一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构与燃料电池的制作方法

1.本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构与燃料电池。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)由许多单电池组成，而每个单电池由膜电极和双极板两部分组成。双极板是pemfc中的重要组成部分，其成本、重量分别占pemfc的45％和80％。双极板的作用是分隔气体并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池，收集并传导电流并支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能。膜电极由质子交换膜、催化剂层、边框以及气体扩散层组成。膜电极是燃料电池发电中心，是电化学反应发生场所，成本占据燃料电池的60％以上，因此膜电极直接决定了燃料电池的性能、寿命及成本上限。
3.目前，商用车燃料电池寿命为6000-15000h，还达不到与内燃机相媲美的寿命要求，因此提升寿命是商用车燃料电池推广应用需要解决的最重要的问题之一；在实际运用中发现，对于石墨板电堆来说，其寿命的短板在于膜电极的寿命。具体地说，膜电极与边框结合处边缘发生的性能衰减最为严重，主要原因是边缘处的膜电极与边框结合处应力集中，对质子膜的剪切力过大造成了质子膜机械性能的下降；同时，在大电流密度条件下，膜电极生成的水较多，为防止膜电极因水淹而引起的氢饥饿问题，还需要极板能及时排出多余的液态水。
4.在电堆结构中，与膜电极直接接触的部件是双极板，若要解决膜电极与边框结合处应力集中以及水淹的问题，就要保证在电堆装配好后，膜电极的边缘处与其他部分受力一致，也就是说双极板与膜电极相匹配的部位需要结构匹配，同时极板还要有足够的自发排水能力，以防止膜电极在大电密条件下发生水淹。
5.cn113903961a公开了一种双极板组件及燃料电池，其中双极板组件包括双极板和调节件，双极板包括双极板主体以及设置于双极板主体的多个流道脊，任意相邻两个流道脊之间形成输送凹槽，输送凹槽用于输送流体；调节件用于调节输送凹槽的流体流量。燃料电池包括双极板组件；该发明实现了对输送凹槽内的流体流量进行调节，从而保证多个输送凹槽内流体流量的均匀性，提高了燃料电池的性能。
6.cn113921845a公开了一种用于燃料电池的双极板和具有其的燃料电池、车辆，所述双极板包括：对应布置的两个单极板，两个所述单极板均包括主反应区和位于所述主反应区的相对两侧的分配区，在所述分配区，所述单极板上设有朝外凸出的分配凸起，所述分配凸起为多个且间隔设置以限定出气体流道，两个所述单极板中的一个上设有朝内凹陷的加强凹槽，所述加强凹槽的底壁与另一个所述单极板的内底壁抵接；该发明的用于燃料电池的双极板，抗压能力强，可靠性高。同时可以有效地降低设计难度和制造难度，缩短设计周期，降低加工成本。
7.cn113571729a公开了一种燃料电池用双极板和电堆结构，该燃料电池用双极板包括：上下相对布置的阴极板和阳极板，在所述阴极板上设有阴极流场，在所述阳极板上设有
阳极流场，所述阴极流场和所述阳极流场均包括主反应区、进气过渡区和出气过渡区，所述进气过渡区和所述出气过渡区分别位于所述主反应区的前后两侧，所述进气过渡区和所述出气过渡区中的至少一个包括：第一过渡区和第二过渡区，所述第二过渡区设在所述第一过渡区朝向所述主反应区的一侧，所述第一过渡区的流道延伸方向和所述第二过渡区的流道延伸方向不同；该发明可以更好地调节过渡区的气体分配均匀性，提升燃料电池的性能。
8.上述专利考虑的均是通过改变极板的流场结构或其他特征结构来提高气体流动的均匀性以及极板结构强度，但都未综合考虑极板结构与膜电极相配合时，对其耐久性的影响。因此，尚需开发一种新的技术方案，使得双极板与膜电极形成的电堆结构能同时解决应力不均及排水的问题，大幅度提升耐久性。


技术实现要素：

