燃料电池堆的假膜电极组件、燃料电池堆和车辆的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池堆的假膜电极组件、燃料电池和车辆。


背景技术：

2.现有技术中，燃料电池堆最外端的集流板温度较低，会影响相邻的单体电池的温度，使得靠近外端集流板的单体电池的电压低于内侧的单体电池，导致燃料电池堆整体的稳定性差，且在燃料电池堆进行台架测试时，通常在电堆的上下端板的内部增加电阻丝，并使电阻丝提前外接电源以进行预加热，导致燃料电池堆的台架测试过程复杂，且台架测试系统的系统冗余高，存在改进的空间。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料电池堆的假膜电极组件，提高假电池的发热效率，以对邻近的单体电池实现加热，从而提高对应单体电池的电压。
4.根据本发明实施例的燃料电池堆的假膜电极组件，包括：边框，所述边框的中间区域具有容置空间；碳纸，所述碳纸设置在所述容置空间上，并与所述边框固定，所述碳纸构造为通过ptfe溶液浸渍、烘干、烧结得到的非编织纤维布层，且所述碳纸的电阻为20ω-100ω。
5.根据本发明实施例的燃料电池堆的假膜电极组件，通过提高碳纸的电阻，以使得假膜电极组件可以在燃料电池堆的发电过程中产生更多热量，以对靠近集流板的单体电池进行加热，从而提高了单体电池的电压，且在燃料电池堆的台架测试过程中，不需要采用电阻丝外接电源的方式进行加热，使得台架测试系统的冗余度小。
6.根据本发明一些实施例的燃料电池堆的假膜电极组件，所述非编织纤维布层的表面电阻≥100mω/cm2。
7.根据本发明一些实施例的燃料电池堆的假膜电极组件，非编织纤维材料的纤维直径为10μm-14μm。
8.根据本发明一些实施例的燃料电池堆的假膜电极组件，所述纤维材料的密度为 25g/cm
2-35g/cm2。
9.根据本发明一些实施例的燃料电池堆的假膜电极组件，所述碳纸位于边框一侧的第一碳纸和位于边框另一侧的第二碳纸，所述第一碳纸与所述第二碳纸相对设置，且所述第一碳纸的周向边沿和所述第二碳纸的周向边沿均与所述边框固定。
10.本发明还提出了一种燃料电池堆。
11.根据本发明实施例的燃料电池堆，包括：位于所述燃料电池堆两端的第一集流板和第二集流板；位于所述第一集流板与单体电池之间的第一假电池；位于所述第二集流板与单体电池之间的第二假电池；其中所述第一假电池和所述第二假电池均具有上述任一种
实施例所述的假膜电极组件。
12.根据本发明一些实施例的燃料电池堆，所述第一假电池包括：临近所述第一集流板的第一假双极板和远离所述第一集流板的第二假双极板、设置在所述第一假双极板和所述第二假双极板之间的所述假膜电极组件；其中所述第一假双极板的氢气进气口、氢气排气口、空气进气口以及空气排气口均封堵，所述第二假双极板的空气进气口和空气排气口封堵。
13.根据本发明一些实施例的燃料电池堆，所述第二假电池包括：临近所述第二集流板的第一假双极板和远离所述第二集流板的第三假双极板、设置在所述第一假双极板和所述第三假双极板之间的所述假膜电极组件；其中所述第一假双极板的氢气进气口、氢气排气口、空气进气口以及空气排气口均封堵，所述第三假双极板的氢气进气口和氢气排气口封堵。
14.根据本发明一些实施例的燃料电池堆，所述假膜电极组件的电阻率为 1.5ω/cm
2-30ω/cm2。
15.本发明又提出了一种车辆。
16.根据本发明实施例的车辆，设置有上述任一种实施例所述的燃料电池堆。
17.所述车辆和所述燃料电池堆相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1是根据本发明实施例的燃料电池堆的假膜电极组件的结构示意图；
21.图2是图1中a-a处的剖视图。
22.附图标记：
