CN111640959A - 单电池组件和燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种单电池组件和燃料电池电堆。该单电池组件包括膜电极、阳极板和阴极板，膜电极设置在阳极板和阴极板之间，阴极板包括空气入口、空气出口和空气流道，阳极板包括氢气入口、氢气出口和氢气流道，空气入口和空气出口设置在阴极板的四角，且空气入口位于单电池组件的长边的第一端，空气出口位于单电池组件的长边的第二端，阳极板和阴极板远离膜电极的一侧分别设置有冷却流道，氢气入口和氢气出口设置在单电池组件的短边的两端，且沿单电池组件的长边方向与空气入口和空气出口错开。根据本申请的单电池组件，能够保证空气、冷却液以及氢气能够被很均匀的导入到各自的流场内，有效提高单电池组件的性能以及散热效果。

Description

单电池组件和燃料电池电堆

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种单电池组件和燃料电池电堆。

背景技术

氢燃料电池是一项非常有前景的能源技术，与现有的传统能量转化技术相比，燃料电池具有许多优点，包括更高的能量转化效率、污染物零排放、无运动部件工作安静等。

氢燃料电池电堆有多种类型，根据双极板材料的不同，可以分为使用石墨材料双极板的石墨堆，使用金属材料双极板的金属堆。

氢燃料电池电堆通过双极板上的氢气、空气流道将氢气和空气分配到膜电极上，通过冷却液流道将燃料电池内部产生的热量带走。要想燃料电池性能好，要求三种介质必须被对应的三种流场均匀的分散到膜电极和散热区域，目前的。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种单电池组件和燃料电池电堆，能够保证空气、冷却液以及氢气能够被很均匀的导入到各自的流场内，有效提高单电池组件的性能以及散热效果。

为了解决上述问题，本申请提供一种单电池组件，包括膜电极、阳极板和阴极板，膜电极设置在阳极板和阴极板之间，阴极板包括空气入口、空气出口和空气流道，阳极板包括氢气入口、氢气出口和氢气流道，空气入口和空气出口设置在阴极板的四角，且空气入口位于单电池组件的长边的第一端，空气出口位于单电池组件的长边的第二端，阳极板和阴极板远离膜电极的一侧分别设置有冷却流道，氢气入口和氢气出口设置在单电池组件的短边的两端，且沿单电池组件的长边方向与空气入口和空气出口错开。

优选地，空气入口和空气出口关于单电池组件的中心对称；和/或，氢气入口和氢气出口关于单电池组件的中心对称；和/或，单电池组件包括冷却液入口和冷却液出口，冷却液入口和冷却液出口关于单电池组件的中心对称。

优选地，单电池组件包括冷却液入口和冷却液出口，阳极板和阴极板上在冷却液入口和冷却流道之间以及冷却液出口和冷却流道之间分别设置有冷却液分配区，冷却液分配区关于单电池组件的纵向中平面对称。

优选地，阴极板的空气入口设置有第一盖板，第一盖板盖设在阴极板的表面，且位于阴极板和阳极板之间，第一盖板与阴极板之间形成有将空气入口与空气流道连通的空气通道；和/或，阴极板的空气出口设置有第二盖板，第二盖板盖设在阴极板的表面，且位于阴极板和阳极板之间，第一盖板与阴极板之间形成有将空气入口与空气流道连通的空气通道。

优选地，第一盖板上朝向阴极板的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点和/或引流条，第一盖板的两侧形成有对空气进行导流的支撑侧板，支撑侧板与第一盖板之间密封接触，第一盖板关于单电池组件的纵向中平面对称；和/或，第二盖板上朝向阴极板的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点和/或引流条，第二盖板的两侧形成有对空气进行导流的支撑侧板，支撑侧板与第二盖板之间密封接触，第二盖板关于单电池组件的纵向中平面对称。

优选地，阳极板的氢气入口设置有第三盖板，第三盖板盖设在阳极板与阴极板之间，第三盖板与阳极板之间形成有将氢气入口与氢气流道连通的氢气通道；和/或，阳极板的氢气入口设置有第四盖板，第四盖板盖设在阳极板与阴极板之间，第四盖板与阳极板之间形成有将氢气入口与氢气流道连通的氢气通道。