9.鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构与燃料电池，所述厚度补偿流场板中流场过渡区的厚度及流场活性区的厚度均大于流场交接区的厚度。本发明通过对现有技术中厚度一致的极板流场进行厚度补偿，使流场过渡区及流场活性区增厚并与膜电极中对应的区域厚度进行匹配，以便于在电堆结构中，相对应的各个区域的总厚度相等，进而保证了膜电极中的气体扩散层的变形量基本一致，膜电极三个区域中各部分组件所受到的压强和应力更加均匀一致，保护了膜电极中质子膜的机械强度和完整性，本发明以简单方便的手段大幅度地提高了耐久性，有效延长了膜电极及电堆结构的寿命。
10.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
11.第一方面，一种厚度补偿流场板，所述厚度补偿流场板一侧表面的中部设置有流场，所述流场包括流场活性区，所述流场活性区的两端均依次设置有流场交接区及流场过渡区；
12.且所述流场过渡区的厚度及所述流场活性区的厚度均大于所述流场交接区的厚度。
13.本发明通过对现有技术中厚度一致的极板流场进行厚度补偿，使流场过渡区及流场活性区增厚，目的在于将流场的厚度与膜电极中各个对应区域的厚度进行匹配，以使得所述厚度补偿流场板与膜电极在形成电堆结构时，所述流场与膜电极各个对应区域各自的厚度之和均是相等的，进而能使膜电极中的气体扩散层的变形量基本一致，使膜电极三个区域中各部分组件所受到的压强和应力更加均匀一致，相比于现有技术中使用的流场厚度一致的极板来说，本发明更加有效地保护了膜电极里的质子膜的机械强度和完整性，能以简单方便的手段大幅度地提高了膜电极的耐久性，有效延长了电堆寿命。
14.以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
15.作为本发明优选的技术方案，所述流场的厚度为300～800μm，例如300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm或800μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
16.本发明中所述流场的最大和最小厚度应有所限制，即，流场交接区的厚度优选大于等于300μm；流场过渡区及所述流场活性区中的厚度最大值优选小于等于800μm。
17.作为本发明优选的技术方案，所述流场的表面粗糙度为1～5μm，例如1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm等，静态接触角为15～50
°
，例如15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、40
°
、45
°
或50
°
等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
18.本发明优选通过对所述流场进行表面处理，如使用等离子喷枪喷涂处理10～30min，使流场上的过渡区、交接区及活性区的表面粗糙度及静态接触角均达到特定范围，可以保证电化学反应过程中由膜电极产生的水能够顺利排出，防止水淹问题的发生。
19.作为本发明优选的技术方案，所述流场交接区包括脊槽结构。
20.优选地，所述流场过渡区包括点阵结构和/或脊槽结构。
21.优选地，所述流场活性区包括脊槽结构。
22.优选地，所述脊槽结构包括直流道脊槽结构和/或蜿蜒流道脊槽结构。
23.优选地，所述点阵结构中，点的直径为0.8～2mm，例如0.8mm、1mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm或2mm等，点间距为0.5～5mm，例如0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
24.优选地，所述脊槽结构中的脊槽周期为0.5～2mm，例如0.5mm、0.8mm、1.1mm、1.4mm、1.7mm或2mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
25.优选地，所述蜿蜒流道脊槽结构中的蜿蜒周期为10～20mm，例如10mm、12mm、14mm、16mm、18mm或20mm等，蜿蜒角为100～150
