一种氢燃料电池的制作方法

1.本发明涉及氢燃料电池极板技术领域，特别涉及一种氢燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的装置，具有能量转换率高、环境友好、操作温度相对低、无二氧化碳排放等优点，是一种具有发展前景的清洁能源技术。氢燃料电池通过含氢燃料气体与含氧气体反应，将化学能转换为电能。每个发生上述化学反应的基本发电单元，称为单体燃料电池。单体燃料电池主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、阴极板和阳极板组成。多个单体燃料电池堆叠在一起，组成氢燃料电池电堆，简称氢燃料电池。
3.单体燃料电池中的阴极板和阳极板统称为极板。在氢燃料电池中，极板作为单体燃料电池的核心部件之一，起到了膜电极结构支撑、隔离阳极和阴极不同侧反应气体、提供氢气和空气通道、均匀输送反应气体、收集电子、传导热量、排出反应生成的水、提供冷却液流道等诸多重要作用。极板的三个主要作用：导电、导气与导热，要求极板需要具备良好的导电性、耐腐蚀性强、高机械强度、质量轻等特点。极板作为氢燃料电池的重要组件，其质量占燃料电池的60％～80％，成本占20％～40％，并且几乎占据了整个氢燃料电池的全部体积。
4.目前，单体燃料电池中的阴极板和阳极板，其气路和水路均是分离的，这样的结构设计无疑增大了极板所占的体积，从而使得由多个单体燃料电池堆叠得到的氢燃料电池的整体体积增大，进而导致氢燃料电池的体积功率密度低。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种氢燃料电池，能够有效提高氢燃料电池的体积功率密度。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种氢燃料电池，包括两个以上堆叠在一起的单体燃料电池，所述单体燃料电池包括从左至右依次设置的阳极板、第一密封框架、膜电极、第二密封框架和阴极板，所述膜电极分别与第一密封框架和第二密封框架接触，所述阳极板的氢气侧与第一密封框架及膜电极之间设有氢气流道，所述阴极板的空气侧与第二密封框架及膜电极之间设有空气流道，相邻两个所述单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板的水冷面之间设有冷却流道。
8.本发明的有益效果在于：
9.通过在阳极板的氢气侧与第一密封框架及膜电极之间设置氢气流道，阴极板的空气侧与第二密封框架及膜电极之间设有空气流道，相邻两个所述单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板的水冷面之间设有冷却流道，这样的结构设计，使得阳极板的一面实现氢气通道，另一面实现水路通道，同样，阴
极板的一面实现空气通道，另一面实现水路通道，从而阳极板和阴极板都实现了气路与水路一体化设计，极板气路与水路一体化的设计能够减小极板所占的体积，进而能够有效提高氢燃料电池的体积功率密度。
附图说明
10.图1为根据本发明的一种氢燃料电池的结构示意图；
11.图2为根据本发明的一种氢燃料电池的阳极板的结构示意图；
12.图3为根据本发明的一种氢燃料电池的阳极板的局部结构示意图；
13.图4为根据本发明的一种氢燃料电池的图3中x-x处的截面图；
14.图5为根据本发明的一种氢燃料电池的图3中y-y处的截面图；
15.图6为根据本发明的一种氢燃料电池的图3中x-x处的截面图；
16.图7为根据本发明的一种氢燃料电池的图3中y-y处的截面图；
17.图8为根据本发明的一种氢燃料电池的阴极板的结构示意图；
18.图9为根据本发明的一种氢燃料电池的阴极板的局部结构示意图；
19.图10为根据本发明的一种氢燃料电池的图9中x-x处的截面图；
20.图11为根据本发明的一种氢燃料电池的图9中y-y处的截面图；
21.图12为根据本发明的一种氢燃料电池的图9中x-x处的截面图；
22.图13为根据本发明的一种氢燃料电池的图9中y-y处的截面图；
23.标号说明：
24.1、阳极板；2、第一密封框架；3、膜电极；4、第二密封框架；5、阴极板；6、氢气流道；7、空气流道；8、冷却流道；9、氢气进气均流层；10、氢气汇流排气层；11、空气进气均流层；12、空气汇流排气层；13、氢气进气口；14、氢气排气口；15、第一进气孔；16、第一排气孔；17、第二进气孔；18、第二排气孔；19、加强筋；20、空气进气口；21、空气排气口。