23.假膜电极组件100，
24.边框1，碳纸2，第一碳纸21，第二碳纸22，
25.氢气进气歧管口3，氢气排气歧管口4，空气进气歧管口5，空气排气歧管口6，内定位孔7，冷却液排液歧管口8，冷却液进液歧管口9。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的燃料电池堆的假膜电极组件100。
28.需要说明的是，电堆是氢能设备动力单元的主体部分，双极板及mea(膜电极组件) 组成基本的发电单元(即单体电池)。为消除电堆的“两端效应”(即两端的单体电池的电压低于其他位置的单体电池的电压)，需在在电堆两端设置假电池(包括假双极板及mea)。
29.为将电流输出给外负载，需在电堆两端设置集流板。为保证电堆的绝缘性能，需在
集流板和端板之间设置绝缘板。因此保证集流板、端板及假电池之间的良好配合，对于整个燃料电池堆非常重要。
30.同时，需要指出的是，在燃料电池堆的使用过程中(包括：日常使用以及台架测试)，靠近集流板的单体电池的电压总是低于其他位置的单体电池的电压。基于此，本技术提出了一种假膜电极组件100。
31.如图1所示，本发明实施例的燃料电池堆的假膜电极组件100，包括：边框1和碳纸2。
32.如图1所示，边框1构造为长方形板状结构，边框1的中间区域设有沿厚度方向贯穿的长方形通孔，以构造出容置空间，碳纸2设置在容置空间内，边框1用于支撑碳纸 2，可以理解的是，碳纸2是膜电极组件的一部分，假膜电极组件100由位于最内侧的质子交换膜(图中未示出)、位于质子交换膜两侧的阳极催化层(图中未示出)和阴极催化层(图中未示出)、位于阳极催化层和阴极催化层外侧的气体扩散层组成。
33.其中，气体扩散层即本技术的碳纸2，碳纸2内限定出气体扩散通道。
34.需要说明的是，边框1材料选用耐高温材料，具体的，可以选用pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)，以保证燃料电池堆发电产热时，边框1能够始终保持稳定，以保证燃料电池堆能够正常工作。
35.其中，碳纸2构造为通过ptfe(聚四氟乙烯)溶液浸渍、烘干、烧结得到的非编织纤维布层，且碳纸2的电阻为20ω-100ω。也就是说，通过非编织纤维材料(即无纺布)以构造出具有良好的韧性和抗变形能力的碳纸2，在由非编织纤维材料构造出的碳纸2的基础上，利用浓度＞50％的ptfe溶液进行浸渍、烘干、烧结，以在碳纸2处生成疏水性良好的ptfe镀层，在不影响碳纸2的扩散通道的前提下，提高了碳纸2的电阻。需要说明的是，非编织纤维材料可以取为玻璃纤维。
36.可以理解的是，通过阳极反应生成电子，电子通过外部电路从阳极流入阴极的过程中，需要流经碳纸2的扩散通道，其可以视作电流流经碳纸2，通过提高碳纸2的电阻，提高了假电池在工作过程中的发热量，使得假电池可以对临近的单体电池进行加热，提高了位于燃料电池堆最外端的单体电池的温度。
37.本发明实施例的燃料电池堆的假膜电极组件100，选用通过ptfe溶液浸渍、烘干、烧结得到的非编织纤维布层作为碳纸2，可以提高碳纸2的电阻，以在燃料电池堆的工作过程中，通过假膜电极组件100产生的热量为临近的单体电池进行加热，以避免位于端部的单体电池电压低于其他位置的单体电池的电压，提高燃料电池堆的工作稳定性，同时，在燃料电池堆进行台架测试时，无需在电堆的端板上设置电阻丝以预先加热位于端部的单体电池，提高台架测试的便利性，并消除了台架测试系统的系统冗余。
38.在一些实施例中，非编织纤维布层的表面电阻≥100mω/cm2。
39.初步选用的非编织限位布层的纤维材料的表面电阻＞10kω/cm2，对非编织纤维布层进行ptfe浸渍、烧结等步骤后，非编织纤维布层的表面电阻可以达到大于100mω/cm2 的程度，以减少达到目标电阻所需的碳纸2厚度，从而降低加工难度和成本，并使假膜电极组件100的厚度更低，对应减少了电堆压装过程中产生的变形。
