[发明专利]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

说明书

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。

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。