CN109950593A - 一种基于模块化设计的燃料电池堆及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于模块化设计的燃料电池堆及其制作方法。一种燃料电池模块化组件，所述燃料电池模块化组件包括阴极电池板、阳极电池板、位于所述阴极电池板与阳极电池板之间的膜电极组件及密封件；所述膜电极组件包括依次排列的阳极气体扩散层、两面涂覆催化剂的质子交换膜及阴极气体扩散层。本发明提供的燃料电池模块化组件，可批量自动化规模制造，有利于更好地控制质量和降低成本。

Description

一种基于模块化设计的燃料电池堆及其制作方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于模块化设计的燃料电池堆及其制作方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后发展起来的第五代燃料电池，由于其采用固态电解质高分子膜作为电解质,因此具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等优点，被公认为最有希望成为航天、军事、电动汽车和区域性电站的首选电源。质子交换膜燃料电池的核心部件为膜电极单元(MEA，membrane electrode assembly)，膜电极单元是由传导质子的膜和分别布置在该膜两侧上的电极构成的复合体。此外，在膜电极单元两侧的气体扩散层(GDL)可以布置在电极的背离膜的侧面上。同时，在膜电极单元之间还布置有双极板，双极板保证了给单个电池供应工作介质。

通常，质子交换膜燃料电池通过多个布置成堆的单个电池形成，在目前开发燃料电池堆的技术中，多采用将单电池串联组成固定功率产品进行整体活化。而在这个过程中，单电池质量在装堆前未知，整堆的电压一致性和性能较难控制，若某一单电池出现问题需要整堆进行拆卸和重新组装替换，严重影响大批量规模电堆的投产。

因此，现有技术急需改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模块化设计的燃料电池堆及其制作方法。

本发明是这样实现的，一种燃料电池模块化组件，所述燃料电池模块化组件包括阴极电池板、阳极电池板、位于所述阴极电池板与阳极电池板之间的膜电极组件及密封件；

所述膜电极组件包括依次排列的阳极气体扩散层、两面涂覆催化剂的质子交换膜及阴极气体扩散层。

进一步地，所述催化剂的成分为铂碳催化剂，所述铂碳催化剂中铂的载量为20～50wt.％。

进一步地，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层为碳纤维纸、碳编织布、炭黑纸或金属网的一种或多种。

进一步地，所述阴极电池板和所述阳极电池板上设置有密封槽，所述密封件为位于所述密封槽中的密封胶。

进一步地，所述密封胶的成分聚氨酯密封胶，聚硫密封胶，厌氧密封胶，环氧密封胶，丁基密封胶，氯丁密封胶，烯烃类密封胶中的至少一种。

进一步地，所述阴极电极板和所述阳极电极板为高强石墨板、模压石墨板、柔性石墨板、复合石墨板或金属板的一种或多种。

本发明还提供了一种基于模块化设计的燃料电池堆，所述燃料电池堆依次包括按次序排列的阳极尾板、阳极绝缘板、多个如上述所述的燃料电池模块化组件、阴极尾板、阴极绝缘板及紧固扎带。

进一步地，所述燃料电池堆还包括对所述多个燃料电池模块化组件进行密封的密封材料，所述密封材料为橡胶垫、软塑料、绝缘胶水、橡胶圈、环边塑料贴膜中的至少一种。

本发明还提供了一种如上所述的燃料电池堆的制作方法，包括以下步骤：

按照阴极单极板、膜电极组件和阳极单极板的顺序依次叠放，然后用密封件进行密封后组成燃料电池模块化组件；

用氢气或氧气对所述燃料电池模块化组件进行活化处理后，进行额定功率测试，筛选出得到电压、内阻、功率一致性相同或近似的燃料电池模块化组件；所述一致性相同或近似的燃料电池模块化组件的电压偏差在5mV以内；

