具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池。

背景技术：

燃料电池的主要核心部件是膜电极(membraneelectrodeassembly,mea)和双极板，其中膜电极主要由催化剂层、扩散层、质子交换膜等组成，双极板由阴极板和阳极板组成。目前燃料电池中金属双极板多采用单密封槽进行密封，这里的单密封槽指的是密封槽深值相等，而非密封槽圈数。

现有的燃料电池密封性差，易出现气体串气和漏气问题，膜电极的有效面积占比较低且使用寿命较短。因此，提供一种可以克服以上现有技术中存在的缺点的燃料电池，成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，从而提供一种完全隔离燃料、冷却剂和空气这三种流体介质以保证具有足够密封效果、并提高膜电极有效面积占比和提高膜电极寿命的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池，由若干单电池串联组成，相邻两个单电池的正负极串联起来组成双极板，双极板由阳极板与阴极板组成，阳极板为单电池的正极，阴极板为单电池的负极，其中：

阳极板的两端设置有阳极板燃料进出区、阳极板冷却剂进出区、阳极板助燃剂进出区，阳极板一端的阳极板燃料进出区、阳极板冷却剂进出区、阳极板助燃剂进出区与阳极板另一端的阳极板燃料进出区、阳极板冷却剂进出区、阳极板助燃剂进出区之间设置有阳极板流道，在阳极板燃料进出区、阳极板冷却剂进出区、阳极板助燃剂进出区中，阳极板设有一圈阳极板外密封槽，阳极板外密封槽的内侧设有一圈阳极板内密封槽；

阴极板的两端设置有阴极板燃料进出区、阴极板冷却剂进出区、阴极板助燃剂进出区，阴极板一端的阴极板燃料进出区、阴极板冷却剂进出区、阴极板助燃剂进出区与阴极板另一端的阴极板燃料进出区、阴极板冷却剂进出区、阴极板助燃剂进出区之间设置有阴极板流道，在阴极板燃料进出区、阴极板冷却剂进出区、阴极板助燃剂进出区中，阴极板设有一圈阴极板外密封槽，阴极板外密封槽的内侧设有一圈阴极板内密封槽；

阴极板外密封槽与阳极板外密封槽对应重合，阴极板内密封槽与阳极板内密封槽对应重合，阴极板流道与阳极板流道对应重合；

阳极板与阴极板之间设置有注硅胶膜电极，注硅胶膜电极的两端设置有膜电极燃料区开口、膜电极冷却剂区开口、膜电极助燃剂区开口，膜电极燃料区开口对应重合于阳极板燃料进出区和阴极板燃料进出区，膜电极冷却剂区开口对应重合于阳极板冷却剂进出区和阴极板冷却剂进出区，膜电极助燃剂区开口对应重合于阳极板助燃剂进出区和阴极板助燃剂进出区，注硅胶膜电极一端的膜电极燃料区开口、膜电极冷却剂区开口、膜电极助燃剂区开口与注硅胶膜电极另一端的膜电极燃料区开口、膜电极冷却剂区开口、膜电极助燃剂区开口之间为质子膜、复合于质子膜正面的第一碳纸、复合于质子膜背面的第二碳纸，膜电极燃料区开口、膜电极冷却剂区开口、膜电极助燃剂区开口均设置有外密封线、内密封线、渗胶线，质子膜、第一碳纸、第二碳纸以及膜电极燃料区开口、膜电极冷却剂区开口、膜电极助燃剂区开口的外围注有硅橡胶，并且外密封线设置于阳极板外密封槽与阴极板外密封槽之间形成外密封圈，内密封线设置于阳极板内密封槽与阴极板内密封槽之间形成内密封圈，注硅胶膜电极外围表面通过注硅橡胶形成保护膜，阳极板和阴极板连接于渗胶线，渗胶线与注硅胶膜电极的导体连接。

