CN108963293B - 一种质子交换膜燃料电池单元及燃料电池堆和组装工艺及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池单元及电池堆，属于氢燃料电池技术领域。电池单元由氢气配流器、负极流场板、膜组件MEA、正极流场板、氧气配流器依次组装成，由氢气配流器组成氢气的进、出口，与负极流场板的氢气的进、出口分别相连，由氧气配流器组成氧气的进、出口，与正极流场板的氧气的进出口分别相连。本发明电池单元具有独立的氢、氧气供给口、取消现有技术中的双极板，散热通过外加的散热装置代替原结构中液冷循环，避免冷却液在电池内部泄露的风险，同时可对每个电池单元进行气体量适时控制，确保不会出现反极反应使电池失效。采用电池单元正负极串联焊接结构，降低串联电阻提高功率特性；极大降低制造成本；简化制造装配工艺便于规模化生产。

Description

一种质子交换膜燃料电池单元及燃料电池堆和组装工艺及控 制方法

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池结构，具体涉及一种质子交换膜燃料电池单元及燃料电池堆和组装工艺及控制方法，属于氢燃料电池技术领域。

背景技术

锂离子动力电池作为一种储能装置在纯电动汽车中得到了推广应用，但由于其充电时间长、续驶里程短，使得纯电动汽车仅适用于个人短途交通出行，对于未来长途运输的移动工具极可能的解决方案聚焦于氢质子交换膜燃料电池系统。

随着新能源技术、材料技术的发展，制取、储存、运输氢气的瓶颈技术得以解决；催化剂的制备技术的进步，贵金属催化剂的应用担载量极大的降低，同时，氢燃料电池的应用场景的拓展，形成规模效应，使得燃料电池的成本极大的降低；加上国家将燃料电池汽车作为我国重点发展的战略方向，燃料电池发展的局面很快出现。

燃料电池系统主要由燃料电池堆、冷却系统、燃料供给系统、氧气供给系统等组成，其核心为燃料电池堆。燃料电池堆基本由端板、若干双极板、若干膜电极、及其密封圈、端板靠螺栓的紧固力组合而成。每一个双极板、膜电极不能形成一个孤立电化学电源。其电流的传导靠机械接触完成，这种燃料电池结构的功率特性主要依赖于机械紧固力提供的接触电阻的大小，并且随着机械紧固力的交变而变化，对装配工艺技术要求很高，不适于规模化生产，同时，氢气、氧气供给是通过每个燃料电池单元双极板上开孔、密封、串行供给，整个系统的气体密封要靠机械预紧力、密封圈的压缩量来保证，工程难度大，量产困难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种新型的质子交换膜燃料电池结构，可解决现有技术中存在的上述问题，本发明的燃料电池单元具有独立的氢、氧气供给口、取消原燃料电池结构中的双极板，代之以氢、氧气流场板(兼做正、负极集流端)，燃料电池的散热通过外加的散热装置代替原结构中液冷循环，避免了冷却液在燃料电池内部泄露的风险。取代了原结构机械接触的方式、取而代之采用了电池单元正负极串联焊接结构，降低了串联电阻提高了功率特性；优化了原双极板结构与功能，降低了双极板采用石墨板的制造、或者金属双极板的难度，极大降低了制造成本；本结构简化了制造装配工艺便于规模化生产。

本发明提供的一种质子交换膜燃料电池单元，该燃料电池单元是一个独立的燃料电池，由氢气配流器、氢气流场板、膜组件MEA、氧气流场板、氧气配流器依次组装而成，氢气流场板兼做负极集流端为负极流场板，氧气流场板兼做正极集流端为正极流场板，其中由氢气配流器组成氢气的进、出口，并与负极流场板的氢气的进、出口分别相连，由氧气配流器组成氧气的进、出口，并与正极流场板的氧气的进、出口分别相连，采用焊接方式，将由氢气配流器组成氢气的进、出口与负极流场板的氢气的进、出口分别相连，将由氧气配流器组成氧气的进、出口与正极流场板的氧气的进、出口分别相连，燃料电池单元并联电压传感器检测、采样电压到控制单元，通过控制单元发出指令控制相应单元的氢气进气电动调节阀门、氧气进气电动调节阀门，并由燃料电池单元的氢气出口、氧气出口配置的气体流量传感器采样、反馈给控制单元，进行精确调控氧气或氢气的流量，适时地控制燃料电池单元。

