一体化注胶密封燃料电池单电池结构、电池堆、注胶模具及制造工艺的制作方法

本发明涉及车用燃料电池，具体涉及一种一体化注胶密封燃料电池单电池结构、电池堆、注胶模具及制造工艺。

背景技术：

1、燃料电池是将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。氢燃料电池包括阳极板、阴极板、膜电极等零部件以及通过密封元件为第一气体、第二气体、冷却剂提供特定区域进行电化学反应实现发电功能。车用燃料电池通常需要上百个电池串联以提供足够的电压。传统的燃料电池堆通过双极板总成和膜电极总成交替堆叠压装而成。

2、目前，双极板总成由阴极板、阳极板通过激光焊接组装而成。但在焊接过程中，阴、阳极板容易出现焊穿、烧蚀、焊渣飞溅、虚焊、气孔等缺陷而导致产品报废，同时，对阴、阳极板的涂层造成不可避免的损伤而影响产品质量。并且焊接后的双极板可能会出现翘曲、贴合不良或错位等缺陷影响密封性能。传统的密封方式主要采用双极板与膜电极挤压密封元件形成接触密封，包括以下两种方式：双极板粘接成型密封圈及双极板点胶密封，双极板粘接成型密封圈，因成型的密封圈材质较软，在粘接过程中很难定位，密封圈厚度很薄，涂胶的厚度不一、松紧程度均会导致密封失效，并且该双极板粘接成型密封圈工艺生产效率低。双极板点胶密封主要通过点胶机将密封材料接合在双极板上，为了保证点胶密封圈厚度均匀性，需要对密封圈的起胶点、收胶点、接头处的工艺参数进行充分的实验验证，并且需要定制工装夹具对双极板进行定位，此外，点胶完成后需要较长的固化时间，严重影响生产效率。

3、针对上述技术问题，现有的解决方案如下：现有技术一通过将阳极板、阴极板及膜电极通过粘接方式组成一个独立的单电池总成，虽然避免了双极板因激光焊接造成焊接缺陷及涂层损坏问题，同时避免阴、阳极流场受到污染，以及提高电堆装配效率。但是该方案熔融粘结部需要加热涂胶后再冷却固化，且阳极板与膜电极之间、阴极板与膜电极之间、阴极板上水腔密封圈均需要进行加热后冷却，单电池结构需要经过三次加热冷却循环，由于加热温度较高，并且多次加热容易对膜电极反应区造成损伤，以及造成单电池总成翘曲问题。此外，现有技术一提出的单电池技术方案采用的粘接存在工序繁琐、固化时间较长，以及生产效率低的问题。现有技术二通过一体化注胶形成密封圈的单电池结构，该方案虽然解决了点胶或粘接工艺工序繁琐的问题，提高了单电池的生产效率。但是该方案采用了外层密封与公用管道孤岛密封方案，导致容易在阴、阳极腔内形成吹扫盲区，从而导致反应生成的水不易排出；在环境温度低于0度时，结冰后存在堵塞流道或体积膨胀造成密封失效，其次，该方案的密封面积占比较大，导致燃料电池的体积比功率密度较低；此外，现有技术二的方案中水腔密封采用接触压缩密封，由于水腔密封的两侧接触密面均为弹性元件，很容易因装配或加工误差导致密封失效。

4、因此，需要提供一种一体化注胶密封的燃料电池单电池结构，以兼顾燃料电池单电池密封性能、生产装配效率，以及降低生产成本的同时，满足批量生产的需求，从而解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种一体化注胶密封燃料电池单电池结构，以解决现有技术中燃料电池单电池结构密封元件的密封性能低、生产装配效率低，生产成本高且无法满足批量生产需求的问题；目的之二在于提供一种一体化注胶密封燃料电池单电池结构电池堆；目的之三在于提供一种注胶模具；目的之四在于提供一种一体化注胶密封燃料电池单电池结构制造工艺。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种一体化注胶密封燃料电池单电池结构，包括：阳极板、膜电极和阴极板，所述阳极板、所述膜电极与所述阴极板沿着同一方向依次堆叠形成单电池框架结构；

