一種燃料電池電堆的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及燃料電池領域，特別是指一種燃料電池電堆。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種將儲存在氫燃料和氧化劑(氧氣)中的化學能直接轉化為電能的裝置。基本原理是氫氣和氧氣(空氣)分別發生氧化和還原反應，生成水，產生熱能和電能。具有能量轉換效率高、低溫啟動、環境友好、低噪音、安全可靠、比功率和比能量密度高等突出優點。在移動電源、固定電站及交通運輸領域都具有良好的應用前景，被認為最具有潛力的解決環境污染、能源危機的有效手段之一，受到國內外政府、車企以及科技工作者的重點關注。
[0003]燃料電池電堆通常由多個單電池按照壓濾機方式串聯而成，單電池包括膜電極、金屬雙極板及密封件。膜電極位于金屬雙極板之間，是氫燃料和氧化劑反應的場合，膜電極包括質子交換膜和電極，電極有陰極和陽極，每個電極都包含有催化劑層和氣體擴散層，質子交換膜位于陰極和陽極之間。在膜電極的四周設置用于密封膜電極的密封件，防止氣體內漏和外泄。金屬雙極板的作用為支撐膜電極、均勻分配反應氣體、收集電流并導出電能以及阻隔反應氣等，重量約占據單電池重量的80%。
[0004]目前，為了提高電池的重量比功率及體積比功率，金屬雙極板厚度朝著極薄方向發展，通常只有零點幾個毫米。另外，位于兩片雙極板之間的膜電極厚度也很小，自然狀態下即未被壓縮時也不會超過1毫米，在組裝燃料電池電堆壓緊時又會被壓縮30%左右。對于大功率電池尤其是車用電池，為了獲得合適的功率和電壓，電池一般由幾百片單電池組成，即有幾百片雙極板，而且單池活性面積較大，通常有上百平方厘米。因此，組裝電池時稍有偏差或者錯位，兩片雙極板或多片雙極板會因接觸而起短路燒壞雙極板，甚至高溫熔化密封件和膜電極，引起起火、爆炸等更嚴重現象。另外，電池使用過程中也會發生密封件變薄、膜電極副圈損壞現象，從而導致電池短路，極其危險。

【發明內容】

[0005]有鑒于此，本發明的目的在于提出一種燃料電池電堆，能夠降低短路風險，提高燃料電池電堆的安全性和可靠性。
[0006]基于上述目的本發明提供的燃料電池電堆，包括多個單電池層疊而成，所述單電池包括金屬雙極板、膜電極和密封件，所述金屬雙極板包括兩塊尺寸相同的流場板構成的陰極板和陽極板，所述流場板的四邊分別設置絕緣套，所述絕緣套設有用于與所述流場板的邊緣卡接的卡槽。
[0007]所述膜電極夾在陰極板和陽極板之間，且被陰極板和陽極板壓制，所述陰極板和陽極板上在環繞所述膜電極的四周設置有密封槽，所述密封槽內填充用于密封膜電極四邊的密封件。
[0008]在本發明的一個實施例中，所述絕緣套包括兩個側壁和橫板，其中一個側壁的一端與另一個側壁的一端通過橫板連接形成所述卡槽，所述燃料電池電堆緊縮壓緊后，兩個側壁的厚度之和小于或等于所述陰極板邊緣至陽極板邊緣的距離。
[0009]在本發明的另一個實施例中，所述卡槽的形狀與流場板邊緣形狀相吻合，所述卡槽的深度等于流場板的邊線至密封件的垂直距離，所述卡槽的開度與流場板的厚度相匹配。
[0010]在本發明的另一個實施例中，所述卡槽的橫截面為矩形。
[0011]在本發明的另一個實施例中，所述絕緣套采用耐受80?100°C的絕緣材料。
[0012]可選地，所述絕緣材料為聚四氟乙烯或環氧樹脂。
[0013]從上面所述可以看出，本發明提供的燃料電池電堆，通過在金屬雙極板的邊緣設置絕緣套，有效地防止金屬雙極板的接觸，降低燃料電池電堆短路風險，提高燃料電池電堆的安全性和可靠性。此外，絕緣套的卡槽尺寸以及側壁厚度分別與金屬雙極板的邊緣和金屬雙極板之間的垂直距離匹配良好，既能保證燃料電池電堆的良好密封性，又能保證膜電極的電極與金屬雙極板的良好接觸，避免因接觸不良而增加燃料電池內阻，降低電池發電能力。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例燃料電池的單電池主視圖；
[0015]圖2為本發明實施例單塊設有絕緣套的流場板俯視圖；
[0016]圖3為本發明實施例絕緣套主視圖；
[0017]圖4為本發明實施例絕緣套側視圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0019]本發明實施例提供的燃料電池電堆包括多個單電池層疊而成。參照圖1，其為本發明實施例燃料電池的單電池主視圖，該單電池5包括:膜電極4、陰極板301、陽極板302以及絕緣套1。所述膜電極4設置在陰極板301和陽極板302之間，陰極板301和陽極板302是由兩塊尺寸相同的流場板3構成，在每塊所述流場板3的四邊分別設置絕緣套1。其中，所述陰極板301和陽極板302共同構成金屬雙極板。
[0020]參見圖2所示，其為本發明實施例單塊設有絕緣套的流場板俯視圖，在所述流場板3表面環繞所述膜電極4的四周設置密封件2，所述密封件2被填充于設置在所述流場板3表面的密封槽內，密封件2可以為密封膠或密封圈等，用于密封所述膜電極4四邊，防止氣體泄漏。本實施例提供的燃料電堆電堆，在金屬雙極板的邊緣設置絕緣套能夠防止因金屬雙極板接觸而引起燃料電池電堆的短路，提高燃料電池電堆的安全性和可靠性。由于絕緣套的保護，即使在金屬雙極板錯位或者膜電極邊緣損壞情況下，金屬雙極板也無法因接觸而短路。