进一步，上述质子交换膜燃料电池单元中，所述膜组件MEA由负极电极、隔膜、正极扩散电极热合而成。所述负极流场板和所述正极流场板，采用金属板成型工艺形成设计要求的流道，在流场区域部分表面处理一层致密的抗腐蚀层。所述抗腐蚀层材料可以为PTFE。

另外，所述负极电极，由炭布或炭纸或者金属泡沫板为基体，涂布微孔层、扩散层、催化层，四周镶金属压条与基体紧密相连接触；所述隔膜是磺化的全氟多孔膜，氢离子可以自由通过，阻隔氢气和氧气通过，并紧密与负极电极、正极扩散电极热合在一起；所述正极扩散电极由炭布或炭纸或者金属泡沫板为基体，涂布微孔层、扩散层、催化层，四周镶金属压条与基体紧密相连接触。

其次，上述质子交换膜燃料电池单元中，采用焊接方式，将由氢气配流器组成氢气的进、出口与负极流场板的氢气的进、出口分别相连，将由氧气配流器组成氧气的进、出口与正极流场板的氧气的进出口分别相连。该燃料电池单元四周安装有U型密封绝缘金属压条组件，该密封绝缘金属压条组件由金属U型压条与绝缘垫组成，机械设备在四周通过绝缘垫的变形量控制正负极分别与正负极流场板的接触确保接触电阻或者基体为泡沫金属的通过激光焊穿壁焊接以增强焊接效果。所述密封绝缘金属压条组件压缩后，施于机械压力，在所述密封绝缘金属压条组件上形成圆型对称凹坑，通过电阻焊焊接在一起，以确保接触压力和密封效果。

进一步，上述质子交换膜燃料电池单元的特征在于独立的氧气进、出口、氢气进、出口，在电池堆正负极串联时，供气口、排气口可以并联连接，并且可以在每个进气管道上设置自动调节阀、排气管道上设置流量传感器，对相应的电池单元独立控制。

本发明还提供一种质子交换膜燃料电池堆，由前述的若干燃料电池单元、正极引出端子、第一端板、若干液冷板、第二端板、负极引出端子、电池堆紧固螺栓、氢气进口、冷却液出口、氢气出口、氧气进口、冷却液进口、氧气出气口组成；其中燃料电池单元之间的气体、冷却液通道通过密封圈、连接块组合在一起，并在每个燃料电池单元间并联分配气量和冷却液，电连接通过一个燃料电池单元的负极端子、正极端子分别与另一个燃料电池单元的正极端子、负极端子串联连接，最终分别连接到正极引出端子、负极引出端子，所述若干燃料电池单元设置在第一端板和第二端板之间，若干液冷板分别设置在燃料电池单元之间或燃料电池单元与第一端板、第二端板之间。

本发明又提供一种质子交换膜燃料电池堆装工艺，将前述的燃料电池单元一个一个串联放置在一起形成燃料电池堆，若干液冷板可以分别设置在燃料电池单元之间或燃料电池单元与第一端板、第二端板之间，其中燃料电池单元之间的气体、冷却液通道通过密封圈、连接块这组合在一起，并在每个燃料电池单元间并联分配气量和冷却液，电连接通过一个燃料电池单元的负极端子、正极端子分别与另一个燃料电池单元的正极端子、负极端子串联连接，最终分别连接到正极引出端子、负极引出端子，然后，将第一端板、第二端板装上，使得串联的燃料电池单元和/或液冷板位于第一端板、第二端板之间，然后，使用电池堆紧固螺栓插入相应的安装孔中进行安装固定，从而形成燃料电池堆组。

本发明再提供一种质子交换膜燃料电池堆的控制方法，其中，每个电池单元并联电压传感器检测、采样电压到控制单元，通过控制单元发出指令控制相应单元的氢气/氧气进气电动调节阀门，并由电池单元的氢气/氧气出气口配置的气体流量传感器采样、反馈给控制单元，进行精确调控氧气或氢气的流量，适时的控制电池单元以及整个电池系统。

