燃料电池装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池装置。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，而在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45%。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。
[0003]在现有的燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合，形成多节甚至数十节的电池堆，从而形成功率较高的发电装置。如图1所示，燃料电池结构由双极板B和膜电极MEA叠放而成，其中双极板的上表面为阳极，下表面为阴极，膜电极的上表面为阴极，膜电极的下表面为阳极，在电池堆的两端通过集流板Cl与C2实现电池堆整体电流的收集。其中，膜电极为电化学反应发生的场所，由催化剂(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。其中，双极板上刻有流道，以均匀分配反应气体。
[0004]现有的设计中，一般采用石墨雕刻加工的双极板，如图2所示，BI为阳极板，B2为阴极板，B3为阳极板的流道以供燃料氢气的流通，B4为阴极板的流道以供氧化剂气体(空气或氧气)的流通，B5为阴极板另一侧的流道以供冷却液(去离子水)的流通。图3为燃料电池膜电极截面结构。其中Ml为阳极气体扩散层，M2为阳极催化剂层，M3为质子交换膜，M4为阴极催化剂层，M5为阴极气体扩散层。图4为现有燃料电池电堆截面结构，其中，MEA为膜电极，BI为阳极板，B2为阴极板。
[0005]对于现有燃料电池堆的设计与操作，燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断。然而，当电池堆整体性能下降或者某一节电压下降时，却无法判断燃料电池某一节电池在具体哪个部位出现了故障，从而无法针对现有设计进行优化与改进。如图5所示，为现有设计较为常见的燃料电池的双极板的阳极端正面图，其中虚线区域为膜电极反应区，而显然，氢气从氢气进口到氢气出口的过程中经过流道的输运与反应的消耗，氢气的浓度、湿度、温度等反应条件在整个膜电极反应区域是不可能完全一致的；对于空气端也存在相同的问题，空气从空气进口到空气出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致；对于冷却水也存在相同的问题，冷却水从冷却水进口到冷却水出口的过程中经过流道的输运不可能完全一致。不一致的局部反应条件与膜电极工作环境，导致膜电极在不同区域的性能以及不同区域的性能衰减分布不均，而限制燃料电池性能与寿命的关键则是性能最低以及性能衰减最快的局部区域。
[0006]如图6所示为燃料电池双极板正面图(没有显示流道)，将虚线膜电极反应区域划分为从Rl到R16的不同区域，以该图为例进行定性分析，在燃料电池不加湿操作的条件下，进口处Rl的相对湿度最低，而出口处R16的相对湿度则最高，因此Rl处的质子交换膜最干燥，电池内阻最大，导致该区域的性能最低，衰减也最为迅速；在大电流密度操作条件下，由于生成水的增加，R16区域的相对湿度往往超过100%，造成液态水在流道中的堆积，从而导致气体无法输送至反应电极的表面，加速膜电极的性能衰减。
[0007]燃料电池的性能下降与寿命衰减，一般最先发生在某些局部区域(如上述定性分析，不局限于上述分析)，而其他大部分区域则保持良好的性能与使用寿命，然而，这些现象在现有燃料电池装置条件下无法实验定量测出(现有燃料电池只能测出电池在给定电流条件下的整体输出电压)，从而无法通过目的性的改善局部区域的反应条件与性能，而大幅提高燃料电池性能与寿命。
[0008]因此，如何实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率，成为本领域亟待解决的技术难题。
【发明内容】
[0009]本发明的主要目的在于提供一种燃料电池装置，以实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布。
[0010]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池装置，包括依次贴合连接的阴极冷却板、阴极电流分区收集板、膜电极组件、阳极电流分区收集板、阳极冷却板，其中，膜电极组件包括交换膜，位于交换膜靠近阴极流场板的表面上的多个阴极催化剂层和多个阴极气体扩散层，以及位于交换膜靠近阳极流场板的表面上的多个阳极催化剂层和多个阳极气体扩散层；阴极冷却板靠近阴极集流板的表面上以及阳极冷却板靠近阳极集流板的表面上分别设置有多个流道覆盖区，每个流道覆盖区包括多条并行的冷却液体流道；阴极电流分区收集板和阳极电流分区收集板靠近膜电极组件的表面上均设置有多个流道覆盖区，每个流道覆盖区包括多条并行的气体流道，相邻气体流道之间设置有导电层，阴极组合式流场集流板远离膜电极组件的表面上设置有多个集流导电层，导电层与集流导电层电导通连接，每个集流导电层通过导线与集流端子连接，且每个导电层与集流端子之间的导线上串联有电流传感器。
[0011]进一步地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层在同一方向上以相同间隔依次排列，且多个阴极催化剂层的位置与各阳极催化剂层的位置一一对应。
[0012]进一步地，各阴极催化剂层和各阳极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
[0013]进一步地，膜电极组件还包括:覆盖于阴极催化剂层和阴极气体扩散层上的阴极密封垫片，以及覆盖于阳极催化剂层和阳极气体扩散层上的阳极密封垫，且阴极密封垫片具有面积和形状与阴极催化剂层相一致的中空区域，阳极密封垫片具有面积和形状与阳极催化剂层相一致的中空区域。
[0014]进一步地，各导电层的位置与阴极催化剂层的位置一一对应。
[0015]进一步地，各导电层与各阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
[0016]进一步地，燃料电池装置还包括设置于阴极电流分区收集板和阴极冷却板之间的温湿度分区检测板，温湿度分区检测板的表面上设置有通孔温湿度传感器，且温湿度传感器位于设置于相邻流道覆盖区之间的通孔中。
[0017]进一步地，阴极电流分区收集板和阳极电流分区收集板靠近膜电极组件的表面上还设置有多个反应分区，各反应分区的位置与各阴极催化剂层的位置一一对应。
[0018]进一步地，各反应分区与各阴极催化剂层具有相同的形状和尺寸。
[0019]进一步地，燃料电池装置还包括依次贴合于阴极冷却板上的阴极绝缘板和阴极端板，以及依次贴合于阳极冷却板上的阳极绝缘板和阳极端板，且燃料电池装置的所有部件通过螺栓紧固集成于一体。
[0020]本发明通过提供一种新型的燃料电池分区电池装置及其内部性能表征部件设计，可实时监测电池内部各局部区域的实际反应性能分布及反应条件分布等，从而有目的性的改善电池的设计与操作参数，优化燃料电池性能与寿命，并大幅提高燃料电池研发效率。
【附图说明】
[0021]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0022]图1示出了现有燃料电池堆的装配结构示意图；
[0023]图2示出了现有燃料电池堆中双极板的截面结构示意图；
[0024]图3示出了现有燃料电池堆中膜电极的截面结构示意图；
[0025]图4示出了现有燃料电池堆的堆叠结构示意图；
[0026]图5示出了现有燃料电池堆中双极板的阳极端的正面视图；
[0027]图6示出了现有燃料电池堆中双极板的正面