一种质子交换膜燃料电池单元的制作方法

本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池单元、燃料电池，属于氢燃料电池技术领域。

背景技术：

锂离子动力电池作为一种储能装置在纯电动汽车中得到了推广应用，但由于其充电时间长、续驶里程短，使得纯电动汽车仅适用于个人短途交通出行，未来新能源汽车的终极解决方案可能聚焦于氢质子交换膜燃料电池系统。

随着新能源技术、材料技术的发展，制取、储存、运输氢气的瓶颈技术得以解决；催化剂的制备技术的进步，贵金属催化剂的应用担载量极大的降低，使得燃料电池的成本极大的降低；加上国家将燃料电池汽车作为我国重点发展的战略方向，燃料电池发展的局面很快出现。

现有的燃料电池系统主要由燃料电池堆、冷却系统、燃料供给系统、氧气供给系统等组成，其核心为燃料电池堆。燃料电池堆基本由端板、双极板、膜电极、及其密封圈、端板靠螺栓的紧固力组合而成，其电流的传导靠机械接触完成，这种燃料电池结构的功率特性主要依赖于机械紧固力提供的接触电阻的大小，并且随着机械紧固力的交变而变化，对装配工艺技术要求很高，不适于规模化生产，同时为了提供可靠的机械强度，各个部件设计的够重够厚，极大降低了燃料电池的比功率。而且，现有的燃料电池结构存在双极板制造成本高、内阻不稳定、装配工艺要求高不便规模制造等问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种质子交换膜燃料电池及其组装工艺，可解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型中，燃料电池单元相互串联取代了机械接触的方式、取而代之采用了焊接结构，降低了串联电阻提高了功率特性；优化了双极板结构与功能，降低了双极板采用石墨板的制造难度，极大降低了制造成本；本结构简化了制造装配工艺便于规模化生产。

本实用新型提供的一种质子交换膜燃料电池单元，其由第一金属双极板、氧气流场板、氧气扩散电极、质子交换膜、氢气扩散电极、氢气流场板、第二金属双极板组成，氧气扩散电极与第一金属双极板采用激光焊接或超声或电阻焊接工艺焊接在一起，氢气扩散电极与第二金属双极板采用激光焊接或超声或电阻焊接工艺焊接在一起，氧气流场板设置在氧气扩散电极和第一金属双极板之间，氢气流场板设置在氢气扩散电极和第二金属双极板之间，质子交换膜设置在氧气扩散电极和氢气扩散电极之间，第一金属双极板、氧气流场板、氧气扩散电极、质子交换膜、氢气扩散电极、氢气场流板、第二金属双极板依次紧密接触排列在一起。

进一步，上述质子交换膜燃料电池单元中，所述第一金属双极板和第二金属双极板为铝板、不锈钢板或钛板等金属，所述氧气扩散电极和所述氢气扩散电极由气体扩散层、催化层组成。所述氧气扩散电极和氢气扩散电极的四周端部设计为向一侧突出。第一金属双极板、氧气流场板、氧气扩散电极、质子交换膜、氢气扩散电极、氢气流场板、第二金属双极板上都设置有多个开孔。

另外，本实用新型提供一种质子交换膜燃料电池，其由正极端子、金属绑带、第一端板、盖板体、燃料电池单元、氧气供给管、第二端板、负极端子、氧气排出管、冷却水管、氢气供给管、氢气及其水分排出管组成，其中盖板体与燃料电池单元间用密封胶灌封。

进一步，上述质子交换膜燃料电池中，所述燃料电池单元一个一个串联放置在一起。所述盖板体可以为分体的，也可以为整体的，盖板体与第一端板、第二端板一起可以将串联放置在一起的燃料电池单元包围起来。第一金属双极板与第二金属双极板四周采用激光焊接的方式焊接在一起。氧气供给管、氢气供给管、氧气排气管、氢气与水排出管通过相应的开孔穿进燃料电池堆相应位置内。冷却水管贯穿所有燃料电池单元将热量传递出去。