4、流场区域，设置在所述单电池框架结构的中部，所述流场区域包括阳极流场、阴极流场和冷却水流场；

5、边框区域，围绕所述流场区域设置在所述单电池框架结构上，所述边框区域上设有第一气体公共通道、第二气体公共通道和冷却水公共通道；

6、密封区域，设置在所述单电池框架结构上，所述密封区域包括阳极密封区、阴极密封区和水腔密封区，所述阳极密封区位于所述第一气体公共通道处具有第一缺口，所述第一缺口用于将所述阳极流场与所述第一气体公共通道连通，所述阴极密封区位于所述第二气体公共通道处具有第二缺口，所述第二缺口用于将所述阴极流场与所述第二气体通道连通，所述水腔密封区位于所述冷却水公共通道处具有第三缺口，所述第三缺口用于将所述冷却水公共通道与所述冷却水流场连通；

7、至少一个注胶通道，沿所述单电池框架结构的厚度方向开设，所述单电池框架结构通过所述注胶通道注入密封胶在所述密封区域内形成密封结构，所述密封结构用于将所述单电池框架结构密封连接形成所述一体化注胶密封燃料电池单电池结构。

8、根据上述技术手段，通过阳极密封区上开设的第一缺口，使得密封胶在阳极密封区内能够避开在阳极第一气体通道处与阳极流场之间形成密封，并将第一气体通道与冷却水通道、第二气体通道隔断开；通过阴极密封区上开设的第二缺口，使得密封胶在阴极密封区内能够避开在阴极板在第二气体通道处与阴极流场之间形成密封，并将第二气体通道与冷却水通道、第一气体通道隔断开；通过水腔密封区上开设的第三缺口，使得密封胶在水腔密封区内能够避开在冷却水气通道处与冷却水流场之间形成密封，并将冷却水通道与第一气体通道、第二气体通道隔断开。本技术通过一次注胶将阳极板、膜电极和阴极板密封连接，从而具有确保单电池结构密封性能的同时避免影响单电池结构的反应效率的有益效果；本技术提出的一体化注胶密封燃料电池单电池结构有效提高了单电池密封性能、单电池生产效率，简化了单电池装配工序、降低燃料电池单电池生产成本，从而具有能够满足单电池批量生产需求的有益效果；并且一体化注胶成型的密封结构有效地减少了密封面积占极板面积的比值，从而增大了单电池的有效反应区面积占比，进而提高了燃料电池单电池的体积比功率密度。

9、可选地，所述密封结构包括阳极密封圈、阴极密封圈、水腔密封圈和密封连接柱，所述密封连接柱用于将所述阳极密封圈、所述阴极密封圈和所述水腔密封圈连接形成一体，所述密封连接柱形成于所述注胶通道内；

10、所述阳极板通过所述阳极密封圈与所述膜电极密封连接，所述阳极密封圈用于密封所述阳极流场；所述阴极板通过所述阴极密封圈与所述膜电极密封连接，所述阴极密封圈用于密封所述阴极流场，所述水腔密封圈设置在所述阴极板背离所述膜电极的一侧。

11、根据上述技术手段，通过在单电池框架结构的注胶孔内一次注入密封胶形成阳极密封圈、阴极密封圈、水腔密封圈和密封连接柱，密封连接柱形成在单电池框架结构的注胶孔内，通过密封连接柱将阳极密封圈、阴极密封圈、水腔密封圈连接成一体，同时通过密封结构将单电池框架结构密封连接形成一体式的单电池结构。通过本实施例的技术方案不仅解决了燃料电池的密封难题，提升燃料电池体积比功率密度，还提高了燃料电池的生产效率、降低了燃料电池的生产成本。

12、可选地，所述阳极板在所述第一缺口处设有朝向所述膜电极凸起的阳极板第一气体通道凸台，所述阳极板第一气体通道凸台与所述膜电极抵接，所述阳极板第一气体通道凸台朝向所述膜电极的一侧开设有用于将所述第一气体公共通道与所述阳极流场连通的第一连通通道，所述阴极板在所述第二缺口处设有朝向所述膜电极凸起的阴极板第二气体通道凸台，所述阴极板第二气体通道凸台与所述膜电极抵接，所述阴极板第二气体通道凸台朝向所述膜电极的一侧开设有用于将所述第二气体公共通道与所述阴极流场连通的第二连通通道。