°
，例如100
°
、105
°
、120
°
、125
°
、130
°
、135
°
、140
°
、145
°
或150
°
等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
26.作为本发明优选的技术方案，所述流场的两侧分别设置进口区与出口区。
27.优选地，所述进口区包括冷却进口，以及分别设置于所述冷却进口上下两侧的阳极进口与阴极进口。
28.优选地，所述出口区包括冷却出口，以及分别设置于所述冷却出口上下两侧的阴极出口与阳极出口。
29.第二方面，本发明提供了一种电堆结构，所述电堆结构包括膜电极，所述膜电极的两侧均设置有第一方面所述的厚度补偿流场板，所述厚度补偿流场板带有流场的一侧与所述膜电极接触；
30.所述膜电极包括与所述流场活性区、所述流场交接区及所述流场过渡区分别对应的膜电极活性区、膜电极交接区及膜电极过渡区；
31.所述流场交接区与所述膜电极交接区的厚度之和等于所述流场活性区与所述膜电极活性区的厚度之和等于所述流场过渡区与所述膜电极过渡区的厚度之和，使所述膜电极各个部位所受应力均匀一致。
32.本发明所述电堆结构中，分别位于所述膜电极两侧的一对所述厚度补偿流场板构成双极板。
33.作为本发明优选的技术方案，所述膜电极的一侧设置有所述厚度补偿流场板时，所述厚度补偿流场板为阴极板；
34.所述阴极板的流场交接区的厚度为第一基础厚度；
35.所述阴极板的流场过渡区的厚度等于所述第一基础厚度与第一厚度增量之和；所述第一厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极过渡区的厚度之差；
36.所述阴极板的流场活性区的厚度等于所述第一基础厚度与第二厚度增量之和；所述第二厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极活性区的厚度之差。
37.作为本发明优选的技术方案，所述膜电极的两侧均设置有所述厚度补偿流场板时，其中一侧的所述厚度补偿流场板为阴极板，另一侧的所述厚度补偿流场板为阳极板；
38.所述阴极板的流场交接区的厚度为第二基础厚度；
39.所述阴极板的流场过渡区的厚度等于所述第二基础厚度与第三厚度增量之和；所述第三厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极过渡区的厚度之差的n％；
40.所述阴极板的流场活性区的厚度等于所述第二基础厚度与第四厚度增量之和；所述第四厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极活性区的厚度之差的m％；
41.所述阳极板的流场交接区的厚度为第三基础厚度；
42.所述阳极板的流场过渡区的厚度等于所述第三基础厚度与第五厚度增量之和；所述第五厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极过渡区的厚度之差的(1－n％)；
43.所述阳极板的流场活性区的厚度等于所述第三基础厚度与第六厚度增量之和；所述第六厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极活性区的厚度之差的(1－m％)；
44.其中，1＜n＜100，1＜m＜100。
45.进一步地，本发明优选n＝m＝1/2，即，所述流场过渡区的厚度等于所述基础厚度与第一厚度增量之和；所述第一厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极过渡区的厚度之差的一半；所述流场活性区的厚度等于所述基础厚度与第二厚度增量之和；所述第二厚度增量为所述膜电极交接区的厚度与所述膜电极活性区的厚度之差的一半。
46.作为本发明优选的技术方案，所述膜电极包括覆盖所述膜电极交接区与所述膜电极活性区的燃料电池芯片，以及覆盖所述膜电极交接区与所述膜电极过渡区并沿远离所述膜电极活性区的水平方向延伸的密封边框，以及覆盖所述膜电极交接区、所述膜电极活性区及所述膜电极过渡区的气体扩散层；在所述膜电极交接区中，分别在所述燃料电池芯片的两侧由内至外依次叠加设置所述密封边框及所述气体扩散层；所述厚度补偿流场板设置于所述气体扩散层远离所述燃料芯片的一侧。