本发明提出了一种新型的氢气、氧气、热管理、电池堆的装配装置，与原有燃料电池堆结构相比较，是一种全新的电化学电源发生装置，具体而言，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的结构每个电池单元是一个独立的电化学发电功能单元，而原结构不能；

2、优化了原结构双极板的功能与结构，采用金属冲压成型、表面处理解决电化学腐蚀，与膜电极接触出可以焊接或挤压确保最小的串行电阻；

3、提出了新型的燃料电池单元结构，简化了装配难度、便于燃料电池堆的规模化生产；

4、采用了机械密封结构；

5、本发明的结构可以将燃料电池堆中的氢气、氧气、热管理装置分别独立组装；

6、每一个燃料电池单元自成独立体系具有正负极引出端、进出气孔，接上氢、氧气即可发电；若干个独立的单元以及液冷板，通过外部气体、冷却液配机构组成电池堆。简化了电池堆组装的工艺；

7、传统燃料电池结构中的双极板，在本发明中简化为单一流场板，制造工艺简单，克服了传统双极板腐蚀问题；

8、本发明正负极与流场板之间的接触可以通过金属绝缘压条的压缩量控制确保接触电阻的稳定性；

9、本结构由于采用单元外分配气体、与独立冷板冷却，避免传统结构的氢、氧气内部泄露、冷却液内部泄露。

10、本结构可以对每个电池单元增加流量传感器、调节阀适时控制电池单元氢气、氧气的反应量，确保电池的可靠性。

附图说明

图1是本发明一种燃料电池堆的截面示意图。

图2是本发明一种燃料电池堆的正面示意图。

图3是本发明一种燃料电池单元组成结构的侧面示意图。

图4是本发明一种燃料电池单元组成结构的正面示意图。。

图5是本发明一种燃料电池单元的结构爆炸图。

图6是本发明一种燃料电池堆的控制示意图。

具体实施方式

图1是本发明一种燃料电池堆的截面示意图。图2是本发明一种燃料电池堆的正面示意图。图3是本发明一种燃料电池单元组成结构的侧面示意图。图4是本发明一种燃料电池单元组成结构的正面示意图。图5是本发明一种燃料电池单元的结构爆炸图。在附图中，附图标记如下：1为燃料电池单元，2为正极引出端子，3为第一端板，4为液冷板，5为第二端板，6为负极引出端子，7为电池堆紧固螺栓，8为氢气进口，9为冷却液出口，10为氢气出口，11为氧气进口，12为冷却液进口，13为氧气出口。1-1为进口氢气配流器、1-2为出口氢气配流器，1-3为负极(氢气)流场板，1-4为负极(氢气)电极，1-5为隔膜，1-6为正极(氧气)扩散电极，1-7为正极(氧气)流场板，1-8为绝缘垫，1-9为金属U型压条，1-10为进口氧气配流器、1-11为出口氧气配流器，1-12为负极端子，1-13为正极端子。

如图1和图2所示，本发明一种燃料电池堆的结构由若干燃料电池单元1、正极引出端子2、第一端板3、若干液冷板4、第二端板5、负极引出端子6、电池堆紧固螺栓7、氢气进口8、冷却液出口9、氢气出口10、氧气进口11、冷却液进口12、氧气出气口13组成；其中燃料电池单元1之间的气体、冷却液通道通过密封圈、连接块这样的结构件组合在一起，并在每个燃料电池单元(电芯单元)1间并联分配气量和冷却液，电连接通过一个电芯单元的负极端子1-12、正极端子1-13分别与另一个电芯单元的正极端子1-13、负极端子1-12串联连接，最终分别连接到正极引出端子2、负极引出端子6。若干燃料电池单元1设置在第一端板3和第二端板5之间，若干液冷板4分别设置在燃料电池单元1之间或燃料电池单元1与第一端板3、第二端板5之间，由电池堆紧固螺栓7将第一端板3和第二端板5以及设置在第一端板3和第二端板5之间的燃料电池单元1和液冷板4进行安装固定。图2中示出了电池堆紧固螺栓7、氢气进口8、冷却液出口9、氢气出口10、氧气进口11、冷却液进口12、氧气出气口13的位置。

