一种燃料电池单元及具有其的燃料电池电堆结构的制作方法

本发明涉及电池领域，具体涉及一种燃料电池单元及具有其的燃料电池电堆结构。

背景技术：

燃料电池是将“燃料气体”的化学能直接转化为直流电能的能量转换器。在乘用车等应用场景中，燃料电池的比功率(体功率密度)是关键参数之一。燃料电池的尺寸和结构取决于极板的尺寸和结构，极板一般包括活性区域和非活性区域，其中活性区域是燃料电池发电的区域。极板上的非活性区域包含反应气体进出口、冷却介质进出口，以及包裹工质进出口的边框区域，这些区域的存在也能够加强极板的结构强度。

提高燃料电池比功率密度的手段有多种，但是在膜电极性能、流场基本结构确定的情况下，通过提高极板上活性区域利用率是唯一方法。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供了一种燃料电池单元及具有其的燃料电池电堆结构，该燃料电池单元包括极板和膜电极，极板至少形成两个活性区域，两个活性区域至少具有一个共用非活性区域，共用非活性区域至少具有一个共用阳极气体进口或共用阳极气体出口或共用阴极气体进口或共用阴极气体出口或共用冷却介质进口或共用冷却介质出口。通过提高极板上活性区域占比的方式增加了活性面积的占比，提高了燃料电池极板上非活性区域的利用率，从而提高燃料电池的比功率。

本发明提供一种燃料电池单元，包括极板和膜电极，所述极板至少形成两个活性区域，所述两个活性区域至少具有一个共用非活性区域，所述共用非活性区域至少具有一个共用阳极气体进口或共用阳极气体出口或共用阴极气体进口或共用阴极气体出口或共用冷却介质进口或共用冷却介质出口，该设计提高了极板上活性区域的占比，使得燃料电池结构更加紧凑。

进一步可选的，所述极板在长度方向形成两个相邻活性区域，在两个相邻活性区域之间具有一个共用非活性区域，在该共用非活性区域设置有一共用阴极气体进口，所述两个相邻活性区域的阴极气体流道的入口均朝向所述共用阴极气体进口，所述两个相邻活性区域的阴极气体流道的出口均背向所述共用阴极气体进口，提高了阴极气体通道的流通性，保证提供足够的阴极气体给燃料电池单元，同时有利于阴极生成的水的流通。

进一步可选的，所述极板在长度方向形成两个相邻活性区域，在两个相邻活性区域之间具有一个共用非活性区域，在该共用非活性区域设置有一共用阴极气体出口，所述两个相邻活性区域的阴极气体流道的出口均朝向所述共用阴极气体出口，所述两个相邻活性区域的阴极气体流道的入口均背向所述共用阴极气体出口，保证提供足够的阴极气体给燃料电池单元，同时有利于阴极生成的水的流通。

进一步可选的，所述极板在宽度方向的上下两侧分别形成阳极气体出口和阳极气体进口。

进一步可选的，所述极板在宽度方向的上下两侧还分别形成冷却介质出口和冷却介质进口。

进一步可选的，所述阴极气体进、出口和冷却介质进出口在所述极板上形成交叉方向流动，使冷却介质在阴阳极板之间流动，及时带走燃料电池单元产生的热，保证电池工作的安全性。

进一步可选的，所述极板为双极板，所述双极板包括第一极板和第二极板，两极板上下叠置在一起；所述第一极板形成有多个间隔设置的第一凹槽，所述每对相邻的第一凹槽之间均形成有第一凸起；所述第一凸起和第一凹槽间隔交错排列；所述第二单极板形成有多个间隔设置的第二凹槽，所述每对相邻的第二凹槽之间均形成有第二凸起；第二凸起和第二凹槽间隔交错排列；所述第一凹槽、第一凸起在所述双极板的长度方向延伸；所述第二凹槽、第二凸起在所述双极板的宽度方向延伸；所述第一极板、第二极板的上下分别设有第一膜电极、第二膜电极；所述第一极板的第一凹槽与其对应的第一膜电极形成阴极气体流道；所述第二极板的第二凹槽与其对应的膜电极形成阳极气体流道；所述阴极气体流道与阳极气体流道形成交叉流动；所述第一极板与第二极板之间形成冷却介质通道；所述冷却介质通道形成所述冷却介质在所述第一极板与第二极板之间流动；该结构设计使双极板上反应气体的流动分布趋于均匀。