47.具体地说，膜电极过渡区的厚度为两层气体扩散层的厚度、两层密封边框的厚度之和；膜电极交接区的厚度为燃料电池芯片(包括质子膜(戈尔公司)与催化剂(庄信公司)，如ccm3(庄信公司))的厚度、两层气体扩散层(西格里公司)的厚度、两层密封边框(如塑料边框)的厚度之和；膜电极活性区的厚度为两层气体扩散层的厚度及燃料电池芯片的厚度之和；一般来说，两层密封边框的厚度要大于燃料电池芯片的厚度，在这种情况下，对于膜电极来说，交接区的厚度最大，过渡区的厚度次之，活性区的厚度最薄。因此，为了保证装堆后使交接区的膜电极受力与其他部位一致，相应的流场板中的部位需要进行厚度补偿。在设置了厚度补偿流场板后，电堆结构中三个区域各自的总厚度相等，其数值等于所述膜电极交接区厚度加上两块双极板中各自流场交接区的厚度(基础厚度)；需要强调的是，无论是将厚度补偿设置在一块流场板(优选阴极板)还是两块流场板中，只要电堆结构中三个区域各自的总厚度相等，都能达到相同的效果。
48.优选地，所述燃料电池芯片的厚度为20～50μm，例如20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、
45μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
49.优选地，所述气体扩散层的厚度为110～200μm，例如110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
50.优选地，所述密封边框的厚度为20～40μm，例如20μm、25μm、30μm、35μm或40μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
51.第三方面，本发明提供了一种燃料电池，所述燃料电池含有第一方面所述的厚度补偿流场板或第二方面所述的电堆结构。
52.与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
53.(1)本发明通过对现有技术中厚度一致的极板流场进行厚度补偿，使流场过渡区及流场活性区增厚并与膜电极中对应的区域厚度进行匹配，使得电堆结构中，所述厚度补偿流场板与膜电极相对应的各个区域的总厚度相等，进而保证了膜电极中的气体扩散层的变形量基本一致，膜电极三个区域中各部分组件所受到的压强和应力更加均匀一致，保护了膜电极中质子膜的机械强度和完整性，本发明以简单方便的手段大幅度地提高了耐久性，有效延长了膜电极及电堆结构的寿命；
54.(2)本发明所述厚度补偿流场板中的流场过渡区、流场交接区及流场活性区的表面粗糙度及静态接触角均达到特定范围，保证了电化学反应过程中由膜电极产生的水能够顺利排出，防止了水淹问题的发生。
附图说明
55.图1是本发明实施例1所述厚度补偿流场板中设置有流场的侧面的结构示意图；
56.图2是本发明实施例1所述电堆结构对应于图1中虚线部分的剖面示意图；
57.图3是本发明实施例2所述电堆结构的剖面示意图；
58.图中：1-厚度补偿流场板、11-流场、111-流场过渡区、112-流场交接区、113-流场活性区、12-进口区、121-阳极进口、122-冷却进口、123-阴极进口、13-出口区、131-阴极出口、132-冷却出口、133-阳极出口、2-膜电极、21-膜电极过渡区、22-膜电极交接区、23-膜电极活性区、24-气体扩散层、25-燃料电池芯片ccm3、26-塑料边框，3-平面流场板。
具体实施方式
59.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
60.实施例1
61.本实施例提供了一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构，所述厚度补偿流场板的结构示意图如图1所示，所述电堆结构的结构示意图如图2所示，所述电堆结构包括膜电极2以及分别设置在所述膜电极2两侧表面的厚度补偿流场板1；
