本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命燃料電池電堆模塊。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell,pemfc)是一種清潔環(huán)保的電化學(xué)發(fā)電裝置，由于其體積小、質(zhì)量輕、操作條件溫和、能量轉(zhuǎn)換率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及響應(yīng)迅速等優(yōu)勢(shì)，很適合用于便攜式電源和交通運(yùn)輸工具。因此，pemfc被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的清潔、高效的發(fā)電裝置。近年來(lái)，世界各國(guó)都在積極研制以燃料電池電堆模塊為主要?jiǎng)恿υ吹娜剂想姵仉妱?dòng)汽車(chē)。

質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)，維持內(nèi)部適量的水濃度分布是其性能高效、穩(wěn)定發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一，正常情況下，良好的水管理策略既能保證膜的充分潤(rùn)濕，又能使多余的液態(tài)水及時(shí)排出，整個(gè)系統(tǒng)可維持在可靠、平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。但是，在冰點(diǎn)以下環(huán)境中，電池內(nèi)部的液態(tài)水發(fā)生凍結(jié)將會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生惡劣的影響，如啟動(dòng)困難、啟動(dòng)緩慢甚至啟動(dòng)失敗，以及多起啟動(dòng)后可能造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷和破環(huán)，造成性能衰減等諸多問(wèn)題。然而，質(zhì)子交換膜燃料電池堆的低溫冷啟動(dòng)是燃料電池系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用必然會(huì)經(jīng)歷的過(guò)程。因此，燃料電池在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，不可避免地會(huì)面臨低溫條件下的啟動(dòng)等困難。近幾年來(lái)，成本和耐久性方面的技術(shù)進(jìn)步使燃料電池處于產(chǎn)業(yè)化的邊緣，燃料電池的冷啟動(dòng)問(wèn)題因而變得更加突出，特別是對(duì)應(yīng)用于汽車(chē)和野外基站的燃料電池而言，實(shí)現(xiàn)電池冰點(diǎn)下快速啟動(dòng)和盡可能地減輕或者消除低溫對(duì)電池的破壞是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

pemfc電堆是由多個(gè)單電池以串聯(lián)的形式層疊組合而成，其中每一個(gè)單電池性能的好壞直接影響到整個(gè)電堆的壽命。而每一個(gè)單電池性能的發(fā)揮程度的差異性產(chǎn)生了pemfc電堆單片的一致性問(wèn)題。pemfc電堆各單片存在不同程度的差異性，主要是由多方面的原因所造成，其中，由于氣體經(jīng)電堆公用通道流進(jìn)各個(gè)單電池而引起的流量的分布不均、由于電堆外側(cè)散熱速率較中間部分快而引起的溫度分布不均，即所謂的“邊緣效應(yīng)”是影響電堆壽命的重要因素。因此，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善流量分布與溫度分布，以確保pemfc電堆單片的一致性是非常有必要的。