具体实施方式
25.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
26.请参照图1，本发明提供的技术方案：
27.一种氢燃料电池，包括两个以上堆叠在一起的单体燃料电池，所述单体燃料电池包括从左至右依次设置的阳极板、第一密封框架、膜电极、第二密封框架和阴极板，所述膜电极分别与第一密封框架和第二密封框架接触，所述阳极板的氢气侧与第一密封框架及膜电极之间设有氢气流道，所述阴极板的空气侧与第二密封框架及膜电极之间设有空气流道，相邻两个所述单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板的水冷面之间设有冷却流道。
28.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：
29.通过在阳极板的氢气侧与第一密封框架及膜电极之间设置氢气流道，阴极板的空气侧与第二密封框架及膜电极之间设有空气流道，相邻两个所述单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板的水冷面之间设有冷却流道，这样的结构设计，使得阳极板的一面实现氢气通道，另一面实现水路通道，同样，阴
极板的一面实现空气通道，另一面实现水路通道，从而阳极板和阴极板都实现了气路与水路一体化设计，极板气路与水路一体化的设计能够减小极板所占的体积，进而能够有效提高氢燃料电池的体积功率密度。
30.进一步的，所述阳极板上设有氢气进气均流层和氢气汇流排气层，所述氢气进气均流层靠近氢气流道的氢气进气口设置，所述氢气汇流排气层靠近氢气流道的氢气排气口设置。
31.由上述描述可知，通过在阳极板上设置氢气进气均流层和氢气汇流排气层，这样可以将氢气流道中排出的气体均匀扩散至氢气排气口，且能确保氢气在氢气流道中均匀分布，提高单体燃料电池的反应效率，从而减少燃料电池单位发电量所需的氢气，有利于提高燃料电池的发电效率。
32.进一步的，所述阴极板上设有空气进气均流层和空气汇流排气层，所述空气进气均流层靠近空气流道的空气进气口设置，所述空气汇流排气层靠近空气流道的空气排气口设置。
33.由上述描述可知，通过在阴极板上设置空气进气均流层和空气汇流排气层，这样可以将空气流道中排出的气体均匀扩散至空气排气口，且能确保空气在空气流道中均匀分布，提高单体燃料电池的反应效率，从而减少燃料电池单位发电量所需的空气，有利于提高燃料电池的发电效率。
34.进一步的，所述氢气流道的氢气进气口和氢气排气口分别位于同一条对角线的相对两端。
35.由上述描述可知，氢气流道的氢气进气口和氢气排气口分别位于同一条对角线的相对两端，这样能确保燃料电池进气时，阳极板的气路均衡分布，热交换性能好，有利于在每个单体燃料电池的膜电极的阳极侧均匀发生反应。
36.进一步的，所述空气流道的空气进气口和空气排气口分别位于同一条对角线的相对两端。
37.由上述描述可知，空气流道的空气进气口和空气排气口分别位于同一条对角线的相对两端，这样能确保燃料电池进气时，阴极板的气路均衡分布，热交换性能好，有利于在每个单体燃料电池的膜电极的阴极侧均匀发生反应。
38.进一步的，所述氢气流道的竖直截面形状为波浪形。
39.从上述描述可知，将氢气流道的竖直截面形状设计为波浪形，能够有效降低氢气流道的阻力，减少流道的整体压损，进而可降低燃料电池氢气循环路的整体压损，从而降低系统的氢气循环泵功耗，提高系统的发电效率。而且波浪形的流道不易出现堵塞、积水和结冰的情况，从而延长燃料电池系统的运行寿命，同时降低流道噪音。
40.进一步的，所述空气流道的竖直截面形状为波浪形。
41.从上述描述可知，将空气流道的竖直截面形状设计为波浪形，能够有效降低空气流道的阻力，减少流道的整体压损，进而可降低燃料电池空气路的整体压损，从而降低系统的空气压缩机功耗，提高系统的发电效率。而且波浪形的流道不易出现堵塞、积水和结冰的情况，从而延长燃料电池系统的运行寿命，同时降低流道噪音。
42.进一步的，所述氢气流道的氢气进气口上设有若干个第一进气孔，所述氢气流道的氢气排气口上设有若干个第一排气孔。
43.进一步的，所述空气流道的空气进气口上设有若干个第二进气孔，所述空气流道的空气排气口上设有若干个第二排气孔。
