燃料電池裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，具體而言，涉及一種燃料電池裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種環(huán)境友好、高效、長壽命的發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，燃料氣體從陽極側(cè)進(jìn)入，氫原子在陽極失去電子變成質(zhì)子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子同時經(jīng)由外部回路也到達(dá)陰極，而在陰極質(zhì)子、電子與氧氣結(jié)合生成水。燃料電池采用非燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于不受卡諾循環(huán)的限制其直接發(fā)電效率可高達(dá)45%。以電池堆為核心發(fā)電裝置，燃料電池系統(tǒng)集成了電源管理，熱管理等模塊，具有熱、電、水、氣統(tǒng)籌管理的特征。燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品從固定式電站，到移動式電源；從電動汽車，到航天飛船；從軍用裝備，到民用產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用空間。
[0003]在現(xiàn)有的燃料電池結(jié)構(gòu)中，一般為雙極板與膜電極依次疊合，形成多節(jié)甚至數(shù)十節(jié)的電池堆，從而形成功率較高的發(fā)電裝置。如圖1所示，燃料電池結(jié)構(gòu)由雙極板B和膜電極MEA疊放而成，其中雙極板的上表面為陽極，下表面為陰極，膜電極的上表面為陰極，膜電極的下表面為陽極，在電池堆的兩端通過集流板Cl與C2實現(xiàn)電池堆整體電流的收集。其中，膜電極為電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，由催化劑(一般為Pt/C)和質(zhì)子交換膜組成。其中，雙極板上刻有流道，以均勻分配反應(yīng)氣體。
[0004]現(xiàn)有的設(shè)計中，一般采用石墨雕刻加工的雙極板，如圖2所示，BI為陽極板，B2為陰極板，B3為陽極板的流道以供燃料氫氣的流通，B4為陰極板的流道以供氧化劑氣體(空氣或氧氣)的流通，B5為陰極板另一側(cè)的流道以供冷卻液(去離子水)的流通。圖3為燃料電池膜電極截面結(jié)構(gòu)。其中Ml為陽極氣體擴(kuò)散層，M2為陽極催化劑層，M3為質(zhì)子交換膜，M4為陰極催化劑層，M5為陰極氣體擴(kuò)散層。圖4為現(xiàn)有燃料電池電堆截面結(jié)構(gòu)，其中，MEA為膜電極，BI為陽極板，B2為陰極板。
[0005]對于現(xiàn)有燃料電池堆的設(shè)計與操作，燃料電池的性能只能通過電池堆整體的電壓來判斷或者通過電池堆內(nèi)每一節(jié)電池的電壓判斷。然而，當(dāng)電池堆整體性能下降或者某一節(jié)電壓下降時，卻無法判斷燃料電池某一節(jié)電池在具體哪個部位出現(xiàn)了故障，從而無法針對現(xiàn)有設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。如圖5所示，為現(xiàn)有設(shè)計較為常見的燃料電池的雙極板的陽極端正面圖，其中虛線區(qū)域為膜電極反應(yīng)區(qū)，而顯然，氫氣從氫氣進(jìn)口到氫氣出口的過程中經(jīng)過流道的輸運與反應(yīng)的消耗，氫氣的濃度、濕度、溫度等反應(yīng)條件在整個膜電極反應(yīng)區(qū)域是不可能完全一致的；對于空氣端也存在相同的問題，空氣從空氣進(jìn)口到空氣出口的過程中經(jīng)過流道的輸運不可能完全一致；對于冷卻水也存在相同的問題，冷卻水從冷卻水進(jìn)口到冷卻水出口的過程中經(jīng)過流道的輸運不可能完全一致。不一致的局部反應(yīng)條件與膜電極工作環(huán)境，導(dǎo)致膜電極在不同區(qū)域的性能以及不同區(qū)域的性能衰減分布不均，而限制燃料電池性能與壽命的關(guān)鍵則是性能最低以及性能衰減最快的局部區(qū)域。
[0006]如圖6所示為燃料電池雙極板正面圖(沒有顯示流道)，將虛線膜電極反應(yīng)區(qū)域劃分為從Rl到R16的不同區(qū)域，以該圖為例進(jìn)行定性分析，在燃料電池不加濕操作的條件下，進(jìn)口處Rl的相對濕度最低，而出口處R16的相對濕度則最高，因此Rl處的質(zhì)子交換膜最干燥，電池內(nèi)阻最大，導(dǎo)致該區(qū)域的性能最低，衰減也最為迅速；在大電流密度操作條件下，由于生成水的增加，R16區(qū)域的相對濕度往往超過100%，造成液態(tài)水在流道中的堆積，從而導(dǎo)致氣體無法輸送至反應(yīng)電極的表面，加速膜電極的性能衰減。
[0007]燃料電池的性能下降與壽命衰減，一般最先發(fā)生在某些局部區(qū)域(如上述定性分析，不局限于上述分析)，而其他大部分區(qū)域則保持良好的性能與使用壽命，然而，這些現(xiàn)象在現(xiàn)有燃料電池裝置條件下無法實驗定量測出(現(xiàn)有燃料電池只能測出電池在給定電流條件下的整體輸出電壓)，從而無法通過目的性的改善局部區(qū)域的反應(yīng)條件與性能，而大幅提高燃料電池性能與壽命。