另外，當(dāng)前人們對(duì)燃料電池電堆的機(jī)械力學(xué)性能，包括抗振動(dòng)與沖擊性能尚未給予足夠的重視。實(shí)際上，車(chē)輛行駛時(shí)產(chǎn)生的各種振動(dòng)沖擊負(fù)荷，由于應(yīng)力集中可能導(dǎo)致燃料電池關(guān)鍵零部件的不可逆形變或破壞(如石墨板的碎裂、緊固件變形)，從而嚴(yán)重影響動(dòng)力燃料電池全生命周期的性能。另外，當(dāng)燃料電池電堆的長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)會(huì)帶來(lái)壓緊力的損失，影響電堆的性能。因此，燃料電池的機(jī)械力學(xué)性能對(duì)保證燃料電池的基本性能、安全性、可靠性以及耐久性至關(guān)重要，且合理的機(jī)械動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)有利于提高燃料電池系統(tǒng)的功率與能量密度，實(shí)現(xiàn)輕量化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命燃料電池電堆模塊，所述可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命燃料電池電堆模塊，包括(n-1)組復(fù)合雙極板和n片非均一化的膜電極組成的燃料電池電堆、1組前端復(fù)合端板、1組后端復(fù)合端板、前端集流板、后端集流板、前端板、后端板、電熱隔離板、保護(hù)罩、帶有彈性應(yīng)力記憶能力的捆扎式固定帶、密封墊；其特征在于：可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命燃料電池電堆模塊的總體結(jié)構(gòu)是按照順序疊放：前端板7、前端集流板5、前端復(fù)合端板3、密封墊13、燃料電池電堆、密封墊13、后端復(fù)合端板4、后端集流板6、電熱隔離板9和后端板8疊放在一起、然后用帶有彈性應(yīng)力記憶能力的捆扎式固定帶12捆扎壓緊；最后通過(guò)彈性元件10、緊固螺栓14及螺柱15固定，彈性元件10罩在保護(hù)罩11內(nèi)；其中復(fù)合雙極板是由復(fù)合陽(yáng)極板和復(fù)合陰極板組成；所述燃料電池電堆是由(n-1)組復(fù)合雙極板1與n片非均一化的膜電極2間隔、順序疊放組成；其順序疊放為m組前端復(fù)合雙極板、(n-m-n-1)組中間段復(fù)合雙極板、n組后端復(fù)合雙極板；其中前端復(fù)合雙極板、中間段復(fù)合雙極板、后端復(fù)合雙極板均由復(fù)合陽(yáng)極板、復(fù)合陰極板組合而成；前端復(fù)合端板3由復(fù)合陽(yáng)極板、復(fù)合陰極板及帶有公用通道的復(fù)合平板組合而成；后端復(fù)合端板4由復(fù)合陰極板和復(fù)合平板組合而成。

所述捆扎式固定帶之間為平行排列；捆扎式固定帶為可拉伸、長(zhǎng)度易調(diào)、帶有彈性的壓縮帶，其材質(zhì)為鈹銅、高分子聚合物材料、纖維基復(fù)合材料或編織雙絞線，捆扎式固定帶的數(shù)目為2～10。

所述前端集流板和后端集流板均由在銅板中心焊接銅柱而成，集流板的表面均依次進(jìn)行了鍍鎳、鍍金的處理。

所述的n片非均一化的膜電極由r組前端膜電極、(n-r-s)組中間段膜電極、s組后端膜電極組成；其膜電極的活性面積為50～500mm²；其中，前端膜電極的催化劑含量為0.2～0.6g/cm²，所述的r為1～10；后端膜電極的催化劑含量為0.2～0.6g/cm²，所述的s為1～10；中間段膜電極的催化劑含量為0.1～0.5g/cm²。

所述復(fù)合陽(yáng)極板、復(fù)合陰極板、復(fù)合平板及帶有公用通道的復(fù)合平板的材質(zhì)均為一種由石墨烯、碳纖維、填充樹(shù)脂及分布在中間的電阻絲組件所組成的超導(dǎo)體復(fù)合材料,其電阻絲組件的兩端分別與外部電源的正、負(fù)極相連，其成型方式均為雕刻、滾壓、沖壓或模壓成型。

所述前端板由前端板主體和楔形塊組成，后端板為后端板主體；它們的材質(zhì)為玻璃纖維、聚甲醛、abs工程塑料、玻纖增強(qiáng)的尼龍材料，并且前/后端板主體和楔形塊的成型方式為銑削成型、模壓成型或注塑成型。

所述電熱隔離板由帶有加熱單元的絕緣板、彈性體、熱反射貼面及聚乙烯薄膜層壓而成，其中加熱單元的一端穿過(guò)孔后通過(guò)開(kāi)關(guān)與前端集流板相連，另一端穿過(guò)孔后直接與后端集流板相連；其中，帶有加熱單元的絕緣板中的加熱單元置于絕緣板內(nèi)部，加熱單元中的x組加熱元件的組成方式為串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)，x為1～20。