图3、图4和图5示出了燃料电池单元1的具体组成结构。燃料电池单元1是一个独立的燃料电池，由进口氢气配流器1-1、出口氢气配流器1-2组成氢气的进、出口，并与燃料电池单元1的负极流场板1-3的氢气的进、出口分别在A处相连(图5)，连接方法可以采用焊接方式。负极(氢气)流场板1-3，采用金属板成型工艺形成设计要求的流道，在流场区域部分表面处理一层致密的抗腐蚀层，比如材料可以为聚四氟乙烯(PTFE)；负极(氢气)电极1-4，由炭布或炭纸或者金属泡沫板为基体，涂布微孔层、扩散层、催化层，或可四周镶金属压条与基体紧密相连接触；隔膜1-5是磺化的全氟多孔膜，氢离子可以自由通过，阻隔氢气和氧气通过，并紧密与负极(氢气)电极1-4、正极(氧气)扩散电极1-6热合在一起；正极(氧气)扩散电极1-6，由炭布或炭纸或者金属泡沫板为基体，涂布微孔层、扩散层、催化层，或可四周镶金属压条与基体紧密相连接触；正极(氧气)流场板1-7，采用金属板成型工艺形成设计要求的流道，在流场区域部分表面处理一层致密的抗腐蚀层(如材料为PTFE)；密封绝缘金属压条组件由金属U型压条1-9与绝缘垫1-8组成，在负极(氢气)流场板1-3、膜组件MEA(由负极(氢气)电极1-4、隔膜1-5、正极(氧气)扩散电极1-6热合而成)、正极流场板1-7依次组装好后，四周安装U型密封绝缘金属压条组件，机械设备在四周通过绝缘垫1-8的变形量控制正负极分别与正负极流场板的接触确保接触电阻或者基体为泡沫金属的通过激光焊穿壁焊接以增强焊接效果，述密封绝缘金属压条组件压缩后，在如图4的B处，施于机械压力，在所述密封绝缘金属压条组件上形成圆型对称凹坑，通过电阻焊焊接在一起，以确保接触压力和密封效果。由进口氧气配流器1-10、出口氧气配流器1-11组成氧气的进、出口，并与燃料电池单元1的正极流场板1-7的氧气的进出口分别在C处相连(图5)，连接方法可以采用焊接方式；负极端子1-12、正极端子1-13分别与负、正极流场板通过焊接连接起来，以备若干燃料电池单元1串联时连接，组成电池堆。

燃料电池堆组装过程：如图1和图2所示，将燃料电池单元1一个一个串联放置在一起形成燃料电池堆，若干液冷板4可以分别设置在燃料电池单元1之间或燃料电池单元1与第一端板3、第二端板5之间，其中燃料电池单元1之间的气体、冷却液通道通过密封圈、连接块这样的结构件组合在一起，并在每个燃料电池单元1间并联分配气量和冷却液，电连接通过一个燃料电池单元1的负极端子1-12、正极端子1-13分别与另一个燃料电池单元1的正极端子1-13、负极端子1-12串联连接，最终分别连接到正极引出端子2、负极引出端子6。然后，将第一端板3、第二端板5装上，使得串联的燃料电池单元和/或液冷板4位于第一端板2、第二端板5之间，然后，使用电池堆紧固螺栓7插入相应的安装孔中进行安装固定，从而形成燃料电池堆组。

图6所示是本发明的一种将本发明的燃料电池单元1的串联控制示意图。鉴于本发明燃料电池单元具有独立的氧气、氢气进出气接口，就可以按照图6所示的控制结构，精确控制每个燃料电池单元的进气量，来调整每个电池单元的电压，确保整个电源系统安全可靠的运行，避免反极反应引起的电池失效，引起系统的可靠性故障。该结构包括多个燃料电池单元1，串联而成，每个电池单元并联电压传感器16检测、采样电压到控制单元(没有画出)，通过控制单元发出指令控制相应单元1的进气(氢气、氧气)电动调节阀门14，并由电池单元1的出气(氢气、氧气)口配置的气体流量传感器15采样、反馈给控制单元，进行精确调控氧气或氢气的流量，适时的控制电池单元以及整个电池系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池单元，其特征在于，该燃料电池单元是一个独立的燃料电池，由氢气配流器、氢气流场板、膜组件MEA、氧气流场板、氧气配流器依次组装而成，氢气流场板兼做负极集流端为负极流场板，氧气流场板兼做正极集流端为正极流场板，其中由氢气配流器组成氢气的进、出口，并与负极流场板的氢气的进、出口分别相连，由氧气配流器组成氧气的进、出口，并与正极流场板的氧气的进、出口分别相连，采用焊接方式，将由氢气配流器组成氢气的进、出口与负极流场板的氢气的进、出口分别相连，将由氧气配流器组成氧气的进、出口与正极流场板的氧气的进、出口分别相连，燃料电池单元并联电压传感器检测、采样电压到控制单元，通过控制单元发出指令控制相应单元的氢气进气电动调节阀门、氧气进气电动调节阀门，并由燃料电池单元的氢气出口、氧气出口配置的气体流量传感器采样、反馈给控制单元，进行精确调控氧气或氢气的流量，适时地控制燃料电池单元。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池单元，其特征在于，所述膜组件MEA由负极电极、隔膜、正极扩散电极热合而成。

