[发明专利]一种质子交换膜燃料电堆

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电堆，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及阵列分布的电池单元A和强电池单元B。电池单元A包括膜电极M1和冷却液流场Q1，强电池单元B包括膜电极M2和冷却液流场Q2，膜电极M1和膜电极M2的阴极载量满足：M1＝(0.3‑1.0)M2，冷却液流场Q1和冷却液流场Q2的容量满足Q2＝(0.2‑0.8)Q1。与现有技术相比，本发明解决因产水多、温度偏低引起的电池性能低、稳定性差的问题；同时改善冷启动过程中，电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电堆。

背景技术

燃料电池是能够将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的一种装置，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，转换效率较高(45-60％)，同时生成物只有水，对环境没有污染，因而在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池具有功率密度高、启动快、对负载变化响应快等特点，成为交通运输能源领域重要发展方向。

然而在实际运用中，燃料电池还面临诸多问题，水淹是引起单低的一个主要原因。单低的根本原因是部分位置的电池的温度低、水量大。其中靠近歧管位置和端板位置更容易出现这种情况，进而对电池的性能和寿命造成影响。

现有的技术整体上是从两个方面对电堆局部温度低、产水多进行优化和改善。一个方面是：直接在温度低的位置实施加热处理，加热的方式分为自加热和被动加热两种。另一方面是通过假单片电池的设计，将产生的水引入到没有膜电极的电池中，避免产生水淹。专利CN201911065235.8在极板与集流板之间增加柔性电阻板，可以在电流经过该柔性电阻板时产生热量，对极板进行加热，保证极板的温度与电堆内部单电池的温度相同，或者稍微超过内部单电池的温度，从而延长电堆的寿命。专利CN201480053101.3在燃料电池堆端板处设置伪电池，有利于排除电堆中多余的液态水，在一定程度上可以改善电堆端板两端电压较低的现象。专利CN201911065235.8在端板处设置伪电池，并且在伪电池和端板之间插入加热器，可以在冷启动时，降低端板处与电堆中间部分的温差，提高电堆的冷启动性。

通过产热的方式仅能改变端板相邻处电池的性能，对于非端板位置的电池不能改善；加热的控制会随着运行状态的变化而变化，如果被动加热则需要是一个跟随的响应，增加控制和稳定的成本；如果是主动加热则需要考虑在不同运行工况下的补偿情况。假单片只能在一定程度上改善，并不能够完全避免，因此在长期运行后出现端板及特殊位置的衰减加速、一致性差的问题无法解决。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种解决因产水多、温度偏低引起的电池性能低、稳定性差的问题；同时改善冷启动过程中，电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性的质子交换膜燃料电堆。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明通过调整燃料电池结构单元的设计，使用新的有效的降低温度的扩散、提高水的排出、在燃料电池堆两端或者特殊位置安放强电堆，作为反应气体和冷却水的传输通道，有利于排出电堆运行过程中产生的多余的液态水，同时改善电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性，具体方案如下：

一种质子交换膜燃料电堆，该电堆包括设于两端的阴极端板和阳极端板，以及阵列分布的电池单元A和强电池单元B。

进一步地，所述的电池单元A比强电池单元B厚0.2-0.4mm。

进一步地，所述的电池单元A包括阴极板、膜电极M1、阳极板和密封件。

进一步地，所述的强电池单元B包括阴极板、膜电极M2、阳极板和密封件，膜电极M1和膜电极M2的阴极载量满足：M1＝(0.3-1.0)M2。阴极载量就是指催化层的Pt含量，单位是mg/cm²；载量越高，有利于提高性能和稳定性。