优选地，阳极板和阴极板为单极板结构，阳极板和阴极板在膜电极的外周形成密封空间，密封空间内填充有密封材料，密封材料包覆在膜电极外。

优选地，膜电极包括质子交换膜、阳极碳纸和阴极碳纸，阳极碳纸位于质子交换膜的第一侧，并用于与阳极板接触，阴极碳纸位于质子交换膜的第二侧，并用于与阴极板接触，阴极碳纸的面积小于阳极碳纸的面积，质子交换膜的面积大于阴极碳纸的面积。

根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池电堆，包括叠置的单电池组件，该单电池组件为上述的单电池组件。

优选地，阳极板和阴极板均为单极板时，相邻的电池组件的阳极板和阴极板之间沿周侧通过冷却液密封垫密封连接，且阳极板和阴极板的冷却流道配合形成冷却通道。

优选地，燃料电池电堆还包括上端板和下端板，单电池组件设置在上端板和下端板之间，上端板和/或下端板包括金属骨架和包覆在金属骨架外的绝缘材料。

优选地，金属骨架和绝缘材料一体浇铸成型，上端板上同时一体成型有空气进气管、氢气进气管和冷却液进液管。

优选地，燃料电池电堆还包括上端板和下端板，单电池组件设置在上端板和下端板之间，单电池组件底部设置有中端板，中端板和下端板之间设置有弹性垫块。

本申请提供的单电池组件，包括膜电极、阳极板和阴极板，膜电极设置在阳极板和阴极板之间，阴极板包括空气入口、空气出口和空气流道，阳极板包括氢气入口、氢气出口和氢气流道，空气入口和空气出口设置在阴极板的四角，且空气入口位于单电池组件的长边的第一端，空气出口位于单电池组件的长边的第二端，阳极板和阴极板远离膜电极的一侧分别设置有冷却流道，氢气入口和氢气出口设置在单电池组件的短边的两端，且沿单电池组件的长边方向与空气入口和空气出口错开。该单电池组件中，空气入口和空气出口占据单电池组件的四个边角，氢气入口和氢气出口设置于单电池组件的两侧，并与空气入口和空气出口错开，冷却流道设置在阳极板和阴极板远离膜电极的一侧，从而使得单电池组件的入口和出口的分配区完全无重叠区，避免了相互之间为了避免位置设置的干涉对于分配区结构的影响，保证了空气、冷却液以及氢气能够被很均匀的导入到各自的流场内，有效提高了单电池组件的性能以及散热效果。

附图说明

图1为本申请实施例的单电池组件的结构示意图；

图2为本申请实施例的单电池组件的分解结构示意图；

图3为图2的Q处的放大结构示意图；

图4为本申请实施例的单电池组件的阴极板的结构图；

图5为本申请实施例的单电池组件的阳极板的结构图；

图6为本申请实施例的单电池组件的阴极板与第一盖板的配合结构图；

图7为本申请实施例的单电池组件的阳极板与第三盖板的配合结构图；

图8为本申请实施例的单电池组件之间的冷却液密封垫的立体结构图；

图9为图8的L处的放大结构示意图；

图10为图8的冷却液密封垫的横截面结构示意图；

图11为本申请实施例的燃料电池电堆的立体结构图；

图12为本申请实施例的燃料电池电堆的上端板的立体结构图。

附图标记表示为：

1、质子交换膜；2、阳极碳纸；3、阴极碳纸；4、阳极板；5、阴极板；6、膜电极；7、密封材料；8、空气入口；9、空气出口；10、空气流道；11、第一盖板；12、第二盖板；13、第三盖板；14、第四盖板；15、冷却流道；16、凸起部；17、止挡部；18、凸筋；19、凹槽；20、空气通道；21、凸点；22、引流条；23、支撑侧板；24、氢气入口；25、氢气出口；26、氢气流道；27、凹陷部；28、下陷槽；29、搭接部；30、氢气通道；31、冷却液密封垫；32、外环凸条；33、内环凸条；34、横筋；35、上端板；36、下端板；37、凸块；38、空气进气管；39、氢气进气管；40、冷却液进液管；41、中端板；42、单电池组件；43、弹性垫块。

具体实施方式

结合参见图1至图12所示，根据本申请的实施例，膜电极包括质子交换膜1、阳极碳纸2和阴极碳纸3，阳极碳纸2位于质子交换膜1的第一侧，并用于与阳极板接触，阴极碳纸3位于质子交换膜1的第二侧，并用于与阴极板接触，阴极碳纸3的面积小于阳极碳纸2的面积，质子交换膜1的面积大于阴极碳纸3的面积。