进一步可选的，所述极板在长度方向形成两个相邻活性区域，在两个相邻活性区域之间具有一个共用非活性区域，在该共用非活性区域设置有一共用冷却介质进口，所述两个相邻活性区域的冷却介质通道的入口均朝向所述共用冷却介质进口，所述两个相邻活性区域的冷却介质通道的出口均背向所述共用冷却介质进口，该设计提高了极板上活性区域的占比，使得燃料电池结构更加紧凑。

进一步可选的，所述极板在长度方向形成两个相邻活性区域，在所述两个相邻活性区域之间具有一个共用非活性区域，在该共用非活性区域设置有一共用冷却介质出口，所述两个相邻活性区域的冷却介质通道的出口均朝向所述共用冷却介质出口，所述两个相邻活性区域的冷却介质通道的进口均背向所述共用冷却介质出口，该设计提高了极板上活性区域的占比，使得燃料电池结构更加紧凑。

进一步可选的，所述极板在宽度方向的上下两侧分别形成阴极气体出口和阴极气体进口。

进一步可选的，所述极板在宽度方向的上下两侧还分别形成阳极气体出口和阳极气体进口。

进一步可选的，所述阴阳极气体进、出口和冷却介质进出口交叉设置。

进一步可选的，所述极板为双极板，所述双极板包括第一极板和第二极板；所述第一极板形成有多个间隔设置的第一凹槽，所述每对相邻的第一凹槽之间均形成有第一凸起；所述第一凸起和第一凹槽间隔交错排列；所述第二单极板形成有多个间隔设置的第二凹槽，所述每对相邻的第二凹槽之间均形成有第二凸起；所述第二凸起和第二凹槽间隔交错排列；所述第一凹槽、第一凸起在所述双极板的宽度方向延伸；所述第二凹槽、第二凸起在所述双极板的宽度方向延伸；所述第一极板和第二极板对向叠置在一起，且所述第一极板、第二极板的上下分别设有第一膜电极、第二膜电极；所述第一极板的第一凹槽与其对应的第一膜电极形成阴极气体流道；所述第二极板的第二凹槽与其对应的第二膜电极形成阳极气体流道；所述阴极气体流道与阳极气体流道形成阴极气体、阳极气体平行方向上的流动；所述第一极板与第二极板之间形成冷却介质通道；所述冷却介质通道形成所述冷却介质在所述第一极板与第二极板之间流动。

进一步可选的，所述阴极气体流道、阳极气体流道和所述冷却介质通道为曲线型通道。

本发明还提供一种燃料电池电堆结构，其上述任一项所述的燃料电池单元，所述燃料电池单元至少有两个，所述燃料电池单元之间紧密贴合有膜电极。

进一步可选的，所述燃料电池单元上的进口和出口堆叠一起形成母管通道，即阳极气体进口母管通道、阳极气体出口母管通道、阴极气体进口母管通道、阴极气体出口母管通道、冷却介质进口母管通道、冷却介质出口母管通道。

本发明还提供了一种新能源汽车，具有上述任一项所述的燃料电池单元和/或燃料电池电堆结构。

本发明提供一种燃料电池单元，包括极板和膜电极，极板至少形成两个活性区域，两个活性区域至少具有一个共用非活性区域，使得燃料电池结构更加紧凑，双极板上反应气体的流动分布趋于均匀，同时扩大活性区域即反应区域占比，提高了燃料电池的功率密度。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1燃料电池单元结构正面示意图；

