一种燃料电池电堆的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池电堆。


背景技术：

2.燃料电池利用燃料与氧气生成水的化学转化用于产生电能，包含有作为核心组件的膜电极单元。膜电极单元是由可传导质子的膜和分别布置在膜两侧的电极(阳极和阴极)构成的联合体。此外，气体扩散层(gdl)可以设置在膜电极单元两侧、布置在电极的背向膜的侧面上。燃料电池一般由大量的、堆叠布置的膜电极单元构成，这些膜电极单元的电功率相互叠加。
3.在燃料电池工作中，燃料、尤其是氢气h2或者含氢气的混合气被导向阳极，在阳极进行h2向h

的电化学式氧化以释放出电子。通过电解质或者使反应室气密地相互分开的并且电绝缘的膜使质子h

从阳极室向阴极室的(与水结合的或者不含水的)输送，在阳极制备的电子通过电路导向阴极。氧气或者含氧的混合气被导向阴极，以便通过吸收电子完成从o2到o
2-的还原，同时在阴极室该氧离子与通过膜输送的质子反应生成水。相比于其他的发电系统，燃料电池通过化学能直接向电能转化，由于不必考虑卡诺因子而实现了更好的效率。
4.传统的燃料电池由多个双极板膜电极单元堆叠构成，双极板中的冷却水流场由两块带有水流道的单极板粘合而成，这种结构的双极板由于使用两块单极板贴合为一块双极板，所以在阴阳极板之间存在接触电阻，燃料电池的欧姆损耗也较大。


