一种提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法与流程

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)因具有结构紧凑、功率密度高、环保无污染和可室温启动等优点而被认为最有希望应用于车载动力系统及固定电站等领域。质子交换膜燃料电池电堆是由多节单电池以串联的形式组合而成，各节单电池性能的一致性对整个电堆的性能稳定性和耐久性有着重要的影响。
3.每节单电池性能的好坏直接影响到整个电堆性能的发挥，而每节单电池性能发挥程度的差异性产生了燃料电池堆性能一致性问题。燃料电池堆各单节电压存在不同程度的差异性，主要由电堆内部流体分布、热分布以及反应速率分布等因素造成的。不同节单电池的性能波动太大将导致局部电流密度过高，出现热点，甚至产生反极现象，导致电堆失效。因此，提升燃料电池电堆性能一致性是非常有必要的。
4.电堆边缘单低现象很早就被行业人员所熟知，但一直未提出较为有效的方法进行改善。为了改善电堆边缘单低现象，研究者们做了很多尝试，如在电堆边缘增加假电池设计或安装加热装置以提升电堆边缘节温度或流体分布一致性。但是，从实际应用效果来看，电堆边缘增加假电池的设计对于改善电堆边缘单低现象的作用是比较小的；而电堆边缘安装加热装置仅具有研究价值，无法实现产业化应用，因为其不仅会产生额外的成本，而且会导致整个系统的控制程序过于复杂且存在较高的安全风险。


技术实现要素：

5.根据上述提出在电堆边缘加假电池或安装加热装置以提升电堆边缘节温度或流体分布一致性等方法作用较小且无法实现产业化应用的技术问题，而提供一种提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法，具体包括以下步骤：
8.s1：封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板的空气流道；
9.s2：提升燃料电池电堆边缘节双极板或边缘节膜电极组件的排水能力，采用以下四种措施中的至少一种且至多三种：
10.(1)降低边缘节双极板的热交换量；
11.(2)提升边缘节双极板的液态水移除能力；
12.(3)提升边缘节膜电极组件的水管理能力；
13.(4)提升边缘节膜电极组件的耐久性。
14.进一步地，步骤s2中，措施(1)具体包括以下内容：封闭位于气口端的边缘节双极
板的冷却液流道，以及，封闭位于盲端的边缘节双极板的冷却液流道两种措施中的至少一种。
15.进一步地，步骤s2中，措施(2)具体包括以下内容：位于气口端的边缘节双极板采用的单极板的空气流道截面积低于燃料电池电堆内其他双极板，以及，位于盲端的边缘节双极板采用的单极板的氢气流道截面积低于燃料电池电堆内其他双极板两种措施中的至少一种。
16.进一步地，步骤s2中，措施(3)具体包括以下内容：边缘节膜电极组件中采用的催化剂活性和稳定性高于燃料电池电堆内其他膜电极组件，以及，边缘节膜电极组件中采用的气体扩散层的扩散效率高于燃料电池电堆内其他膜电极组件两种措施中的至少一种。
17.进一步地，步骤s2中，措施(4)具体包括以下内容：边缘节膜电极组件中采用的气体扩散层的导热系数低于燃料电池电堆内其他膜电极组件，以及，边缘节膜电极组件中采用的质子交换膜的厚度低于燃料电池电堆内其他膜电极组件两种措施中的至少一种。
18.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.本发明提供的提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法，不需要增加额外的加热装置，不会提升电堆或系统的复杂度；不需改变电堆结构设计，实施便捷、成本低，可以有效提升电堆性能一致性；同时可以根据实际情况选取其中一种或多种方式，更加灵活，可实施性更强。
20.基于上述理由本发明可在燃料电池领域广泛推广。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明所述质子交换膜燃料电池电堆结构。
23.图2为本发明实施例1与对比例1的电堆性能一致性对比数据图。
24.图3为本发明实施例2与对比例2的电堆性能一致性对比数据图。
25.图4为本发明实施例3与对比例3的电堆性能一致性对比数据图。
26.图5为本发明实施例4与对比例4的电堆性能一致性对比数据图。
27.图6为本发明实施例5与对比例5的电堆性能一致性对比数据图。
28.图7为本发明实施例6与对比例6的电堆性能一致性对比数据图。
29.图中：1、气口端端板；2、气口端集流板；3、气口端双极板；4、第1节mea；5、第1节双极板；6、任一节双极板；7、密封胶线；8、氢气流道；9、空气流道；10、冷却液流道；11、第n-1节双极板；12、第n节mea；13、盲端双极板；14、盲端集流板；15、盲端端板。
具体实施方式
30.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实
际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
31.如图1所示，燃料电池电堆的主要结构包括气口端端板、气口端集流板、气口端双极板3、第1节mea4、第1节双极板5
……
第n-1节双极板11、第n节mea12、盲端双极板13、盲端集流板14和盲端端板15，电堆中的任一节双极板6均设置有密封胶线7、氢气流道8、空气流道9和冷却液流道10，其中，气口端双极板3和盲端双极板13为燃料电池电堆的边缘节双极板，第1节mea4和第n节mea12为燃料电池电堆的边缘节膜电极组件。