该膜电极对碳纸的结构进行了调整，采用了不等面积的碳纸结构，使得与阳极板接触的阳极碳纸2面积大于与阴极板接触的阴极碳纸3面积，可以利用阳极碳纸2对质子交换膜1形成有效支撑，进而通过阳极碳纸2支撑起膜电极，从而简化了膜电极的结构，此外，采用阳极板接触的阳极碳纸2面积大于与阴极板接触的阴极碳纸3面积的结构，还能够提高质子交换膜1的利用效率，减少质子交换膜1的浪费，降低膜电极成本，进而降低燃料电池电堆的成本。

优选地，质子交换膜1的面积和尺寸与阳极碳纸2的面积和尺寸相同，质子交换膜1与阳极碳纸2贴合在一起，并通过阳极碳纸2支撑。在本实施例的方案中，质子交换膜1的面积和尺寸与阳极碳纸2的面积和尺寸相同，也即两者具有相同的截面，使得两者能够完全贴合在一起，从而能够通过厚度相对较厚的阳极碳纸2对厚度相对较薄的质子交换膜1形成有效支撑，因此虽然减小了阴极碳纸3的面积，仍然可以保证质子交换膜的成型结构稳定可靠。

在其他的实施例中，质子交换膜1的面积也可以大于阴极碳纸3的面积，小于阳极碳纸2的面积，也即质子交换膜1的面积介于阳极碳纸2和阴极碳纸3之间，从而既能够完全通过阳极碳纸2来进行支撑，又能够避免阴极碳纸3完全遮挡质子交换膜1。

优选地，阴极碳纸3的各个边缘均位于阳极碳纸2的相应边缘内侧，并与阳极碳纸2的相应边缘之间具有预设间距，可以在质子交换膜1位于阴极碳纸3的一侧均留下间隙，方便实现膜电极周边的密封，使得阳极碳纸2和质子交换膜1超出阴极碳纸3的部分均能够进行密封，降低密封难度，提高密封效果。

结合参见图1至图12所示，根据本申请的实施例，单电池组件包括膜电极6，该膜电极6为上述的膜电极。

单电池组件还包括阳极板4和阴极板5，膜电极6设置在阳极板4和阴极板5之间。在本实施例中，阳极板4和阴极板5均为单板结构。常规燃料电池的膜电极在双极板外部，膜电极一般加载相邻的两个双极板之间，与常规的单电池组件不同的是，本申请中的单电池组件并不采用两个双极板中间设置膜电极6的结构，而是采用两个单极板中间一个膜电极6的结构，也即，本申请中的一个单电池组件仅包括位于膜电极6一侧的一个阳极板4以及位于膜电极6另一侧的一个阴极板5，因此，本申请的单电池组件无需将阴极板5和阳极板4焊接在一起形成双极板，可以直接使用单极板进行膜电极6的成型，结构工艺更加简单，成本更低，由于阴极板5和阳极板4之间无需成为一个整体的双极板，因此可以形成相对独立的一体化的单电池结构，相邻两个单电池组件之间均是完整的独立结构，更加便于进行燃料电池电堆的装配，降低了装配难度，提高了燃料电池电堆的维修可操作性。

在本实施例中，阳极板4和阴极板5在膜电极6的外周形成密封空间，密封空间内填充有密封材料7，密封材料7包覆在膜电极6外。

在本申请中，单电池组件的膜电极6封装在阴极板5和阳极板4之间，三者之间在边缘位置通过注入密封材料7进行，实现密封和空隙处找平。密封材料7例如为橡胶，也可以为其他的具有类似密封功能的密封材料。

该单电池组件中，阳极板4和阴极板5均采用单板结构，且分别设置在膜电极6的两侧，并通过密封材料将阳极板4和阴极板5与膜电极6密封连接在一起，因此在进行单电池组件的成型时，并不需要现将阴极板5和阳极板4通过焊接方式连接成一体形成双极板，省去了焊接工序，从而有效避免了焊接对于金属极板造成的不利影响，提高电堆的性能。

由于本申请中的膜电极6，与阳极板接触的阳极碳纸2面积大于与阴极板接触的阴极碳纸3面积，因此在进行单电池组件的一体化成型时，可以利用阳极碳纸2对较薄且材质较软的质子交换膜1形成支撑，然后通过阳极板4和阴极板5从两侧压紧膜电极6，在进行密封材料7的注入时，能够利用阳极碳纸2对质子交换膜1的支撑作用，直接在膜电极6的周侧进行密封，无需增加额外的工装对质子交换膜1进行固定，也无需增加封边结构对膜电极6的结构进行密封，因此降低了单电池组件的装配难度，提高了单电池组件的装配效率，降低了单电池组件的组装成本，减少了膜电极装配工艺步骤和检测步骤，提高了单电池组件的可靠性。

