一种燃料电池及燃料电池堆的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池及燃料电池堆。

背景技术：

1、燃料电池作为一种高效、环保的能源转换技术，其工作原理是通过氢气和氧气的电化学反应产生电能，同时生成水。在燃料电池中，双极板和膜电极组件(membraneelectrode assembly,mea)是构成电池的核心部件。双极板与mea之间形成密封空间，该空间被分为三个主要区域：活性区、气体分配区和过桥区。双极板不仅起到支撑mea的作用，还具备气体分配、电子收集、热量传导以及排水等功能。

2、金属双极板因其高强度、高导电性和高热导率而备受关注，但其在气体进出口的过桥结构设计和密封性能方面存在挑战。传统金属双极板通常采用在气体进出口焊接过桥垫片的方法，以支撑双极板内的密封件并作为反应气体的进出通道。然而，这种方法存在以下局限性：

3、(1)结构不稳定：焊接的过桥垫片在燃料电池长期使用情况下，可能导致过桥区的压缩变形或塌陷，从而导致气体分配不均和密封泄露，进而影响电池的一致性和寿命。

4、(2)存在气体流动死区：焊接的过桥垫片由于与指形流道有高度差，导致过桥区存在结构断差，易形成气体流动死区，压阻较大，使液态水积聚，不利于气体和水的流动；且过桥垫片由于手工焊接，在不同的金属双极板上存在位置偏差，其与密封圈形成的边缘气体流道存在宽度过大或过小的情况，影响气体和液态水的流阻，从而进一步影响气体分配的均匀性。

5、同时，现有商用金属双极板，采用两板三腔的结构形式，由于上述问题，摒弃焊接过桥垫片方式，采用双过桥方式，但存在以下缺点：

6、双过桥方式中，阴极板和阳极板的过桥区均有波浪形支撑结构，阴阳极板过桥区共同焊接组成过桥结构。在该过桥结构中，气体需从焊接的金属双极板间腔体进入活性区，因此为保障气体通过，必须保证阴极板和阳极板上的密封圈是错位结构，这使得相邻的金属双极板为旋转对称设计。由此，在堆叠过程中，为保证密封性及膜电极边框无剪切，需间隔旋转金属双极板180°，以使膜电极两侧密封圈位置相同，这一步骤增加了装配复杂性。同时，密封圈也存在着在长期服役过程中压缩变形量不均匀而导致的密封泄露风险。

7、综上所述，亟需设计一种新的燃料电池过桥结构，以克服上述挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是设计一种在保证气体分配均匀性的前提下，能够提升过桥区密封性，同时简化燃料电池装配工艺的燃料电池的过桥结构。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池，包含金属双极板和膜电极，所述金属双极板与膜电极之间形成过桥区、气体分配区和活性区，所述金属双极板由包含阳极板和阴极板，所述阴极板、阳极板和膜电极上均设有若干气体进出口；

3、在所述金属双极板上设有若干条形凸起及环状凸起；所述条形凸起位于至少一所述气体进出口与其对应的气体分配区之间；相邻的所述条形凸起形成沿气流方向延伸的流道；所述环状凸起围设在所述气体进出口与其对应的所述条形凸起外；在所述环状凸起外围设有密封圈；

4、所述膜电极的过桥区设有若干通孔；

5、所述金属双极板的条形凸起和膜电极的通孔组合形成过桥结构，所述过桥结构用于流体通过；

6、所述气体进出口包含第一气体进口、第一气体出口、第二气体进口、第二气体出口；

7、所述燃料电池的气体流通方式包含：

8、空气或氧气从阳极板上的第一气体进口进入，通过过桥结构后流入阴极板的气体分配区，再进入的阴极板的活性区发生还原反应；再通过过桥结构，自阳极板的第一气体出口流出；

9、和/或，氢气从阴极板上的第二气体进口进入，通过所述过桥结构后流入阳极板的气体分配区，再进入阳极板的活性区发生氧化反应；再通过过桥结构，自阴极板的第二气体出口流出。