所述(n-1)組復(fù)合雙極板的n為20～500；

所述m組前端復(fù)合雙極板的厚度為1.0～4.0mm，流道截面積為0.2mm²～1.5mm²，所述的m為1～20。

所述n組后端復(fù)合雙極板的厚度為1.0～4.0mm，流道截面積為0.2mm²～1.5mm²，所述的n為1～20。

所述(n-m-n-1)組中間段復(fù)合雙極板的厚度為1.0～3.0mm，流道截面積為0.1mm²～1.2mm²。

所述超導(dǎo)體復(fù)合材料中的填充樹(shù)脂為熱固性樹(shù)脂和/或熱塑性樹(shù)脂。

所述彈性元件為多個(gè)彈簧板、多個(gè)碟簧、一只彈簧或一個(gè)活塞。

所述分布在超導(dǎo)體復(fù)合材料中間的電阻絲組件是由y組電阻絲所組成的，y組電阻絲的組成方式為串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)，所述的y為1～50。

本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供一種可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命的燃料電池電堆模塊，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而新穎，使用新型超導(dǎo)體復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速的低溫冷啟動(dòng)；通過(guò)改善公用通道中各單電池的氣體分配、減小電堆中各單電池溫度差異、增大兩端膜電極的催化劑含量來(lái)提高電堆單片的一致性；使得氣體經(jīng)電堆公用通道流進(jìn)各單電池的流量分布均勻、電堆內(nèi)各單電池的溫度分布均勻、兩端膜電極性能衰減速率明顯下降、抗振動(dòng)與沖擊性能得以提高，保證了燃料電池的安全性、可靠性以及耐久性，同時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)低溫條件下的快速冷啟動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1為可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命的燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中的后視圖。

圖3為圖1的a-a剖面圖。。

圖4為圖3的放大圖，其中，a零部件距離的拉開(kāi)示意圖；b為前端板部分的局部放大圖；c前/后復(fù)合端板結(jié)構(gòu)圖。

圖5為復(fù)合雙極板示意圖.其中a為復(fù)合雙極板整體示意圖；b為a部放大圖。

圖6為膜電極示意圖。

圖7為集流板的結(jié)構(gòu)示意圖

圖8為前或后端板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為分布在新型超導(dǎo)體復(fù)合材料中間的電阻絲組件的電氣原理圖。

圖10為置于絕緣板內(nèi)部的加熱單元的電氣原理圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命燃料電池電堆，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例予以說(shuō)明。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示的可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命的燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖，可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命燃料電池電堆的總體結(jié)構(gòu)是按照順序疊放：前端板7、前端集流板5、前端復(fù)合端板3、密封墊13燃料電池電堆模塊、密封墊13、后端復(fù)合端板4、后端集流板6、電熱隔離板9和后端板8疊放在一起、然后用帶有彈性應(yīng)力記憶能力的捆扎式固定帶12捆扎壓緊；最后通過(guò)彈性元件10、緊固螺栓14及螺柱15固定，彈性元件10罩在保護(hù)罩11內(nèi)；其中復(fù)合雙極板是由復(fù)合陽(yáng)極板和復(fù)合陰極板組成(如圖5所示為復(fù)合雙極板示意圖.其中a為復(fù)合雙極板整體示意圖；b為a部放大圖)；所述燃料電池電堆模塊是由(n-1)組復(fù)合雙極板1與n片非均一化的膜電極2間隔、順序疊放組成；其順序疊放為m組前端復(fù)合雙極板、(n-m-n-1)組中間段復(fù)合雙極板、n組后端復(fù)合雙極板(如圖4中a零部件距離的拉開(kāi)示意圖所示)；其中前端復(fù)合雙極板、中間段復(fù)合雙極板、后端復(fù)合雙極板均由復(fù)合陽(yáng)極板、復(fù)合陰極板組合而成(如圖4中b為前端板部分的局部放大圖所示)；前端復(fù)合端板3由復(fù)合陽(yáng)極板、復(fù)合陰極板及帶有公用通道的復(fù)合平板組合而成(如圖4中c前/后復(fù)合端板結(jié)構(gòu)圖所示)；后端復(fù)合端板4由復(fù)合陰極板和復(fù)合平板組合而成；使得氣體經(jīng)電堆公用通道流進(jìn)各單電池的流量分布均勻、電堆內(nèi)各單電池的溫度分布均勻、兩端膜電極性能衰減速率明顯下降、抗振動(dòng)與沖擊性能得以提高，保證了燃料電池的安全性、可靠性以及耐久性，同時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)低溫條件下的快速冷啟動(dòng)。