图2是本发明实施例1燃料电池单元结构反面面示意图；

图3是本发明实施例1冷却水流道结构细节示意图；

图4是本发明实施例2中燃料电池单元结构正面示意图；

图5是本发明实施例2中燃料电池单元结构反面面示意图；

图6是本发明实施例2冷却水流道结构细节示意图；

图中：

11-共用阴极气体进口；12-阴极气体第一出口；13-阴极气体第二出口；

14-阴极气体第一流道；15-阴极气体第二流道；16-阴极气体第一进口；

17-阴极气体第二进口；21-阳极气体第一进口；22-阳极气体第二进口；

23-阳极气体第一出口；24-阳极气体第二出口；25-阳极气体第一流道；

26-阳极气体第二流道；31-冷却介质第一进口；32-冷却介质第二进口；

33-冷却介质第一出口；34-冷却介质第二出口；35-冷却介质第一通道；

36-冷却介质第二通道；37-共用冷却介质进口；4-定位孔；5-第一极板；

51-第一凹槽；52-第一凸起；6-第二极板；61-第二凹槽；62-第二凸起；

5ˊ-第一极板；51ˊ-第一凹槽；52ˊ-第一凸起；6ˊ-第二极板；61ˊ-第二凹槽；62ˊ-第二凸起；

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

本发明提供了一种燃料电池电堆，设有一个或多个通过定位孔4叠置在一起的燃料电池单元，每一个燃料电池电池单元由包括极板和膜电极，极板至少形成两个活性区域，两个活性区域至少具有一个共用非活性区域；该结构提高了燃料电池单元中活性区域的占比，同时极板的设计使反应气体的流动分布趋于均匀，进而提高了燃料电池的功率密度。其中，活性区域指的是燃料电池中能够进行电化学反应并产生电能的区域，此区域覆盖有膜电极，膜电极两侧分别通了氧气和氢气。非活性区域指的是极板上不发生电化学反应且无电能产生的区域，一般用于布置反应气体、冷却水的进出口，定位孔以及加强强度的结构。

需要说明的是，本申请所描述的“第一”、“第二”“第三”“第四”并没有赋予其特定的结构及含义，仅是为了描述方便。

实施例1

如图1-3，本实施例提供了一种氢燃料电池，其具有燃料电池电堆，该燃料电池电堆设有一个或多个通过定位孔4叠置在一起的燃料电池单元，每一个燃料电池单元，包括极板和膜电极，极板至少形成两个活性区域，两个活性区域至少具有一个共用非活性区域，共用非活性区域至少具有一个共用阳极气体进口或共用阳极气体出口或共用阴极气体进口11或共用阴极气体出口或共用冷却介质进口或共用冷却介质出口。本发明使用具有该结构的极板替换常规燃料电池结构中的极板，在保证燃料电池正常工作的同时，大大提高了燃料电池活性区域的占比，提升了燃料电池非活区域的利用率，同时极板的设计使反应气体的流动分布趋于均匀。

考虑到燃料电池在工作过程中空气的需求量较大，且反应生成水主要在阴极生成，因此对阴极气体通道的流通性要求更高，因此：

优选的，如图1-2，极板在长度方向形成两个相邻活性区域，即第一活性区域s1和第二活性区域s2。在两个相邻活性区域之间具有一个共用非活性区域s12，优选的，在该共用非活性区域设置有一共用阴极气体进口11，两个相邻活性区域的阴极气体流道即阴极气体第一流道14、阴极气体第二流道15的入口均朝向共用阴极气体进口11，进一步优选的，在极板长度方向，两个活性区域远离共用阴极气体进口11的一侧，分别设置一阴极气体出口，即阴极气体第一出口12和阴极气体第二出口13，两个相邻活性区域的阴极气体流道的出口即阴极气体第一出口12和阴极气体第二出口13背向共用阴极气体进口11，朝向各自对应的阴极气体出口。

由此，阴极气体从共用阴极气体进口11进入，然后分成两部分反向流向两个活性区域，流向第一活性区域s1的经阴极气体第一流道14、阴极气体第一出口12流出，流向第二活性区域s2的经阴极气体第二流道15、阴极气体第二出口13流出，大大提高了燃料电池单元中活性区域的占比，从而提高了燃料电池的功率密度。

优选的，极板在宽度方向的上下两侧分别形成阳极气体出口和阳极气体进口，即阳极气体第一进口21、阳极气体第二进口22、阳极气体第一出口23、阳极气体第二出口24。优选的，极板在宽度方向的上下两侧还分别形成冷却介质出口和冷却介质进口即冷却介质第一出口33，冷却介质第二出口34，冷却介质第一进口31，冷却介质第二进口32。进一步优选的，冷却介质是水。优选的，阴极气体进、出口和冷却介质进出口在极板上形成交叉方向流动，即阴极气体(空气)朝着第一极板5的第一方向流动，阳极气体(氢气)朝着第一极板5的第二方向流动，冷却介质(水)的流动方向与第一方向和第二方向交叉，即空气从共用阴极气体进口11流入阴极气体第一流道14并从阴极气体第一出口流出12，氢气从阳极气体第一进口21流入阳极气体第一流道25，并从阳极气体第一出口23流出，同时水从冷却介质第一进口31流入冷却介质第一通道35，并从冷却介质第一出口33流出。该设计能保证燃料电池单元良好的散热性能。