此外，本实用新型提供一种质子交换膜燃料电池组装工艺，将前述燃料电池单元一个一个串联放置在一起形成燃料电池堆，然后，将氧气供给管、氢气供给管以及冷却水管通过相应的开孔穿进燃料电池堆相应位置内，将第一端板、第二端板装上，燃料电池堆位于第一端板、第二端板之间，然后用金属绑带将第一端板、第二端板及燃料电池堆绑紧，采用激光焊接的方式将一个基本燃料电池单元的第一金属双极板与另一个基本电池单元的第二金属双极板四周焊接在一起，然后盖上盖板体，进行灌胶封装。

本实用新型可有效解决原燃料电池结构双极板制造成本高、内阻不稳定、装配工艺要求高不便规模制造等问题，具体而言，具有如下的优点和有益效果：

1、解决现有燃料电池结构电池单元间机械连接引起的电池内阻大而不稳的问题，减少接触内阻，提升功率特性；

2、优化了原结构双极板的功能与结构，降低与简化双极板的制造难度，提高了燃料电池的比功率、降低了制造成本；

3、提出了新型的燃料电池单元结构，简化了装配难度、便于燃料电池堆的规模化生产和制造；

4、采用了灌胶封装工艺，简化了原来燃料电池结构中的密封结构，提高了装配效率；

5、本结构可以将燃料电池堆中的冷却装置、水管理装置等集成一体，集成为燃料电池发动机模式。

本实用新型采用一种新型的质子交换膜燃料电池结构，燃料电池单元相互串联取代了机械接触的方式、取而代之采用了焊接结构，降低了串联电阻提高了功率特性；优化了双极板结构与功能，降低了双极板采用石墨板的制造难度，极大降低了制造成本；本结构简化了制造装配工艺便于规模化生产。

附图说明

图1是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的正面示意图。

图2是沿图1中A-A线方向的本实用新型一种质子交换膜燃料电池的截面剖视示意图。

图3是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元结构的正面示意图。

图4是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元排列的示意图。

图5是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的外观的侧面示意图。

图6a-6b是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中氧气扩散电极的示意图，其中图6a为侧视截面示意图，图6b为正面示意图。

图7a-7b是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中质子交换膜的示意图，其中图7a为侧视截面示意图，图7b为正面示意图。

图8a-8b是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中氢气扩散电极的示意图，其中图8a为侧视截面示意图，图8b为正面示意图。

具体实施方式

图1是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的正面示意图。图2 是沿图1中A-A线方向的本实用新型一种质子交换膜燃料电池的截面剖视示意图。图3是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元结构的正面示意图。图4是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元排列的示意图。图5是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的外观的侧面示意图。图6a-6b是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中氧气扩散电极的示意图，其中图6a为侧视截面示意图，图6b为正面示意图。图7a-7b是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中质子交换膜的示意图，其中图7a为侧视截面示意图，图7b为正面示意图。图8a-8b是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中氢气扩散电极的示意图，其中图8a 为侧视截面示意图，图8b为正面示意图。

如图1和图2所示，本实用新型的一种质子交换膜燃料电池的结构由正极端子1、金属绑带2、第一端板3、盖板体4、燃料电池单元5、氧气供给管6、第二端板7、负极端子8、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管12组成；其中盖板体4与燃料电池单元5间用密封胶灌封。燃料电池单元5设置在第一端板3、第二端板7和盖板体4围成的空间内。在图1中，显示出了14个冷却水管10的位置，为简便起见，仅标出了一个附图标记10，实际上，为了进行充分冷却，冷却水管10可以穿进燃料电池堆的多个相应位置内，根据传热量不限于14个冷却水管。