13、根据上述技术手段，通过阳极板第一气体通道凸台，使得阳极密封圈在成型过程中，能够避让开阳极板第一气体通道；阴极板通过在第二缺口处设置朝向膜电极凸起的阴极板第二气体通道凸台，使得阴极密封圈在成型过程中，能够避让开阴极板第二气体通道。

14、可选地，所述阳极板包括阳极板流道区和围绕所述阳极板流道区设置的阳极板边框，所述阳极板边框上设有阳极板第一气体通道、阳极板冷却水通道和阳极板第二气体通道，所述阳极板边框上对应所述阳极密封区设有阳极板注胶密封槽，所述第一连通通道包括第一气体涵道、第一气体汇流槽和阳极板流道扩展区，所述第一气体涵道与所述阳极板第一气体通道连通，所述阳极板流道扩展区与所述阳极板流道区连通，所述第一气体汇流槽位于所述第一气体涵道与所述阳极板流道扩展区之间，所述第一气体汇流槽用于将所述第一气体涵道与所述阳极板流道扩展区连通。

15、根据上述技术手段，第一气体通道内的第一气体通过第一气体涵道进入第一气体汇流槽，流经第一气体汇流槽通过阳极板流道扩展区流入阳极板流道区内。通过第一气体涵道和阳极板流道扩展区的设计可以增加第一气体的扩散面积，使得第一气体能够更加均匀地分布到阳极板流道区内，从而增加第一气体与膜电极阳极侧反应区的接触面积，从而提高第一气体在电化学反应中的利用率；通过在第一气体涵道与阳极板流道扩展区之间设置第一气体汇流槽，能够有效改善第一气体进入阳极板流道区内分布的均匀度，使第一气体在第一气体涵道和阳极板流道扩展区之间实现平滑的气体分布，从而提高燃料电池的反应效率和稳定性。

16、可选地，所述阴极板包括阴极板流道区和围绕所述阴极板流道区设置的阴极板边框，所述阴极板边框上设有阴极板第二气体通道、阴极板冷却水通道和阴极板第一气体通道，所述阴极板边框上对应所述阴极密封区设有阴极板注胶密封槽，所述第二连通通道包括第二气体涵道、第二气体汇流槽和阴极板流道扩展区，所述第二气体涵道与所述阴极板第二气体通道连通，所述阴极板流道扩展区与所述阴极板流道区连通，所述第二气体汇流槽位于所述第二气体涵道与所述阴极板流道扩展区之间，所述第二气体汇流槽用于将所述第二气体涵道与所述阴极板流道扩展区连通。

17、根据上述技术手段，第二气体通道中的第二气体通过第二气体涵道进入第二气体汇流槽，流经第二气体汇流槽通过阴极板流道扩展区流入阴极板流道区内。通过第二气体涵道和阴极板流道扩展区的设计可以增加第二气体的扩散面积，使得第二气体能够更加均匀地分布到阴极板流道区内，从而增加第二气体与膜电极阴极侧反应区的接触面积，从而提高第二气体在电化学反应中的利用率；通过在第二气体涵道与阴极板流道扩展区之间设置第二气体汇流槽，能够有效改善第二气体进入阴极板流道区内分布的均匀度，使第二气体在第二气体涵道和阴极板流道扩展区之间实现平滑的气体分布，从而提高燃料电池的反应效率和稳定性。

18、可选地，所述第一气体汇流槽与所述阳极板注胶密封槽之间设有朝向所述膜电极凸起的阳极阻胶结构，所述第二气体汇流槽与所述阴极板注胶密封槽之间设有朝向所述膜电极凸起的阴极阻胶结构。

19、根据上述技术手段，阳极阻胶结构与阴极阻胶结构的设计，能够有效阻断在密封区域内注胶的过程中密封胶流入阳极板流道扩展区或阴极板流道扩展区。

20、可选地，所述阳极板注胶密封槽内均匀分布有多个阳极板注胶排气孔，多个所述阳极板注胶排气孔关于所述阳极板中心对称，所述阴极板上对应所述阳极板注胶排气孔设有阴极板注胶连接孔。

21、根据上述技术手段，通过向阴极板注胶连接孔内注入密封胶，密封胶进入单电池框架结构的密封区域内，密封胶进入密封区域后，密封区域内部气体通过阳极板上设置的阳极板注胶排气孔排出内部多余第二气体，以平衡内部气体压力，确保进胶的压力平衡，避免密封结构形成气穴，从而提高密封结构的密封性能。

