燃料电池的制作方法

本申请涉及电池技术领域，具体涉及一种燃料电池。

背景技术：

燃料电池电堆是将燃料通过电化学反应直接生成电能的装置，是由一片一片燃料电池单电池堆叠而成。燃料电池的单电池主要由双极板、膜电极以及密封件等核心部件组装而成。双极板一面是阳极氢气流道，一面是阴极空气流道。密封垫处在双极板与膜电极之间，将各流场区域进行密封。

密封垫一般是使用硅胶材料，根据密封区的设计预制而成。燃料电池组装时，通过压机压紧燃料电池两端的端板，受到两端的压力，双极板、膜电极、密封垫都产生相应的变形。密封垫压缩后的厚度应该是双极板朝向膜电极一侧的流道厚度与膜电极朝向双极板一侧的厚度之和。密封垫压缩后，与两侧的双极板紧紧贴合，形成密封区。

当前技术存在两个问题，第一个是双极板的边缘直接暴露于外侧，存在短路的风险；第二个是装堆时由于结构的弹性，导致整体结构不稳定，容易在组装端板的压力垂直方向错位。

不论是什么材质的双极板，其必然存在的特性是良好的导电率。质子膜交换燃料电池单电池的开路电压为1v左右，工作时额定电压约为0.5～0.7v。直接暴露在外，短路时可能会导致燃料电池电路过载烧毁。一般的解决方案是在外侧再加上外壳，外壳与电堆接触部分必须是不导电的绝缘层。这样外加的外壳一般会比较笨重，采用机加工、压铸或者钣金的方式实现，成本较高。

电堆组装的结构稳定性对于产品来说非常重要。密封垫、膜电极、双极板在压力作用下都存在弹性形变，整个电堆可以认为是一个弹簧，如果组装或使用过程中受力不平衡，内部的弹力会倾向于破坏整个电堆的平衡。由于金属双极板相对于石墨双极板更薄，相对而言密封垫的厚度占比更大，金属板更容易变形，所以出现错位的可能性更高。

技术实现要素：

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种燃料电池，能够有效增强电堆的抗形变能力，降低电堆的错位可能性，提高燃料电池的结构稳定性。

为了解决上述问题，本申请提供一种燃料电池，包括叠置的膜电极和双极板，膜电极和双极板之间在外边缘位置处设置有密封垫，密封垫在膜电极和双极板之间形成周向密封，双极板包括伸出密封垫外侧的伸出边缘，伸出边缘上固定连接有绝缘框。

优选地，绝缘框沿双极板的周向延伸，密封垫位于绝缘框的内周侧。

优选地，绝缘框的内周壁与密封垫的外周壁接触。

优选地，绝缘框与双极板之间成型为一体。

优选地，绝缘框与双极板之间注塑成型为一体或者模压成型为一体。

优选地，双极板与绝缘框相配合的伸出边缘设置有凹槽、凸起和/或通孔。

优选地，绝缘框的刚度大于密封垫的刚度。

优选地，绝缘框的厚度等于压缩后的单电池厚度。

优选地，绝缘框为多个，多个绝缘框叠置，相邻的绝缘框之间紧密贴合在一起。

本申请提供的燃料电池，包括叠置的膜电极和双极板，膜电极和双极板之间在外边缘位置处设置有密封垫，密封垫在膜电极和双极板之间形成周向密封，双极板包括伸出密封垫外侧的伸出边缘，伸出边缘上固定连接有绝缘框。该燃料电池在双极板的伸出边缘固定设置绝缘框，能够利用绝缘框对于双极板起到绝缘和结构加强的作用，同时在增加绝缘框之后，电堆组装压合的压力可以提升，增加的压力大部分分布在绝缘框上，减小了密封垫的承力强度，降低密封垫受力过程中的形变量，也能够避免施加至膜电极的压合压力过大导致膜电极压缩过度，绝缘框还能够对双极板形成有效限位，有利于实现整个电堆的平衡，能够有效增强电堆的抗形变能力，降低电堆的错位可能性，提高燃料电池的结构稳定性。

附图说明

图1为本申请实施例的燃料电池的分解结构示意图；

图2为本申请实施例的燃料电池的绝缘框与双极板的配合结构示意图；

图3为本申请实施例的燃料电池的双极板的立体结构示意图；

图4为本申请实施例的燃料电池的单电池的分解结构示意图。

附图标记表示为：

1、膜电极；2、双极板；3、密封垫；4、绝缘框；5、伸出边缘；6、通孔；7、上端板；8、下端板。

具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，燃料电池包括叠置的膜电极1和双极板2，膜电极1和双极板2之间在外边缘位置处设置有密封垫3，密封垫3在膜电极1和双极板2之间形成周向密封，双极板2包括伸出密封垫3外侧的伸出边缘5，伸出边缘5上固定连接有绝缘框4。

该燃料电池在双极板2的伸出边缘5固定设置绝缘框4，能够利用绝缘框4对于双极板2起到绝缘和结构加强的作用，同时在增加绝缘框4之后，电堆组装压合的压力可以提升，增加的压力大部分分布在绝缘框4上，减小了密封垫3的承力强度，降低密封垫3受力过程中的形变量，也能够避免施加至膜电极1的压合压力过大导致膜电极1压缩过度，绝缘框4还能够对双极板2形成有效限位，有利于实现整个电堆的平衡，能够有效增强电堆的抗形变能力，降低电堆的错位可能性，提高燃料电池的结构稳定性。