3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池单元，其特征在于，所述负极流场板和所述正极流场板，采用金属板成型工艺形成设计要求的流道，在流场区域部分表面处理一层致密的抗腐蚀层。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池单元，其特征在于，所述抗腐蚀层材料为PTFE。

5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池单元，其特征在于，所述负极电极，由炭布或炭纸或者金属泡沫板为基体，涂布微孔层、扩散层、催化层，四周镶金属压条与基体紧密相连接触；所述隔膜是磺化的全氟多孔膜，氢离子可以自由通过，阻隔氢气和氧气通过，并紧密与负极电极、正极扩散电极热合在一起；所述正极扩散电极由炭布或炭纸或者金属泡沫板为基体，涂布微孔层、扩散层、催化层，四周镶金属压条与基体紧密相连接触。

6.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池单元，其特征在于，该燃料电池单元四周安装有U型密封绝缘金属压条组件，该密封绝缘金属压条组件由金属U型压条与绝缘垫组成，机械设备在四周通过绝缘垫的变形量控制正负极分别与正负极流场板的接触确保接触电阻。

7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池单元，其特征在于，所述密封绝缘金属压条组件压缩后，施于机械压力，在所述密封绝缘金属压条组件上形成圆型对称凹坑，通过电阻焊焊接在一起，以确保接触压力和密封效果。

8.一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，由若干权利要求1所述的燃料电池单元、正极引出端子、第一端板、若干液冷板、第二端板、负极引出端子、电池堆紧固螺栓、氢气进口、冷却液出口、氢气出口、氧气进口、冷却液进口、氧气出气口组成；其中燃料电池单元之间的气体、冷却液通道通过密封圈、连接块组合在一起，并在每个燃料电池单元间并联分配气量和冷却液，电连接通过一个燃料电池单元的负极端子、正极端子分别与另一个燃料电池单元的正极端子、负极端子串联连接，最终分别连接到正极引出端子、负极引出端子，所述若干燃料电池单元设置在第一端板和第二端板之间，若干液冷板分别设置在燃料电池单元之间或燃料电池单元与第一端板、第二端板之间。

9.一种质子交换膜燃料电池堆组装工艺，其特征在于，将权利要求1所述的燃料电池单元一个一个串联放置在一起形成燃料电池堆，若干液冷板可以分别设置在燃料电池单元之间或燃料电池单元与第一端板、第二端板之间，其中燃料电池单元之间的气体、冷却液通道通过密封圈、连接块组合在一起，并在每个燃料电池单元间并联分配气量和冷却液，电连接通过一个燃料电池单元的负极端子、正极端子分别与另一个燃料电池单元的正极端子、负极端子串联连接，最终分别连接到正极引出端子、负极引出端子，然后，将第一端板、第二端板装上，使得串联的燃料电池单元和/或液冷板位于第一端板、第二端板之间，然后，使用电池堆紧固螺栓插入相应的安装孔中进行安装固定，从而形成燃料电池堆组。

10.一种权利要求8所述的质子交换膜燃料电池堆的控制方法，其特征在于，每个电池单元并联电压传感器检测、采样电压到控制单元，通过控制单元发出指令控制相应单元的氢气/氧气进气电动调节阀门，并由电池单元的氢气/氧气出气口配置的气体流量传感器采样、反馈给控制单元，进行精确调控氧气或氢气的流量，适时的控制电池单元以及整个电池系统。

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