燃料电池电堆及燃料电池汽车的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆及燃料电池汽车。

背景技术：

燃料电池电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统核心部分，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。调研国内外金属双极板电堆研发进展与趋势，表明燃料电池电池的功率、功率密度呈明显上升发展态势。目前国际上已开发出的金属双极板电堆，体积功率密度最高可达到3.0kw/l水平，预测在未来五年将会有更大的技术突破。根据中国燃料电池汽车发展路线图规划，国内燃料电池电堆整体技术水平处于追赶状态，预计国内到2025年达到国际先进水平，即电堆体积功率密度达到4.0kw/l的目标。小形化、轻量化、大功率、高功率密度是车用电堆发展的主要方向，也是燃料电池规模化、产业化发展的重要趋势。

但是，目前燃料电池电堆由于体积、重量等原因，只能在一些特定场所适用，极大的制约了燃料电池的推广应用，如何减轻燃料电池电堆的重量，提高燃料电池体积能量密度，将燃料电池应用范围更广泛，成为目前急需解决的重要问题。

技术实现要素：

本发明提供一种燃料电池电堆及燃料电池汽车，以解决相关技术中燃料电池电堆由于体积、重量等原因，只能在一些特定场所适用，极大的制约了燃料电池的推广应用的问题。

第一方面，本发明提供了一种燃料电池电堆，包括两个端板结构，以及通过螺栓连接于两个所述端板结构之间、并串联的多个单元电池：

每个所述单元电池包括两块双极板，以及设于两块双极板之间的膜电极；

其中，每块所述双极板均包括主板体，所述主板体上间隔设有多个气体流道和多个冷却流道，所述气体流道和所述冷却流道的流道深度为0.28-0.32mm、流道圆角半径为0.09-0.11mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，且所述主板体的板厚为0.09-0.11mm。

在一些实施例中，所述气体流道和所述冷却流道的流道深度为0.3mm、流道圆角半径为0.1mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，且所述主板体的板厚为0.1mm。

在一些实施例中，所述气体流道和所述冷却流道为采用多步成形工艺在不锈钢316l板材上冲压形成的流道结构，而且所述板材平整度小于等于1mm，所述流道结构的成形公差小于等于0.015mm。

在一些实施例中，所述双极板包括设于所述主板体的两侧面上的金属基薄膜防护涂层，所述金属基薄膜防护涂层通过采用pvd物理气相沉积工艺将cr/c材料沉积于所述主板体上形成。

在一些实施例中，所述膜电极包括质子交换膜，分别叠设于所述质子交换膜两侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，以及封设于所述质子交换膜、所述阳极气体扩散层及所述阴极气体扩散层的四周侧的电极边框，所述阳极气体扩散层与一个所述双极板对应，所述阴极气体扩散层与另一个所述双极板对应。

在一些实施例中，所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层均包括炭纸支撑层，以及设于所述炭纸支撑层上的微孔层，所述微孔层与所述双极板对应；

所述述质子交换膜的两侧均设有与所述炭纸支撑层对应的催化剂膜层，所述述催化剂膜层可通过附着pt/c催化剂颗粒于质子交换膜的侧面上形成，且所述催化剂膜层上的pt载量小于等于0.3mg/cm²。

在一些实施例中，所述电极边框包括围设于所述阳极气体扩散层周侧的第一边框、以及对应叠设于所述第一边框外侧的第一密封垫片；

所述电极边框还包括围设于所述阴极气体扩散层周侧的第二边框、以及对应叠设于所述第二边框外侧的第二密封垫片，所述质子交换膜夹设于所述第一边框和所述第二边框之间。

在一些实施例中，所述燃料电池电堆包括设于多个所述单元电池周侧的密封壳结构，所述密封壳结构位于两个所述端板结构之间；

所述密封壳结构包括设于多个所述单元电池周侧的密封胶层，以及封设于所述密封胶层外的聚烯烃绝缘外壳。

在一些实施例中，所述端板结构包括依次叠设的端盖板、绝缘板及集流板，所述集流板与所述双极板对应设置。

第二方面，本发明提供了一种燃料电池汽车，包括如上所述的燃料电池电堆。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：减轻燃料电池电堆的重量，提高燃料电池体积能量密度，将燃料电池应用范围更广泛。

