一种质子交换膜燃料电池的电堆结构的制作方法

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的电堆结构。

背景技术：

质子交换膜燃料电池已广泛应用于交通汽车，公共汽车，船舶，水下航行器和航天器等领域。与其它电能源类型技术相比，质子交换膜燃料电池具有许多优点，包括启动时间短、系统体积小、污染物排放低、系统效率相对较高以及噪音级别低等。在车用质子交换膜燃料电池系统中，纯氢通常用作发电燃料，未能充分使用的氢气将与杂质气体一起排放到大气中。然而，为了获得最大燃料电池动力系统的发电效率和保障燃料电池动力系统的安全使用条件，要求系统应该在给定的输出功率下消耗尽可能少的燃料，并且应该最大限度地减少氢气向外界环境的排放。

目前定义被燃料电池消耗产生热能和电能的氢气与供应给燃料电池系统的氢气之比，称之为燃料氢气利用率。如果燃料电池系统以100％利用率运行，则供入燃料电池阳极的氢气量将与电化学所需的氢气的化学计量流量相同，称为死端操作。然而，在死端操作中，燃料电池出口处存在燃料不足的风险，这可能导致电池电压不稳定和电池性能恶化。造成这影响的主要原因是阳极液态水的积累和阳极杂质气体以及阴极渗氮的积累，导致阳极尾部氢气稀薄甚至缺气。因此，现有电堆在运行过程中，氢气以远大于化学计量流量的量供应给质子交换膜燃料电池，以便提供足够的强制对流和过量气体，将积聚的产物水从阳极流场及歧管通道内排出，并降低杂质气体和氮气的浓度，一般这种不带氢气循环系统的质子交换膜燃料电池系统燃料利用率在80-90％左右，多余的氢气和杂质气体是通过过量的方式直接排出或间歇排至外界环境中。后期技术人员为进一步提升燃料的利用率，开发了氢气泵和氢气引射器，将氢气从电堆出口重新抽吸至入口，燃料利用率可提升至95％以上。但这类循环系统仍存在以下问题：封闭的氢气循环系统由于杂质气体的累计效应(主要来自阴极侧渗透至阳极的氮气和氢气本身含有的杂质气体)，需要不断的间歇排出气体已达到氢气浓度的平衡，此时脉冲排出的气体含有大量的氢气，燃料利用率提升受到限制；其次，增加循环泵额外增加了系统的组成部件，增加系统的复杂性和成本，系统可靠性下降，功耗增加；另外，氢气引射器在低负荷工况时由于电堆消耗氢气量有限，难以产生足够的引射气体满足电堆全功率使用要求。本发明提出一种新的质子交换膜燃料电池阳极分级电堆结构。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种质子交换膜燃料电池的电堆结构，用以解决现有技术中的电堆结构难以满足电堆全功率使用要求的技术问题。

本发明提供一种质子交换膜燃料电池的电堆结构，包括集成式正端板、集成式负端板、n级单电池组和锁紧组件，n为大于或等于2的整数；

所述集成式正端板和所述集成式负端板相对间隔设置，n级所述单电池组通过所述锁紧组件依次层叠安装于所述集成式正端板和所述集成式负端板之间，所述集成式正端板上设置有阴极气体进气口、冷却水进口、n级阳极气体进气口、阴极气体排气口、冷却水出口和n级阳极气体排气口，任一级数的单电池组包括若干对应级数的电池单体，每一级数所述电池单体包括膜电极、对应级数的阳极板和对应级数的阴极板，所述膜电极夹设于所述对应级数的阳极板和所述对应级数的阴极板之间，任一级数的阳极板具有对应级数的阳极气体流场通道，任一级数的所述阳极气体流场通道的两端分别与对应级数的阳极气体进气口和对应级数的阳极气体排气口相通，所有级数的阴极板的结构相同，每一所述阴极板相对于对应的所述阳极板的一侧具有阴极气体流场通道，所述阴极气体流场通道的两端分别与阴极气体进气口和阴极气体排气口相通。