62.所述厚度补偿流场板1朝向所述膜电极2的侧面中部设置有流场11；所述流场11的两侧分别设置进口区12与出口区13；所述进口区12包括阳极进口121、冷却进口122及阴极进口123；所述出口区13包括阴极出口131、冷却出口132及阳极出口133；
63.所述流场11包括流场活性区113，以及在所述流场活性区113的两端分别设置的流
场交接区112，以及在所述流场交接区112远离所述流场活性区113的一端设置的流场过渡区111；所述流场交接区112为脊槽结构；所述流场过渡区111为点阵结构；所述活性区113为直流道脊槽结构和蜿蜒流道脊槽结构形成的复合结构；所述点阵结构中，圆形点的直径为1.4mm，点间距为2.8mm；所述脊槽结构及所述直流道脊槽结构的脊槽周期为1.3mm；所述蜿蜒流道脊槽结构的蜿蜒周期为15mm，蜿蜒角为125
°
；所述厚度补偿流场板设置有流场的侧面经等离子喷涂处理10min后，表面的粗糙度达4μm，静态接触角为20
°
；
64.所述膜电极2对应于所述厚度补偿流场板1的流场11的区域分布，也分为膜电极活性区23，以及在所述膜电极活性区23的两端分别设置的膜电极交接区22，以及在所述膜电极交接区22远离所述膜电极活性区23的一端设置的膜电极过渡区21；所述膜电极2包括覆盖膜电极交接区22与膜电极活性区23的燃料电池芯片ccm3 25，以及覆盖所述膜电极交接区22与膜电极过渡区21并向远离所述膜电极活性区23的水平方向延伸的塑料边框26，以及覆盖所述膜电极交接区22、膜电极活性区23及膜电极过渡区21的气体扩散层24；在所述膜电极交接区22中，分别在所述燃料电池芯片ccm3 25的两侧由内至外依次叠加设置所述塑料边框26及所述气体扩散层24；
65.所述燃料电池芯片ccm3 25的厚度为40μm，每个所述气体扩散层24的厚度为140μm，每个所述塑料边框26的厚度为30μm；所述膜电极交接区22的厚度为380μm，所述膜电极过渡区21的厚度为340μm，所述膜电极活性区23的厚度为320μm；所述流场交接区112的厚度为440μm，所述流场过渡区111的厚度为460μm，所述流场活性区113的厚度为470μm；所述电堆结构中，所述流场交接区112与所述膜电极交接区22的总厚度、所述流场过渡区111与所述膜电极过渡区21的总厚度及所述流场活性区113与所述膜电极活性区23的总厚度均为1260μm。
66.实施例2
67.本实施例提供了一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构，所述电堆结构的结构示意图如图3所示，所述电堆结构包括膜电极2以及分别设置在所述膜电极两侧表面的厚度补偿流场板1及平面流场板3，其中所述厚度补偿流场板1为阴极板，所述平面流场板3为阳极板；
68.所述厚度补偿流场板1及所述平面流场板3朝向所述膜电极2的侧面中部均设置有流场；所述流场的两侧分别设置进口区与出口区；所述进口区包括阳极进口、冷却进口及阴极进口；所述出口区包括阴极出口、冷却出口及阳极出口；
69.所述流场包括流场活性区113，以及在所述流场活性区113的两端分别设置的流场交接区112，以及在所述流场交接区112远离所述流场活性区113的一端设置的流场过渡区111；所述流场交接区112为脊槽结构；所述流场过渡区111为点阵结构和脊槽结构形成的复合结构；所述活性区113为直流道脊槽结构和蜿蜒流道脊槽结构形成的复合结构；所述点阵结构中，圆形点的直径为0.8mm，点间距为0.5mm；所述脊槽结构及所述直流道脊槽结构的脊槽周期为0.5mm；所述蜿蜒流道脊槽结构的蜿蜒周期为10mm，蜿蜒角为100
°
；所述厚度补偿流场板1及所述平面流场板3设置有流场的侧面均经等离子喷涂处理15min后，表面的粗糙度达3.5μm，静态接触角为28
°
；
70.所述膜电极2对应于所述厚度补偿流场板1及所述平面流场板3的流场的区域分布，也分为膜电极活性区23，以及在所述膜电极活性区23的两端分别设置的膜电极交接区
