一体化注胶密封燃料电池单电池结构、注胶模具、制造工艺及电池堆的制作方法

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、注胶模具、制造工艺及电池堆。

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氢气、氧气、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注胶模具；目的之三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；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电池堆。

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、所述膜电极及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、所述单电池框架结构上开设有多个注胶孔，所述单电池框架结构通过所述注胶孔注入密封胶形成密封结构，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。

5、根据上述技术手段，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体积比功率密度。

6、可选地，所述密封结构包括一体注胶成型的阳极密封圈、阴极密封圈、水腔密封圈和密封连接柱，所述阳极密封圈密封连接于阳极板与膜电极之间，所述阴极密封圈密封连接于阴极板和膜电极之间，所述水腔密封圈连接在阴极板背离膜电极的一侧，所述注胶孔处形成密封连接柱，所述密封连接柱将所述阳极密封圈、所述阴极密封圈和所述水腔密封圈连接成一体。

7、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。

8、可选地，所述阳极板上设有阳极板第一气体流道区，所述膜电极上对应所述阳极板第一气体流道区设有膜电极反应区，所述阴极板朝向所述膜电极的一侧对应所述膜电极反应区设有阴极板第二气体流道区，所述阴极板背离所述膜电极的一侧设有阴极板冷却水流道区，所述阳极板第一气体流道区与所述膜电极反应区形成所述单电池框架结构的第一反应腔，所述阴极板第二气体流道区与所述膜电极反应区形成所述单电池框架结构的第二反应腔；

9、所述单电池框架结构上开设有第一气体公共通道、冷却水公共通道和第二气体公共通道，所述膜电极围绕所述第一气体公共通道、所述第二气体公共通道分别设有膜电极第一气体通道凸台和膜电极第二气体通道凸台，所述膜电极第一气体通道凸台上设有第一气体涵道、所述膜电极第二气体通道凸台上设有第二气体涵道，所述第一反应腔通过所述第一气体涵道与所述第一气体公共通道连通，所述第二反应腔通过所述第二气体涵道与所述第二气体公共通道连通，所述阴极板冷却水流道区与所述冷却水公共通道连通。

10、根据上述技术手段，本技术通过一次注胶将阳极板、膜电极和阴极板密封连接，同时实现第一反应腔、第二反应腔及阴极板冷却水流道区的密封，避免出现氢气、空气或冷却水相互内漏的问题，通过在膜电极上设置的氢气通道凸台、空气通道凸台，使得在注入密封胶的过程中能够避免密封胶在膜电极上的第一气体公共通道处、膜电极上的第二气体公共通道处形成密封，避免堵塞第一气体涵道和第二气体涵道。

11、可选地，所述模电极还包括膜电极边框，所述膜电极边框上设有膜电极第一气体进主通道、膜电极冷却水进主通道、膜电极第二气体进主通道、膜电极第一气体出主通道、膜电极冷却水出主通道和膜电极第二气体出主通道，所述膜电极边框上还设有膜电极密封区，所述膜电极密封区上分布有多个膜电极注胶连接孔。

12、根据上述技术手段，通过膜电极边框上设置的膜电极注胶连接孔与单电池框架结构上设置的注胶孔连通，从而实现密封胶能够在膜电极沿厚度方向上的两侧形成密封圈，膜电极边框上设置的密封区用于与阳极板、阴极板配合形成阳极密封圈和阴极密封圈。