优选的，阳极气体为氢气，阴极气体为空气。

优选的，每一级数的所述阳极板上均开设有阳极板空气进口、阳极板进水口、n级阳极板氢进口、阳极板空气出口、阳极板出水口和n级阳极板氢出口，对应级数的所述阳极板氢进口和对应级数的所述阳极板氢出口之间形成对应级数的氢气流场通道，该级数的阳极板氢气流场通道与其他级数的阳极板氢进口和阳极板氢出口隔绝。

优选的，所述阴极板背离所述阴极气体流场通道的一侧形成有冷却水流场通道；所述阴极板上开设有阴极板空气进口、阴极板进水口、n级阴极板氢进口、阴极板空气出口、阴极板出水口和n级阴极板氢出口，所述阴极板空气进口和所述阴极板空气出口之间形成阴极气体流场通道。

优选的，所述膜电极包括电极边框和电极活性区，所述电极边框上开设有电极空气进气口、电极进水口、n级电极氢进口、电极阴极气体排气口、电极出水口和n级电极氢出口。

优选的，所述集成式正端板包括正极端板、正极绝缘板和正极集流板，所述集成式负端板包括负极端板、负极绝缘板及负极集流板；所述正极集流板和所述负极集流板分别对应镶嵌于所述正极绝缘板和所述负极绝缘板中，以收集所述电堆结构产生的电流。

优选的，所述锁紧组件包括锁紧螺杆和安装于所述锁紧螺杆两端的锁紧螺母，所述锁紧螺杆依次穿过所述集成式正端板、n级所述单电池组和所述集成式负端板，所述锁紧螺母用于将所述集成式正端板、n级所述单电池组和所述集成式负端板锁固在一起。

优选的，n＝4。

本发明提供的电堆结构，其整个电堆阴极为单级，电堆阳极分为多级结构，每一级的阳极板进气结构均不同，阳极气体首先进入第一级阳极板流场通道参与反应，此时经过第一级阳极板流场通道的气体还包括后面级数的阳极气体，因而通入的阳极气体总量与第一级电池反应所需阳极气体之间形成一个过量系数，进而保证阳极气体和产物的充分排出，而且后面级数的反应消耗阳极气体会对前一级形成虹吸效应，带动阳极气体的被动抽吸，进而实现了阳极气体的高效利用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种质子交换膜燃料电池的电堆结构的结构示意图；

图2为图1的展开结构示意图；

图3为图2中各级单电池的结构示意图；

图4为本发明实施例中集成式正端板的结构示意图；

图5为本发明实施例中膜电极的结构示意图；

图6为本发明实施例中第一级阴极板的结构示意图；

图7为本发明实施例中第一级阳极板的结构示意图；

图8为本发明实施例中第二级阳极板的结构示意图；

图9为本发明实施例中第三级阳极板的结构示意图；

图10为本发明实施例中第四级阳极板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的电堆结构，包括集成式正端板10、集成式负端板20、4级单电池组和锁紧组件30，，可以理解的是，在本申请的其他实施例中，单电池组的数目还可以为其他数目，只要满足为大于或等于2的整数即可，如没有特别说明，本申请实施例中的阳极气体为空气，阴极气体为氢气。

集成式正端板10和集成式负端板20相对间隔设置，4级单电池组通过锁紧组件30依次层叠安装于集成式正端板10和集成式负端板20之间。为了便于叙述，4级单电池组分别包括第一级电池单体410、第二级电池单体420、第三极电池单体430和第四级电池单体440，其中，任一级数的单电池组均包括多个对应级数的电池单体。

集成式正端板10上设置有阴极气体进气口101、冷却水进口102、4级阳极气体进气口(依次为第一级阳极气体进气口111、第二级阳极气体进气口112、第三级阳极气体进气口113和第四级阳极气体进气口114)、阴极气体排气口103、冷却水出口104和4级阳极气体排气口(依次为第一级阳极气体排气口121、第二级阳极气体排气口122、第三级阳极气体排气口123和第四级阳极气体排气口124)。

每一级数电池单体包括膜电极50、对应级数的阳极板和对应级数的阴极板，在本申请的实施例中，具体的，第一级电池单体410包括第一级阳极板411、膜电极50和第一级阴极板412；第二级电池单体420包括第二级阳极板421、膜电极50和第二级阴极板422；第三级电池单体430包括第三级阳极板431、膜电极50和第三级阴极板432；第四级电池单体440包括第四级阳极板441、膜电极50和第四级阴极板442，其中膜电极50夹设于对应级数的阳极板和对应级数的阴极板之间。

