CN109216722A - 厚度补偿式燃料电池堆集流板、燃料电池堆及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚度补偿式燃料电池堆集流板、燃料电池堆及其优化方法。本发明在集流板特定区域进行加厚或减薄处理，使得燃料电池电堆整堆各部分厚度匹配，从而实现组装力在电堆层叠面上各区域的合理分配，加厚或减薄区域包括集流板上与双极板流道相接触的区域或是集流板上与双极板流道区和流体分配区相接触的区域以及其它需要进行厚度补偿的区域。本发明可有效实现电堆各部分厚度的匹配，将电堆组装力合理分配到电堆层叠面上各区域，从而有效降低燃料电池电堆内部接触电阻、提高燃料电池电堆发电性能。本发明提出的一种用于燃料电池电堆的厚度补偿式集流板适用于质子交换膜燃料电池电堆以及直接醇类燃料电池电堆的组装。

Description

厚度补偿式燃料电池堆集流板、燃料电池堆及其优化方法

技术领域

本发明涉及燃料电池电堆的装配以及匹配技术，具体地，涉及厚度补偿式燃料电池堆集流板、燃料电池堆及其优化方法，尤其涉及一种用于燃料电池电堆的厚度补偿式集流板。

背景技术

燃料电池是一种能够将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置。燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心，燃料电池电堆主要由端板、集流板、双极板、密封圈以及膜电极组成。通常为了满足一定的功率及电压要求，电堆由数百节单电池串联而成。每节单电池的性能以及各组件的配合都会影响到整个电堆的性能。

电堆的最大输出电压是表征其性能的重要指标，输出电压U₀可以表示为U₀＝U-IR,式中U为电源产生的总电压，IR为电源内阻消耗电压。所以为提高电堆性能，就要尽可能降低电堆内阻。燃料电池电堆内阻R包括：电堆内部总的体电阻与电堆内部总的接触电阻。接触电阻又包括膜电极与双极板之间、双极板与集流板之间的接触电阻以及其他接触电阻。这些电阻都在影响着整个电堆的性能。接触电阻的大小与电堆装配有着密切关系，因为接触电阻率与界面接触压力关系呈如下半经验公式：

ω＝A·P^B

其中P是界面接触压力，A和B是拟合参数，并且B的值会在-0.5到-1之间变化，因此界面接触压力只要达到一定强度就可以实现理想的接触电阻。但也不能过大施加装配力，如果压力过大会影响双极板、膜电极以及其他部件，反而会使电堆性能下降。当前技术状态下，在燃料电池电堆组装时，膜电极厚度与双极板厚度都经过计算和试验匹配，使得在装配力的作用下两者可以有效匹配，接触面处于最佳接触状态，以降低接触电阻。然而在燃料电池电堆中，与第一节双极板和最后一节双极板接触的并不是膜电极而是集流板，常规的平板式集流板与双极板存在厚度不匹配的问题，这种厚度不匹配将导致电堆组装力在电堆层叠面上各区域的分配不合理，引起燃料电池电堆内部接触电阻偏大，直接影响到燃料电池电堆的发电性能。

然而现有的燃料电池，尤其是燃料电池集流板的优化技术往往针对的是传导性、耐腐蚀性等方面，如专利文献CN105789658A公开的一种燃料电池集流板，包括绝缘层，贴合在所述绝缘层上表面的集流层，贯穿所述集流层和所述绝缘层的多个通孔，以及覆盖所述集流层上表面以及所述多个通孔孔壁的耐腐蚀层。通过如上方案提升了电池集流板的可靠性，该技术方案虽然也能够在一定程度增加电池性能，但仍未解决内阻较大的固有问题，燃料电池电堆的性能仍然有着较大的提升空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种厚度补偿式燃料电池堆集流板、燃料电池堆及其优化方法。

根据本发明提供的一种厚度补偿式燃料电池堆集流板，包括集流板第一端面和集流板第二端面；

-所述集流板第一端面上设置有第一端面厚度补偿结构；或者

-所述集流板第二端面上设置有第二端面厚度补偿结构。

优选地，所述第一端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第一端面与相邻部件连接时，所述第一端面厚度补偿结构能够与相邻部件表面结构相匹配；所述第二端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第二端面与相邻部件连接时，所述第二端面厚度补偿结构能够与相邻部件表面结构相匹配。