由于可以利用阳极板4和阴极板5的配合直接对膜电极6的周侧进行密封，因此能够省去对膜电极6进行密封的封边结构，使得质子交换膜1的结构不再受到封边结构影响，可以根据阳极碳纸2的结构来加工质子交换膜1，因此不仅能够减少质子交换膜1的用量，降低膜电极6的成本，而且可以降低质子交换膜1的加工难度，使得质子交换膜1的结构能够与阳极碳纸2的结构一样规则，加工更加简单方便，且更加易于实现密封，降低了密封难度，提高了密封效率。

优选地，阳极碳纸2和质子交换膜1超出阴极碳纸3的部分嵌入密封材料7内，既能够保证密封材料7对膜电极6周侧形成良好的密封效果，又可以保证密封材料7与膜电极6之间的结合力，进一步保证密封材料7与膜电极6之间的密封强度，保证单电池组件的整体密封强度和密封效果。由于阴极碳纸3的面积较小，因此在阴极碳纸3的外侧，质子交换膜1与阴极板5之间的间距较大，也可以保证质子交换膜1与阴极板5之间具有足够的空间填充密封材料7，保证密封材料7能够具有足够的用量，进一步提高阴极板5、阳极板4和膜电极6之间的密封强度和密封效果。

结合参见图2-4、6所示，优选地，在本实施例中，阴极板5包括空气入口8、空气出口9和空气流道10，空气流道10的两端分别与空气入口8和空气出口9连通，空气流道10的背侧设置有冷却流道15。

优选地，空气流道10呈直线型或波浪形。

在本实施例中，由于阴极板为单板，并未与阳极板一块形成双极板，因此阴极板在进行流道设计时需要考虑此特点。由于阴极板5需要供应空气，因此其上需要设置空气入口8、空气出口9和空气流道10，而空气流道10形成凹槽的同时，在空气流道10背侧的一面也可以同时形成冷却流道15，如此，既能够方便进行阴极板5的结构冲压，又能够提高阴极板5制作时的冲压效率，可以通过一道工序完成阴极板5两侧结构的加工。由于阴极板5的背侧冷却流道15在与相邻单电池组件的阳极板4相配合时，能够与阳极板4上的冷却流道15相配合，形成冷却通道，因此能够通过一次冲压同时完成空气流道10和冷却流道15的成型，可以进一步减少加工工序，提高加工效率，降低加工成本。

阴极板5的空气入口8设置有第一盖板11，第一盖板11盖设在阴极板5的表面，且位于阴极板5和阳极板4之间，第一盖板11与阴极板5之间形成有将空气入口8与空气流道10连通的空气通道20。在本实施例中，由于才用了特殊的单极板进行单电池组件的组装，因此在空气入口8处，如果直接通过对阴极板5进行加工的方式形成将空气入口8与空气流道10连通的空气通道20，就会增加阴极板5的结构复杂性，提高阴极板5的加工难度，不仅不易实现，而且工艺要求上也更加复杂。为此，本申请专门在空气入口8处增加了第一盖板11，利用第一盖板11与阴极板5进行配合，形成连通空气入口8与空气流道10的空气通道20，如此一来，将此处的结构分成了两个部分，阴极板5可以采用常规的结构，不仅能够实现规模化生产，而且加工效率和加工难度均能够得到大幅度降低，而第一盖板11则可以进行单独的加工，将空气通道20专门加工在第一盖板11上，如此一来，既不会增加阴极板5的加工难度，又能够方便在阴极板5上形成空气通道20，不会影响空气从空气入口8处顺利进入到空气流道10内。

在阴极板5的空气出口9还可以设置有第二盖板12，第二盖板12盖设在阴极板5的表面，且位于阴极板5和阳极板4之间，第一盖板11与阴极板5之间形成有将空气入口8与空气流道10连通的空气通道20。