[0008]因此，如何實時監(jiān)測電池內(nèi)部各局部區(qū)域的實際反應(yīng)性能分布及反應(yīng)條件分布等，從而有目的性的改善電池的設(shè)計與操作參數(shù)，優(yōu)化燃料電池性能與壽命，并大幅提高燃料電池研發(fā)效率，成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的主要目的在于提供一種燃料電池裝置，以實時監(jiān)測電池內(nèi)部各局部區(qū)域的實際反應(yīng)性能分布及反應(yīng)條件分布。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種燃料電池裝置，包括依次貼合連接的陰極集流板、陰極冷卻板、陰極流場板、膜電極組件、陽極流場板、陽極冷卻板和陽極導(dǎo)電平板，其中，膜電極組件包括交換膜，位于交換膜靠近陰極流場板的表面上的多個陰極催化劑層和多個陰極氣體擴(kuò)散層，以及位于交換膜靠近陽極流場板的表面上的多個陽極催化劑層和多個陽極氣體擴(kuò)散層；陰極集流板包括絕緣基體，位于絕緣基體遠(yuǎn)離陰極冷卻板的表面上的多個導(dǎo)電層，每個導(dǎo)電層通過導(dǎo)線與集流端子連接，且每個導(dǎo)電層與集流端子之間的導(dǎo)線上串聯(lián)有電流傳感器；陰極流場板靠近膜電極組件的表面上以及陽極流場板靠近膜電極組件的表面上設(shè)置有多條并行的氣體流道，陰極冷卻板靠近陰極集流板的表面上以及陽極冷卻板靠近陽極集流板的表面上分別設(shè)置有多個流道覆蓋區(qū)，每個流道覆蓋區(qū)包括多條并行的冷卻液體流道。
[0011]進(jìn)一步地，各陰極催化劑層和各陽極催化劑層在同一方向上以相同間隔依次排列，且多個陰極催化劑層的位置與各陽極催化劑層的位置一一對應(yīng)。
[0012]進(jìn)一步地，各陰極催化劑層和各陽極催化劑層具有相同的形狀和尺寸。
[0013]進(jìn)一步地，膜電極組件還包括:覆蓋于陰極催化劑層和陰極氣體擴(kuò)散層上的陰極密封墊片，以及覆蓋于陽極催化劑層和陽極氣體擴(kuò)散層上的陽極密封墊，且陰極密封墊片具有面積和形狀與陰極催化劑層相一致的中空區(qū)域，陽極密封墊片具有面積和形狀與陽極催化劑層相一致的中空區(qū)域。
[0014]進(jìn)一步地，各導(dǎo)電層的位置與陰極催化劑層的位置一一對應(yīng)。
[0015]進(jìn)一步地，各導(dǎo)電層與各陰極催化劑層具有相同的形狀和尺寸。
[0016]進(jìn)一步地，相鄰流道覆蓋區(qū)之間設(shè)置有溝槽，陰極流場板和陽極流場板中均設(shè)置有與氣體流道相連。
[0017]進(jìn)一步地，氣體流道的均深度小于1_，溝槽的深度均小于1_。
[0018]進(jìn)一步地，各流道覆蓋區(qū)的位置與陰極催化劑層的位置一一對應(yīng)。
[0019]進(jìn)一步地，溝槽的深度小于1mm，冷卻液體流道的深度小于1mm。
[0020]進(jìn)一步地，燃料電池裝置還包括依次貼合于陰極集流板上的陰極絕緣板和陰極端板，以及依次貼合于陽極導(dǎo)電平板上的陽極絕緣板和陽極端板，且燃料電池裝置的所有部件通過螺栓緊固集成于一體。
[0021]本發(fā)明通過提供一種新型的燃料電池分區(qū)電池裝置及其內(nèi)部性能表征部件設(shè)計，可實時監(jiān)測電池內(nèi)部各局部區(qū)域的實際反應(yīng)性能分布及反應(yīng)條件分布等，從而有目的性的改善電池的設(shè)計與操作參數(shù)，優(yōu)化燃料電池性能與壽命，并大幅提高燃料電池研發(fā)效率。
【附圖說明】
[0022]構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0023]圖1示出了現(xiàn)有燃料電池堆的裝配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2示出了現(xiàn)有燃料電池堆中雙極板的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3示出了現(xiàn)有燃料電池堆中膜電極的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4示出了現(xiàn)有燃料電池堆的堆疊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5示出了現(xiàn)有燃料電池堆中雙極板的陽極端的正面視圖；
[0028]圖6示出了現(xiàn)有燃料電池堆中雙極板的正面視圖；
[0029]圖7示出了本發(fā)明實施方式所提供的燃料電池裝置的裝配結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖8示出了本發(fā)明實施方式所提供的燃料電池裝置的透視裝配結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖9(a)示出了本發(fā)明實施方式所提供的燃料電池裝置中膜電極組件的裝配圖；
[0032]圖9(b)示出了本發(fā)明實施方式所提供的燃料電池裝置中一體化后的膜電極