如图3所示，燃料电池单元5由第一金属双极板5-1、氧气流场板5-2、氧气扩散电极5-3、质子交换膜5-4、氢气扩散电极5-5、氢气流场板5-6、第二金属双极板5-7组成；其中氧气扩散电极5-3、氢气扩散电极5-5基体采用泡沫不锈钢、泡沫钛等材料，氧气扩散电极5-3与第一金属双极板5-1采用激光焊接或超声或电阻焊接工艺焊接在一起，氢气扩散电极5-5与第二金属双极板5-7采用激光焊接或超声或电阻焊接工艺焊接在一起，氧气流场板5-2设置在氧气扩散电极5-3和第一金属双极板5-1之间，氢气流场板5-6设置在氢气扩散电极5-5和第二金属双极板5-7之间，质子交换膜5-4设置在氧气扩散电极5-3和氢气扩散电极5-5之间。金属双极板可以为铝板、不锈钢板、钛板；气体扩散电极依然可以由扩散层、催化层等组成。如图 6a和图8a所示，氧气扩散电极5-3和氢气扩散电极5-5的四周端部可设计为向一侧突出，以便分别与第一金属双极板5-1、第二金属双极板5-7在突出处采用激光焊接或超声或电阻焊接工艺焊接在一起，同时，氧气扩散电极5-3和第一金属双极板5-1之间便于容纳氧气流场板5-2，氢气扩散电极5-5和第二金属双极板5-7之间便于容纳氢气流场板5-6。第一金属双极板5-1、氧气流板5-2、氧气扩散电极 5-3、质子交换膜5-4、氢气扩散电极5-5、氢气流板5-6、第二金属双极板5-7依次紧密接触排列在一起。

如图6a-6b所示，是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中氧气扩散电极的示意图，其中图6a为其侧视截面示意图，图6b为其正面示意图。在图6a中，示出了氧气供给管6、氧气排出管9在氧气扩散电极5-3上的开孔位置；在图6b中，示出了氧气供给管6、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管12在氧气扩散电极5-3上的开孔位置；氧气供给管6、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管12可以通过这些相应的开孔穿进燃料电池堆相应位置内。

如图7a-7b所示，是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中质子交换膜的示意图，其中图7a为侧视截面示意图，图 7b为正面示意图。在图7a中，示出了氧气供给管6、氧气排出管9 在质子交换膜5-4上的开孔位置；在图7b中，示出了氧气供给管6、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管 12在质子交换膜5-4上的开孔位置；氧气供给管6、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管12可以通过这些相应的开孔穿进燃料电池堆相应位置内。

如图8a-8b所示，是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的燃料电池单元中氢气扩散电极的示意图，其中图8a为侧视截面示意图，图8b为正面示意图。在图8a中，示出了氧气供给管6、氧气排出管 9在氢气扩散电极5-5上的开孔位置；在图8b中，示出了氧气供给管6、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管12在氢气扩散电极5-5上的开孔位置；氧气供给管6、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管12可以通过这些相应的开孔穿进燃料电池堆相应位置内。

与上述氧气扩散电极5-3、质子交换膜5-4、氢气扩散电极5-5 相类似，第一金属双极板5-1、氧气流板5-2、氢气流板5-6、第二金属双极板5-7以及第一端板3、第二端板7上相应的位置也设有开孔，氧气供给管6、氧气排出管9、冷却水管10、氢气供给管11、氢气及其水分排出管12可以通过这些相应的开孔穿进燃料电池堆相应位置内。

燃料电池堆组装过程：如图4和图2所示，将燃料电池单元5一个一个串联放置在一起形成燃料电池堆，然后，将氧气供给管6、氢气供给管9以及冷却水管10通过相应的开孔穿进燃料电池堆相应位置内，将第一端板1、第二端板7装上，燃料电池堆位于第一端板1、第二端板7之间，然后用金属绑带2将第一端板1、第二端板7及燃料电池堆绑紧，采用激光焊接的方式将第一金属双极板5-1与第二金属双极板5-7四周焊接在一起，然后盖上盖板体4，进行灌胶封装。如图5所示，是本实用新型一种质子交换膜燃料电池的外观的侧面示意图。在图5中示出了正极端子1、金属绑带2、负极端子8的附图标记。盖板体 4可以为分体的，也可以为整体的，盖板体4与第一端板3、第二端板7 一起可以将串联放置在一起的燃料电池单元5(燃料电池堆)包围起来。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。