32.质子交换膜燃料电池电堆性能一致性较低，主要是考虑到边缘节温度较低从而导致容易有液态水产生，而液态水如果不能及时排出电堆，就会导致边缘节性能明显低于其他节，因此本发明提供了一种提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法，通过提升边缘节双极板或边缘节膜电极组件的排水能力实现提高电堆性能一致性，具体包括以下步骤：
33.s1：封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板的空气流道；
34.s2：提升燃料电池电堆边缘节双极板或边缘节膜电极组件的排水能力，采用以下四种措施中的至少一种且至多三种：
35.(1)降低边缘节双极板的热交换量；
36.(2)提升边缘节双极板的液态水移除能力；
37.(3)提升边缘节膜电极组件的水管理能力；
38.(4)提升边缘节膜电极组件的耐久性。
39.进一步地，步骤s2中，措施(1)具体包括以下内容：封闭位于气口端的边缘节双极板的冷却液流道，以及，封闭位于盲端的边缘节双极板的冷却液流道两种措施中的至少一种，降低边缘节双极板的冷却能力，提升边缘节双极板的温度，从而降低液态水产生的可能。
40.进一步地，步骤s2中，措施(2)具体包括以下内容：位于气口端的边缘节双极板采用的单极板的空气流道截面积低于燃料电池电堆内其他双极板，以及，位于盲端的边缘节双极板采用的单极板的氢气流道截面积低于燃料电池电堆内其他双极板两种措施中的至少一种，可以在气体流量不变的前提下，提升气体的流速，更利于将液态水及时排出电堆之外。
41.进一步地，步骤s2中，措施(3)具体包括以下内容：边缘节膜电极组件中采用的催化剂活性和稳定性高于燃料电池电堆内其他膜电极组件，采用活性更高和更稳定的催化剂可以提升水管理能力，利于液态水排出，以及，边缘节膜电极组件中采用的气体扩散层的扩散效率高于燃料电池电堆内其他膜电极组件两种措施中的至少一种，采用扩散效率更高的气体扩散层也可以实现液态水的及时排出。
42.进一步地，步骤s2中，措施(4)具体包括以下内容：边缘节膜电极组件中采用的气体扩散层的导热系数低于燃料电池电堆内其他膜电极组件，采用导热系数更低的气体扩散层，可以提升催化层内部温度，从而降低液态水产生的可能，以及，边缘节膜电极组件中采用的质子交换膜的厚度低于燃料电池电堆内其他膜电极组件两种措施中的至少一种，采用
厚度更薄的质子交换膜可以促进水的反扩散，使得水的分布更加均匀，而不是在局部区域累积，从而降低液态水产生的可能。
43.实施例1
44.本实施例所述燃料电池电堆包括气口端端板1、气口端集流板2、气口端双极板3、10片mea、9片双极板、盲端双极板13、盲端集流板14以及盲端端板15等；本实施例提供的提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法具体包括以下内容：
45.s1：采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，保证气体不会从这两个流道直接排出电堆；
46.s2：提升燃料电池电堆边缘节双极板的排水能力，采用密封胶封闭位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的冷却液流道。
47.对比例1
48.对比例1与实施例1的区别在于，仅采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道和位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，电堆的其他结构与实施例1的电堆结构相同。
49.根据图1所示电堆结构，依次摆放后各部件后，分别将实施例1和对比例1的电堆组装好，然后将电堆转移至燃料电池电堆性能测试台上，进行性能测试，观察其在额定电流下各单节电压一致性，实施例1与对比例1的性能一致性对比数据如图2所示，可以看出，相较于对比例1，实施例1所得电堆均一性得到提升。
50.实施例2
51.本实施例所述燃料电池电堆包括气口端端板1、气口端集流板2、气口端双极板3、15片mea、14片双极板、盲端双极板13、盲端集流板14以及盲端端板15等；本实施例提供的提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法具体包括以下内容：
52.s1：采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，保证气体不会从这两个流道直接排出电堆；
53.s2：位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)采用的单极板的空气流道截面积和位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)采用的单极板的氢气流道截面积分别为燃料电池电堆内其他双极板的空气流道截面积和氢气流道截面积的75％。
54.对比例2
55.对比例2与实施例2的区别在于，仅采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道和位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，电堆的其他结构与实施例2的电堆结构相同。
56.根据图1所示电堆结构，依次摆放后各部件后，分别将实施例2和对比例2的电堆组装好，然后将电堆转移至燃料电池电堆性能测试台上，进行性能测试，观察其在额定电流下各单节电压一致性，实施例2与对比例2的性能一致性对比数据如图3所示，可以看出，相较于对比例2，实施例2所得电堆均一性得到提升。
57.实施例3
58.本实施例所述燃料电池电堆包括气口端端板1、气口端集流板2、气口端双极板3、