优选地，所述第一端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第一端面与相邻部件连接时，所述第一端面厚度补偿结构能够降低集流板第一端面与相邻部件表面间的接触电阻；所述第二端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第二端面与相邻部件连接时，所述第二端面厚度补偿结构能够降低集流板第二端面与相邻部件表面间的接触电阻。

根据本发明提供的一种燃料电池堆，包括上述的厚度补偿式燃料电池堆集流板；至少有两个所述厚度补偿式燃料电池堆集流板分别记为第一集流板、第二集流板。

优选地，所述第一集流板包括第一集流板第一端面和第一集流板第二端面；所述第一集流板第二端面上设置有第一集流板第二端面厚度补偿结构；

所述第二集流板包括第二集流板第一端面和第二集流板第二端面；所述第二集流板第二端面上设置有第二集流板第二端面厚度补偿结构。

优选地，本发明提供的燃料电池堆还包括端板、电池部件以及密封圈；2个所述端板分别设置在第一集流板第一端面、第二集流板第一端面上；电池部件设置在第一集流板第二端面和第二集流板第二端面之间，分别通过密封圈与第一集流板第二端面和第二集流板第二端面密封连接。

优选地，所述电池部件包括M个单电池结构，分别记为第N单电池结构，N＝1,2,…,M，其中M、N为正整数；第N单电池结构包括第N阳极板、第N膜电极以及第N阴极板；所述第N膜电极设置在第N阳极板和第N阴极板之间；当N＝1时，第N阳极板与在第一集流板第二端面电连接；当N＞1时，第N阳极板与第N-1阴极板电连接；当N＝M时，第N阴极板与第二集流板第二端面电连接；所述第N阳极板上设置有第N阳极板流道区和第N阳极板流体分配区；所述第N阴极板上设置有第N阴极板流道区和第N阴极板流体分配区；其中，阳极板和阴极板统称为双极板。

优选地，当N＝1时，所述第一集流板第二端面厚度补偿结构匹配于第N阳极板流道区和/或第N阳极板流体分配区形状结构，并且能够降低第一集流板第二端面和第N阳极板间的接触电阻；当N＝M时，所述第二集流板第二端面厚度补偿结构匹配于第N阴极板流道区和/或第N阴极板流体分配区形状结构，并且能够降低第二集流板第二端面和第N阴极板间的接触电阻。

根据本发明提供的一种燃料电池堆优化方法，待优化的燃料电池堆包括上述的厚度补偿式燃料电池堆集流板或上述的燃料电池堆，还包括采用碳纸，并且包括如下步骤：

厚度补偿优化步骤：根据厚度补偿结构所在接触面结构，将厚度补偿结构划分为X个增厚结构部分和Y个减薄结构部分，并分别进行优化得到全部X个增厚结构的优化参数和全部Y个减薄结构的优化参数，其中X、Y均为正整数；

优选地，所述厚度补偿优化步骤包括增厚结构优化步骤和减薄结构优化步骤；

所述增厚结构优化步骤包括：

增厚参数最大值测量子步骤：测量一次所述碳纸厚度并记为a，或者测量多次碳纸厚度，取平均值记为a；

增厚参数测试次数取值子步骤：根据设定的优化时间、测试人员数量以及相关设备数量确定增厚参数测定次数b，其中b为正整数；

最佳增厚参数测试子步骤：选取X个增厚结构中尚未进行测试的任一个增厚结构，加工制造b组厚度补偿式集流板，增厚参数分别为a/b的1,2,…,b倍，并分别安装b组使用该厚度补偿式集流板的燃料电池堆，测试b组燃料电池堆的内阻，取内阻最小的燃料电池堆的增厚参数c，即得到该增厚结构的最佳增厚参数；

重复增厚参数测试次数取值子步骤和最佳增厚参数测试子步骤直至得到全部X个增厚结构的最佳增厚参数；

所述减薄结构优化步骤包括：

减薄参数最大值测量子步骤：测量一次所述碳纸厚度并记为d，或者测量多次碳纸厚度，取平均值记为d；

减薄参数测试次数取值子步骤：根据设定的优化时间、测试人员数量以及相关设备数量确定减薄参数测定次数e，其中e为正整数；

最佳减薄参数测试子步骤：选取Y个减薄结构中尚未进行测试的任一个减薄结构，加工制造e组厚度补偿式集流板，减薄参数分别为d/e的1,2,…,e倍，并分别安装e组使用该厚度补偿式集流板的燃料电池堆，测试e组燃料电池堆的内阻，取内阻最小的燃料电池堆的减薄参数f，即得到该减薄结构的最佳减薄参数；