进一步地，在上述具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，阳极板内密封槽内设有若干阳极板内密封圈固定脊，由一圈阳极板内密封槽围出的区域内设有阳极板介质进出区支撑柱，阳极板外密封槽与阳极板内密封槽之间设有阳极板内部支撑柱，阳极板外密封槽与阳极板流道之间设有阳极板燃料导流柱、阳极板冷却剂导流柱、阳极板助燃剂导流柱；阴极板内密封槽内设有若干阴极板内密封圈固定脊，由一圈阴极板内密封槽围出的区域内设有阴极板介质进出口支撑柱，阴极板外密封槽与阴极板内密封槽之间设有阴极板内部支撑柱，阴极板外密封槽与阴极板流道之间设有阴极板燃料导流柱、阴极板冷却剂导流柱、阴极板助燃剂导流柱。

进一步地，在上述具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，阴极板内密封圈固定脊与阳极板内密封圈固定脊相互接触，阳极板内部支撑柱与阴极板内部支撑柱相互接触。

进一步地，在上述具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，阳极板一端的阳极板燃料进出区与阳极板另一端的阳极板燃料进出区对角设置，阳极板一端的阳极板助燃剂进出区与阳极板另一端的阳极板助燃剂进出区对角设置，阳极板每端的阳极板冷却剂进出区设置于阳极板燃料进出区与阳极板助燃剂进出区之间；阴极板一端的阴极板燃料进出区与阴极板另一端的阴极板燃料进出区对角设置，阴极板一端的阴极板助燃剂进出区与阴极板另一端的阴极板助燃剂进出区对角设置，阴极板每端的阴极板冷却剂进出区设置于阴极板燃料进出区与阴极板助燃剂进出区之间。

进一步地，在上述具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，在阳极板燃料进出区，阳极板内密封槽周边设有阳极板燃料进口，在阳极板冷却剂进出区，阳极板内密封槽周边设有阳极板冷却剂进口，在阳极板助燃剂进出区，阳极板内密封槽周边设有阳极板助燃剂进口；在阴极板燃料进出区，阴极板内密封槽周边设有阴极板燃料进口，在阴极板冷却剂进出区，阴极板内密封槽周边设有阴极板冷却剂进口，在阴极板助燃剂进出区，阴极板内密封槽周边设有阴极板助燃剂进口。

进一步地，在上述具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，阳极板燃料进出区、阴极板燃料进出区、膜电极燃料区开口、以及阳极板流道与阴极板流道共同形成燃料电池的燃料流道；阳极板冷却剂进出区、阴极板冷却剂进出区、膜电极冷却剂区开口、以及阳极板流道与阴极板流道共同形成燃料电池的冷却剂流道；阳极板助燃剂进出区、阴极板助燃剂进出区、膜电极助燃剂区开口、以及阳极板流道与阴极板流道共同形成燃料电池的助燃剂流道。

进一步地，在上述具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，燃料流道与阳极板燃料进口及阴极板燃料进口连通，冷却剂流道与阳极板冷却剂进口及阴极板冷却剂进口连通，助燃剂流道与阳极板助燃剂进口及阴极板助燃剂进口连通。

进一步地，在上述具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，阳极板与阴极板采用钣金冲压成型，阳极板外密封槽与阴极板外密封槽擦焊接在一起。

采用上述技术方案的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池，冲压成型金属极板成本低、量产快，交叉对流反应物相对均匀、上进下出、直流道排水效果好，焊接型双密封槽金属双极板结构紧凑，密封性更好，设计主要在于解决气体串气和漏气问题，可以有效提高工作气压，双密封线一体式注硅胶膜电极密封性有保障，电化学反应区域占比更高，装配简单。因此，本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池能够完全隔离燃料、冷却剂和助燃剂这三种流体介质以保证具有足够密封效果、并提高膜电极有效面积占比和提高膜电极寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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，附图中：

图1为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池的组装结构示意图。

图2(a)、(b)、(c)分别为图1所示的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中阳极板、阴极板、以及设置在阳极板与阴极板之间的注硅胶膜电极的平面示意图。

图3为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中阳极板的局部结构示意图。

图4为图3所示阳极板的侧向45°角俯视结构示意图。

图5为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中阴极板的局部结构示意图。

图6为图5所示阴极板的侧向45°角俯视结构示意图。

图7为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中双极板的局部剖视图，示出燃料进口。

图8为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中双极板的局部剖视图，示出冷却剂进口。

图9为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中双极板的局部剖视图，示出助燃剂进口。

图10为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中注硅胶膜电极的分解示意图。

图11为本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中双极板与注硅胶膜电极的组装局部示意图，其中为清楚起见覆盖于膜电极上的双极板之一透明化。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