40.在一些实施例中，非编织纤维材料的纤维直径为10μm-14μm。也就是说，非编织纤维材料的纤维直径可以取为11μm，或者取为12μm，又或者取为13μm，通过上述设置，使得非
编织纤维材料易于构造成碳纸2，且具有良好的韧性和抗变形能力，在电堆压装的过程中，碳纸2的结构变形小，从而具有良好的使用性能。
41.在一些实施例中，纤维材料的密度为25g/cm
2-35g/cm2，也就是说，纤维材料的纤维密度可以取为28g/cm2，或者取为30g/cm2，又或者取为30g/cm2，通过上述设置，使得碳纸2的整体质量较轻，从而减小了假膜电极组件100的重量，实现了燃料电池堆的轻量化设计。
42.在一些实施例中，如图2所示，碳纸2位于边框1一侧的第一碳纸21和位于边框1 另一侧的第二碳纸22，第一碳纸21与第二碳纸22相对设置，且第一碳纸21的周向边沿和第二碳纸22的周向边沿均与边框1固定。
43.也就是说，第一碳纸21和第二碳纸22分别设置在边框1的两侧，使得容置空间内依次安装有第一碳纸21、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和第二碳纸22，第一碳纸21和第二碳纸22分别设置在质子交换膜的两侧，同时，第一碳纸21和第二碳纸 22分别在边框1的两侧与边框1胶接固定，以提高假膜电极组件100的结构稳定性以及结构强度。
44.本发明还提出了一种燃料电池堆。
45.根据本发明实施例的燃料电池堆，包括：位于燃料电池堆两端的第一集流板和第二集流板，位于第一集流板与单体电池之间的第一假电池，位于第二集流板与单体电池之间的第二假电池，其中第一假电池和第二假电池均具有上述任一实施例的假膜电极组件 100。
46.其中，燃料电池堆整体结构构造为从一端到另一端依次设置有：金属端板、绝缘板、第一集流板、第一假电池、多个堆叠的单体电池、第二假电池、第二集流板、绝缘板和金属端板。
47.需要说明的是，集流板用于实现燃料电池堆中氢气和空气的集中供应，以及冷却液的集中排放，燃料电池堆内设有多个歧管，且边框1位于容置空间的两侧部位处分别设有：氢气进气歧管口3、氢气排气歧管口4、空气进气歧管口5、空气排气歧管口6、冷却液排液歧管口8和冷却液进液歧管口9，通过内定位孔7进行定位，使多个歧管与边框1的歧管口一一对应设置，使得集流板能够同时与多个双极板连通，以实现单体电池的氢气进气、氢气排气、空气进气、空气排气、冷却液排液和冷却液进液。
48.可以理解的是，在电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经集流板分配至各单体电池的双极板处，经双极板导流均匀分配至电极，从而进行电化学反应，由于气体和冷却液的不断流通，使得集流板的温度较低。
49.通过上述设置，使得第一假电池和第二假电池可以将单体电池与第一集流板和第二集流板隔开，同时通过在第一假电池和第二假电池中具有较大电阻的假膜电极组件100，以提高假电池在燃料电池堆供电时所产生的热量，使得第一假电池可以对靠近第一集流板的单体电池进行加热，且第二假电池可以对靠近第二集流板的单体电池进行加热，从而减少第二集流板和第二集流板对单体电池的冷却影响，提高对应单体电池的电压，使得多个单体电池的电压趋于相等，提高了燃料电池堆的使用性能。
50.在一些实施例中，第一假电池包括：第一假双极板、第二假双极板和假膜电极组件 100。其中，假膜电极组件100安装在第一假双极板和第二假双极板之间，且第一假双极板安装在假膜电极组件100靠近第一集流板的一侧，第二假双极板安装在假膜电极组件100远离第一集流板的一侧。