重复减薄参数测试次数取值子步骤和最佳减薄参数测试子步骤直至得到全部Y个减薄结构的最佳减薄参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、实现过程简单，以较低成本和较小代价实现燃料电池全电堆的匹配；

2、合理分配在电堆层叠面上各区域的组装力，提升燃料电池电堆的可靠性和使用寿命；

3、降低内部的接触电阻，增加输出电压，提升燃料电池电堆的发电性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的燃料电池堆中双极板的示意图；

图2为现有技术的燃料电池堆中集流板的示意图；

图3为本发明提供的厚度补偿式燃料电池堆集流板的优选例示意图；

图4为本发明提供的厚度补偿式燃料电池堆集流板的另一优选例示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种燃料电池堆优化方法，利用燃料电池堆，并且包括如下步骤：

厚度补偿优化步骤：根据厚度补偿结构所在接触面结构，将厚度补偿结构划分为X个增厚结构部分和Y个减薄结构部分，并分别进行优化得到全部X个增厚结构的优化参数和全部Y个减薄结构的优化参数，其中X、Y均为正整数；

优选地，所述厚度补偿优化步骤包括增厚结构优化步骤和减薄结构优化步骤；

所述增厚结构优化步骤包括：

增厚参数最大值测量子步骤：测量一次所述碳纸厚度并记为a，或者测量多次碳纸厚度，取平均值记为a；

增厚参数测试次数取值子步骤：根据设定的优化时间、测试人员数量以及相关设备数量确定增厚参数测定次数b，其中b为正整数；

最佳增厚参数测试子步骤：选取X个增厚结构中尚未进行测试的任一个增厚结构，加工制造b组厚度补偿式集流板，增厚参数分别为a/b的1,2,…,b倍，并分别安装b组使用该厚度补偿式集流板的燃料电池堆，测试b组燃料电池堆的内阻，取内阻最小的燃料电池堆的增厚参数c，即得到该增厚结构的最佳增厚参数；

重复增厚参数测试次数取值子步骤和最佳增厚参数测试子步骤直至得到全部X个增厚结构的最佳增厚参数；

所述减薄结构优化步骤包括：

减薄参数最大值测量子步骤：测量一次所述碳纸厚度并记为d，或者测量多次碳纸厚度，取平均值记为d；

减薄参数测试次数取值子步骤：根据设定的优化时间、测试人员数量以及相关设备数量确定减薄参数测定次数e，其中e为正整数；

最佳减薄参数测试子步骤：选取Y个减薄结构中尚未进行测试的任一个减薄结构，加工制造e组厚度补偿式集流板，减薄参数分别为d/e的1,2,…,e倍，并分别安装e组使用该厚度补偿式集流板的燃料电池堆，测试e组燃料电池堆的内阻，取内阻最小的燃料电池堆的减薄参数f，即得到该减薄结构的最佳减薄参数；

重复减薄参数测试次数取值子步骤和最佳减薄参数测试子步骤直至得到全部Y个减薄结构的最佳减薄参数。

根据本发明提供的一种燃料电池堆，包括厚度补偿式燃料电池堆集流板；至少有两个所述厚度补偿式燃料电池堆集流板分别记为第一集流板、第二集流板。

具体地，所述第一集流板包括第一集流板第一端面和第一集流板第二端面；所述第一集流板第二端面上设置有第一集流板第二端面厚度补偿结构；所述第二集流板包括第二集流板第一端面和第二集流板第二端面；所述第二集流板第二端面上设置有第二集流板第二端面厚度补偿结构。

更具体地，本发明提供的燃料电池堆还包括端板、电池部件以及密封圈；2个所述端板分别设置在第一集流板第一端面、第二集流板第一端面上；电池部件设置在第一集流板第二端面和第二集流板第二端面之间，分别通过密封圈与第一集流板第二端面和第二集流板第二端面密封连接。所述电池部件包括M个单电池结构，分别记为第N单电池结构，N＝1,2,…,M，其中M、N为正整数；第N单电池结构包括第N阳极板、第N膜电极以及第N阴极板；所述第N膜电极设置在第N阳极板和第N阴极板之间；当N＝1时，第N阳极板与在第一集流板第二端面电连接；当N＞1时，第N阳极板与第N-1阴极板电连接；当N＝M时，第N阴极板与第二集流板第二端面电连接；所述第N阳极板上设置有第N阳极板流道区和第N阳极板流体分配区；所述第N阴极板上设置有第N阴极板流道区和第N阴极板流体分配区其中，阳极板和阴极板统称为双极板。