10、进一步地，所述的条形凸起与双极板一体成型。

11、进一步地，所述的条形凸起与反应气体流道的高度差为压缩后膜电极的活性区厚度减去膜电极边框厚度的一半。

12、进一步地，所述的通孔的形状可为条形、椭圆形、圆形或腰形中的任意一种。

13、进一步地，所述的通孔的宽度与气体分配区的指形流道的宽度相同。

14、进一步地，所述的阴极板和阳极板均设置有指形流道，位于气体分配区；所述的通孔的长度为条形凸起和指形流道的在空间布局上的重叠区的长度。

15、进一步地，所述的通孔的数量小于条形凸起的数量，且所述的通孔的数量等于指形流道的数量。

16、进一步地，所述的通孔与条形凸起的空间位置关系可为平行或垂直。

17、进一步地，所述的阳极板或阴极板的正面及膜电极之间包含密封圈，所述条形凸起位于所述密封圈的下部，起支撑作用，防止过桥区压溃。

18、本发明还提供了一种燃料电池堆，包含：若干上述的燃料电池，所述燃料电池层叠设置，串联连接。

19、相对于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：

20、(1)本发明提供的燃料电池，利用双极板上的条形凸起和膜电极上的通孔构成了过桥结构，其中条形凸起与双极板一体成型，这样一体式的过桥结构省去了传统的过桥垫片，由于不存在传统垫片厚度导致的结构断差以及过桥垫片与密封圈形成的边缘通道过大或过小的情况，因此消除了气体流动死区，降低了气体流动阻力，有利于气体的均匀分配。

21、(2)过桥结构中，气体进口和所述条形凸起外围设有环状凸起，在所述环状凸起外围设有密封圈，使得进入阴极板(或阳极板)条状凸起形成的流道的气体通过膜电极的通孔进入到对面的阳极板(或阴极板)上的气体分配区，避免了气体直接通过过桥垫片进入该极板的气体分配区，可能导致的对密封圈的压缩变形；另外，条形凸起对过桥区有支撑作用，提高了结构的稳定性，可解决过桥区压溃以及压缩变形量不均的问题，从而降低电池长期运行过程中密封泄漏的风险。

22、(3)过桥结构中，条形凸起、膜电极的通孔与指形流道相对应，三者间对液态水的驱动力相同，促使水沿单一方向流动，使得指形流道内不易形成负压或低压，便于液态水的排除，且防止液态水回流，进一步有利于气体分配均匀。

23、(4)本发明提供的燃料电池，双极板过桥及密封结构采用中心旋转对称设计，无需进行额外的旋转操作，提升了装配效率。

技术特征：

1.一种燃料电池，包含金属双极板和膜电极，所述金属双极板与膜电极之间形成过桥区、气体分配区和活性区，所述金属双极板由包含阳极板和阴极板，所述阴极板、阳极板和膜电极上均设有若干气体进出口，其特征在于，在所述金属双极板上设有若干条形凸起及环状凸起；所述条形凸起位于至少一所述气体进出口与其对应的气体分配区之间；相邻的所述条形凸起形成沿气流方向延伸的流道；所述环状凸起围设在所述气体进出口与其对应的所述条形凸起外；在所述环状凸起外围设有密封圈；

2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的条形凸起与双极板一体成型。

3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的条形凸起与反应气体流道的高度差为压缩后膜电极的活性区厚度减去膜电极边框厚度的一半。

4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的通孔的形状可为条形、椭圆形、圆形或腰形中的任意一种。

5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的阴极板和阳极板均设置有指形流道，位于气体分配区；所述的通孔的宽度与气体分配区的指形流道的宽度相同。

6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的通孔的长度为条形凸起和指形流道的在空间布局上的重叠区的长度。

7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的通孔的数量小于条形凸起的数量，且所述的通孔的数量等于指形流道的数量。

8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的通孔与条形凸起的空间位置关系可为平行或垂直。

9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述的阳极板或阴极板和膜电极之间包含密封圈，所述的条形凸起位于所述密封圈的下部，起支撑作用，防止过桥区压溃。

10.一种燃料电池堆，其特征在于，包含：若干如权利要求1-9中任意一项所述的燃料电池，所述燃料电池层叠设置，串联连接。

技术总结本发明公开了一种燃料电池及燃料电池堆，所述燃料电池包含金属双极板和膜电极，其中，金属双极板上设有若干的条形凸起，膜电极上设有若干通孔，所述条形凸起与通孔构成过桥结构，所述过桥结构用于流体通过。所述燃料电池中，空气或氧气从阳极板上的第一气体进口进入，通过过桥结构后流入阴极板的气体分配区，再进入的阴极板的活性区发生还原反应；和/或，氢气从阴极板上的第二气体进口进入，通过过桥结构后流入阳极板的气体分配区，再进入阳极板的活性区发生氧化反应。本发明的过桥结构形成了优化的气体和水流通道，有利于气体的均匀分配及水的排出。此外，本发明的双极板过桥及密封结构采用中心旋转对称设计，堆叠过程中提升了装配效率。技术研发人员：陆叶受保护的技术使用者：数智氢芯（南京）新能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10