22，以及在所述膜电极交接区22远离所述膜电极活性区23的一端设置的膜电极过渡区21；所述膜电极2包括覆盖膜电极交接区22与膜电极活性区23的燃料电池芯片ccm3 25，以及覆盖所述膜电极交接区22与膜电极过渡区21并向远离所述膜电极活性区23的水平方向延伸的塑料边框26，以及覆盖所述膜电极交接区22、膜电极活性区23及膜电极过渡区21的气体扩散层24；在所述膜电极交接区22中，分别在所述燃料电池芯片ccm3 25的两侧由内至外依次叠加设置所述塑料边框26及所述气体扩散层24；
71.所述燃料电池芯片ccm3 25的厚度为30μm，每个所述气体扩散层24的厚度为150μm，每个所述塑料边框26的厚度为40μm；所述膜电极交接区22的厚度为410μm，所述膜电极过渡区21的厚度为380μm，所述膜电极活性区23的厚度为330μm；在所述厚度补偿流场板1(阴极板)中，所述流场交接区112的厚度为420μm，所述流场过渡区111的厚度为450μm，所述流场活性区113的厚度为500μm；在所述平面流场板(阳极板)中，所述流场交接区112、所述流场过渡区111及所述流场活性区113的厚度均为420μm；所述电堆结构中，所述流场交接区112与所述膜电极交接区22的总厚度、所述流场过渡区111与所述膜电极过渡区21的总厚度及所述流场活性区113与所述膜电极活性区23的总厚度均为1250μm。
72.实施例3
73.本实施例提供了一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构，所述电堆结构包括膜电极以及分别设置在所述膜电极两侧表面的厚度补偿流场板；
74.所述厚度补偿流场板朝向所述膜电极的侧面中部设置有流场；所述流场的两侧分别设置进口区与出口区；所述进口区包括阳极进口、冷却进口及阴极进口；所述出口区包括阴极出口、冷却出口及阳极出口；
75.所述流场包括流场活性区，以及在所述流场活性区的两端分别设置的流场交接区，以及在所述流场交接区远离所述流场活性区的一端设置的流场过渡区；所述流场交接区为脊槽结构；所述流场过渡区为点阵结构和脊槽结构形成的复合结构；所述活性区为直流道脊槽结构和蜿蜒流道脊槽结构形成的复合结构；所述点阵结构中，圆形点的直径为2mm，点间距为5mm；所述脊槽结构及所述直流道脊槽结构的脊槽周期为2mm；所述蜿蜒流道脊槽结构的蜿蜒周期为20mm，蜿蜒角为150
°
；所述厚度补偿流场板设置有流场的侧面经等离子喷涂处理20min后，表面的粗糙度达1.5μm，静态接触角为31
°
；
76.所述膜电极对应于所述厚度补偿流场板的流场的区域分布，也分为膜电极活性区，以及在所述膜电极活性区的两端分别设置的膜电极交接区，以及在所述膜电极交接区远离所述膜电极活性区的一端设置的膜电极过渡区；所述膜电极包括覆盖膜电极交接区与膜电极活性区的燃料电池芯片ccm3，以及覆盖所述膜电极交接区与膜电极过渡区并向远离所述膜电极活性区的水平方向延伸的塑料边框，以及覆盖所述膜电极交接区、膜电极活性区及膜电极过渡区的气体扩散层；在所述膜电极交接区中，分别在所述燃料电池芯片ccm3的两侧由内至外依次叠加设置所述塑料边框及所述气体扩散层；
77.所述燃料电池芯片ccm3的厚度为30μm，每个所述气体扩散层的厚度为150μm，每个所述塑料边框的厚度为40μm；所述膜电极交接区的厚度为410μm，所述膜电极过渡区的厚度为380μm，所述膜电极活性区的厚度为330μm；所述流场交接区的厚度为420μm，所述流场过渡区的厚度为435μm，所述流场活性区的厚度为460μm；所述电堆结构中，所述流场交接区与所述膜电极交接区的总厚度、所述流场过渡区与所述膜电极过渡区的总厚度及所述流场活
性区与所述膜电极活性区的总厚度均为1250μm。
78.实施例4
79.本实施例提供了一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构，所述电堆结构包括膜电极以及分别设置在所述膜电极两侧表面的厚度补偿流场板；
80.所述厚度补偿流场板朝向所述膜电极的侧面中部设置有流场；所述流场的两侧分别设置进口区与出口区；所述进口区包括阳极进口、冷却进口及阴极进口；所述出口区包括阴极出口、冷却出口及阳极出口；