进一步地，当N＝1时，所述第一集流板第二端面厚度补偿结构匹配于第N阳极板流道区和/或第N阳极板流体分配区形状结构，并且能够降低第一集流板第二端面和第N阳极板间的接触电阻；当N＝M时，所述第二集流板第二端面厚度补偿结构匹配于第N阴极板流道区和/或第N阴极板流体分配区形状结构，并且能够降低第二集流板第二端面和第N阴极板间的接触电阻。

根据本发明提供的一种厚度补偿式燃料电池堆集流板，包括集流板第一端面和集流板第二端面；

-所述集流板第一端面上设置有第一端面厚度补偿结构；或者

-所述集流板第二端面上设置有第二端面厚度补偿结构。

优选地，所述第一端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第一端面与相邻部件连接时，所述第一端面厚度补偿结构能够与相邻部件表面结构相匹配，并且能够降低集流板第一端面与相邻部件表面间的接触电阻；所述第二端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第二端面与相邻部件连接时，所述第二端面厚度补偿结构能够与相邻部件表面结构相匹配，并且能够降低集流板第二端面与相邻部件表面间的接触电阻。

实施例1

对于需要组装的燃料电池电堆，根据双极板图纸确定需要加工的集流板子的平面形状，根据双极板的流道区选取与之接触的集流板需要进行厚度补偿的区域，确定1个增厚结构部分。测量用于电堆组装的膜电极所采用的碳纸厚度为380微米，设置测试次数为10次。加工一系列加厚区凸出厚度为38微米、76微米、114微米至380微米的集流板。将其用于燃料电池电堆组装，确定最佳增厚参数为228微米，如图3。将上述加工制得的集流板置入燃料电池电堆进行装配，得到全电堆匹配优化的燃料电池电堆。

实施例2

对于需要组装的燃料电池电堆，根据双极板图纸确定需要加工的集流板子的平面形状，根据双极板的流道区选取与之接触的集流板需要进行厚度补偿的区域，确定1个增厚结构部分。测量用于电堆组装的膜电极所采用的碳纸厚度为230微米，设置测试次数为10次。加工一系列加厚区凸出厚度为23微米、46微米、69微米至230微米的集流板。将其用于燃料电池电堆组装，确定最佳增厚参数为138微米，如图4。将上述加工制得的集流板置入燃料电池电堆进行装配，得到全电堆匹配优化的燃料电池电堆。

本发明提出的厚度补偿式集流板可有效实现电堆各部分厚度的匹配，将电堆组装力合理分配到电堆层叠面上各区域，从而有效降低燃料电池电堆内部接触电阻、提高燃料电池电堆发电性能。本发明提出的一种用于燃料电池电堆的厚度补偿式集流板适用于质子交换膜燃料电池电堆以及直接醇类燃料电池电堆的组装。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种厚度补偿式燃料电池堆集流板，其特征在于，包括集流板第一端面和集流板第二端面；

-所述集流板第一端面上设置有第一端面厚度补偿结构；或者

-所述集流板第二端面上设置有第二端面厚度补偿结构。

2.根据权利要求1所述的厚度补偿式燃料电池堆集流板，其特征在于：

所述第一端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第一端面与相邻部件连接时，所述第一端面厚度补偿结构能够与相邻部件表面结构相匹配；

所述第二端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第二端面与相邻部件连接时，所述第二端面厚度补偿结构能够与相邻部件表面结构相匹配。

3.根据权利要求1所述的厚度补偿式燃料电池堆集流板，其特征在于：

所述第一端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第一端面与相邻部件连接时，所述第一端面厚度补偿结构能够降低集流板第一端面与相邻部件表面间的接触电阻；

所述第二端面厚度补偿结构包括增厚结构和/或减薄结构；当集流板第二端面与相邻部件连接时，所述第二端面厚度补偿结构能够降低集流板第二端面与相邻部件表面间的接触电阻。

4.一种燃料电池堆，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的厚度补偿式燃料电池堆集流板；至少有两个所述厚度补偿式燃料电池堆集流板分别记为第一集流板、第二集流板。