其中，任一级数的阳极板具有对应级数的阳极气体流场通道，每一级数的阳极板上均开设有阳极板空气进口、阳极板进水口、n级阳极板氢进口、阳极板空气出口、阳极板出水口和n级阳极板氢出口。

具体的，第一级阳极板411上具有第一级阳极板空气进口411a、第一级阳极板进水口411b、第一级阳极板第一氢进口411c、第一级阳极板第二氢进口411d、第一级阳极板第三氢进口411e、第一级阳极板第四氢进口411f、第一级阳极板空气出口411g、第一级阳极板出水口411h、第一级阳极板第一氢出口411i、第一级阳极板第二氢出口411j、第一级阳极板第三氢出口411k和第一级阳极板第四氢出口411l；第一级阳极板第一氢进口411c和第一级阳极板第一氢出口411l之间形成第一级氢气流场通道411m，第一级氢气流场通道411m和第一级阳极板上其他级数的阳极板氢进口和阳极板氢出口隔绝；第一级阳极板第一氢进口411c与第一级阳极气体进气口111相通；第一级阳极板第一氢出口411l与第一级阳极气体排气口121相通。

第二级阳极板421上具有第二级阳极板空气进口421a、第二级阳极板进水口421b、第二级阳极板第一氢进口421c、第二级阳极板第二氢进口421d、第二级阳极板第三氢进口421e、第二级阳极板第四氢进口421f、第二级阳极板空气出口421g、第二级阳极板出水口421h、第二级阳极板第一氢出口421i、第二级阳极板第二氢出口421j、第二级阳极板第三氢出口421k和第二级阳极板第四氢出口421l；第二级阳极板第二氢进口421c和第二级阳极板第二氢出口421l之间形成第二级氢气流场通道421m，第二级氢气流场通道421m和第二级阳极板上其他级数的阳极板氢进口和阳极板氢出口隔绝；第二级阳极板第二氢进口421c与第二级阳极气体进气口112相通；第二级阳极板第二氢出口421l与第一级阳极气体排气口122相通。

第三级阳极板431上具有第三级阳极板空气进口431a、第三级阳极板进水口431b、第三级阳极板第一氢进口431c、第三级阳极板第二氢进口431d、第三级阳极板第三氢进口431e、第三级阳极板第四氢进口431f、第三级阳极板空气出口431g、第三级阳极板出水口431h、第三级阳极板第一氢出口431i、第三级阳极板第二氢出口431j、第三级阳极板第三氢出口431k和第三级阳极板第四氢出口431l；第三级阳极板第三氢进口431c和第三级阳极板第三氢出口431l之间形成第三级氢气流场通道431m，第三级氢气流场通道431m和第三级阳极板上其他级数的阳极板氢进口和阳极板氢出口隔绝；第三级阳极板第三氢进口431c与第三级阳极气体进气口113相通；第三级阳极板第三氢出口431l与第三级阳极气体排气口123相通。

第四级阳极板441上具有第四级阳极板空气进口441a、第四级阳极板进水口441b、第四级阳极板第一氢进口441c、第四级阳极板第二氢进口441d、第四级阳极板第三氢进口441e、第四级阳极板第四氢进口441f、第四级阳极板空气出口441g、第四级阳极板出水口441h、第四级阳极板第一氢出口441i、第四级阳极板第二氢出口441j、第四级阳极板第三氢出口441k和第四级阳极板第四氢出口441l；第四级阳极板第四氢进口441c和第四级阳极板第四氢出口441l之间形成第四级氢气流场通道441m，第四级氢气流场通道441m和第四级阳极板上其他级数的阳极板氢进口和阳极板氢出口隔绝；第四级阳极板第四氢进口441c与第四级阳极气体进气口114相通；第四级阳极板第四氢出口441l与第四级阳极气体排气口124相通。