81.所述流场包括流场活性区，以及在所述流场活性区的两端分别设置的流场交接区，以及在所述流场交接区远离所述流场活性区的一端设置的流场过渡区；所述流场交接区为脊槽结构；所述流场过渡区为点阵结构和脊槽结构形成的复合结构；所述活性区为直流道脊槽结构和蜿蜒流道脊槽结构形成的复合结构；所述点阵结构中，圆形点的直径为1.4mm，点间距为2.8mm；所述脊槽结构及所述直流道脊槽结构的脊槽周期为1.3mm；所述蜿蜒流道脊槽结构的蜿蜒周期为15mm，蜿蜒角为125
°
；所述厚度补偿流场板设置有流场的侧面经等离子喷涂处理10min后，表面的粗糙度达4μm，静态接触角为20
°
；
82.所述膜电极对应于所述厚度补偿流场板的流场的区域分布，也分为膜电极活性区，以及在所述膜电极活性区的两端分别设置的膜电极交接区，以及在所述膜电极交接区远离所述膜电极活性区的一端设置的膜电极过渡区；所述膜电极包括覆盖膜电极交接区与膜电极活性区的燃料电池芯片ccm3，以及覆盖所述膜电极交接区与膜电极过渡区并向远离所述膜电极活性区的水平方向延伸的塑料边框，以及覆盖所述膜电极交接区、膜电极活性区及膜电极过渡区的气体扩散层；在所述膜电极交接区中，分别在所述燃料电池芯片ccm3的两侧由内至外依次叠加设置所述塑料边框及所述气体扩散层；
83.所述燃料电池芯片ccm3的厚度为20μm，每个所述气体扩散层的厚度为110μm，每个所述塑料边框的厚度为20μm；所述膜电极交接区的厚度为280μm，所述膜电极过渡区的厚度为260μm，所述膜电极活性区的厚度为240μm；所述流场交接区的厚度为300μm，所述流场过渡区的厚度为310μm，所述流场活性区的厚度为320μm；所述电堆结构中，所述流场交接区与所述膜电极交接区的总厚度、所述流场过渡区与所述膜电极过渡区的总厚度及所述流场活性区与所述膜电极活性区的总厚度均为880μm。
84.实施例5
85.本实施例提供了一种厚度补偿流场板及含有其的电堆结构，所述电堆结构包括膜电极以及分别设置在所述膜电极两侧表面的厚度补偿流场板及平面流场板，其中所述厚度补偿流场板为阴极板，所述平面流场板为阳极板；
86.所述厚度补偿流场板及所述平面流场板朝向所述膜电极的侧面中部均设置有流场；所述流场的两侧分别设置进口区与出口区；所述进口区包括阳极进口、冷却进口及阴极进口；所述出口区包括阴极出口、冷却出口及阳极出口；
87.所述流场包括流场活性区，以及在所述流场活性区的两端分别设置的流场交接区，以及在所述流场交接区远离所述流场活性区的一端设置的流场过渡区；所述流场交接区为脊槽结构；所述流场过渡区为点阵结构和脊槽结构形成的复合结构；所述活性区为直流道脊槽结构和蜿蜒流道脊槽结构形成的复合结构；所述点阵结构中，圆形点的直径为1.4mm，点间距为2.8mm；所述脊槽结构及所述直流道脊槽结构的脊槽周期为1.3mm；所述蜿
蜒流道脊槽结构的蜿蜒周期为15mm，蜿蜒角为125
°
；所述厚度补偿流场板及所述平面流场板设置有流场的侧面均经等离子喷涂处理10min后，表面的粗糙度达4μm，静态接触角为20
°
；
88.所述膜电极对应于所述厚度补偿流场板及所述平面流场板的流场的区域分布，也分为膜电极活性区，以及在所述膜电极活性区的两端分别设置的膜电极交接区，以及在所述膜电极交接区远离所述膜电极活性区的一端设置的膜电极过渡区；所述膜电极包括覆盖膜电极交接区与膜电极活性区的燃料电池芯片ccm3，以及覆盖所述膜电极交接区与膜电极过渡区并向远离所述膜电极活性区的水平方向延伸的塑料边框，以及覆盖所述膜电极交接区、膜电极活性区及膜电极过渡区的气体扩散层；在所述膜电极交接区中，分别在所述燃料电池芯片ccm3的两侧由内至外依次叠加设置所述塑料边框及所述气体扩散层；
89.所述燃料电池芯片ccm3的厚度为50μm，每个所述气体扩散层的厚度为200μm，每个所述塑料边框的厚度为40μm；所述膜电极交接区的厚度为530μm，所述膜电极过渡区的厚度为480μm，所述膜电极活性区的厚度为450μm；在所述厚度补偿流场板(阴极板)中，所述流场交接区的厚度为560μm，所述流场过渡区的厚度为610μm，所述流场活性区的厚度为640μm；在所述平面流场板(阳极板)中，所述流场交接区、所述流场过渡区及所述流场活性区的厚度均为560μm；所述电堆结构中，所述流场交接区与所述膜电极交接区的总厚度、所述流场过渡区与所述膜电极过渡区的总厚度及所述流场活性区与所述膜电极活性区的总厚度均为1650μm。
90.对比例1
