一种燃料电池电堆的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种燃料电池电堆。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是一种新型电源，其利用氢气、氧气作为反应物，产生电、热、水。由于不受卡诺循环的限制，且反应排放物为水，质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、环境友好等特点。

质子交换膜燃料电池由多个单体燃料电池层叠而成。其中单体燃料电池包括阳极双极板、阴极双极板以及夹在两双极板之间的膜电极构成，膜电极包括阳极催化剂、质子交换膜以及阴极催化剂，通常膜电极与阳极双极板以及膜电极与阴极双极板之间还设置有气体扩散层，使反应气体尽可能均匀地扩散在膜电极两侧。

授权公布号为cn106711472a的中国发明专利中公布了一种双极板结构，通过设计燃料流道的入口截面积大于出口截面积，从而增加燃料腔内的气体浓度均匀性，从而提高膜电极催化剂的利用率。

授权公布号为cn105762367b的中国发明专利中公布了一种双极板蛇形流道，通过对蛇形流道的优化设计促进电极轴向传质，提高燃料电池性能。

现阶段对燃料电池流道的优化设计主要是针对双极板流道结构的改进，很少涉及燃料电池电堆整体的流道分布优化。

技术实现要素：

本申请要解决的技术问题是提供一种燃料电池电堆。

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种燃料电池电堆，所述的燃料电池电堆包括前端板、后端板、设于前端板和后端板之间的一组或多组单体燃料电池，所述的单体燃料电池包括阴极双极板、阳极双极板、设于阴极双极板和阳极双极板之间的膜电极，

所述的阴极双极板的与膜电极相对的表面设置有空气流场，在空气流场背面设有冷却水流场，所述的阳极双极板的与膜电极相对的表面设置有氢气流场，所述的阴极双极板、阳极双极板及膜电极的上端均设置有与空气流场相连通的空气共享通道的进口、与氢气流场相连通的氢气共享通道的进口、与冷却水流场相连通的冷却液共享通道的出口，所述的阴极双极板、阳极双极板及膜电极的下端设置有与空气流场相连通的空气共享通道的出口、与氢气流场相连通的氢气共享通道的出口、与冷却水流场相连通的冷却液共享通道的进口，所述的空气流场包括两个或多个空气子流场，每个所述的空气子流场的上端对应一个空气共享通道的进口，每个所述的空气子流场的下端对应一个空气共享通道的出口。

优选地，所述的空气流场和氢气流场为渐变流道，从流场的入口至出口台阶式渐变或平滑式渐变。

优选地，所述的空气子流场与所述的氢气流场为蛇形流道。

优选地，所述的阴极双极板与所述的膜电极之间设置有一圈空气侧的密封圈，所述的阳极双极板与所述的膜电极之间设置有一圈氢气侧的密封圈，所述的燃料电池电堆还包括多个固定螺杆，固定螺杆穿过所述的前端板和后端板将所述的单体燃料电池固定在前端板和后端板之间，所述的密封圈边缘外形成多个半包围区，所述的固定螺杆穿过该半包围区，所述的密封圈对经过该半包围区的固定螺杆形成至少180度的半包围。

优选地，所述的阴极双极板、阳极双极板及膜电极四边均设置有固定螺杆穿孔，至少一部分所述的固定螺杆穿过所述的固定螺杆穿孔。

优选地，所述的固定螺杆的一端部套设有一弹簧，所述的弹簧的一端作用于固定螺杆的端部，另一端作用于前端板或后端板。

优选地，所述的阴极双极板、阳极双极板及膜电极的四个顶角上均设置有用于安装和定位的定位孔。

优选地，所述的空气共享通道的入口布置在双极板的上部，所述的空气共享通道的出口布置在双极板的下部，氢气共享通道的进口布置在双极板的右侧边的上部，所述的氢气共享通道的出口布置在双极板的左侧边的下部，所述的冷却液共享通道的入口分布在双极板的左侧边的上部，所述的冷却液共享通道的出口分布在双极板的右侧边的下部。

本申请的一种燃料电池电堆，通过对双极板流场设计、端板结构以及管接头的设计，实现流量分配均匀性的要求，从而提升燃料电池的性能特性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。

图1为本发明的燃料电池电堆的示意图；

图2为封装了3节单体燃料电池的燃料电池短堆轴向剖面图；

图3为单体燃料电池结构示意图；

图4为阳极双极板氢气流场示意图；

图5为阴极双极板空气流场示意图；

图6为阴极双极板冷却液流场示意图；

图7为本申请的密封圈与固定螺杆的相对位置关系图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1示意出了本发明的燃料电池电堆，主要包括前端板11，固定螺杆12、单体燃料电池13、后集电板14、绝缘板15以及后端板16，多块单体燃料电池层叠后通过前后端板以及固定螺杆进行紧固封装，形成一种燃料电池电堆。

图1中仅示意了一块单体燃料电池13，用于说明层叠单体燃料电池的位置，实际层叠单体燃料电池的数量根据实际的功率需求决定。

前端板11采用具有绝缘、耐燃性的复合材料，一般选用玻璃纤维环氧树脂复合材料；或采用铝合金前端板和pps绝缘板组合件，给电堆保证受力强度的同时，实现铝合金前端板与前集电铜板之间绝缘，防止前端板漏电。

前端板11上装配有各管路接头以及铜线端子，其中空气接头1、2为空气共享通道的入口，氢气接头3为氢气共享通道的入口，冷却液接头4为冷却液共享通道的入口，空气接头5、6为空气共享通道的出口，氢气接头7为氢气共享通道的出口，冷却液接头8为冷却液共享通道的出口，铜线端子9、10穿过前端板11接到前集电板上，用于将前集电板收集的电能输出到负载，前集电板嵌套在前端板上。