其中，捆扎式固定帶12為可拉伸、長(zhǎng)度易調(diào)、帶有彈性的壓縮帶，其材質(zhì)為鈹銅、高分子聚合物材料、纖維基復(fù)合材料或編織雙絞線，捆扎式固定帶的數(shù)目為4，捆扎式固定帶之間為平行排列。

圖5所示為復(fù)合雙極板示意圖，其中a為復(fù)合雙極板整體示意圖；b為a部放大圖。復(fù)合雙極板是由復(fù)合陽(yáng)極板和復(fù)合陰極板組成；所述復(fù)合陽(yáng)極板、復(fù)合陰極板、復(fù)合平板及帶有公用通道的復(fù)合平板的材質(zhì)均為一種由石墨烯、碳纖維、填充樹(shù)脂及分布在中間的電阻絲組件所組成的超導(dǎo)體復(fù)合材料,其電阻絲組件的兩端分別與外部電源的正、負(fù)極相連(如圖9所示為分布在新型超導(dǎo)體復(fù)合材料中間的電阻絲組件的電氣原理圖)，其成型方式均為雕刻、滾壓、沖壓或模壓成型。所述(n-1)組復(fù)合雙極板的n為200；

所述m組前端復(fù)合雙極板的厚度為2.50mm，流道截面積為0.6mm^2、m為10。

所述n組后端復(fù)合雙極板的厚度為2.5.0mm，流道截面積為0.6mm²，所述的n為10。

所述(n-m-n-1)組中間段復(fù)合雙極板的厚度為2.0mm，流道截面積為0.4mm²。

所述電熱隔離板由帶有加熱單元的絕緣板、彈性體、熱反射貼面及聚乙烯薄膜層壓而成，其中加熱單元的一端穿過(guò)孔后通過(guò)開(kāi)關(guān)與前端集流板相連，另一端穿過(guò)孔后直接與后端集流板相連；其中，帶有加熱單元的絕緣板中的加熱單元置于絕緣板內(nèi)部，加熱單元中的x組加熱元件的組成方式為并聯(lián)(如圖10所示的置于絕緣板內(nèi)部的加熱單元的電氣原理圖)，x為10。所述超導(dǎo)體復(fù)合材料中的填充樹(shù)脂為熱固性樹(shù)脂。彈性元件為6個(gè)碟簧。

圖6所示為膜電極示意圖。n片非均一化的膜電極由r組前端膜電極、(n-r-s)組中間段膜電極、s組后端膜電極組成；其膜電極的活性面積為200mm²；其中，前端膜電極的催化劑含量為0.5g/cm²，所述的r為10；后端膜電極的催化劑含量為0.5g/cm²，s為10；中間段膜電極的催化劑含量為0.4g/cm²。

圖7所示為集流板的結(jié)構(gòu)示意圖所述前端集流板和后端集流板均由在銅板中心焊接銅柱而成，集流板的表面均依次進(jìn)行了鍍鎳、鍍金的處理。

圖8所示為前或后端板的結(jié)構(gòu)示意圖。其中前端板由前端板主體和楔形塊組成，后端板為后端板主體；它們的材質(zhì)為玻璃纖維，并且前/后端板主體和楔形塊的成型方式為銑削成型、模壓成型或注塑成型。