本发明实施例提供了一种燃料电池电堆，通过对双极板的流道结构(气体流道及冷却流道)进行精细化设置，具体可使得流道深度为0.28-0.32mm、流道圆角半径为0.09-0.11mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，并控制双极板的板厚为0.09-0.11mm，可极大提高电化学有效面积，使得膜电极受力均匀，降低膜电极与双极板的接触电阻，改善流道间气体传输，减小单电池间距和电堆尺寸，提高电堆体积功率密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述燃料电池电堆的俯视结构示意图；

图2为图1的横断面结构示意图；

图3为图2的局部结构示意图；

图4为本发明实施例所述燃料电池电堆的膜电极的结构示意图。

图中：100、端板结构；200、单元电池；210、双极板；212、主板体；214、冷却流道；216、气体流道；220、膜电极；222、质子交换膜；226、阳极气体扩散层(阴极气体扩散层)；228、电极边框；2282、第一边框(第二边框)；2284、第一密封垫片(第二密封垫片)；300、密封壳结构；310、密封胶层；320、聚烯烃绝缘外壳。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种燃料电池电堆，以解决相关技术中燃料电池电堆由于体积、重量等原因，只能在一些特定场所适用，极大的制约了燃料电池的推广应用的问题。

具体地，如图1所示，本发明提供的燃料电池电堆，包括两个端板结构100，以及通过螺栓连接于两个端板结构100之间的多个单元电池200，多个单元电池串联成为一体，而且多个单元电池200的周侧还围设有密封壳结构300。而且，如图2所示，每个单元电池200可包括两块双极板210，以及设于两块双极板210之间的膜电极220。这样，可将多块双极板210与多个膜电极220交替叠合形成多个单元电池200，并通过两个端板结构100将叠合的多个单元电池200夹住以形成燃料电池电堆；而且，通过密封壳结构300可将多个单元电池200密封住，而通过端板结构100可从两侧将多个单元电池200进行紧固住，即可构成燃料电池电堆。燃料电池电堆工作时，氢气和氧气(空气)分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单元电池200的双极板210，双极板210对气体进行导流后均匀分配至膜电极220，通过膜电极220与催化剂接触进行电化学反应。

而且，上述端板结构100可包括依次叠设的端盖板、绝缘板及集流板，且集流板可与单元电池200的双极板210对应设置。集流板导通电堆内部和外部线路以及传导电流的作用，端盖板用于对单元电池进行固定密封，而绝缘板用于对电堆内部与端盖板进行绝缘隔离。

此外，如图3所示，每块双极板210均可包括主板体212，该主板体212上可间隔设有多个气体流道216和多个冷却流道214，且气体流道216和冷却流道214的流道深度为0.28-0.32mm、流道圆角半径为0.09-0.11mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，且控制主板体212的板厚为0.09-0.11mm。双极板210上的气体流道216可对氢气和氧气(空气)进行导流，而冷却流道214可以对双极板210及单元电池200进行散热，无需在单元电池200的外部进行散热。而且，通过将双极板210的流道结构(气体流道216及冷却流道214)设置得更加密集数量更多，实现流道结构的精细化设置，具体可使得流道深度为0.28-0.32mm、流道圆角半径为0.09-0.11mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，并控制双极板210的板厚为0.09-0.11mm，可极大提高电化学有效面积，使得膜电极受力均匀，降低膜电极220与双极板210的接触电阻，改善流道间气体传输效率，减小单元电池200间距和电堆尺寸，提高电堆体积功率密度。