使用具有导电性的密封材料将得到的燃料电池模块化组件进行密封，模块间的端板单极板组装后形成无泄漏的冷却通道，再用紧固扎带紧固形成燃料电池堆。

本发明还提供一种燃料电池，所述燃料电池包括上述所述的燃料电池堆。

本发明还提供了一种上述所述的燃料电池堆的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

将所述燃料电池堆用于制备汽车动力电池；

在所述汽车动力电池中的燃料电池堆因故障无法满足汽车动力要求后，将所述故障燃料电池堆拆卸下来并更换；

将拆卸下来的所述故障燃料电池堆进行拆解，获得其中的燃料电池模块化组件；

将获得的燃料电池模块化组件中，性能满足汽车动力电池性能要求的燃料电池模块化组件继续用于制备新的汽车动力电池用燃料电池堆，性能无法满足汽车动力电池性能要求的燃料电池模块化组件用于制备通信基站、UPS(不断电系统)、IDC(数据中心)、叉车或特种车辆中的电池。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的燃料电池模块化组件，可批量自动化规模制造，有利于更好地控制质量和降低成本；整车电池电堆由燃料电池模块化组件堆垛而成，新品开发周期短成本低；电池包故障维修更换电堆模块单元方便快捷，契合国家新能源梯次利用产业政策，商业应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明实施例中燃料电池堆(涂胶固定、模块单元组端板使用单极板)的爆炸图；

图2是本发明实施例中模块化设计燃料电池堆(扎带固定)的爆炸图；

图3是本发明实施例中燃料电池堆(扎带固定)的正视图和侧面图；

图4是本发明实施例中燃料电池堆中电堆模块单元组(扎带固定)的爆炸

图；图5是本发明实施例中电堆模块单元组整体(扎带固定)的正视图和

侧视图；图6是本发明实施例中模块化设计燃料电池堆(涂胶固定)的爆

炸图；

图7是本发明实施例中燃料电池堆(涂胶固定)的正视图和侧面图；

图8是本发明实施例中燃料电池堆中电堆模块单元组(涂胶固定)的爆炸图；图9是本发明实施例中电堆模块单元组整体(涂胶固定)的正视图和侧视图；其中，附图元件标记如下：1—15片膜电极电堆单元组；2—密封材料；3—阴极绝缘板；4—阴极尾板；5—阳极绝缘板；6—阳极尾板；7—绑带；8—双极板总成；9—膜电极总成；10—15片单组钢带；11—涂胶；12—单极板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种燃料电池模块化组件，所述燃料电池模块化组件包括阴极电池板、阳极电池板、位于所述阴极电池板与阳极电池板之间的膜电极组件及密封件；

所述膜电极组件包括依次排列的阳极气体扩散层、两面涂覆催化剂的质子交换膜及阴极气体扩散层。

本发明实施例提供的燃料电池模块化组件，可批量自动化规模制造，有利于更好地控制质量和降低成本；整车电池电堆由燃料电池模块化组件堆垛而成，新品开发周期短成本低；电池包故障维修更换电堆模块单元方便快捷，契合国家新能源梯次利用产业政策，商业应用前景广阔。

具体地，所述催化剂的成分包括商业铂碳催化剂，其中贵金属铂的载量为20～50wt.％。质子交换膜阳极催化剂铂载量为0.05～0.2mg/cm2，阴极催化剂铂载量为0.2～0.5mg/cm2。

具体地，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层为碳纤维纸、碳编织布、炭黑纸或金属网的一种或多种。

具体地，所述阴极电池板和所述阳极电池板上设置有密封槽，所述密封件为位于所述密封槽中的密封胶。

具体地，所述密封胶的成分聚氨酯密封胶，聚硫密封胶，厌氧密封胶，环氧密封胶，丁基密封胶，氯丁密封胶，烯烃类密封胶中的至少一种。所述燃料电池模块化组件的功率为0.1kW～20kW。