15片mea、14片双极板、盲端双极板13、盲端集流板14以及盲端端板15等；本实施例提供的提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法具体包括以下内容：
59.s1：采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，保证气体不会从这两个流道直接排出电堆；
60.s2：边缘节膜电极组件(第1节mea4和第n节mea12)中采用的的气体扩散层的导热系数低于燃料电池电堆内其他膜电极组件，同时，边缘节膜电极组件(第1节mea4和第n节mea12)中采用的质子交换膜的厚度低于燃料电池电堆内其他膜电极组件。
61.对比例3
62.对比例3与实施例3的区别在于，仅采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道和位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，电堆的其他结构与实施例3的电堆结构相同。
63.根据图1所示电堆结构，依次摆放后各部件后，分别将实施例3和对比例3的电堆组装好，然后将电堆转移至燃料电池电堆性能测试台上，进行性能测试，观察其在额定电流下各单节电压一致性，实施例3与对比例3的性能一致性对比数据如图4所示，可以看出，相较于对比例3，实施例3所得电堆均一性得到提升。
64.实施例4
65.本实施例所述燃料电池电堆包括气口端端板1、气口端集流板2、气口端双极板3、15片mea、14片双极板、盲端双极板13、盲端集流板14以及盲端端板15等；本实施例提供的提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法具体包括以下内容：
66.s1：采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，保证气体不会从这两个流道直接排出电堆；
67.s2：边缘节膜电极组件(第1节mea4和第n节mea12)中采用的质子交换膜的厚度低于燃料电池电堆内其他膜电极组件。
68.对比例4
69.对比例4与实施例4的区别在于，仅采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道和位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，电堆的其他结构与实施例3的电堆结构相同。
70.根据图1所示电堆结构，依次摆放后各部件后，分别将实施例4和对比例4的电堆组装好，然后将电堆转移至燃料电池电堆性能测试台上，进行性能测试，观察其在额定电流下各单节电压一致性，实施例4与对比例4的性能一致性对比数据如图5所示，可以看出，相较于对比例4，实施例4所得电堆均一性得到提升。
71.实施例5
72.本实施例所述燃料电池电堆包括气口端端板1、气口端集流板2、气口端双极板3、15片mea、14片双极板、盲端双极板13、盲端集流板14以及盲端端板15等；本实施例提供的提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法具体包括以下内容：
73.s1：采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，保证气体不
会从这两个流道直接排出电堆；
74.s2：边缘节膜电极组件(第1节mea4和第n节mea12)中采用的催化剂活性和稳定性高于燃料电池电堆内其他膜电极组件。
75.对比例5
76.对比例5与实施例5的区别在于，仅采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道和位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，电堆的其他结构与实施例3的电堆结构相同。
77.根据图1所示电堆结构，依次摆放后各部件后，分别将实施例5和对比例5的电堆组装好，然后将电堆转移至燃料电池电堆性能测试台上，进行性能测试，观察其在额定电流下各单节电压一致性，实施例5与对比例5的性能一致性对比数据如图6所示，可以看出，相较于对比例5，实施例5所得电堆均一性得到提升。
78.实施例6
79.本实施例所述燃料电池电堆包括气口端端板1、气口端集流板2、气口端双极板3、15片mea、14片双极板、盲端双极板13、盲端集流板14以及盲端端板15等；本实施例提供的提升质子交换膜燃料电池电堆性能一致性的方法具体包括以下内容：
80.s1：采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道，同时封闭位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，保证气体不会从这两个流道直接排出电堆；
81.s2：边缘节膜电极组件(第1节mea4和第n节mea12)中采用的气体扩散层的扩散效率高于燃料电池电堆内其他膜电极组件。
82.对比例6
83.对比例6与实施例6的区别在于，仅采用密封胶封闭燃料电池电堆位于气口端的边缘节双极板(气口端双极板3)的氢气流道和位于盲端的边缘节双极板(盲端双极板13)的空气流道，电堆的其他结构与实施例3的电堆结构相同。
84.根据图1所示电堆结构，依次摆放后各部件后，分别将实施例6和对比例6的电堆组装好，然后将电堆转移至燃料电池电堆性能测试台上，进行性能测试，观察其在额定电流下各单节电压一致性，实施例6与对比例6的性能一致性对比数据如图7所示，可以看出，相较于对比例6，实施例6所得电堆均一性得到提升。
85.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。