在一些实施例中，上述气体流道216和冷却流道214的流道深度为0.3mm、流道圆角半径为0.1mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，且主板体的板厚为0.1mm。通过将上述气体流道216和冷却流道214各参数进行上述方式进行设置，对双极板210的精细化设置效果更好。此外，也可使得上述气体流道216和冷却流道214的流道深度为0.28mm、流道圆角半径为0.09mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，且主板体212的板厚为0.09mm；此外，也可使得上述气体流道216和冷却流道214的流道深度为0.32mm、流道圆角半径为0.11mm、流道周期≤1mm、流道倾角≤5°，且主板体212的板厚为0.11mm。这样，可将双极板210上的气体流道216和冷却流道214设置得更加密集，数量更多，以增大与膜电极220进行化学反应的面积。

而且，上述气体流道216和冷却流道214为采用多步成形工艺在不锈钢316l材质的板材上冲压形成的流道结构，而且该板材平整度小于等于1mm，上述流道结构的成形公差小于等于0.015mm。采用不锈钢316l材料的金属板材冲压加工形成的金属双极板，可使得其接触电阻小于等于5mω·cm²，腐蚀电流小于等于2μa/cm²，可以更好地降低膜电极220与双极板210的接触电阻，更好地提升双极板210的耐腐蚀性能，降低单片电池200间距，提高体积功率密度。

进一步地，针对细密流道结构在冲压过程中易发生的破裂风险的问题，可采用多步成形的方法对双极板210进行冲压成形，均匀每步的变形量，使板材变形更加均匀；而且，针对多步成形中每步成形模具的设计，可通过有限元仿真分析，合理确定每一步的成形量，确保在最少的成形道次下冲压出所需流道结构；而且，针对薄板冲压过程中易发生的回弹现象，可通过仿真模拟实际变形，指导实际模具设计，通过回弹补偿的方式保证成形板料的平整度。而且，控制板材平整度小于等于1mm，并控制流道结构的成形公差小于等于0.015mm，使成型的双极板210质量达到较高水平，充分满足流道结构的精细化设置要求。

此外，上述双极板210可包括设于主板体212的两侧面上的金属基薄膜防护涂层，该金属基薄膜防护涂层可通过采用pvd(physicalvapordeposition)物理气相沉积工艺将cr/c材料沉积于主板体上形成。通过采用pvd物理气相沉积工艺，可将cr/c材料沉积于主板体上以形成高导电性、高耐蚀性、致密稳定的金属基薄膜防护涂层，可以大幅降低接触电阻，减小腐蚀速率，提升双极板的寿命。

此外，如图3至图4所示，上述膜电极220可包括质子交换膜222，分别叠设于质子交换膜222两侧的阳极气体扩散层226和阴极气体扩散层226，以及封设于质子交换膜222、阳极气体扩散层226及阴极气体扩散层226的四周侧的电极边框228，阳极气体扩散层226与一个双极板210对应，而阴极气体扩散层与另一个双极板210对应。通过电极边框228对阳极气体扩散层226和阴极气体扩散层进行固定，并夹设在质子交换膜222两侧，可以将阳极气体扩散层226和阴极气体扩散层设置得更轻薄，减小膜电极220的厚度，可使得膜电极220厚度由传统的约480μm压缩到300μm，使得膜电极220在有效面积250cm²实现额定工作点(1.36w/cm²)0.65v@2.1a/cm²，可减小电化学极化、欧姆极化和传质极化，更有利于实现电堆的大功率及高功率密度目标。

而且，上述电极边框228可包括围设于阳极气体扩散层226周侧的第一边框2282、以及对应叠设于第一边框2282外侧的第一密封垫片2284，通过第一边框2282将阳极气体扩散层226固定住，并通过第一密封垫片2284对阳极气体扩散层226进行密封，便于减小阳极气体扩散层226的厚度。而且，上述电极边框228还可包括围设于阴极气体扩散层周侧的第二边框2282、以及对应叠设于第二边框2282外侧的第二密封垫片2284，通过第二边框2282将阴极气体扩散层固定住，并通过第二密封垫片2284对阴极气体扩散层226进行密封，便于减小阴极气体扩散层226的厚度。而且，上述质子交换膜222夹设于第一边框2282和第二边框之间，同时还可利用电极边框228将质子交换膜222固定在阳极气体扩散层226和阴极气体扩散层之间，可进一步减小质子交换膜222、阳极气体扩散层226、阴极气体扩散层的厚度。