13、可选地，所述模电极沿厚度方向包括膜电极阳极侧和膜电极阴极侧；所述膜电极阳极侧包括膜电极第一气体进通道凸台和膜电极第一气体出通道凸台，所述膜电极第一气体进通道凸台沿所述膜电极第一气体进主通道的周向设置，所述膜电极第一气体出通道凸台沿所述膜电极第一气体出主通道的周向设置，所述膜电极第一气体进通道凸台靠近所述膜电极反应区的一端设有膜电极第一气体进涵道，所述膜电极第一气体出通道凸台靠近所述膜电极反应区的一端设有膜电极第一气体出涵道；所述膜电极阴极侧包括膜电极第二气体进通道凸台和膜电极第二气体出通道凸台，所述膜电极第二气体进通道凸台沿所述膜电极第二气体进主通道的周向设置，所述膜电极第二气体出通道凸台沿所述膜电极第二气体出主通道的周向设置，所述膜电极第二气体进通道凸台靠近所述膜电极反应区的一端设有膜电极第二气体进涵道，所述膜电极第二气体出通道凸台靠近所述膜电极反应区的一端设有膜电极第二气体出涵道。

14、根据上述技术手段，通过膜电极阳极侧上设置的膜电极第一气体进通道凸台和膜电极第一气体出通道凸台，能够有效避免在膜电极阳极侧密封区上形成阳极密封圈的过程中堵塞膜电极第一气体进主通道和膜电极第一气体出主通道，膜电极阳极侧通过膜电极第一气体进涵道和膜电极第一气体出涵道与第一反应腔连通；通过膜电极阴极侧上设置的膜电极第二气体进通道凸台和膜电极第二气体出通道凸台，能够有效避免在膜电极阴极侧密封区上形成阴极密封圈的过程中堵塞膜电极第二气体进主通道和膜电极第二气体出主通道，膜电极阴极侧通过膜电极第二气体进涵道和膜电极第二气体出涵道与第二反应腔连通。

15、可选地，所述阴极板还包括阴极板边框，所述阴极板边框上设有阴极板第一气体进主通道、阴极板冷却水进主通道、阴极板第二气体进主通道、阴极板第一气体出主通道、阴极板冷却水出主通道和阴极板第二气体出主通道，所述阴极板边框上对应所述膜电极密封区设有阴极板注胶密封槽，所述阴极板注胶密封槽内对应所述膜电极注胶连接孔开设有阴极板注胶连接孔。

16、根据上述技术手段，阴极板通过阴极板注胶连接孔与单电池框架结构上设置的注胶孔连通，使得密封胶能够通过顺利进入阴极板注胶密封槽，从而在阴极板注胶密封槽与膜电极阴极侧注胶密封区之间形成阴极密封圈。

17、可选地，所述阴极板边框上设有阴极板第一流道扩展区和阴极板第二流道扩展区，所述阴极板第一流道扩展区的一端与所述膜电极第二气体进涵道连通，另一端与所述阴极板第二气体流道区连通；所述阴极板第二流道扩展区的一端与所述膜电极第二气体出涵道连通，另一端与所述阴极板第二气体流道区连通；所述阴极板第二气体流道区与所述阴极板注胶密封槽之间还设有阴极板注胶溢胶槽。

18、根据上述技术手段，通过阴极板上设置的阴极板第一流道扩展区、阴极板第二流道扩展区分别与膜电极第二气体进涵道、膜电极第二气体出涵道连通，从而将膜电极第二气体进主通道与膜电极第二气体出主通道连通，同时通过阴极板第一流道扩展区、阴极板第二流道扩展区的设置能够有效提高第二反应腔的反应均匀性，从而提高燃料电池单电池结构阴极反应腔的反应效率；通过阴极板第二气体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避免注胶时溢胶对膜电极阴极侧反应区造成污染的隐患。

19、可选地，所述阳极板还包括阳极板边框，所述阳极板边框上设有阳极板第一气体进主通道、阳极板冷却水进主通道、阳极板第二气体进主通道、阳极板第一气体出主通道、阳极板冷却水出主通道和阳极板第二气体出主通道，所述阳极板边框上对应所述膜电极密封区设有阳极板注胶密封槽，所述阳极板注胶密封槽内设有多个阳极板注胶排气孔。

20、根据上述技术手段，通过阳极板上设置的阳极板注胶密封槽与膜电极阳极侧的膜电极密封区之间形成阳极密封圈，通过阳极板注胶密封槽内设置的阳极板注胶排气孔，在单电池框架结构内注入密封胶的过程中能够迅速排出单电池框架结构中的气体，从而平衡内部气压，避免密封胶在注胶孔内堵塞。