5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于：

所述第一集流板包括第一集流板第一端面和第一集流板第二端面；所述第一集流板第二端面上设置有第一集流板第二端面厚度补偿结构；

所述第二集流板包括第二集流板第一端面和第二集流板第二端面；所述第二集流板第二端面上设置有第二集流板第二端面厚度补偿结构。

6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，还包括端板、电池部件以及密封圈；2个所述端板分别设置在第一集流板第一端面、第二集流板第一端面上；电池部件设置在第一集流板第二端面和第二集流板第二端面之间，分别通过密封圈与第一集流板第二端面和第二集流板第二端面密封连接。

7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，所述电池部件包括M个单电池结构，分别记为第N单电池结构，N＝1,2,…,M，其中M、N为正整数；

第N单电池结构包括第N阳极板、第N膜电极以及第N阴极板；所述第N膜电极设置在第N阳极板和第N阴极板之间；当N＝1时，第N阳极板与在第一集流板第二端面电连接；当N＞1时，第N阳极板与第N-1阴极板电连接；当N＝M时，第N阴极板与第二集流板第二端面电连接；

所述第N阳极板上设置有第N阳极板流道区和第N阳极板流体分配区；所述第N阴极板上设置有第N阴极板流道区和第N阴极板流体分配区；

其中，阳极板和阴极板统称为双极板。

8.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其特征在于：

当N＝1时，所述第一集流板第二端面厚度补偿结构匹配于第N阳极板流道区和/或第N阳极板流体分配区形状结构，并且能够降低第一集流板第二端面和第N阳极板间的接触电阻；

当N＝M时，所述第二集流板第二端面厚度补偿结构匹配于第N阴极板流道区和/或第N阴极板流体分配区形状结构，并且能够降低第二集流板第二端面和第N阴极板间的接触电阻。

9.一种燃料电池堆优化方法，其特征在于，待优化的燃料电池堆包括权利要求1至4中任一项所述的厚度补偿式燃料电池堆集流板或权利要求5至9中任一项所述的燃料电池堆，还包括采用碳纸，并且包括如下步骤：

厚度补偿优化步骤：根据厚度补偿结构所在接触面结构，将厚度补偿结构划分为X个增厚结构部分和Y个减薄结构部分，并分别进行优化得到全部X个增厚结构的优化参数和全部Y个减薄结构的优化参数，其中X、Y均为正整数。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆优化方法，其特征在于，所述厚度补偿优化步骤包括增厚结构优化步骤和减薄结构优化步骤；

所述增厚结构优化步骤包括：

增厚参数最大值测量子步骤：测量一次所述碳纸厚度并记为a，或者测量多次碳纸厚度，取平均值记为a；

增厚参数测试次数取值子步骤：根据设定的优化时间、测试人员数量以及相关设备数量确定增厚参数测定次数b，其中b为正整数；

最佳增厚参数测试子步骤：选取X个增厚结构中尚未进行测试的任一个增厚结构，加工制造b组厚度补偿式集流板，增厚参数分别为a/b的1,2,…,b倍，并分别安装b组使用该厚度补偿式集流板的燃料电池堆，测试b组燃料电池堆的内阻，取内阻最小的燃料电池堆的增厚参数c，即得到该增厚结构的最佳增厚参数；

重复增厚参数测试次数取值子步骤和最佳增厚参数测试子步骤直至得到全部X个增厚结构的最佳增厚参数；

所述减薄结构优化步骤包括：

减薄参数最大值测量子步骤：测量一次所述碳纸厚度并记为d，或者测量多次碳纸厚度，取平均值记为d；

减薄参数测试次数取值子步骤：根据设定的优化时间、测试人员数量以及相关设备数量确定减薄参数测定次数e，其中e为正整数；

最佳减薄参数测试子步骤：选取Y个减薄结构中尚未进行测试的任一个减薄结构，加工制造e组厚度补偿式集流板，减薄参数分别为d/e的1,2,…,e倍，并分别安装e组使用该厚度补偿式集流板的燃料电池堆，测试e组燃料电池堆的内阻，取内阻最小的燃料电池堆的减薄参数f，即得到该减薄结构的最佳减薄参数；

重复减薄参数测试次数取值子步骤和最佳减薄参数测试子步骤直至得到全部Y个减薄结构的最佳减薄参数。