在一些实施例中，上述阳极气体扩散层226和阴极气体扩散层均可包括炭纸支撑层，以及设于炭纸支撑层上的微孔层，而微孔层与双极板对应。炭纸支撑层用于对整个气体扩散层进行支撑，而微孔层可吸附双极板的气体流道216中的气体(氢气和氧气)。而且，上述质子交换膜222的两侧均设有与炭纸支撑层对应的催化剂膜层，以便使氢气和氧气进行化学反应。而且，上述催化剂膜层可通过附着pt/c催化剂颗粒于质子交换膜的侧面上形成，且催化剂膜层上的pt载量小于等于0.3mg/cm²，具有良好的电化学反应性能。

此外，上述密封壳结构300可包括设于多个单元电池200周侧的密封胶层310，以及封设于密封胶层310外的聚烯烃绝缘外壳320。密封胶层310形成电堆的内层密封结构，具有气体密封效果，具有气体阻隔性、耐酸性以及操作性优良等优点；而聚烯烃绝缘外壳320形成电堆的外层密封结构，具有外层绝缘固定效果，可通过注塑成型工艺进行加工，工艺相对简单、易于实现自动化批量生产。通过内外层双重密封设计的方式，提升电堆气密性、电绝缘线，提升电堆氢电安全性。而且，还使得电堆无需外壳和通风设计，使得电堆体积相对原有设计大为减小，可进一步提升电堆的体积能量密度。

而且，在本实施例中，上述燃料电池电堆中的单元电池200的数量可大于等于350个，单元电池200的有效面积可大于等于250cm²，相邻单元电池200之间的间距可小于等于1.1mm，即可较大地减小单元电池200之间的距离，较大地提升单元电池的有效化学反应面积，也可设置更多数量的单元电池。而且，在燃料电池电堆的额定功率为120kw，膜电极的额定工作点为2.1a/cm²@0.65v，电堆额定工作点为228.8v/525a时，单元电池的数量可达到352(即228.8/0.65)片，单元电池的间距可达到1.05mm，单元电池的有效面积可达到250cm²。单元电池的体积为431.5mm×428.2mm×142mm，可得到燃料电池电堆的体积功率密度为4.6kw/l，相对于传统的体积功率密度最高可达到3.0kw/l有较大的提升，相对于预计的国际先进水平的电堆体积功率密度4.0kw/l也更高。

此外，本发明提供了一种燃料电池汽车，可包括如上所述的燃料电池电堆。这种燃料电池电堆可减轻燃料电池电堆的重量，提高燃料电池体积能量密度，将燃料电池应用范围更广泛。

总之，在本发明中，通过提出精细化的流道结构的双极板，使得膜电极受力均匀，降低膜电极与双极板的接触电阻，改善流道间气体传输，减小单元电池间距和燃料电池电堆尺寸；流道结构设计采用更精细的流道周期，对双极板提出更高的冲压精度要求，采用焊接速度高、工艺相对简单、易于实现自动化批量生产的激光焊接，以及高导电性、高耐蚀性、高稳定性及低成本的双极板表面强化涂层设计，可提高燃料电池体积能量密度；对膜电极提出轻薄化的设计，采用更薄的增强复合膜方案，降低氢离子传导阻力，增加水的背扩散，降低欧姆极化，实现“低增湿”；采用更薄的气体扩散层，减小反应气和生成物水的传递阻力，降低传质极化，避免“水淹”；减小单元电池间距，改善反应气体和生成物水的传输，降低传质阻力，减小电堆尺寸，也可进一步提高燃料电池体积能量密度；此外，通过提出一体化的双重密封结构，使得燃料电池电堆无需外壳和通风设计，使得电堆体积功率更高；双重密封结果设计，提升电堆气密性、电绝缘线，提升电堆氢电安全性。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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发明和简化描述，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发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。