采用本發(fā)明的新型的可快速冷啟動(dòng)的長(zhǎng)壽命的燃料電池電堆模塊的設(shè)計(jì)組裝了一臺(tái)200節(jié)的燃料電池電堆模塊，經(jīng)測(cè)試，其性能接近或趕超國(guó)際先進(jìn)水平，該電堆模塊的耐久性超過(guò)6000小時(shí)，抗振動(dòng)與沖擊性能超過(guò)4g，并且在-30℃條件下快速冷啟動(dòng)的時(shí)間不超過(guò)30秒。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

a.由石墨烯、碳纖維、填充樹(shù)脂及分布在中間的電阻絲組件所組成的新型超導(dǎo)體復(fù)合材料，其導(dǎo)電性優(yōu)異，因此燃料電池模塊的性能較好，效率較高。

b.由于新型復(fù)合雙極板中含有碳纖維，電堆模塊的抗振動(dòng)與沖擊強(qiáng)度較大。

c.在低溫條件下，通過(guò)外部電源給予分布在中間的電阻絲組件一定的電能，使得燃料電池電堆模塊的冷啟動(dòng)速度加快，同時(shí)，避免了由于反復(fù)啟動(dòng)失敗導(dǎo)致的關(guān)鍵部件的損傷，使得燃料電池的壽命得以延長(zhǎng)。

d.燃料電池電堆采用前端、中間、后端的三段式設(shè)計(jì)，是由(n-1)組復(fù)合雙極板1與n片非均一化的膜電極2間隔、順序疊放組成；其順序疊放為m組前端復(fù)合雙極板、(n-m-n-1)組中間段復(fù)合雙極板、n組后端復(fù)合雙極板組成；前、后兩端雙極板的流道截面積大于中間段的雙極板，這有助于氣體在公用通道能均勻地分配到各個(gè)單體電池中，從而提高了燃料電池的耐久性。

e.非均一化的膜電極采用前端、中間、后端的三段式非均一化設(shè)計(jì)，前、后兩端膜電極的催化劑含量高于中間段的膜電極，這樣能夠方便地解決現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的氣體分配或溫度分布呈現(xiàn)“邊緣效應(yīng)”而導(dǎo)致的前、后兩端的單電池的性能較差、性能衰減較快的問(wèn)題，使得每節(jié)單電池的性能較為均一、衰減速率較為一致，從而延長(zhǎng)了燃料電池模塊的壽命。

f.由于在前端板的氣體進(jìn)口處引入了楔形塊，提高前端單電池的氣體分配量，彌補(bǔ)了前端氣體分配量偏少的不足，有助于氣體分配得均一性。

g.前端復(fù)合端板采用了由新型的復(fù)合陽(yáng)極板、新型的復(fù)合陰極板及帶有公用通道的新型的復(fù)合平板所組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一方面迫使本來(lái)分配較少的“第一節(jié)”的空氣不參與反應(yīng)(即真正的第一節(jié)單電池的空氣在空氣公用通道中處于分配的“第二節(jié)”)，另一方面“第一節(jié)”中不參與反應(yīng)的熱空氣對(duì)第一節(jié)單電池起到了隔熱、保溫的作用，使得前端單電池性能得以提高。

h.引入的新型電熱隔離板中，彈性體有助于提高電堆模塊的抗振動(dòng)與沖擊性能；熱反射貼面使得電堆后端向外散發(fā)的熱量得以反射回去，這將有助于電堆模塊的溫度分布一致性；帶有加熱單元的絕緣板，一方面可以對(duì)電堆后端單電池進(jìn)行加熱補(bǔ)償，提高電堆模塊的整體溫度分布一致性，另一方面，加熱單元可以在電堆模塊運(yùn)行結(jié)束后(即斷開(kāi)電子負(fù)載后)作為微型負(fù)載對(duì)電堆進(jìn)行放電，并且消耗掉電堆模塊內(nèi)多余的氣體。

i.捆扎式固定帶可拉伸、長(zhǎng)度易調(diào)、且?guī)в袕椥?，提高了電堆?？斓目拐駝?dòng)與沖擊性能，其帶有的彈性應(yīng)力記憶能力使得電堆模塊的預(yù)緊力在全生命周期內(nèi)維持不變。

j.電堆模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了工藝復(fù)雜性及電池制造成本，同時(shí)，易于進(jìn)行多個(gè)模塊的串并聯(lián)疊加。