51.需要说明的是，第一假双极板的远离假膜电极组件100的一侧贴合在第一集流板处，通过将第一假双极板的氢气进气口、氢气排气口、空气进气口以及空气排气口均封堵，以避免氧气和氢气流向第一集流板从而积蓄在燃料电池堆的内部，提高了燃料电池堆的安全性。同时第二假双极板安装在相邻单体电池的的阳极侧，通过第二假双极板、膜电极组件和双极板以构造出靠近第一集流板的单体电池，通过将第二假双极板的空气进气口和空气排气口封堵，使得仅有氢气可以流向单体电池的阳极，以保证单体电池的正常工作。
52.在一些实施例中，第二假电池包括：第一假双极板、第三假双极板和假膜电极组件 100。其中，假膜电极组件100安装在第一假双极板和第三假双极板之间，且第一假双极板安装在假膜电极组件100靠近第二集流板的一侧，第三假双极板安装在假膜电极组件100远离第二集流板的一侧。其中第一假双极板的氢气进气口、氢气排气口、空气进气口以及空气排气口均封堵，第三假双极板的氢气进气口和氢气排气口封堵。
53.需要说明的是，第一假双极板远离假膜电极组件100的一侧贴合在第二集流板处，通过将第一假双极板的氢气进气口、氢气排气口、空气进气口以及空气排气口均封堵，以避免氧气和氢气流向第二集流板从而积蓄在燃料电池堆的内部，提高了燃料电池堆的安全性。同时第三假双极板安装在相邻单体电池的的阴极侧，通过第三假双极板、膜电极组件和双极板以构造出靠近第二集流板的单体电池，通过将第三假双极板的氢气进气口和氢气排气口进行封堵，使得空气可以流向单体电池的阴极，以保证单体电池的正常工作。
54.需要强调的是，非编织纤维材料的机械强度较低，在电堆装配压紧时，假膜电极组件100的厚度变化较大，存在泄漏的风险，通过提高第一假双极板、第二假双极板和第三假双极板朝向假膜电极组件100的一侧的密封性，如提高密封件的厚度，从而避免出现泄露情况。
55.在一些实施例中，假膜电极组件100的电阻率为1.5ω/cm
2-30ω/cm2。在具体的设置过程中，需要根据不同型号燃料电池堆采用的膜电极组件的电阻率进行合理设置，以将假膜电极组件100的电阻率取为原有假膜电极组件100的2-20倍，且保证假膜电极组件100最小不小于1.5ω/cm2，最大不大于30ω/cm2。具体的，若某型号原有的假膜电极组件100的电阻率为0.5ω/cm2，可以将电阻率取为1.6ω/cm2，或者取为5.0ω/cm2，又或者取为9.0ω/cm2。
56.本发明还提出了一种车辆。
57.根据本发明实施例的车辆，包括：上述任一实施例的燃料电池堆。通过设置第一假电池和第二假电池，以将单体电池与第一集流板和第二集流板隔开，同时通过在第一假电池和第二假电池中设置具有较大电阻的假膜电极组件100，以提高假电池在燃料电池堆供电时所产生的热量，使得第一假电池可以对靠近第一集流板的单体电池进行加热，且第二假电池可以对靠近第二集流板的单体电池进行加热，从而减少第二集流板和第二集流板对单体电池的冷却影响，提高对应单体电池的电压，使得多个单体电池的电压趋于相等，提高了燃料电池堆的使用性能，从而提高了车辆的整体性能。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
59.在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。
60.在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
61.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
62.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
64.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。