22、可选地，所述阳极板流道区与所述阳极板注胶密封槽之间设有阳极板注胶溢胶槽，所述阴极板上对应所述阳极板注胶溢胶槽设有阴极板注胶溢胶槽。

23、根据上述技术手段，通过阳极板流道区与阳极板注胶密封槽之间设置的阳极板注胶溢胶槽，能够有效避免在阳极板注胶密封槽内注胶时溢胶，对阳极板流道区造成污染的隐患；阴极板流道区与阴极板注胶密封槽之间设置的阴极板注胶溢胶槽，能够有效避免密封胶在阴极板注胶密封槽内溢胶对阴极板流道区造成污染的隐患。

24、可选地，所述阳极板注胶密封槽内设有至少一个朝向所述膜电极凸起的阳极板加强结构，所述阴极板上对应所述阳极板加强结构设有朝向所述膜电极凸起的阴极板加强结构，且所述阳极板加强结构与所述阴极板加强结构均与所述膜电极抵接。

25、根据上述技术手段，通过阳极板上设置的朝向膜电极凸起的阳极板加强结构，与膜电极抵接，阴极板上对应阳极板加强结构设有朝向膜电极凸起的阴极板加强结构，阴极板加强结构也与膜电极抵接，且阳极板加强结构与阴极板加强结构相对设置，通过阳极板加强结构与阴极板加强结构能够对膜电极提供支撑力，从而避免单电池框架结构在注胶过程中由于注胶压力过大，造成膜电极翘曲损伤，同时通过阳极板加强结构与阴极板加强结构的设计，使得阳极板与阴极板上自成加强结构，提高阳极板和阴极板的结构强度，从而避免阳极板或阴极板在运输过程中发生翘曲变形的风险。

26、可选地，所述膜电极包括膜电极反应区和膜电极边框，所述膜电极边框上设有多个膜电极注胶连接孔，所述膜电极注胶连接孔的数量大于所述阳极板注胶排气孔、所述阴极板注胶连接孔的数量，所述膜电极上对应所述阳极注板胶排气孔、所述阴极板注胶连接孔的位置处均开设有膜电极注胶连接孔，对应开设的所述阳极板注胶排气孔、所述膜电极注胶连接孔和所述阴极板注胶连接孔形成所述注胶通道。

27、根据上述技术手段，膜电极上对应阳极板注胶排气孔和阴极板注胶连接孔的位置设有膜电极注胶连接孔，同轴设置的膜电极注胶连接孔、阳极板注胶排气孔与阴极板注胶连接孔形成单电池框架结构的注胶通道，膜电极上的膜电极注胶连接孔数量大于阳极板注胶排气孔和阴极板注胶连接孔的数量，便于膜电极阴极侧的密封胶进入膜电极阳极侧，避免膜电极单侧注胶压力过大，同时提高注胶效率。

28、一种一体化注胶密封燃料电池单电池结构电池堆，所述电池堆包括多个所述的一体化注胶密封燃料电池单电池结构依次堆叠装配而成。

29、一种注胶模具，应用于所述一体化注胶密封燃料电池单电池结构，所述模具包括：注胶上模，沿厚度方向开设有多条模具注胶流道，所述模具注胶流道与所述注胶通道同轴设置，所述注胶上模的成型面上设有用于所述水腔密封圈注胶成型的水腔密封注胶槽，所述注胶上模的中部设有注胶上模冷却槽；

30、注胶下模，沿厚度方向开设有多条模具出胶流道，所述模具出胶流道与注胶通道同轴设置，所述注胶下模对应所述水腔注胶密封槽设有注胶下模封胶成型槽，所述注胶下模对应所述注胶上模冷却槽设有注胶下模冷却槽；

