一种燃料电池用高效全屏流场双极板及其电池堆的制作方法

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用双极板流场和电池堆组装设计技术领域，具体涉及一种燃料电池用全屏流场双极板及其电池堆。

背景技术：

当前，环保零排放新能源汽车正在全球高速发展，并且国际上许多发达国家均制定了传统汽油车退役时间表。在新能源汽车中，以燃料电池作为动力电源驱动的燃料电池电动汽车，用燃料氢气替代传统汽油作为能源，被认为是在各方面性能可以与传统汽油车相媲美的替代型新能源汽车。国际上许多著名汽车厂商均已推出商业化燃料电池汽车。

双极板是燃料电池的关键部件之一，在燃料电池中发挥着传输和分隔燃料和空气及冷却液、机械支撑、电子传导等重要作用。双极板除发挥上述作用外，其设计决定了燃料电池极板的有效面积率，进而决定燃料电池堆的体积功率密度等。双极板设计包括气体和冷却液进出口设计、密封设计、流场设计、电池堆组装定位设计等。传统双极板设计一般将燃料、空气和冷却液进出口外框设计在双极板板材平面内，在密封上需要围绕这些进出口外框进行设计，而发电有效部分流场则位于这些设计所包围的内部，从而这使得传统双极板的进出口及其密封的面积占比较大，发电部分的有效面积率较低。此外，燃料电池的核心发电部件膜电极外框需要与双极板匹配，为降低成本和提高外框部分的机械强度，膜电极外框一般由成本低廉的塑封膜材料构成并需要与膜电极塑封在一起。为进一步提高车用燃料电池的体积功率密度和简化膜电极制备工艺降低成本，可通过进一步优化双极板整体设计来实现。

本发明专利提供一种燃料电池用高效全屏流场双极板及其电池堆组装技术设计方案，在双极板板材平面内仅含流场和密封件，相较于传统双极板削减了气体和冷却液进出口外框设计，从而较大程度上提高了双极板的有效面积率和简化了膜电极的制备工艺。传统双极板设计由于气体和冷却液进出口外框及其匹配的密封件占比较大其有效面积率一般在60%~75%，而本发明专利提供的高效全屏双极板设计方案的有效面积率可达85%~90%，显著提高双极板的有效面积率进而可有效提高燃料电池堆的体积比功率密度。同时，本发明专利所提供的全屏流场双极板设计由于不含有气体和冷却液进出口外框及其密封件，从而可以削减与之匹配的膜电极的塑封膜外框制备，从而简化膜电极的制备工艺，降低膜电极生产成本和提高生产效率。

技术实现要素：

本发明专利提供一种燃料电池用高效全屏流场双极板及其电池堆，有效提高了双极板的有效面积率，在确保相同输出功率的电池堆组装前提下，有效降低该电池堆的体积，最终实现提高车用燃料电池堆的体积功率密度的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池用高效全屏流场双极板，该双极板由阳级侧单级板和阴极侧单级板背靠背贴合在一起组成，其特征在于，阳级侧单级板和阴极侧单级板由外轮廓一致的基板构成，基板的四周设置有从基板侧边伸出的凸出部，阳极侧单级板和阴极侧单级板的正面包括设置在基板中心的流场，流场四周至基板的外边缘及凸处部表面为密封粘接区，通过设置在粘接区域的密封件，阳级侧单级板和阴极侧单级板被贴合在一起组成双极板。

阳级侧单级板或阴极侧单级板上均设置有气体和冷却液进出口，气体和冷却液进出口分别位于基板的四周边缘。

阴极侧单级板的背面中心设置有冷却液流场，冷却液流场的上下两侧分别设置有冷却液流场入口和冷却液流场出口，冷却液流场入口和冷却液流场出口均位于基板的边缘。

冷却液流场的外侧至基板的外边缘区域为密封粘接区，密封粘接区上设置有密封件。

本发明还提供了一种燃料电池电池堆，包括由四个金属封板围城的矩形框，矩形框中设置有电池堆组件，其特征在于，电池堆组件包括两个集电板及设置在两个集电板之间的多个上述的双极板和膜电极，贴合在一起的双极板的凸起部叠合成组件凸起部，矩形框的前后表面设置有端板，端板将电池堆组件封装在矩形框中。

