一种燃料电池的制作方法

1.本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种新型结构的燃料电池。


背景技术：

2.将燃料电池催化剂涂敷在质子交换膜两侧制备的催化剂/质子交换膜组件，简称ccm(catalyst coated membrane)。ccm是膜电极(mea,membrane electrode assemblies)最核心的部件，这是因为燃料电池的整个电化学反应都是在其上完成的。其作用相当于计算机芯片，因此ccm又被称作燃料电池芯片。目前现有技术中，mea结构均采用是将催化剂涂覆在质子交换膜的两侧组成ccm，再采用热压的方式将气体扩散层热压到ccm两侧组合为mea。在工作时氢气和空气从mea两侧进行加压，将气体通过气体扩散层的微孔扩散到催化层进行反应。双极板在电堆中起到收集电流、分隔燃料和氧化剂、传热、支撑电堆等重要作用。其中，石墨双极板因其具有电、导热性能好、电阻低、耐腐蚀性强、适合批量加工等优点而被广泛应用于质子交换膜燃料电池中。作为处于提供能量核心地位的质子交换膜燃料电池在运行时，会在电池进行电化学反应过程中产生大量热，该热量若得不到及时发散，容易影响电堆的性能稳定。
3.公开号为cn111883796a的发明专利公开了一种石墨双极板及质子交换膜燃料电池，包括两个石墨单元板，每一石墨单元板包括层叠设置的端板及流场板，以在二者的层叠处限定出沿横向并行间隔的多个水浴流道，每一水浴流道包括上下间隔的两个横向段、及连接两个横向段的竖向段；两个石墨单元板其一为阴极板，另一为阳极板。本发明中，在端板及流场板之间设置水浴流道，不干扰流场板与膜电极之间的反应，也即不影响电堆的工作；水浴流道通过两个横向段及竖向段而设置成连通的z字型，在有限的板面内增大水流量同时减小流阻，促进去离子水的顺利流通以利于换热，且便利于对电池进行水热管理，使得电堆持续在适宜温度下运行，有助于提升电堆的稳定性。
4.上述现有技术中，气体流道与液体流道均需要在双极板与双极板的间隙之间折叠行走，有利于散热的情况下无意间增大了电池堆的电阻和损耗。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种整体流体为竖直走势的燃料电池。
6.为了实现创新本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种燃料电池，包含电池堆和外壳，其特征在于：所述的电池堆包含反应板，所述的反应板包含氢平板和空水板，所述的空水板包含反应面和冷却面，所述的冷却面包含设置于冷却面顶部的冷却水进口和设置于冷却面底部的冷却水出口，冷却水进口和出口之间设有竖直直线分布的冷却水流场，所述的冷却面侧部设有气体进口和气体出口，所述的冷却水流场与气体出口和气体进口之间均设有气体过桥通道。冷却水在冷却面中竖直直线分布的走势，配合原先改进的同样竖直走势的气体流道，接触更加充分，具有更好的冷却速度和冷却效率，减少产生的温度
与电阻。所述的空水板的反应面和冷却面为中央区域同一部位的正反面，与质子交换膜接触的一面为反应面，另一面为冷却面，将反应产生的热量传递给冷却水。
7.在上述的燃料电池中，所述的反应板上还设有石墨侧流场。冷却水和气体的流道通过切割好所需形状的石墨条压入反应板中并实现粘结固定。
8.在上述的燃料电池中，所述电池堆还包含侧极板，所述的侧极板包含氢平板侧极板和空水板侧极板。侧极板设置于两端，目的在于封闭流体的通道，设置氢平板侧极板和空水板侧极板分别对应氢平板的封闭和对空水板的封闭，使燃料电池堆内部每种流体都仅有一条流道，剩余的可能泄露的通道会被侧极板封闭，保持电池堆内部各种流道的稳定流通，不会互相干涉。
9.在上述的燃料电池中，所述的氢平板侧极板包含氢气进口空气出口终止端面板。氢气进口空气出口终止端面板里还分为氢气进口通道终止面和空气出口通道终止面，两个面分别用于终止氢气的进口和空气的出口，氢气进口通道终止面与侧极板中央区域间还设有氢气过桥通道，利用氢气过桥通道将流动速度相对较快的氢气利用中央区域可以实现缓冲，所述的空气出口通道终止面面积约为氢气进口通道终止面的两倍。相对的，在氢平板侧极板中，相对氢气出口空气进口终止端面板所在的另一侧为氢气出口通道和空气进口通道，同理氢气出口通道与中央区域之间设有氢气过桥通道，空气进口通道的面积约为氢气出口面积的两倍。