31、其中，所述水腔密封注胶槽与所述注胶下模封胶成型槽配合形成所述注胶模具的封胶成型区，所述注胶下模冷却槽与所述注胶上模冷却槽配合形成所述注胶模具的中空冷却区。

32、根据上述技术手段，通过注胶上模中部开设的注胶上模冷却槽，与注胶下模对应注胶上模冷却槽开设的注胶下模冷却槽配合形成注胶模具的中空冷却区，单电池框架结构的流场区域位于中空冷却区内，水腔密封注胶槽与注胶下模封胶成型槽配合形成注胶模具的封胶成型区，单电池框架结构的密封区域位于封胶成型区内，通过注胶上模成型面上设置的注胶流道，注胶流道与单电池框架结构上的注胶通道一一对应，密封胶通过注胶流道流入单电池结构的密封区域，并在注胶模具的封胶成型区内形成密封结构，通过对封胶成型区内的密封结构加热固化，由于流场区域位于中空冷却区域内，对封胶成型区内的密封结构进行加热固化的过程中能够有效隔绝单电池结构中部受到温度变化的影响，从而避免单电池结构的流场区域因加热温度过高造成损坏，以及降低单电池结构发生翘曲的风险。

33、可选地，所述注胶上模对应所述阴极板注胶溢胶槽设有注胶上模封胶槽，所述注胶上模封胶槽与所述阴极板注胶溢胶槽形状匹配；

34、所述注胶下模对应所述阳极板注胶溢胶槽设有注胶下模封胶槽，所述注胶下模封胶槽与所述阳极板注胶溢胶槽形状匹配；

35、所述注胶上模封胶槽与所述注胶下模封胶槽配合形成所述注胶模具封胶区。

36、根据上述技术手段，阴极板注胶溢胶槽、阳极板注胶溢胶槽在注胶过程中位于注胶模具的注胶模具封胶区内，从而避免注胶模具注胶过程中在单电池结构内部发生溢胶问题。

37、一种一体化注胶密封燃料电池单电池结构制造工艺，利用注胶模具，一体注胶成型所述一体化注胶密封燃料电池单电池结构，所述工艺包括：

38、将所述单电池框架结构放置在所述注胶下模的成型面上；

39、将所述注胶上模与所述注胶下模合模；

40、采用真空泵通过所述模具出胶流道排空所述单电池框架结构内的第二气体；

41、通过所述模具注胶流道采用低压注射工艺向所述密封区域内注入密封胶，并在所述密封区域内形成所述密封结构；

42、在所述模具封胶成型区对所述密封结构加热固化。

43、根据上述技术手段，本技术通过采用低压注射工艺能够将密封胶均匀地注入到单电池框架结构中，填充结构间的空隙，有效地实现密封；低压注射工艺可以提供较小的注射压力，避免注胶压力过大对电池结构造成损害；低压注射工艺能够减少或消除注射过程中产生的气泡，提高注胶密封的质量。采用本技术提出的一体化注胶密封燃料电池单电池结构制造工艺，能够在短时间内即可完成燃料电池单电池结构的生产，大大提高了生产效率，同时具备满足批量生产需求的有益效果。

44、本发明的有益效果：通过向单电池框架结构上设置的注胶孔注入密封胶形成密封结构，同时将单电池框架结构密封连接形成一体式燃料电池单电池结构，本技术通过一次注入密封胶同时将阳极板、膜电极和阴极板密封连接；通过阳极密封区上开设的第一缺口，使得密封胶在阳极密封区内能够避开在阳极第一气体通道处与阳极流场之间形成密封，从而使得第一气体能够进出阳极流场，同时能够将第一气体通道与冷却水通道、第二气体通道隔断开，从而避免第二气体或冷却水进入阳极流场；通过阴极密封区上开设的第二缺口，使得密封胶在阴极密封区内能够避开在阴极板在第二气体通道处与阴极流场之间形成密封，从而使得第二气体能够进出阴极流场，同时能够将第二气体通道与冷却水通道、第一气体通道隔断开，从而避免第一气体或冷却水进入阴极流场；通过水腔密封区上开设的第三缺口，使得密封胶在水腔密封区内能够避开在冷却水气通道处与冷却水流场之间形成密封，从而使得冷却水能够进出冷却水流场，同时能够将冷却水通道与第一气体通道、第二气体通道隔断开，从而避免第二气体或第一气体进入冷却水流场。本技术提出的一体化注胶密封燃料电池单电池结构有效提高了单电池密封性能、单电池生产效率，简化了单电池装配工序、降低燃料电池单电池生产成本，从而具有能够满足单电池批量生产需求的有益效果；并且一体成型的密封结构有效地减少了密封结构占极板面积的比值，从而增大了单电池结构的有效反应区域面积占比，进而提高了燃料电池体积比功率密度。