21、可选地，所述阳极板边框上设有阳极板第一流道扩展区和阳极板第二流道扩展区，所述阳极板第一流道扩展区的一端与所述膜电极第一气体进涵道连通，另一端与所述阳极板第一气体流道区连通，所述阳极板第二流道扩展区的一端与所述膜电极第一气体出涵道连通，另一端与所述阳极板第一气体流道区连通；所述阳极板第一气体流道区与所述阳极板注胶密封槽之间还设有阳极板注胶溢胶槽。

22、根据上述技术手段，通过阳极板上设置的阳极板第一流道扩展区、阳极板第二流道扩展区分别与膜电极第一气体进涵道、膜电极第一气体出涵道连通，从而将膜电极第一气体进主通道与膜电极第一气体出主通道连通，同时通过阳极板第一流道扩展区、阳极板第二流道扩展区的设置能够有效提高第一反应腔的反应均匀性，从而提高燃料电池单电池结构阳极反应腔的反应效率；通过阳极板第一气体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避免注胶时溢胶对膜电极阳极侧反应区造成污染的隐患。

23、可选地，所述阳极板和所述膜电极阳极侧通过所述阳极密封圈密封连接，所述阳极密封圈用于密封所述第一反应腔；所述阴极板和所述膜电极阴极侧通过所述阴极密封圈密封连接，所述阴极密封圈用于密封所述第二反应腔。

24、根据上述技术手段，通过阳极密封圈将第一反应腔密封，避免第一反应腔中的第一气体与第二气体或冷却水相互内漏，通过阴极密封圈将第二反应腔密封，避免第二反应腔中的第二气体与第一气体或冷却水相互内漏，同时通过阳极密封圈和阴极密封圈将阳极板、膜电极、阴极板密封连接形成一体式单电池结构。

25、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，所述注胶模具包括：注胶上模，沿厚度方向具有与所述注胶孔同轴设置的多个模具注胶通道，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；注胶下模，沿厚度方向具有与所述模具注胶通道同轴设置的多个模具出胶通道，所述注胶下模的中部设有注胶下模冷却槽，所述注胶下模对应所述水腔密封注胶槽设有注胶下模封胶成型槽；其中，所述模具注胶通道与所述模具出胶通道配合形成所述注胶模具的注胶流道，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，所述注胶上模冷却槽与所述注胶下模冷却槽配合形成所述注胶模具的模具中空冷却区。

26、根据上述技术手段，通过注胶上模设置的水腔密封注胶槽，在向模具注胶流道内注入密封胶的过程中在阴极板背离膜电极的一侧与水腔注胶密封槽之间形成水腔密封圈，通过模具注胶下模上设置的模具出胶通道排出单电池框架结构内多余的密封胶；通过在注胶模具上设置的封胶成型区内形成一体化燃料电池单电池结构的密封结构，单电池结构的中部位于注胶模具的中空冷却区内，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中部的反应区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。

27、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；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；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。

28、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。

29、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单电池结构，所述工艺包括：

30、将所述阳极板、所述膜电极和所述阴极板依次叠设在所述注胶下模的成型面上；

31、将所述注胶上模与所述注胶下模合模；

32、采用真空泵通过所述模具出胶通道排空所述注胶模具内的空气；

33、采用低压注射工艺通过所述模具注胶通道向所述注胶模具内注入密封胶，在所述单电池结构内形成所述密封结构；

34、所述模具封胶成型区进行加热固化所述密封结构。

35、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。

36、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一体化注胶密封燃料电池单电池结构依次堆叠装配而成，所述单电池结构中的阳极板背离所述膜电极的一侧与相邻所述单电池结构中的阴极板背离所述膜电极的一侧配合形成冷却水腔，所述水腔密封圈用于密封所述冷却水腔。

37、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；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。