优选的，如图3，其中极板为双极板，隐去了双极板的进出口边框，包括第一极板5和第二极板6，两极板上下叠置在一起，通过焊接形成一体；

第一极板5形成有多个间隔设置的第一凹槽51，每对相邻的第一凹槽51之间均形成有第一凸起52；第一凸起52和第一凹槽51间隔交错排列；第二单极板形成有多个间隔设置的第二凹槽61，每对相邻的第二凹槽61之间均形成有第二凸起62；第二凸起62和第二凹槽61间隔交错排列；第一凹槽51、第一凸起52在双极板的长度方向延伸；第二凹槽61、第二凸起62在双极板的宽度方向延伸；

第一极板、第二极板均具有两面，两极板的每一面均形成有上述凹槽和凸起结构，且每一极板正面两面的凸起和凹槽位置对应。

第一极板5、第二极板6的上下分别设有第一膜电极、第二膜电极；第一极板5的第一凹槽51与其对应的第一膜电极形成阴极气体流道即空气流道；第二极板6的第二凹槽61与其对应的膜电极形成阳极气体流道即氢气流道；阴极气体流道(空气流道)与阳极气体流道(氢气流道)形成交叉流动；

优选的，阴极气体流道(空气流道)与阳极气体流道(氢气流道)垂直交叉流动；

第一极板5与第二极板6之间形成冷却介质通道即冷却介质通道；冷却介质通道形成冷却介质在第一极板5与第二极板6之间不断的流动；

优选的，组装成电堆以后，燃料电池单元上的进口和出口堆叠一起形成母管通道，即阳极气体进口母管通道、阳极气体出口母管通道、阴极气体进口母管通道、阴极气体出口母管通道、冷却介质进口母管通道、冷却介质出口母管通道。例如，氧气从阴极气体进口母管通道里分流至阴极气体流道，然后汇集到阴极气体出口母管通道；冷却水从冷却水进口母管道流入，向第一极板5的第一方向流动分流至冷却水流道，最后汇集到冷却水出口母管通道。氢气进入到阳极气体进口母管通道向第一极板5的第一方向流动分流至阳极气体流道，最后汇集到阳极气体出口母管通道。构造了一种紧凑型燃料电池结构。一个电池单元由两个(或多个)子单元(或子区域)构成，子单元共享非活性区域(具体地，子单元可共享同一进气口或出气口等)，而整体结构复杂度与现有燃料电池的设计方式基本一致，在相同条件下，能够尽可能的扩大反应区域的面积，提高了燃料电池的功率密度。

针对本实施中，非活性区域内的阳极气体进口，阳极气体出口以及冷却介质进口和冷却介质出口的数目和位置，并不是一定的，可以根据实际需求进行调整。

本实施例采用了本发明的燃料电池单元和电堆结构用于氢气燃料电池，包括极板和膜电极，极板至少形成两个活性区域，两个活性区域至少具有一个共用非活性区域，提高了燃料电池中活性区域的占比，进而提高了电池的功率密度。同时本发明中涉及的共用活性区域，不只是本实施例中涉及的阴极气体进口，还可以是阴极气体出口或阳极气体进口或阳极气体出口，且进出出口的数目也不仅限于本实施提供的，可以根据实际需求进行进一步的设计。

实施例2

考虑到燃料电池在工作过程中为了降低燃料电池流动压降和温度的不均匀性，对冷却水消耗量大，本实施例在实施例1的提供的氢燃料电池基础上，提供了一种共用冷却介质进口37的燃料电池单元。

优选的，如图4-5，极板在长度方向形成两个相邻活性区域，即第一活性区域s1和第二活性区域s2。在两个相邻活性区域之间具有一个共用非活性区域s12，优选的，在该共用非活性区域s12设置有一共用冷却介质进口37，两个相邻活性区域的冷却介质通道即冷却介质第一通道35、冷却介质第二通道36的进口均朝向共用冷却介质进口37，进一步优选的，在极板长度方向，两个活性区域远离共用冷却介质进口37的一侧，分别设置一冷却介质出口，即冷却介质第一出口33和冷却介质第二出口34，两个相邻活性区域的冷却介质通道出口即冷却介质第一出口33和冷却介质第二出口34均背向共用冷却介质进口37，朝向各自对应的冷却介质出口。