44.进一步的，所述阳极板和阴极板上均分别还设有加强筋。
45.请参照图1至图13，本发明的实施例一为：
46.请参照图1，一种氢燃料电池，包括两个以上堆叠在一起的单体燃料电池，所述单体燃料电池包括从左至右依次设置的阳极板1、第一密封框架2、膜电极3、第二密封框架4和阴极板5，所述膜电极3分别与第一密封框架2和第二密封框架4接触，所述阳极板1的氢气侧与第一密封框架2及膜电极3之间设有氢气流道6，所述阴极板5的空气侧与第二密封框架4及膜电极3之间设有空气流道7，相邻两个所述单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板5的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板1的水冷面之间设有冷却流道8。
47.请参照图2，所述阳极板1上设有氢气进气均流层9和氢气汇流排气层10，所述氢气进气均流层9靠近氢气流道6的氢气进气口13设置，所述氢气汇流排气层10靠近氢气流道6的氢气排气口14设置。
48.请参照图8，所述阴极板5上设有空气进气均流层11和空气汇流排气层12，所述空气进气均流层11靠近空气流道7的空气进气口20设置，所述空气汇流排气层12靠近空气流道7的空气排气口21设置。
49.请参照图2，所述氢气流道6的氢气进气口13和氢气排气口14分别位于同一条对角线的相对两端。
50.请参照图8，所述空气流道7的空气进气口20和空气排气口21分别位于同一条对角线的相对两端。
51.请参照图4至图7，所述氢气流道6的竖直截面形状为波浪形。
52.请参照图10至图13，所述空气流道7的竖直截面形状为波浪形。
53.请参照图6，所述氢气流道3的纵向波浪形截面的相邻两个波谷之间的距离范围为1.60mm-1.91mm，优选为1.89mm(图6中用字母l1表示)，所述氢气流道3的纵向波浪形截面的相邻两个波峰之间的距离范围为1.60mm-1.91mm，优选为1.89mm(图6中用字母l4表示)。所述氢气流道3的纵向波浪形截面的波谷平坦部分(直线，无r度)的长度为0.24mm-0.45mm，优选为0.35mm(图6中用字母l2表示)；所述氢气流道3的纵向波浪形截面的波峰平坦部分的长度为0.25mm-0.65mm，优选为0.56mm(图6中用字母l3表示)。
54.请参照图7，所述氢气流道3的斜向波浪形截面的相邻两个波谷之间的距离范围为1.30mm-1.80mm，优选为1.70mm(图7中用字母l8表示)，所述氢气流道3的斜向波浪形截面的相邻两个波峰之间的距离范围为1.30mm-1.80mm，优选为1.70mm(图7中用字母l7表示)。
55.请参照图6和图7，所述所述氢气流道6的波浪形截面的波峰所在的两个相对面之间的夹角范围为50
°‑
62
°
，优选为52
°
(图6中用字母α1表示，图7中用字母γ1表示)，所述所述氢气流道6的波浪形截面的波谷所在的两个相对面之间的夹角范围为50
°‑
62
°
，优选为52
°
(图6中用字母β1表示，图7中用字母θ1表示)。
56.请参照图6和图7，所述氢气流道6的波浪形截面的波峰与波谷之间形成的高度差范围为0.25mm-0.55mm，优选为0.26mm(图6中用字母h1表示，图7中用字母l9表示)。
57.请参照图12，所述空气流道4的纵向波浪形截面的相邻两个波谷之间的距离范围为1.60mm-1.91mm，优选为1.89mm(图12中用字母y4表示)，所述空气流道4的纵向波浪形截
面的相邻两个波峰之间的距离范围为1.60mm-1.91mm，优选为1.89mm(图12中用字母y3表示)。
58.请参照图13，所述空气流道4的斜向波浪形截面的相邻两个波谷之间的距离范围为1.30mm-1.80mm，优选为1.70mm(图13中用字母y5表示)，所述空气流道4的斜向波浪形截面的相邻两个波峰之间的距离范围为1.30mm-1.80mm，优选为1.70mm(图13中用字母y8表示)。
59.请参照图12和图13，所述空气流道7的波浪形截面的波峰所在的两个相对面之间的夹角范围为50
°‑
62
°
，优选为52
°
(图12中用字母α2表示，图13中用字母θ2表示)，所述空气流道7的波浪形截面的波谷所在的两个相对面之间的夹角范围为50
°‑
62
°
，优选为52
°