具体地，所述阴极电极板和所述阳极电极板为高强石墨板、模压石墨板、柔性石墨板、复合石墨板或金属板的一种或多种。

本发明实施例还提供了一种燃料电池堆，所述燃料电池堆依次包括按次序排列的阳极尾板、阳极绝缘板、多个上述所述的燃料电池模块化组件、阴极尾板、阴极绝缘板及紧固扎带。

本发明实施例提供的燃料电池堆，把传统燃料电池堆整堆设计改造成各个模块化电堆单元组，有利于增加整个系统的灵活性。

具体地，所述燃料电池堆还包括对所述多个燃料电池模块化组件进行密封的密封材料，所述密封材料具有导电性，材质为具有导电性的橡胶垫、软塑料、绝缘胶水、橡胶圈、环边塑料贴膜中的至少一种。使用具有导电性的密封材料，能够降低燃料电池模块化组件之间的电流传导阻力，进而提高所述燃料电池堆性能。

具体地，所述紧固扎带为不锈钢带或尼龙带。所述燃料电池堆堆叠紧固可采取的方案可为使用扎带紧固或使用涂胶把单元组四边涂满封闭。使用涂胶封闭有利于减少燃料电池堆的体积，有利于燃料电池堆的结构优化，降低燃料电池堆装配成本，提高燃料电池堆密封性。

本发明实施例提供的燃料电池堆，所用的紧固扎带成本低，而且紧固扎带的松紧易于调节。通过使用扎带进行模块单元组以及整堆的紧固，能够减少组装电池模块所需时间，易于装配和拆卸维修方便，进而提高燃料电池堆的生产效率。所述电堆模块单元有密封外壳体、正极、负极，可独立作为商品使用。所述燃料电池电堆的售后服务由于可以便捷更换标准模块，维修便利、降低成本；避免了燃料电池梯次利用对电堆的破坏性拆解，产品安全性和可靠性得到保障。

本发明实施例提供的燃料电池堆可梯次利用，原料为满足不了使用要求或发生故障的电堆模块单元组。将电堆模块单元组设计成为既满足汽车动力电池的技术要求，同时也满足梯次利用产品对电池标准模组的技术要求，使燃料电池电堆能够梯次利用，最大限度发挥其使用价值。

本发明实施例提供了一种上述所述的燃料电池堆的制作方法，包括以下步骤：

按照阴极单极板、膜电极组件和阳极单极板的顺序依次叠放，然后用密封件进行密封后组成燃料电池模块化组件；

用氢气、氧气或空气对所述燃料电池模块化组件进行活化处理后，进行额定功率测试，筛选出得到电压、内阻、功率一致性相同或燃料电池模块化组，其中一致性相同或近似的燃料电池模块化组件要求电压偏差在5mV以内。

使用具有导电性的密封材料将得到的燃料电池模块化组件进行密封，再用紧固扎带紧固形成燃料电池堆。

本发明实施例提供的燃料电池堆的制作方法，利用先活化处理后组堆的技术特点，这有利于高效筛选电压一致性相同或类似的电堆模块单元组并进行分级，将一致性相同或类似的模块单元组进行装堆有利于提高燃料电池堆的一致性和发电性能，延长其使用寿命。

本发明实施例还提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括上述所述的燃料电池堆。

本发明实施例还提供一种上述所述的燃料电池堆的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

将所述燃料电池堆用于制备汽车动力电池；

在所述汽车动力电池中的燃料电池堆因故障无法满足汽车动力要求后，将所述故障燃料电池堆拆卸下来并更换；

将拆卸下来的所述故障燃料电池堆进行拆解，获得其中的燃料电池模块化组件；

将获得的燃料电池模块化组件中，性能满足汽车动力电池性能要求的燃料电池模块化组件继续用于制备新的汽车动力电池用燃料电池堆，性能无法满足汽车动力电池性能要求的燃料电池模块化组件用于制备通信基站、UPS(不断电系统)、IDC(数据中心)、叉车或特种车辆中的电池。