如图1所示，本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池由若干单电池串联组成，相邻两个单电池的正负极串联起来组成双极板1，双极板1由阳极板与阴极板组成，阳极板为单电池的正极，阴极板为单电池的负极，阳极板与阴极板重合并在二者之间设置有注硅胶膜电极2。图2(a)、(b)、(c)分别示出了图1所示燃料电池中阳极板、阴极板、以及设置在阳极板与阴极板之间的注硅胶膜电极的平面示意图。

例如，燃料电池由n个单电池串联组成，包含n个注硅胶膜电极2和n+1个双极板1。

如图3和图4以及图2(a)所示，阳极板的两端均设置有阳极板燃料进出区a、阳极板冷却剂进出区b、阳极板助燃剂进出区c，阳极板一端的阳极板燃料进出区a与阳极板另一端的阳极板燃料进出区a对角设置，阳极板一端的阳极板助燃剂进出区c与阳极板另一端的阳极板助燃剂进出区c对角设置，阳极板每端的阳极板冷却剂进出区b设置于阳极板燃料进出区a与阳极板助燃剂进出区c之间。由此可以形成燃料的上进下出交叉流通路径、助燃剂的上进下出交叉流通路径、以及冷却剂的中进中出直流道路径，这样可以使得燃料和助燃剂的反应浓度更加均匀，以及双极板中间冷却剂流速更高、冷却效果更优，因而更利于注硅胶膜电极2并进而整个燃料电池的工作。阳极板一端的阳极板燃料进出区a、阳极板冷却剂进出区b、阳极板助燃剂进出区c与阳极板另一端的阳极板燃料进出区a、阳极板冷却剂进出区b、阳极板助燃剂进出区c之间设置有阳极板流道38。

阳极板燃料进出区a、阳极板冷却剂进出区b、阳极板助燃剂进出区c的基本结构类似，以阳极板燃料进出区a为例，如图3和图4所示，阳极板设有一圈阳极板外密封槽31，阳极板外密封槽31的内侧设有一圈阳极板内密封槽32，阳极板内密封槽32内设有若干阳极板内密封圈固定脊33，由一圈阳极板内密封槽32围出的区域内设有阳极板介质进出区支撑柱34，阳极板外密封槽31与阳极板内密封槽32之间设有阳极板内部支撑柱35。此外，阳极板外密封槽31与阳极板流道38之间设有阳极板燃料导流柱36、阳极板冷却剂导流柱37、以及阳极板助燃剂导流柱(图3中未示出)。

如图5和图6以及图2(b)所示，阴极板的两端均设置有阴极板燃料进出区a′、阴极板冷却剂进出区b′、阴极板助燃剂进出区c′，阴极板一端的阴极板燃料进出区a′与阴极板另一端的阴极板燃料进出区a′对角设置，阴极板一端的阴极板助燃剂进出区c′与阴极板另一端的阴极板助燃剂进出区c′对角设置，阴极板每端的阴极板冷却剂进出区b′设置于阴极板燃料进出区a′与阴极板助燃剂进出区c′之间。由此可以形成燃料的上进下出交叉流通路径、助燃剂的上进下出交叉流通路径、以及冷却剂的中进中出直流道路径，这样可以使得燃料和助燃剂的反应浓度更加均匀，以及双极板中间冷却剂流速更高、冷却效果更优，因而更利于注硅胶膜电极2并进而整个燃料电池的工作。阴极板一端的阴极板燃料进出区a′、阴极板冷却剂进出区b′、阴极板助燃剂进出区c′与阴极板另一端的阴极板燃料进出区a′、阴极板冷却剂进出区b′、阴极板助燃剂进出区c′之间设置有阴极板流道58。