组件凸起部将矩形框内的空间分割为空气、冷却液和燃料的进出空间，端板上设置有与进出空间对应的进出口。

所述端板与集电板之间设置有面密封件。

相邻的封板之间设置有封板密封件。

组件凸起部外侧包覆有框架密封件。

所述金属封板上设置有螺孔，两个相对的金属封板之间的螺孔中穿入有螺杆梁。

本发明所提供的高效全屏流场双极板及其电池堆设计方案，采用在极板板材平面内仅含流场和密封件的设计，削减传统双极板中气体和冷却液进出口外框设计；利用双极板外部凸起框架设计实现气体和冷却液传输通道密封，并配合电池堆金属外端板设计实现气体和冷却液进出口功能；特别的电池堆组装使用盒式密封组装，并采用螺杆梁紧固组装。采用这种设计方案，在燃料、空气和冷却液的外部进出口位置设计方面灵活度很大，例如可以通过简单调整将进出口的平行排列修改为交叉排列，还可实现空气由纵向进出，修改为横向进出等。在确保燃料电池堆的高效发电基础上，大幅提高双极板有效面积率、增大电池堆体积功率密度以及降低膜电极制备工艺、提高生产效率、增强设计灵活度等。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明所述双极板的整体结构示意图；

图2为图1中阳极侧单级板/阴极侧单级板的正面结构示意图；

图3为图1中阳极侧单级板的背面结构示意图；

图4为图1中阴极侧单级板的背面结构示意图；

图5为本发明所述电池堆中的电池堆组件的结构示意图；

图6为本发明所述电池堆的封装结构示意图；

图7为本发明所述电池堆的外观结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例来对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

一种燃料电池用高效全屏流场双极板，如图1所示，由阳级侧单级板100和阴极侧单级板200背靠背贴合在一起组成，阳极侧单级板100和阴极侧单级板200由外轮廓一致的基板构成，基板可以是石墨板、复合石墨板或金属板等导电板材，基板的上下两侧和左右两侧上设置有从基板侧面伸出的凸出部103，在本实施例中，上下两侧每个侧边的中部设置有间隔一定距离的两个凸出部103，左右两侧每个侧边的上下两端各设置有一个凸出部103。凸出部103优选为等腰梯形，凸出部103位于外侧的一边为等腰梯形的上底，凸出部103与基板相连的一边为等腰梯形的下底，在本实施例中，等腰梯形的上底5mm，等腰梯形的下底7mm。

阳极侧单级板100和阴极侧单级板200的正面结构相同，背面结构不同。如图2所示，阳极侧单级板100或阴极侧单级板200的正面均包括设置在基板中心的流场101，流场101可以是平行流场、蛇形流场、波浪流场或其它流场；流场101的四周至基板的外边缘为密封粘接区102，密封件通过密封胶粘接在密封粘接区102上。

流场101上侧设置有燃料和空气进口104，流场101下侧设置有燃料和空气出口105，燃料和空气进口104与燃料和空气出口105为穿透基板的孔。

阳极侧单级板100的背面如图3所示，阳极侧单级板的背面为平面。

阴极侧单级板200的背面如图4所示，包括设置在基板中部的冷却液流场区201，冷却液流场区201的上侧中部设置有冷却液流场入口206，冷却液流场区201的下部设置有冷却液流场出口207，冷却液流场入口206和冷却液流场出口207分别位于基板上下两侧的两个凸出部103之间，冷却液流场区201的外侧至基板的外边缘区域为密封粘接区102。密封粘接区102上通过粘胶粘贴有密封件。

本发明还提供了一种燃料电池的电池堆，如图6-7所示，包括由四个金属封板12围成的矩形框，矩形框前后表面镂空设置，矩形框内设置有电池堆组件，电池堆组件的结构如图5所示，包括两个间隔设置的集电板10及设置在两个集电板10之间的多个贴合在一起的如上所述的双极板和膜电极，贴合在一起的双极板的凸起部叠合成组件凸起部，组件凸起部外侧包覆有框架密封件11。

矩形框的前后表面设置有端板，端板将电池堆组件封装在矩形框中，电池堆组件的集电板10与其外侧设置的端板20之间设置有面密封件。相邻的封板12之间设置有封板密封件。

电池堆组件上下两侧的两个组件凸起部将矩形框内的空间分割为三部分，矩形框前后表面的端板与该三部分空间相对应的位置分别有三个孔，分别为位于端板上部的空气入口14、冷却液入口15和燃料入口16，位于端板下部的燃料出口17、冷却液出口18和空气出口19。

为了进一步提高电池堆封装的密封性，金属封板12上设置有螺孔13，两个相对的金属封板12之间的螺孔13中穿入有螺杆梁。

需要说明的是，上述实施例仅仅是实现本发明的优选方式的部分实施例，而非全部实施例。显然，基于本发明的上述实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都应当属于本发明保护的范围。