本发明实施例提供的燃料电池电堆若出现故障，采用电堆梯次利用方法，采取更换电池标准模组的方式消除故障。当车用燃料电池电堆退役后，拆解下来的电堆模块单元可单独或再次组堆可直接应用于通信基站、UPS、IDC、叉车、特种车辆等。梯次利用使燃料电池堆最大限度发挥其利用价值。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

图1是本发明实施例燃料电池堆(涂胶固定、模块单元组端板使用单极板)的爆炸图。所述燃料电池堆包括：15片膜电极电堆模块单元组1；密封材料(橡胶圈)2；阴极绝缘板3；阴极尾板4；阳极绝缘板5；阳极尾板6；绑带7；单极板12。

首先按照阴极单极板，膜电极组件和阳极单极板顺序依次叠放密封组成燃料电池单体。然后按照此步骤分别使用15片膜电极和相应数量的双极板(其中端板使用单极板)堆叠成电堆模块单元组，使用涂胶封闭四边。然后，对燃料电池单体用氢气、氧气进行活化处理，筛选电压、内阻、功率一致性相同或相似的电堆模块单元组进行组堆(可理解为，模块间的端板单极板组装后成为一个燃料电池堆的一片双极板)，模块单元组之间使用具有导电性的橡胶圈进行密封紧固。最后，按照阳极尾板、阳极绝缘板、胶垫、电堆模块单元组、胶垫、电堆模块单元组(若干个，根据实际所需功率要求)、橡胶圈、阴极绝缘板、阴极尾板依次按顺序装堆，使用绑带进行紧固，得到燃料电池堆。

实施例2

图2是本发明实施例基于模块化设计的燃料电池堆整堆(扎带紧固)的爆炸图。所述燃料电池堆包括：15片膜电极电堆模块单元组1；密封材料(橡胶圈)2；阴极绝缘板3；阴极尾板4；阳极绝缘板5；阳极尾板6；绑带7。图4是本发明实施例中燃料电池堆中电堆模块单元组(扎带紧固)的爆炸图。所述燃料电池堆中电堆模块单元组包括：双极板总成8；膜电极总成9；15片单组钢带10。

首先按照阴极单极板，膜电极组件和阳极单极板顺序依次叠放密封组成燃料电池单体。然后按照此步骤分别使用15片膜电极和相应数量的双极板堆叠成电堆模块单元组，使用钢带紧固。然后，对燃料电池单体用氢气、氧气进行活化处理，筛选电压、内阻、功率一致性相同或相似的电堆模块单元组进行组堆，模块单元组之间使用具有导电性的橡胶圈进行密封紧固。最后，按照阳极尾板、阳极绝缘板、胶垫、电堆模块单元组、胶垫、电堆模块单元组(若干个，根据实际所需功率要求)、胶垫、阴极绝缘板、阴极尾板依次按顺序装堆，使用绑带进行紧固，得到燃料电池堆。

实施例3

图6是本发明实施例基于模块化设计燃料电池堆整堆(涂胶紧固)的爆炸图。所述燃料电池堆包括：15片膜电极电堆模块单元组1；密封材料(橡胶垫)2；阴极绝缘板3；阴极尾板4；阳极绝缘板5；阳极尾板6；绑带7。图8是本发明实施例中燃料电池堆中电堆模块单元组(涂胶紧固)的爆炸图。所述燃料电池堆中电堆模块单元组包括：双极板总成8；膜电极总成9；涂胶11。

首先按照阴极单极板，膜电极组件和阳极单极板顺序依次叠放密封组成燃料电池单体。然后按照此步骤分别使用15片膜电极和相应数量的双极板堆叠成电堆模块单元组，使用涂胶封边四边。然后，对燃料电池单体用氢气、氧气进行活化处理，筛选电压、内阻、功率一致性相同或相似的电堆模块单元组进行组堆，模块单元组之间使用具有导电性的橡胶垫进行密封紧固。最后，按照阳极尾板、阳极绝缘板、胶垫、电堆模块单元组、胶垫、电堆模块单元组(若干个，根据实际所需功率要求)、胶垫、阴极绝缘板、阴极尾板依次按顺序装堆，使用绑带进行紧固，得到燃料电池堆。