嵌套在前端板内的前集电板以及后集电板14的材料为紫铜，具备良好的导电性，用于收集化学反应产生的电能，并通过铜线端子输出。

后端板16的材料为铝合金板，具有良好的力学性能，由于后端板采用铝合金材质，具有导电性，因此增加了绝缘板15，用于避免漏电。

图2为三节单体燃料电池的封装轴向剖面示意图，由左向右依次为前端板17，前集电板18，石墨板19，三节单体燃料电池20，石墨板21，后集电板22，绝缘板23，后端板24。

参考图2，前集电板18嵌套在前端板17内，前端板17与层叠的单体燃料电池20之间设置由石墨板19，用于导电以及散热，后集电板22与层叠的单体燃料电池20之间设置由石墨板21，用于导电以及后集电板与冷却液流场的隔离，避免后集电板的腐蚀。

参考图3，单体燃料电池由阴极双极板25，空气侧密封圈26，膜电极27，氢气侧密封圈28，阳极双极板29构成。

参考图4，阳极双极板氢气侧包括空气共享通道30、31、33、34、40、41、43、44，冷却液共享通道35、36、45、46，氢气共享通道38、48，固定螺杆穿孔32、37、42、47，定位孔39、49，氢气密封圈槽50，氢气流场a。

参考图5，阴极双极板空气侧包括空气共享通道51、52、54、55、61、62、64、65，氢气共享通道57、67，冷却液共享通道59、60、69、70，固定螺杆穿孔53、58、63、69，空气密封圈槽71，空气子流场b1、b2、b3、b4。

参考图6，阴极双极板冷却液侧包括空气流场入口分配流道72，空气流场出口分配流道74，氢气流场入口分配流道73，氢气流场出口分配流道75，冷却液流场密封圈槽76。

参考图1、2、3、4，各共享通道通过多块单体燃料电池层叠形成流体分配的通道，其中空气共享通道30、31、33、34为空气入口共享通道，用于给空气流场供给空气，空气共享通道40、41、43、44为空气出口共享通道，用于空气流场反应产物的排出，氢气共享通道48为氢气入口共享通道，用于给氢气流场供给氢气，氢气共享通道38为氢气出口共享通道，用于氢气流场内反应产物的排出，冷却液共享通道45、46为冷却液入口共享通道，用于给冷却液流场供给冷却液，冷却液共享通道35、36为冷却液出口共享通道，用于冷却液流场冷却液的排出。

参考图6，空气入口共享通道内流通的空气，通过空气流场入口分配流道72进入空气流场，反应后产物通过空气流场出口分配流道74排入空气出口共享通道内，氢气入口共享通道内流通的氢气，通过氢气流场入口流道73进入氢气流场，反应后产物通过氢气流场出口分配流道75排入氢气出口共享通道内。

参考图1、5，空气流场划分为b1、b2、b3、b4四个子流场，四个子流场相互独立，互不干扰，每一个子流场设置有单独的空气入口共享通道，空气出口共享通道，通过对空气共享通道入口接头1、2，出口接头5、6的设计优化，以及增加导流板等方法，可以实现对各个子流场的流体流量的分配，从而满足流量分配需求。

进一步的，各个子流场的流道设计可采用不同的设计形式，从而满足设计要求。

进一步的，空气流场可划分为n(n≥2)个相互独立的子流场，而不仅仅局限于本示意图中的四个子流场。

进一步的，氢气、冷却液流场可按照类似的划分方法，将一整个流场区域划分成多个子流场，以满足不同区域的流量需求。

本发明燃料电池电堆，通过对双极板流场设计、端板结构以及管接头的设计，实现流量分配均匀性的要求，从而提升燃料电池的性能特性。

参考图7，为本申请的密封圈与固定螺杆的相对位置关系图，所述的密封圈边缘外形成多个半包围区e，所述的固定螺杆穿过该半包围区e，所述的密封圈对经过该半包围区的固定螺杆12形成至少180度的半包围。

在电池电堆结构中，固定螺杆从前后端分别固定前端板和后端板，对前端板和后端板分别施加一向后和向前的相互挤压的压力，而设于阳极双极板与膜电极之间，及阳极双板与膜电极之间的密封圈因受到挤压产生一反作用力，进而使前端板和后端板分别受到于所述的压力方向相反的推力。

在现有的电池电堆结构中，固定螺杆与密封圈的位置关系的设置较随意，而当固定螺杆的位置位于密封圈外侧，且不在图示的半包围区内时，固定螺杆对端板产生的压力的力矩变大，从而对端板产生很大挠度，加上在电池电堆结构的使用过程中，发生的热胀冷缩现象，经过长时间使用，会导致端板变形的问题。现有技术中，为克服这一现象，通常的做法是增加端板的刚度。

而在本申请中，对密封圈与固定螺杆的相对位置关系进行的限定，使固定螺杆位于密封圈在图示的半包围区e内时，使端板受到的压力的力矩变小，很好的解决了端板的变形问题。另外，固定螺杆的一端部套设有一弹簧，所述的弹簧的一端作用于固定螺杆的端部，另一端作用于前端板或后端板，当电池电堆结构的使用过程中发生的热胀冷缩时，弹簧能够起到缓冲作用，进一步保护端板。

需要说明的是，在本申请的描述中，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。