10.在上述的燃料电池中，所述的空水板侧极板包含氢气出口空气进口终止端面板。氢气出口空气进口终止端面包还分为氢气出口通道终止面和空气进口通道终止面，两个面分别用于终止氢气的出口和空气的进口；相对的，在空水板侧极板相对氢气出口空气进口终止端面板的另一侧设有氢气进口通道和空气出口通道，所述的空气出口通道的面积约为氢气进口通道面积的两倍，所述的空气进口通道终止面的面积约为氢气出口通道终止面的两倍。中间没有反应区所以没有过桥通道。
11.在上述的燃料电池中，所述的外壳包含拉杆。拉杆用于拉紧、支撑、密封电池片的作用，将单片的电池片聚成电池堆，还可以在电池受热膨胀体积变大冷却后，协助电池更快的回到原有状态避免影响电池性能。
12.在上述的燃料电池中，所述的拉杆包含中部拉杆和侧部拉杆，所述的中部拉杆用于拉近电池片，所述的侧部拉杆具有拉紧、支撑和密封的作用。
13.在上述的燃料电池中，所述的拉杆还包含侧面拉杆，侧面拉杆用于拉紧、侧面定位和固定。
14.在上述的燃料电池中，所述的外壳还包含单模检测模组。单模检测模组包含安装板和巡检线，还包含连接板，连接板用于将带有巡检线的安装板与燃料电池堆连接，通过将巡检线设置成直接贯穿连接板，巡检线可与燃料电池堆的监测模块连接，然后实时监测各个单电池的电压，安装方便，连接稳定性强，监测容易且精确。
15.在上述的燃料电池中，所述的外壳在电池堆堆叠的方向上设有缓冲垫。缓冲垫包含弹簧，用于缓冲电池的热胀冷缩所带来的膨胀，避免因壳体缺少弹性而因电池的形变而发生形变进而影响电池性能。
16.与现有技术相比，本发明改进了双极板中流体的流道，由“z”字型改进为直流道，接触更加充分，具有更好的冷却速度和冷却效率，减少产生的温度与电阻；设置密封圈跟侧
极板，对电池堆内部的密封性加以保障；设置缓冲垫一能给电池的热胀冷缩留下缓冲的空间二还能利用外壳中的拉杆帮助电池堆冷却后快速收缩，对电池性能的影响降至最低。
附图说明
17.图1是本发明的外壳结构示意图；
18.图2是本发明的电池堆结构示意图；
19.图3是本发明的氢平板和空水板两块反应板的示意图；
20.图4是本发明的空水板的背面即冷却面的示意图；
21.图5是本发明的氢平板侧极板的结构示意图；
22.图6是本发明的空水板侧极板的结构示意图。
23.图中，1、电池堆；2、外壳；3、反应板；31、氢平板；32、空水板；321、反应面；322、冷却面；3221、冷却水进口；3222、冷却水出口；3223、冷却水流场；3224、气体进口；3225、气体出口；3226、气体过桥通道；4、侧极板；41、氢平板侧极板；411、氢气进口空气出口终止端面板；42、空水板侧极板；421、氢气出口空气进口终止端面板；5、拉杆；51、中部拉杆；52、侧部拉杆；53、侧面拉杆；6、单模检测模组；7、缓冲垫。
具体实施方式
24.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
25.具体实施例如图1
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6所示：一种燃料电池，包含电池堆1和外壳2，其特征在于：所述的电池堆1包含反应板3，所述的反应板3包含氢平板31和空水板32，所述的空水板32包含反应面321和冷却面322，所述的冷却面322包含设置于冷却面322顶部的冷却水进口3221和设置于冷却面322底部的冷却水出口3222，冷却水进口3221和出口之间设有竖直直线分布的冷却水流场3223，所述的冷却面322侧部设有气体进口3224和气体出口3225，所述的冷却水流场3223与气体出口3225和气体进口3224之间均设有气体过桥通道3226。冷却水在冷却面322中竖直直线分布的走势，配合原先改进的同样竖直走势的气体流道，接触更加充分，具有更好的冷却速度和冷却效率，减少产生的温度与电阻。所述的空水板32的反应面321和冷却面322为中央区域同一部位的正反面，与质子交换膜接触的一面为反应面321，另一面为冷却面322，将反应产生的热量传递给冷却水。
26.反应板3上还设有石墨侧流场。冷却水和气体的流道通过切割好所需形状的石墨条压入反应板3中并实现粘结固定。