91.本对比例提供了一种电堆结构，所述电堆结构包括膜电极以及分别设置在所述膜电极两侧表面的平面流场板；
92.所述平面流场板朝向所述膜电极的侧面中部设置有流场；所述流场的两侧分别设置进口区与出口区；所述进口区包括阳极进口、冷却进口及阴极进口；所述出口区包括阴极出口、冷却出口及阳极出口；
93.所述流场包括流场活性区，以及在所述流场活性区的两端分别设置的流场交接区，以及在所述流场交接区远离所述流场活性区的一端设置的流场过渡区；所述流场交接区为脊槽结构；所述流场过渡区为点阵结构和脊槽结构形成的复合结构；所述活性区为直流道脊槽结构和蜿蜒流道脊槽结构形成的复合结构；所述点阵结构中，圆形点的直径为1.4mm，点间距为2.8mm；所述脊槽结构及所述直流道脊槽结构的脊槽周期为1.3mm；所述蜿蜒流道脊槽结构的蜿蜒周期为15mm，蜿蜒角为125
°
；所述平面流场板设置有流场的侧面的经等离子喷涂处理10min后，表面的粗糙度达4μm，静态接触角为20
°
；
94.所述膜电极对应于所述平面流场板的流场的区域分布，也分为膜电极活性区，以及在所述膜电极活性区的两端分别设置的膜电极交接区，以及在所述膜电极交接区远离所述膜电极活性区的一端设置的膜电极过渡区；所述膜电极包括覆盖膜电极交接区与膜电极活性区的燃料电池芯片ccm3，以及覆盖所述膜电极交接区与膜电极过渡区并向远离所述膜电极活性区的水平方向延伸的塑料边框，以及覆盖所述膜电极交接区、膜电极活性区及膜电极过渡区的气体扩散层；在所述膜电极交接区中，分别在所述燃料电池芯片ccm3的两侧由内至外依次叠加设置所述塑料边框及所述气体扩散层；
95.所述燃料电池芯片ccm3的厚度为40μm，每个所述气体扩散层的厚度为140μm，每个
所述塑料边框的厚度为30μm；所述膜电极交接区的厚度为380μm，所述膜电极过渡区的厚度为340μm，所述膜电极活性区的厚度为320μm；所述流场交接区的厚度为440μm，所述流场过渡区的厚度为440μm，所述流场活性区的厚度为440μm；所述电堆结构中，所述电堆结构中，所述流场交接区与所述膜电极交接区的总厚度、所述流场过渡区与所述膜电极过渡区的总厚度及所述流场活性区与所述膜电极活性区的总厚度分别为1260μm、1220μm及1200μm。
96.按照gb/t38914《车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法》中规定的方法将各个实施例及对比例所得电堆结构分别组装成10kw短堆进行测试，检测在2a/cm2下输出2000h后的单电池平均电压衰减，并预估该电堆的寿命，所得数值列于表1。
97.表1
98.项目平均初始电压平均衰减电压预估寿命实施例10.62v4.8mv25000h实施例20.62v5.2mv23000h实施例30.62v5.2mv23000h实施例40.62v6mv21000h实施例50.62v6.2mv20000h对比例10.62v8mv15000h
99.由表1可以看出：
100.相比于实施例1，对比例1中双极板均未设置有厚度补偿，因此，膜电极中各组分所受应力并不均匀，最终加大了电压衰减，降低了电堆的寿命；而实施例1中，在阴极板及阳极板中均设置了相应的厚度补偿，能够有效保护膜电极中质子膜的机械强度和完整性，提高了耐久性，延长了电堆的寿命；实施例2及实施例5中只在阴极板上设置了厚度补偿，但效果与两侧极板均设置厚度补偿相同，仍然能有效改善耐久性和寿命性能。
101.本发明通过使用厚度补偿流场板，保证了电堆结构中三个区域的总厚度相等，以使各部分组件所受到的压强和应力均匀一致，以简单方便的手段大幅度地提高了耐久性，有效延长了电堆寿命。
102.本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
103.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
104.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
105.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。