本发明介绍的三个实施例，其中，实施例1中电堆模块单元组的端板使用单极板，且模块间使用橡胶圈密封紧固后仍保留良好的导电性，无需再另引导线便起到串联的作用；实施例2和实施例3，燃料电池堆中的电堆模块单元组端板使用绝缘材料，模块间需另引导线进行串联连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种燃料电池模块化组件，其特征在于，所述燃料电池模块化组件包括阴极电池板、阳极电池板、位于所述阴极电池板与阳极电池板之间的膜电极组件及密封件；

所述膜电极组件包括依次排列的阳极气体扩散层、两面涂覆催化剂的质子交换膜及阴极气体扩散层。

2.如权利要求1所述的燃料电池模块化组件，其特征在于，所述催化剂的成分为铂碳催化剂，所述铂碳催化剂中铂的载量为20～50wt.％。

3.如权利要求1所述的燃料电池模块化组件，其特征在于，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层为碳纤维纸、碳编织布、炭黑纸或金属网的一种或多种。

4.如权利要求1所述的燃料电池模块化组件，其特征在于，所述阴极电池板和所述阳极电池板上设置有密封槽，所述密封件为位于所述密封槽中的密封胶。

5.如权利要求4所述的燃料电池模块化组件，其特征在于，所述密封胶的成分为聚氨酯密封胶，聚硫密封胶，厌氧密封胶，环氧密封胶，丁基密封胶，氯丁密封胶，烯烃类密封胶中的至少一种。

6.如权利要求1所述的燃料电池模块化组件，其特征在于，所述阴极电极板和所述阳极电极板为高强石墨板、模压石墨板、柔性石墨板、复合石墨板或金属板的一种或多种。

7.一种基于模块化设计的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆依次包括按次序排列的阳极尾板、阳极绝缘板、多个如权利要求1至6任意一项所述的燃料电池模块化组件、阴极尾板、阴极绝缘板及紧固扎带。

8.如权利要求7所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆还包括对所述多个燃料电池模块化组件进行密封的密封材料，所述密封材料为橡胶垫、软塑料、绝缘胶水、橡胶圈、环边塑料贴膜中的至少一种。

9.一种如权利要求7或8所述的燃料电池堆的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照阴极单极板、膜电极组件和阳极单极板的顺序依次叠放，然后用密封件进行密封后组成燃料电池模块化组件；

用氢气或氧气对所述燃料电池模块化组件进行活化处理后，进行额定功率测试，筛选出得到电压、内阻、功率一致性相同或近似的燃料电池模块化组件；所述一致性相同或近似的燃料电池模块化组件的电压偏差在5mV以内；

使用具有导电性的密封材料将得到的燃料电池模块化组件进行密封，模块间的端板单极板组装后形成无泄漏的冷却通道，再用紧固扎带紧固形成燃料电池堆。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求7或8所述的燃料电池堆。

11.一种如权利要求7或8所述的燃料电池堆的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

将所述燃料电池堆用于制备汽车动力电池；

在所述汽车动力电池中的燃料电池堆因故障无法满足汽车动力要求后，将所述故障燃料电池堆拆卸下来并更换；

将拆卸下来的所述故障燃料电池堆进行拆解，获得其中的燃料电池模块化组件；

将获得的燃料电池模块化组件中，性能满足汽车动力电池性能要求的燃料电池模块化组件继续用于制备新的汽车动力电池用燃料电池堆，性能无法满足汽车动力电池性能要求的燃料电池模块化组件用于制备通信基站、UPS、IDC、叉车或特种车辆中的电池。