堆是由(N-1)组复合双极板(1)与N片非均一化的膜电极(2)间隔、顺序叠放组成；其顺序叠放为m组前端复合双极板、(N-m-n-1)组中间段复合双极板、n组后端复合双极板；其中前端复合双极板、中间段复合双极板、后端复合双极板均由复合阳极板、复合阴极板组合而成；前端复合端板(3)由复合阳极板、复合阴极板及带有公用通道的复合平板组合而成；后端复合端板(4)由复合阴极板和复合平板组合而成；所述复合阳极板、复合阴极板、复合平板及带有公用通道的复合平板的材质均为一种由石墨烯、碳纤维、填充树脂及分布在中间的电阻丝组件所组成的超导体复合材料,其电阻丝组件的两端分别与外部电源的正、负极相连，其成型方式均为雕刻、滚压、冲压或模压成型。
2.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述捆扎式固定带之间为平行排列；捆扎式固定带为可拉伸、长度易调、带有弹性的压缩带，其材质为铍铜、高分子聚合物材料、纤维基复合材料或编织双绞线，捆扎式固定带的数目为2～10。
3.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述前端集流板和后端集流板均由在铜板中心焊接铜柱而成，集流板的表面均依次进行了镀镍、镀金的处理。
4.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述的N片非均一化的膜电极由r组前端膜电极、(N-r-s)组中间段膜电极、s组后端膜电极组成；其膜电极的活性面积为50～500mm2；其中，前端膜电极的催化剂含量为0.2～0.6g/cm2，所述的r为1～10；后端膜电极的催化剂含量为0.2～0.6g/cm2，所述的s为1～10；中间段膜电极的催化剂含量为0.1～0.5g/cm2。
5.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述前端板由前端板主体和楔形块组成，后端板为后端板主体；它们的材质为玻璃纤维、聚甲醛、ABS工程塑料、玻纤增强的尼龙材料，并且前/后端板主体和楔形块的成型方式为铣削成型、模压成型或注塑成型。
6.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述电热隔离板由带有加热单元的绝缘板、弹性体、热反射贴面及聚乙烯薄膜层压而成，其中加热单元属于绝缘板的一部分，置于绝缘板内部；加热单元的一端穿过孔后通过开关与前端集流板相连，另一端穿过孔后直接与后端集流板相连；加热单元中的x组加热元件的组成方式为串联、并联、串并联，x为1～20。
7.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述(N-1)组复合双极板的N为20～500。
8.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述m组前端复合双极板的厚度为1.0～4.0mm，流道截面积为0.2mm2～1.5mm2，所述的m为1～20。
9.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述n组后端复合双极板的厚度为1.0～4.0mm，流道截面积为0.2mm2～1.5mm2，所述的n为1～20。
10.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述(N-m-n-1)组中间段复合双极板的厚度为1.0～3.0mm，流道截面积为0.1mm2～1.2mm2。
11.根据权利要求1所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述弹性元件为多个弹簧板、多个碟簧、一只弹簧或一个活塞。
12.根据权利要求5所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述超导体复合材料中的填充树脂为热固性树脂和/或热塑性树脂。
13.根据权利要求5所述可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块，其特征在于，所述分布在超导体复合材料中间的电阻丝组件是由y组电阻丝所组成的，y组电阻丝的组成方式为串联、并联、串并联，所述的y为1～50。
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Assignor: TSINGHUA University

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Granted publication date: 20190927

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