27.在上述的燃料电池中，所述电池堆1还包含侧极板4，所述的侧极板4包含氢平板侧极板41和空水板侧极板42。侧极板4设置于两端，目的在于封闭流体的通道，设置氢平板侧极板41和空水板侧极板42分别对应氢平板31的封闭和对空水板32的封闭，使燃料电池堆1内部每种流体都仅有一条流道，剩余的可能泄露的通道会被侧极板4封闭，保持电池堆1内部各种流道的稳定流通，不会互相干涉。
28.如图5所示：所述的氢平板侧极板41包含氢气进口空气出口终止端面板411。氢气进口空气出口终止端面板411里还分为氢气进口通道终止面和空气出口通道终止面，两个面分别用于终止氢气的进口和空气的出口，氢气进口通道终止面与侧极板4中央区域间还
设有氢气过桥通道，利用氢气过桥通道将流动速度相对较快的氢气利用中央区域可以实现缓冲，所述的空气出口通道终止面面积约为氢气进口通道终止面的两倍。相对的，在氢平板侧极板41中，相对氢气出口空气进口终止端面板421所在的另一侧为氢气出口通道和空气进口通道，同理氢气出口通道与中央区域之间设有氢气过桥通道，空气进口通道的面积约为氢气出口面积的两倍。
29.如图6所示：所述的空水板侧极板42包含氢气出口空气进口终止端面板421。氢气出口空气进口终止端面包还分为氢气出口通道终止面和空气进口通道终止面，两个面分别用于终止氢气的出口和空气的进口；相对的，在空水板侧极板42相对氢气出口空气进口终止端面板421的另一侧设有氢气进口通道和空气出口通道，所述的空气出口通道的面积约为氢气进口通道面积的两倍，所述的空气进口通道终止面的面积约为氢气出口通道终止面的两倍。中间没有反应区所以没有过桥通道。
30.如图1所示，所述的外壳2包含拉杆5。拉杆5用于拉紧、支撑、密封电池片的作用，将单片的电池片聚成电池堆1，还可以在电池受热膨胀体积变大冷却后，协助电池更快的回到原有状态避免影响电池性能。拉杆5包含中部拉杆515和侧部拉杆525，所述的中部拉杆515用于拉近电池片，所述的侧部拉杆525具有拉紧、支撑和密封的作用。拉杆5还包含侧面拉杆535，侧面拉杆535用于拉紧、侧面定位和固定。外壳2还包含单模检测模组6。单模检测模组6包含安装板和巡检线，还包含连接板，连接板用于将带有巡检线的安装板与燃料电池堆1连接，通过将巡检线设置成直接贯穿连接板，巡检线可与燃料电池堆1的监测模块连接，然后实时监测各个单电池的电压，安装方便，连接稳定性强，监测容易且精确。外壳2在电池堆1堆叠的方向上设有缓冲垫7。缓冲垫7包含弹簧，用于缓冲电池的热胀冷缩所带来的膨胀，避免因壳体缺少弹性而因电池的形变而发生形变进而影响电池性能。
31.本燃料电池的工作过程如下：氢气从外部由氢平板侧极板41所在的一端进入电池堆1的内部，氢平板侧极板41另一端为氢气进口自空气出口终止端面板411防止氢气从氢平板侧极板41流出，空气和冷却水从外部由空水板侧极板42所在的一端进入电池堆1的内部，空水板侧极板42另一侧为氢气出口空气进口终止端面板421，防止空气和冷却水流出；氢气和空气流入内部后，流经每块反应板3，在每块反应板3的靠近质子交换膜的反应面321中反应，同时冷却水流经每块空水板32的冷却面322，从冷却面322上侧的冷却水进口3221进入，流经冷却水流场3223，再充分吸收背面的反应区的热量后从冷却水出口3222流出，同时也有空气和氢气经气体进口3224流入冷却面322，经气体过桥通道3226也将热量传递给冷却水，再由气体出口3225流出；反应完毕后的氢气从内部由空水板侧极板42的氢气出口流出，同时反应完毕的空气从氢平板侧极板41的空气出口流出，冷却水也从氢平板侧极板41的冷却水出口3222流出。反应的流程完毕。
32.电池堆1的安装过程如下：电池堆1外部设有外壳2，多片的反应板3堆叠完成后再加上氢平板侧极板41和空水板侧极板42两块侧极板4，由中部拉杆515进行适当的拉近，再由侧部拉杆525进行拉紧和密封，同时还起到支撑的作用，再由侧面拉杆535将单模检测模组6也固定到电池堆1侧部。完成安装。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。
33.本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定
义的范围。