阴极板燃料进出区a′、阴极板冷却剂进出区b′、阴极板助燃剂进出区c′的基本结构类似，以阴极板助燃剂进出区c′为例，如图5和图6所示，阴极板设有一圈阴极板外密封槽51，阴极板外密封槽51的内侧设有一圈阴极板内密封槽52，阴极板内密封槽52内设有若干阴极板内密封圈固定脊53，由一圈阴极板内密封槽52围出的区域内设有阴极板介质进出口支撑柱54，阴极板外密封槽51与阴极板内密封槽52之间设有阴极板内部支撑柱55。此外，阴极板外密封槽51与阴极板流道58之间设有阴极板助燃剂导流柱56、阴极板冷却剂导流柱57、以及阴极板燃料导流柱(图5中未示出)。

相应地，如图2(c)所示，注硅胶膜电极2的两端均设置有膜电极燃料区开口a〞、膜电极冷却剂区开口b〞、膜电极助燃剂区开口c〞。在阳极板、阴极板和注硅胶膜电极组装后，阳极板燃料进出区a、阳极板冷却剂进出区b、阳极板助燃剂进出区c与阴极板燃料进出区a′、阴极板冷却剂进出区b′、阴极板助燃剂进出区c′分别对应重合，并且阳极板与阴极板之间的注硅胶膜电极2的两端所设置的膜电极燃料区开口a〞、膜电极冷却剂区开口b〞、膜电极助燃剂区开口c〞分别对应重合于阳极板燃料进出区a、阳极板冷却剂进出区b、阳极板助燃剂进出区c以及阴极板燃料进出区a′、阴极板冷却剂进出区b′、阴极板助燃剂进出区c′，同时，阴极板外密封槽51与阳极板外密封槽31对应重合，阴极板流道58与阳极板流道38对应重合，阴极板内密封槽52与阳极板内密封槽32对应重合，阴极板内密封圈固定脊53与阳极板内密封圈固定脊33相互接触，阳极板内部支撑柱35与阴极板内部支撑柱55相互接触。由此，如图11所示，阳极板燃料进出区a、阴极板燃料进出区a′、膜电极燃料区开口a〞、以及阳极板流道38与阴极板流道58共同形成燃料电池的燃料流道104，阳极板冷却剂进出区b、阴极板冷却剂进出区b′、膜电极冷却剂区开口b〞、以及阳极板流道38与阴极板流道58共同形成燃料电池的冷却剂流道105，阳极板助燃剂进出区c、阴极板助燃剂进出区c′、膜电极助燃剂区开口c〞、以及阳极板流道38与阴极板流道58共同形成燃料电池的助燃剂流道106。

以下结合图7、图8、图9以阳极板为例简要说明双极板1的燃料进出区、冷却剂进出区、助燃剂进出区的具体结构。在阳极板燃料进出区a，阳极板内密封槽32周边设有阳极板燃料进口70，在阳极板冷却剂进出区b，阳极板内密封槽32周边设有阳极板冷却剂进口80，在阳极板助燃剂进出区c，阳极板内密封槽32周边设有阳极板助燃剂进口90，燃料流道104与阳极板燃料进口70连通，冷却剂流道105与阳极板冷却剂进口80连通，助燃剂流道106与阳极板助燃剂进口90连通。

不言而喻，阴极板也设置有相应的阴极板燃料进口、阴极板冷却剂进口、阴极板助燃剂进口。即：在阴极板燃料进出区a′，阴极板内密封槽52周边设有阴极板燃料进口，在阴极板冷却剂进出区b′，阴极板内密封槽52周边设有阴极板冷却剂进口，在阴极板助燃剂进出区c′，阴极板内密封槽52周边设有阴极板助燃剂进口，阴极板燃料进口、阴极板冷却剂进口、阴极板助燃剂进口也分别与燃料流道104、冷却剂流道105、助燃剂流道106连通。

如图10及图2(c)所示，注硅胶膜电极2的形状和尺寸制成为与双极板1相同，在两端均设置有对应于阳极板燃料进出区a、阳极板冷却剂进出区b、阳极板助燃剂进出区c以及阴极板燃料进出区a′、冷却剂进出区b′、助燃剂进出区c′的膜电极燃料区开口a〞、膜电极冷却剂区开口b〞、膜电极助燃剂区开口c〞。注硅胶膜电极2一端的膜电极燃料区开口a〞、膜电极冷却剂区开口b〞、膜电极助燃剂区开口c〞与注硅胶膜电极2另一端的膜电极燃料区开口a〞、膜电极冷却剂区开口b〞、膜电极助燃剂区开口c〞之间为质子膜42、复合于质子膜42正面的第一碳纸43、复合于质子膜42背面的第二碳纸44。