(图12中用字母β2表示，图13中用字母γ2表示)。
60.请参照图12和图13，所述空气流道7的波浪形截面的波峰与波谷之间形成的高度差范围为0.25mm-0.55mm，优选为0.26mm(图12中用字母h1表示，图13中用字母h2表示)。
61.请参照图2，所述氢气流道6的氢气进气口13上设有若干个第一进气孔15，所述氢气流道6的氢气排气口14上设有若干个第一排气孔16。
62.请参照图8，所述空气流道7的空气进气口20上设有若干个第二进气孔17，所述空气流道7的空气排气口21上设有若干个第二排气孔18。
63.请参照图2和图8，所述阳极板1和阴极板5上均分别还设有加强筋19。
64.本实施例中，在保证极板不发生形变的情况下，阳极板1和阴极板5厚度均在0.05mm-0.15mm之间，优选为0.12mm。超薄的金属极板，可以有效减少燃料电池电堆的体积和重量，使应用超薄金属极板的燃料电池具有更高的质量功率密度和体积功率密度，有利于燃料电池在交通车辆、应急电源、备用电源、船用电源、飞行器动力电源等对燃料电池系统空间有要求的领域。
65.所述阳极板1的长度在420mm～600mm之间，优选为550mm；所述阳极板1的宽度在120mm-165mm之间，优选为156mm。
66.所述阴极板5的长度在420mm～600mm之间，优选为550mm；所述阴极板5的宽度在120mm-165mm之间，优选为156mm。
67.本实施例中，阳极板1和阴极板5均可采用金属薄板高压冲压成型的方式制备。其工艺的具体步骤如下：
68.步骤1：材料准备与测量检验；具体为：
69.准备镀完膜的金属板材；
70.测量金属板材的厚度，检查金属板材面的完整性、粗糙度、缺陷情况和清洁度，记录生产批号与批次，记录所加工金属板材的质量与数量；
71.材料检验合格后，方可进入下一道工序。
72.步骤2：冲压成型；具体为：
73.吹洗模具，开机运转；
74.将镀好的金属板材送入成型机台内，在模具下方定位；
75.上下合模并压紧材料，得到金属极板；
76.对成型好的金属极板进行清洁；
77.检验与测量成型好的金属极板。
78.经过上述工艺，可实现金属极板的如下特征：
79.1)成型精密度；
80.2)机械强度；
81.3)极板无破损；
82.4)流场均匀一致性；
83.5)流场无回弹变形。
84.本实施例中，阳极板1和阴极板5也可采用化学腐蚀成型(即镀层工艺)的方式进行制备。
85.其工艺的具体步骤如下：
86.步骤1：物料准备；具体为：
87.准备金属基材：采用材料可能是不锈钢板、钛板、合金板
……
等的任意组合之一；
88.准备镀层靶材：镀层所需的工艺靶材。
89.步骤2：镀层工艺；具体为：
90.1)先对原材料板材的两面进行清洁并检查品质；
91.2)将清洁好的板材放入镀层设备腔内；
92.3)采用镀层靶材(如金、钛、铝
……
等靶材)，在镀层设备腔内进行基材的镀层处理；
93.4)用设备检查镀层的厚度，以及x光无损探伤。
94.经过上述镀层工艺处理后，所形成的金属极板，具有如下特征：
95.1)具有良好的机械强度，可有效解决金属板击穿的问题；
96.2)具有耐大电流、低电阻的特点，有优良的电导率特性，有利于减小燃料电池电堆的内阻；
97.3)具有良好的耐腐蚀性。
98.本实施例中，所述阳极板1和阴极板5均可采用特殊的抗氢脆金属元素制备，其特殊的抗氢脆金属元素包含如下金属元素的一种或多种组合：钛、铬、锰等元素；
99.采用上述元素组合得到的金属极板，具有优异的机械强度，在使用中不易发生形变。
100.所述阳极板1和阴极板5上还均开设有定位孔，定位孔的设计可实现燃料电池组装中的定位与自动化装配，提高燃料电池组装的自动化程度以及装配精度。
101.本方案设计的极板，在超薄厚度的前提下，具有较好的机械强度，确保了单体燃料电池组装时，极板的形变在可接受范围，从而提高了燃料电池的质量功率密度；而且金属极板的气路流道设计，可有效减少空气路、氢气路的压力损失，减小组装后的燃料电池的气路压损，进而减小燃料电池系统的辅助系统功耗，提高系统的发电效率；通过冲压成型工艺，具备良好的机械强度；通过特定镀膜工艺处理后的极板，具有良好的电导率、优异的耐腐蚀性、高机械强度等特点，有利于燃料电池的组装，以及提高燃料电池的运行寿命，为燃料电池的长运行寿命提供极板的基础，而且还具有较好的导电系数、较低的电阻；还可通过定位孔，实现燃料电池组装过程中的自动化装配。