所有级数的阴极板的结构相同，即第一级阴极板412、第二级阴极板422、第三级阴极板432和第四级阴极板442在结构上是完全相同的，每一阴极板相对于对应的阳极板的一侧具有阴极气体流场通道，阴极气体流场通道的两端分别与阴极气体进气口和阴极气体排气口相通；为了避免赘述，以第一级阴极板412为例，其相对于第一级阳极板411的一侧具有阴极气体流场通道412m，具体的，第一级阴极板412上开设有阴极板空气进口412a、阴极板进水口412b、阴极板第一级氢进口412c、阴极板第二级氢进口412d、阴极板第三级氢进口412e，阴极板第四级氢进口412f、阴极板空气出口412g、阴极板出水口412h、阴极板第一级氢出口412i、阴极板第二级氢出口412j、阴极板第三级氢出口412k，阴极板第四级氢出口412l、，阴极板空气进口412a和阴极板空气出口412g之间形成阴极气体流场通道412m；第一级阴极板412背离阴极气体流场通道412m的一侧形成有冷却水流场通道412n，其中，冷却水流场通道412n形成于阴极板进水口412b和阴极板出水口412h之间。

在本申请的实施例中，膜电极50包括电极边框51和电极活性区52，电极活性区52包括质子交换膜、催化剂和碳纸扩散层，电极边框51上开设有电极空气进气口51a、电极进水口51b、电极第一级氢进口51c、电极第二级氢进口51d、电极第三级氢进口51e、电极第四级氢进口51f、电极阴极气体排气口51g、电极出水口电极51h、电极第一级氢出口51i、电极第二级氢出口51j、电极第三级氢出口51k、电极第四级氢出口51l。

可以理解的是，为了实现电堆结构的稳定运行，不同部件上对应级数的氢进口和对应级数的氢出口是对应设置的。

在本申请的实施例中，集成式正端板10包括正极端板、正极绝缘板和正极集流板，集成式负端板20包括负极端板、负极绝缘板及负极集流板；正极集流板和负极集流板分别对应镶嵌于正极绝缘板和负极绝缘板中，以收集电堆结构产生的电流。

在本申请的优选的实施例中，锁紧组件30包括锁紧螺杆31和安装于锁紧螺杆31两端的锁紧螺母32，锁紧螺杆31依次穿过集成式正端板10，上述4级单电池组和集成式负端板20，锁紧螺母32用于将集成式正端板10，上述4级单电池组和集成式负端板20锁固在一起。

本申请在使用时，新鲜干燥的空气经过空气过滤器，经过加湿器后进入电堆结构的阴极参与电化学反应，阴极产物水随过量空气带出电堆；电堆阳极分为4级，氢气首先从第一级阳极气体进气口111进入第一级氢气流场通道411m参与电化学反应，此时经过第一级氢气流场通道411m的气体包含有第一级电池反应所需气体、第二、三、四级电池反应所需气体、第一级电池通过膜透过的氮气、加湿水蒸气和杂质气体等，因为第二、三、四级电池反应所需气体都需要流经第一级氢气流场通道411m，这些气体总量与第一级电池反应所需气体会形成一个过量系数，进而可以保证第一级阳极气体排气口121具有足够浓度的阳极反应氢气和水排出；从第一级阳极气体排气口121排出的气体经气水分离后从第二级阳极气体进气口212进入第二级氢气流场通道421m参与电化学反应；反应产物和剩余氢气从第二级阳极气体排气口122排出；从第二级阳极气体排气口122排出的气体经气水分离后从第三级阳极气体进气口113进入第三氢气流场通道431m参与电化学反应；反应产物和剩余氢气从第三级阳极气体排气口123排出；从第三级阳极气体排气口123排出的气体经气水分离后从第四级阳极气体进气口243进入第四氢气流场通道441m参与电化学反应；反应产物和剩余氢气从第四级阳极气体排气口124排出；另外由于后一级电池反应不断的消耗氢气会对其前一级形成虹吸效应，带动气体的被动抽吸，形成虹吸效应，保证电池稳定发电,对于最后一级即第四级电池反应没有虹吸效应，可采用脉冲尾排的方式驱动第四级电池阳极气体流动，保证电池稳定发电，脉冲尾排的气体主要是经过四级反应后累计所得的杂质气体和水蒸气，含少量的氢气；至此，通过该电堆结构实现的电化学反应方法可以实现阳极氢气的更高效利用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。