在本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，注硅胶膜电极2采用双密封线一体式注硅胶设计，注硅胶膜电极2的膜电极燃料区开口a〞、膜电极冷却剂区开口b〞、膜电极助燃剂区开口c〞均设置有外密封线101、内密封线102、渗胶线103，具体如图11所示。在由质子膜42、第一碳纸43、第二碳纸44以及位于两端的膜电极燃料区开口a〞、膜电极冷却剂区开口b〞、膜电极助燃剂区开口c〞形成的主体结构外围注硅橡胶从而制备形成双密封线一体式注硅胶膜电极2。上述注硅胶膜电极2设置在双极板1的阳极板与阴极板之间，注硅胶膜电极2的外密封线101处于阳极板外密封槽31与阴极板外密封槽51之间，注硅胶膜电极2的内密封线102处于阳极板内密封槽32与阴极板内密封槽52之间，外密封线101和内密封线102被挤压从而形成外密封圈和内密封圈，注硅胶膜电极2外围表面通过注硅橡胶形成保护膜107。外密封线101、内密封线102、保护膜107将注硅胶膜电极2连接于双极板1并隔离燃料、冷却剂、助燃剂。而且保护膜107可以缓解气流冲击，这样气流对碳纸等的伤害相对减少，也就提高了膜电极的寿命。渗胶线103是硅胶与碳纸和质子膜等连接的部位，阳极板、阴极板分别连接于渗胶线103，渗胶线103与注硅胶膜电极2自身的导体连接，由此实现阳极板和阴极板之间的电连接。

在本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，作为一种具体实施方式，燃料为氢气，助燃剂为氧气或空气。

在本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，作为一种具体实施方式，阳极板与阴极板均采用钣金冲压成型；阳极板流道38与阴极板流道58均为平行直流道，流道阻力小，更有利于燃料、助燃剂和冷却剂流通；燃料和助燃剂采用上进下出的交叉流通路径，使得反应浓度更加均匀，冷却剂采用中进中出的直流道路径，使得冷却剂流速更高、冷却效果更优，因而更利于注硅胶膜电极2并进而整个燃料电池的工作。

优选地，阴极板与阳极板采用0.1mm厚的316l-ti镀层板材冲压成型，通过精密焊接技术将阳极板外密封槽31与阴极板外密封槽51擦焊接在一起，形成双极板1，并将注硅胶膜电极2的外密封线101和内密封线102挤压而形成外密封圈和内密封圈，同时将燃料流道104、冷却剂流道105以及助燃剂流道106完全隔离，解决了双极板1内部串气和漏水问题，也使得双极板1有效面利用率大大提高。

在本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池中，作为一种具体实施方式，注硅胶膜电极2采用双密封线一体式注硅胶设计，结构更加紧凑，密封性更强，活性区域占比更高，装配简单，而且通过保护膜107可以缓解气流冲击，减少气流对碳纸等的伤害，提高了膜电极的寿命，并可以有效提高工作气压提升燃料电池电堆产电功率，有效减小燃料电池电堆的体积和重量。

综上，本发明的具有双密封槽金属双极板与注硅胶膜电极结构的燃料电池至少具有以下有益效果：冲压成型的双极板成本低、量产快，燃料和助燃剂采用上进下出的交叉流通路径，使得反应浓度更加均匀，冷却剂采用中进中出的直流道路径，使得冷却剂流速更高、冷却效果更优，因而更利于注硅胶膜电极并进而整个燃料电池的工作，焊接型双密封槽金属双极板结构紧凑，密封性更好，解决了串气和漏气问题，可以有效提高工作气压，双密封线一体式注硅胶膜电极密封性有保障，电化学反应区域占比更高，装配简单。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

还需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的范围。