由此，冷却介质从共用冷却介质进口37进入，然后分成两部分反向流向两个活性区域，流向第一活性区域s1的经冷却介质第一流道35、冷却介质第一出口33流出，流向第二活性区域s2的经冷却介质第二流道36、冷却介质第二出口34流出，大大提高了燃料电池单元中活性区域的占比，从而提高了燃料电池的功率密度。

优选的，极板在宽度方向的上下两侧分别形成阴极气体出口即阴极气体第一出口12、阴极气体第二出口12和阴极气体进口即阴极气体第一进口16，和阴极气体第二进口17。优选的，极板在宽度方向的上下两侧还分别形成阳极气体出口即阳极气体第一出口23、阳极气体第二出口24，和阳极气体进口即阳极气体第一进口21、阳极气体第二进口22。优选的，阴阳极气体进、出口和冷却介质进出口交叉设置，即阴极气体(空气)和阳极气体(氢气)朝着第一极板5的第一方向流动，冷却介质(水)的流动方向与第一极板5的第一方向交叉，即空气从阴极气体第一进口16流入阴极气体第一流道14并从阴极气体第一出口流出12，氢气从阳极气体第一进口21流入阳极气体第一流道25，并从阳极气体第一出口23流出，同时水从共用冷却介质进口37流入冷却介质第一通道35，并从冷却介质第一出口33流出。大大提高了燃料电池单元中活性区域的占比，从而提高了燃料电池的功率密度。

第一极板、第二极板均具有两面，两极板的每一面均形成有上述凹槽和凸起结构，且每一极板正面两面的凸起和凹槽位置对应。

优选的，如图6其中极板为双极板，隐去了双极板的进出口边框，双极板包括第一极板5ˊ和第二极板6ˊ；

第一极板5ˊ形成有多个间隔设置的第一凹槽51ˊ，每对相邻的第一凹槽51ˊ之间均形成有第一凸起52ˊ；第一凸起52ˊ和第一凹槽51ˊ间隔交错排列；第二单极板形成有多个间隔设置的第二凹槽61ˊ，每对相邻的第二凹槽61ˊ之间均形成有第二凸起62ˊ；第二凸起62ˊ和第二凹槽61ˊ间隔交错排列；第一凹槽51ˊ、第一凸起52ˊ在双极板的宽度方向延伸；第二凹槽61ˊ、第二凸起62ˊ在双极板的宽度方向延伸；第一极板5ˊ和第二极板6ˊ对向叠置在一起，且第一极板5ˊ、第二极板6ˊ的上下分别设有第一膜电极、第二膜电极；第一极板5ˊ的第一凹槽51ˊ与其对应的第一膜电极形成阴极气体流道即阴极气体流道(空气流道)；第二极板6ˊ的第二凹槽61ˊ与其对应的第二膜电极形成阳极气体流道即阳极气体流道(氢气流道)；阴极气体流道与阳极气体流道形成阴极气体、阳极气体平行方向上的流动；第一极板5ˊ与第二极板6ˊ之间形成冷却介质通道即冷却介质通道；冷却介质通道形成冷却介质在第一极板5ˊ与第二极板6ˊ之间的流动。进一步优选的，阴极气体流道、阳极气体流道和冷却介质通道为曲线型通道。保证了燃料电池反应气体之间以及其与冷却介质之间充分的接触。

本实施例采用了本发明的燃料电池单元和电堆结构用于氢气燃料电池，包括极板和膜电极，极板至少形成两个活性区域，两个活性区域至少具有一个共用非活性区域，提高了燃料电池中活性区域的占比，进而提高了电池的功率密度。同时本发明中涉及的共用活性区域，不只是本实施例中涉及的冷却介质进口，还可以是冷却介质出口，且进出出口的数目也不仅限于本实施提供的，可以根据实际需求进行进一步的设计。

综上，一种燃料电池单元，包括极板和膜电极，极板至少形成两个活性区域，两个活性区域至少具有一个共用非活性区域，共用非活性区域至少具有一个共用阳极气体进口或共用阳极气体出口或共用阴极气体进口或共用阴极气体出口或共用冷却介质进口或共用冷却介质出口，提高了燃料电池中活性区域的占比，从而提高了具有其的燃料电池电堆结构的功率密度。具有该燃料电池单元或燃料电池电堆结构的新能源汽车，在保证正常的工作的情况下，具有良好的动力性能，能够高性能的运转。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。