技术实现要素：

5.基于此，本实用新型提供一种燃料电池电堆，旨在解决传统燃料电池通过极板和膜电极上下堆叠而存在接触电阻、电池欧姆损耗较大等问题。本技术能够在不影响气流分布均匀性的前提下，有效提高极板的有效面积和功率密度，消除阴阳极板由于上下堆叠而产生的接触电阻，有效降低燃料电池的欧姆阻抗，进一步提高燃料电池的功率密度。
6.为实现上述目的，本实用新型提供一种燃料电池电堆，包括多个串联连接的燃料电池单元，所述燃料电池单元包括串联连接的第一燃料电池单元和第二燃料电池单元；
7.所述第一燃料电池单元包括自上而下设置的第一上边框、第一阴极板、第一膜组件、第一阳极板和第一绝缘边框；
8.所述第二燃料电池单元包括自上而下设置的第二绝缘边框、第二阴极板、第二膜组件、第二阳极板和第一下边框；
9.所述第一阳极板和所述第二阴极板一体成型设置；
10.所述第二膜组件和所述第一绝缘边框相抵接；所述第一膜组件和所述第二绝缘边框相抵接。
11.进一步地，所述燃料电池电堆还包括与所述第一阴极板一体成型设置的第三阳极板，所述第三阳极板与所述第二绝缘边框相抵接；所述第三阳极板与负载的正极连接。
12.进一步地，所述第三阳极板的顶端设置有与所述第一上边框一体成型设置的第二上边框，且所述第二上边框与所述第三阳极板相抵接。
13.进一步地，所述燃料电池电堆还包括与所述第二阳极板一体成型设置的第三阴极板，所述第三阴极板与所述第一绝缘边框相抵接；所述第三阴极板与负载的负极连接。这样，通过第三阳极板、第三阴极板与负载的正负极连接，起到导电的作用。
14.进一步地，所述第三阴极板的底端设置有与所述第一下边框一体成型设置的第二下边框，且所述第二下边框与所述第三阴极板相抵接。
15.进一步地，所述第一膜组件包括自上而下设置的第一碳纸、第一质子膜和第二碳纸；所述第二膜组件包括自上而下设置的第三碳纸、第二质子膜和第四碳纸。
16.进一步地，所述第一阴极板和所述第一阳极板之间、所述第二阴极板和所述第二阳极板之间均设置有第二绝缘边框；所述第二绝缘边框设置于所述第一阴极板与所述第一阳极板的边缘，或者，所述第二绝缘边框设置于所述第二阴极板与所述第二阳极板的边缘。
17.进一步地，所述边缘为距离所述第一阴极板/所述第一阳极板/所述第二阴极板/所述第二阳极板的边界3mm-6mm的区域。
18.进一步地，所述第一绝缘边框和所述第二绝缘边框上均设置有第一密封胶线。
19.进一步地，所述第一阴极板与所述第一上边框之间、所述第三阳极板与所述第二上边框之间、所述第三阴极板与所述第二下边框之间、所述第二阳极板与所述第一下边框之间均设置有第二密封胶线。
20.进一步地，所述第一燃料电池单元和所述第二燃料电池单元具有相互独立设置的流道；所述流道包括氢气流道、氧气流道和冷却液流道。
21.进一步地，所述第一阴极板靠近所述第一上边框的侧面上、所述第二阴极板靠近所述第二绝缘边框的侧面上、以及所述第三阴极板靠近所述第一绝缘边框的侧面上均设置有冷却液流道。
22.进一步地，所述第一阴极板靠近所述第一膜组件的侧面上、所述第二阴极板靠近所述第二膜组件的侧面上、以及所述第三阴极板靠近所述第二下边框的侧面上均设置有氢气流道。
23.进一步地，所述第一阳极板靠近所述第一膜组件的侧面上、所述第二阳极板靠近所述第二膜组件的侧面上、以及所述第三阳极板靠近所述第二上边框的侧面上均设置有氧气流道。
24.相对于现有技术，本技术具有如下技术效果：本技术通过将双极板由上下结构改为左右结构，使得燃料电池极板由狭长的结构改为方形结构，在不影响气流分布均匀性的前提下，可以很好的提高极板的有效面积，从而提高燃料电池的功率密度；由于双极板采用一体成型的左右结构，消除了传统上下结构双极板的接触电阻，有效降低燃料电池的欧姆阻抗，从而进一步提高了燃料电池电堆的整体功率密度。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
26.图1为本实用新型实施例中燃料电池电堆的纵向剖面结构示意图；
27.图2为图1的燃料电池电堆的第一燃料电池单元的纵向剖面结构示意图；
28.图3为图1的燃料电池电堆的第二燃料电池单元的纵向剖面结构示意图。
29.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。
31.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
32.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“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。
34.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
35.目前，传统燃料电池由多个双极板膜电极堆叠形成，双极板中的冷却水流场由两块带有水流道的单极板粘合而成，这种结构的双极板由于使用两块单极板贴合为一块双极板，所以在阴阳极板之间存在接触电阻，增加了燃料电池的欧姆损耗。基于此，有必要提供一种燃料电池电堆以解决上述技术问题。
36.本实用新型提供的一种燃料电池电堆，旨在解决传统燃料电池通过极板和膜电极上下堆叠而存在接触电阻、电池欧姆损耗较大等问题。本技术能够在不影响气流分布均匀性的前提下，有效提高极板的有效面积和功率密度，消除阴阳极板由于上下堆叠而产生的接触电阻，有效降低燃料电池的欧姆阻抗，进一步提高燃料电池电堆的整体功率密度。
37.具体的，如图1至图3所示，本实用新型实施例提供一种燃料电池电堆，包括多个串联连接的燃料电池单元，所述燃料电池单元包括串联连接的第一燃料电池单元10和第二燃
料电池单元20；
38.所述第一燃料电池单元10包括自上而下设置的第一上边框11、第一阴极板12、第一膜组件13、第一阳极板14和第一绝缘边框15；
39.所述第二燃料电池单元20包括自上而下设置的第二绝缘边框21、第二阴极板22、第二膜组件23、第二阳极板24和第一下边框25；
40.所述第一阳极板14和所述第二阴极板22一体成型设置；
41.所述第二膜组件23和所述第一绝缘边框15相抵接；所述第一膜组件13和所述第二绝缘边框21相抵接。
42.进一步地，所述燃料电池电堆还包括与所述第一阴极板12一体成型设置的第三阳极板30，所述第三阳极板30与所述第二绝缘边框21相抵接；所述第三阳极板30与负载(图中未标识)的正极连接。
43.进一步地，所述第三阳极板30的顶端设置有与所述第一上边框11一体成型设置的第二上边框40，且所述第二上边框40与所述第三阳极板30相抵接。
44.进一步地，所述燃料电池电堆还包括与所述第二阳极板24一体成型设置的第三阴极板50，所述第三阴极板50与所述第一绝缘边框15相抵接；所述第三阴极板50与负载的负极连接。这样，通过第三阳极板、第三阴极板与负载的正负极连接，起到导电的作用。
45.进一步地，所述第三阴极板50的底端设置有与所述第一下边框25一体成型设置的第二下边框60，且所述第二下边框60与所述第三阴极板50相抵接。
46.进一步地，所述第一膜组件13包括自上而下设置的第一碳纸131、第一质子膜132和第二碳纸133；所述第二膜组件23包括自上而下设置的第三碳纸231、第二质子膜232和第四碳纸233。
47.进一步地，所述第一阴极板12和所述第一阳极板14之间、所述第二阴极板22和所述第二阳极板24之间均设置有第三绝缘边框70；所述第三绝缘边框70设置于所述第一阴极板12与所述第一阳极板14的边缘，或者，所述第三绝缘边框70设置于所述第二阴极板22与所述第二阳极板24的边缘。
48.进一步地，所述边缘为距离所述第一阴极板12/所述第一阳极板14/所述第二阴极板22/所述第二阳极板24的边界3mm-6mm的区域。
49.进一步地，所述第一绝缘边框15、所述第二绝缘边框21以及所述第三绝缘边框70上均设置有第一密封胶线80。
50.进一步地，所述第一阴极板12与所述第一上边框11之间、所述第三阳极板30与所述第二上边框40之间、所述第三阴极板50与所述第二下边框60之间、所述第二阳极板24与所述第一下边框25之间均设置有第二密封胶线90。
51.进一步地，所述第一燃料电池单元10和所述第二燃料电池单元20具有相互独立设置的流道；所述流道包括氢气流道a、氧气流道b和冷却液流道c。
52.进一步地，所述第一阴极板12靠近所述第一上边框11的侧面上、所述第二阴极板22靠近所述第二绝缘边框70的侧面上、以及所述第三阴极板50靠近所述第一绝缘边框15的侧面上均设置有冷却液流道c。
53.进一步地，所述第一阴极板12靠近所述第一膜组件13的侧面上、所述第二阴极板22靠近所述第二膜组件23的侧面上、以及所述第三阴极板50靠近所述第二下边框60的侧面
上均设置有氢气流道a。
54.进一步地，所述第一阳极板14靠近所述第一膜组件13的侧面上、所述第二阳极板24靠近所述第二膜组件23的侧面上、以及所述第三阳极板30靠近所述第二上边框40的侧面上均设置有氧气流道b。
55.本技术通过将双极板由上下结构改为左右结构，使得燃料电池极板由狭长的结构改为方形结构，在不影响气流分布均匀性的前提下，可以很好的提高极板的有效面积，从而提高燃料电池的功率密度；由于双极板采用一体成型的左右结构，消除了传统上下结构双极板的接触电阻，有效降低燃料电池的欧姆阻抗，从而进一步提高了燃料电池电堆的整体功率密度。
56.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。