102.综上所述，本发明提供的一种氢燃料电池，通过在阳极板的氢气侧与第一密封框架及膜电极之间设置氢气流道，阴极板的空气侧与第二密封框架及膜电极之间设有空气流
道，相邻两个所述单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板的水冷面之间设有冷却流道，这样的结构设计，使得阳极板的一面实现氢气通道，另一面实现水路通道，同样，阴极板的一面实现空气通道，另一面实现水路通道，从而阳极板和阴极板都实现了气路与水路一体化设计，极板气路与水路一体化的设计能够减小极板所占的体积，进而能够有效提高氢燃料电池的体积功率密度。
103.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种氢燃料电池，其特征在于，包括两个以上堆叠设置的单体燃料电池，所述单体燃料电池包括沿一方向依次设置的阳极板、第一密封框架、膜电极、第二密封框架和阴极板，所述膜电极分别与第一密封框架和第二密封框架接触，所述阳极板的氢气侧与第一密封框架及膜电极之间设有氢气流道，所述阴极板的空气侧与第二密封框架及膜电极之间设有空气流道，相邻两个所述单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板的水冷面之间设有冷却流道。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述阳极板上设有氢气进气均流层和氢气汇流排气层，所述氢气进气均流层靠近氢气流道的氢气进气口设置，所述氢气汇流排气层靠近氢气流道的氢气排气口设置。3.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述阴极板上设有空气进气均流层和空气汇流排气层，所述空气进气均流层靠近空气流道的空气进气口设置，所述空气汇流排气层靠近空气流道的空气排气口设置。4.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述氢气流道的氢气进气口和氢气排气口分别位于同一条对角线的相对两端。5.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空气流道的空气进气口和空气排气口分别位于同一条对角线的相对两端。6.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述氢气流道的竖直截面形状为波浪形。7.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空气流道的竖直截面形状为波浪形。8.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述氢气流道的氢气进气口上设有若干个第一进气孔，所述氢气流道的氢气排气口上设有若干个第一排气孔。9.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述空气流道的空气进气口上设有若干个第二进气孔，所述空气流道的空气排气口上设有若干个第二排气孔。10.根据权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述阳极板和阴极板上均分别还设有加强筋。

技术总结
本发明涉及氢燃料电池极板技术领域，特别涉及一种氢燃料电池，包括两个以上堆叠在一起的单体燃料电池，单体燃料电池包括阳极板、第一密封框架、膜电极、第二密封框架和阴极板，阳极板的氢气侧与第一密封框架及膜电极之间设置氢气流道，阴极板的空气侧与第二密封框架及膜电极之间设有空气流道，相邻两个单体燃料电池中的一个单体燃料电池中的阴极板的水冷面与另一个单体燃料电池中的阳极板的水冷面之间设有冷却流道，这样使得阳极板的一面实现氢气通道，另一面实现水路通道，阴极板的一面实现空气通道，另一面实现水路通道，从而阳极板和阴极板都实现了气路与水路一体化设计，能够减小极板所占的体积，进而能够有效提高氢燃料电池的体积功率密度。电池的体积功率密度。电池的体积功率密度。


技术研发人员：林洪艺 林云珍 魏德强
受保护的技术使用者：福建雪人氢能科技有限公司
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/13