[0021]參照圖3所示，其為本發明實施例絕緣套主視圖，所述絕緣套1設有用于與流場板3的邊緣卡接的卡槽101。作為一個實施例，結合圖2所示，所述卡槽101的形狀與流場板3的邊緣形狀相吻合，所述卡槽101的深度等于流場板3的邊線至密封件2的垂直距離，使所述絕緣套1能夠與密封件2的邊緣恰好接觸，起到更好的密封效果，所述卡槽101的開度與流場板3的厚度相匹配。
[0022]參照圖4所示，其為本發明實施例絕緣套側視圖，所述絕緣套1包括兩個側壁102和橫板103，其中一個側壁102的一端與另一個側壁102的一端通過橫板103連接形成所述卡槽101。作為另一個實施例，所述卡槽101的橫截面為矩形。
[0023]參照圖3并結合圖1所示，所述燃料電池電堆緊縮壓緊后，兩個側壁102的厚度之和小于或等于所述陰極板301邊緣至陽極板302邊緣的距離。即在燃料電池電堆壓緊后，絕緣套1既不能影響膜電極4的電極與金屬雙極板接觸，也不能影響燃料電池電堆的密封。
[0024]作為本發明的另一個實施例，所述絕緣套采用能夠耐受80?100°C高溫的絕緣材料，所述絕緣材料可以為聚四氟乙烯或環氧樹脂等，不易老化，使用壽命長。
[0025]由此可見，本發明提供的燃料電池電堆，通過在金屬雙極板的邊緣設置絕緣套，有效地防止金屬雙極板的接觸，降低燃料電池電堆短路風險，提高燃料電池電堆的安全性和可靠性。此外，絕緣套的卡槽尺寸以及側壁厚度分別與金屬雙極板的邊緣和金屬雙極板之間的垂直距離匹配良好，既能保證燃料電池電堆的良好密封性，又能保證膜電極的電極與金屬雙極板的良好接觸，避免因接觸不良而增加燃料電池內阻，降低電池發電能力。
[0026]所屬領域的普通技術人員應當理解:以上任何實施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權利要求)被限于這些例子；在本發明的思路下，以上實施例或者不同實施例中的技術特征之間也可以進行組合，步驟可以以任意順序實現，并存在如上所述的本發明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細節中提供。因此，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何省略、修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種燃料電池電堆，其特征在于，包括多個單電池層疊而成，所述單電池包括金屬雙極板、膜電極和密封件，所述金屬雙極板包括兩塊尺寸相同的流場板構成的陰極板和陽極板，所述流場板的四邊分別設置絕緣套，所述絕緣套設有用于與所述流場板的邊緣卡接的卡槽； 所述膜電極夾在陰極板和陽極板之間，且被陰極板和陽極板壓制，所述陰極板和陽極板上在環繞所述膜電極的四周設置有密封槽，所述密封槽內填充用于密封膜電極四邊的密封件。2.根據權利要求1所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述絕緣套包括兩個側壁和橫板，其中一個側壁的一端與另一個側壁的一端通過橫板連接形成所述卡槽，所述燃料電池電堆緊縮壓緊后，兩個側壁的厚度之和小于或等于所述陰極板邊緣至陽極板邊緣的距離。3.根據權利要求1所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述卡槽的形狀與流場板邊緣形狀相吻合，所述卡槽的深度等于流場板的邊線至密封件的垂直距離，所述卡槽的開度與流場板的厚度相匹配。4.根據權利要求3所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述卡槽的橫截面為矩形。5.根據權利要求1所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述絕緣套采用耐受80?100 °C的絕緣材料。6.根據權利要求5所述的燃料電池電堆，其特征在于，所述絕緣材料為聚四氟乙烯或環氧樹脂。
【專利摘要】本發明公開了一種燃料電池電堆，包括多個單電池層疊而成，所述單電池包括金屬雙極板、膜電極和密封件，所述金屬雙極板包括兩塊尺寸相同的流場板構成的陰極板和陽極板，所述流場板的四邊分別設置絕緣套，所述絕緣套設有用于與所述流場板的邊緣卡接的卡槽。所述膜電極夾在陰極板和陽極板之間，且被陰極板和陽極板壓制，所述陰極板和陽極板上在環繞所述膜電極的四周設置有密封槽，所述密封槽內填充用于密封膜電極四邊的密封件。本發明提供的燃料電池電堆能夠降低短路風險，提高燃料電池電堆的安全性和可靠性。
【IPC分類】H01M8/2465, H01M8/0276, H01M8/247
【公開號】CN105355941
【申請號】CN201510661244
【發明人】宋艷平, 翟俊香, 顧艷, 張寶春, 靳殷實
【申請人】航天新長征電動汽車技術有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月14日