在本申请中，绝缘框4的主要作用在于，分担密封垫3所受到的压力，从而减小密封垫3的弹力，进而减小双极板的变形量，减小发生错位的可能性，提高电堆组装的稳定性。密封垫3压缩后紧紧压在双极板2和膜电极1之间，起到了将气体和液体流道密封的作用。

绝缘框4沿双极板2的周向延伸，密封垫3位于绝缘框4的内周侧。由于绝缘框4和密封垫3均是沿双极板2的周向延伸，因此可以利用密封垫3实现对双极板2与膜电极1之间的周向密封，同时利用位于密封垫3外周侧的绝缘框4在双极板2的周向对双极板2和膜电极1形成支撑，避免密封垫3受力过大而导致弹力过大而导致组装过程中受力不平衡，破坏整个电堆的平衡。

优选地，绝缘框4的内周壁与密封垫3的外周壁接触。由于绝缘框4的内周壁和密封垫3的外周壁接触，因此可以通过这种接触使得绝缘框4与密封垫3之间相互形成约束，既可以利用密封垫3对绝缘框4形成止挡，使得绝缘框4能够更加有效地对双极板2形成限位，有效防止双极板2发生形变而导致错位，又可以利用绝缘框4对密封垫3的形变形成限制，有效避免密封垫3受压过程中发生受力不平衡的现象，提高电堆结构的稳定性。

在本实施例中，绝缘框4与双极板2之间成型为一体。

具体而言，绝缘框4与双极板2之间注塑成型为一体或者模压成型为一体。当绝缘框4与双极板2之间注塑成型为一体时，也可以使得绝缘框4与双极板2之间形成更加良好的结构一致性，更加有利于利用绝缘框4对双极板2形成有效支撑，防止双极板2受力变形而发生错位。同时当绝缘框4与双极板2之间注塑成型为一体时，还可以使得绝缘框4与密封垫3之间形成良好的接触，更加有效地避免密封垫3发生受力不平衡的问题。

为了更进一步提高绝缘框4与双极板2之间的连接结构的稳定性和可靠性，双极板2与绝缘框4相配合的伸出边缘5设置有凹槽、凸起和/或通孔6。当双极板2上设置凹槽、凸起或者通孔6时，在将绝缘框4与双极板2成型为一体时，绝缘框4会根据双极板2上的结构发生相应的形变，使得绝缘框4上形成与凹槽配合的凸起、与凸起配合的凹槽或者与通孔6配合的填充柱等，从而使得绝缘框4与双极板2之间的结合形态发生变化，结合更加紧密。

在本实施例中，在双极板2的伸出边缘5上增加了通孔，在绝缘框4成型时，处于双极板2上下方向的绝缘材料通过通孔6连接，与双极板2之间形成嵌套的结构，从而有效增加连接强度，防止发生绝缘框4脱落的现象。

优选地，绝缘框4的刚度大于密封垫3的刚度，从而能够在绝缘框4和密封垫3同时承压的过程中，使得绝缘框4能够承受更大的作用力，降低密封垫3的受力变形。

绝缘框4的材料，需要绝缘性、机械性能、耐腐蚀、耐高低温、耐老化、耐酸碱、阻燃性能好。双极板2的绝缘框4在电堆组装后，在外层相互堆叠形成外壳，需要有一定的机械强度。

绝缘框4的厚度，需要经过精确的计算，约等于压缩后的单电池的厚度。当压力将电堆压到位后，由于绝缘框4的弹性形变较小，则后续再增加的压力大部分都加载在绝缘框4上，一方面防止过大的压力导致膜电极1压缩过度，另一方面较大的压力压在绝缘框4上，会提升整体结构的稳定性。

绝缘框4为多个，多个绝缘框4叠置，相邻的绝缘框4之间紧密贴合在一起。

当燃料电池组装完成后，绝缘框4在双极板2周围形成一层绝缘外壳，防止短路烧毁电堆。另外增加绝缘框4后，电堆组装压合的压力可以提升，增加的压力大部分分布在绝缘框4上，在电堆外围形成一层稳定的结构，提升了整个电堆的稳定性。

密封垫3选择弹性比较好的橡胶、硅胶材料，主要起到密封的作用；绝缘框4选择刚度和耐候性、绝缘性比较好的橡胶或者树脂材料，主要起到绝缘和结构加强的作用。

一般双极板2的厚度约为1.0mm～1.1mm，膜电极1压缩后的厚度约为略小于0.5mm，实际绝缘框4的厚度应为1.5mm。考虑到与双极板2粘合连接的稳定性，优选地，绝缘框4与双极板2粘合的宽度为2mm以上。绝缘框4整体的宽度，优选4mm以上，以保证组装后整体结构的稳定性。

考虑到绝缘框4的厚度可能小于2mm，一般倾向于固化前流动性较好的材料，容易通过注塑工艺实现，可以提升生产效率。同时要考虑到燃料电池的使用环境，能够耐高低温、耐候、耐腐蚀、阻燃等特性。比较合适的材料例如为三元乙丙橡胶，聚四氟乙烯，聚酰亚胺或者聚酰胺树脂，以及其他高性能的工程塑料。

燃料电池还包括上端板7和下端板8，在进行组装时，通过压力将上端板7和下端板8向中间压缩，压缩后的两个双极板的中间密封垫厚度等于压缩后的双极板朝向膜电极一侧的流道厚度与膜电极朝向双极板一侧的厚度之和。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。