在其中一个实施例中，如图8所示，阴极板5上设置有形成冷却流道15的凸起部16，凸起部16相对于阴极板5的板面上凸，相邻的凸起部16之间形成空气流道10，第一盖板11的顶面与凸起部16的顶面高度一致；第二盖板12的顶面与凸起部16的顶面高度一致。由于第一盖板11的顶面与凸起部16的顶面高度一致，因此能够在进行单电池组件的组装时，保证第一盖板11和凸起部16的顶面均能够与膜电极6的阴极碳纸表面贴合，形成良好的密封效果，保证了阴极板5与膜电极6的配合不会受到第一盖板11的影响，同时也使得第一盖板11能够与膜电极6之间形成良好配合，提高阴极板5与膜电极6之间配合结构的一致性。

第一盖板11包括止挡在凸起部16的端部的止挡部17以及沿空气流道10的延伸方向延伸的凸筋18和凹槽19，凸筋18和凹槽19交替设置，且凸筋18对应于空气流道10设置，凹槽19对应于冷却流道15设置，凹槽19与冷却流道15之间通过止挡部17隔开，空气通道20设置在凸筋18上，并贯穿止挡部17后与空气流道10连通。第一盖板11上的凸筋18和凹槽19也可以采用冲压的方式进行成型，不仅能够保证凸筋18上的空气通道20和凹槽19之间的密封性，而且加工更加简单方便。此外，凹槽19的底壁与阴极板5的板面相贴合，可以通过凹槽19的底壁实现第一盖板11与阴极板5的焊接固定或者粘接固定，在实际的加工过程中，第一盖板11与阴极板5之间可以通过激光焊接固定，或者是通过粘接剂粘接固定，尽量要保证第一盖板11与阴极板5之间的密封配合。第二盖板12和阴极板5之间的配合与第一盖板11和阴极板5之间的配合类似，此处不再详述。

由于第一盖板11上通过多个凸筋18形成多条空气通道20，因此能够利用多条空气通道20形成对空气的导流作用，使得空气能够均匀分配至空气流道10内。

在本申请的另外一个实施例中，如图3至图5所示，在第一盖板11上朝向阴极板5的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点21和/或引流条22，第一盖板11的两侧形成有对空气进行导流的支撑侧板23，支撑侧板23与第一盖板11之间密封接触。

在本实施例中，第一盖板11上设置有凸点21和引流条22，其中凸点21呈点阵布置，引流条22为多个，多个引流条22间隔设置，相邻的引流条22之间形成空气通道20，凸点21设置在引流条22远离空气流道10的一侧。

第一盖板11上同时设置有凸点21和引流条22，其中凸点21主要对第一盖板11在阴极板5上的设置起到支撑作用，引流条22主要对空气在空气通道20中的流动起到导流作用。当空气通道20为单流道时，可以省去引流条22，只保留凸点21的支撑作用。当空气通道20为多流道时，可以只保留引流条22的导流以及支撑作用，省去凸点21，也可以凸点21和引流条22均保留。本实施例中的凸点21和引流条22混合使用，且引流条22从第一盖板11的空气入口端延伸至空气出口端，多条引流条22间隔设置，相邻的引流条22之间分布有多个凸点21。其中凸点21和引流条22均是冲压而成，可以直接在第一盖板11的板体上进行凸点21和引流条22的加工制作，无需额外材料，因此可以节省工序，节省材料，降低成本，提高材料利用率。

第二盖板12上朝向阴极板5的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点21和/或引流条22，第二盖板12的两侧形成有对空气进行导流的支撑侧板23，支撑侧板23与第二盖板12之间密封接触，第一盖板11关于单电池组件的纵向中平面对称。第二盖板12的结构与第一盖板11类似，此处不再详述。

第二盖板12上设置有凸点21和引流条22，其中凸点21呈点阵布置，引流条22为多个，多个引流条22间隔设置，相邻的引流条22之间形成空气通道20，凸点21设置在引流条22远离空气流道10的一侧。

优选地，在本实施例中，阴极板5上加工有冷却液分配区，冷却液分配区设置有对冷却液进行分配的凸点21和/或引流条22，冷却液分配区的结构关于单电池组件的纵向中平面对称。在本实施例中，可以直接在阴极板5的远离膜电极6的一侧冲压处凸点21和引流条22，对于冷却液进行导流。

空气通过结构对称或近似对称的第一盖板11分配到阴极板5的空气流道10中；冷却液通过结构对称或近似对称冷却液分配区分配到冷却液流道。由于这两种流体的进口、出口以及与之匹配的分配区均为对称或近似对称布置，因此非常有利于空气和冷却液均匀流入各自流道中，提高了空气分配的均匀性以及冷却液分配的均匀性。

结合参见图4所示，在本实施例中，空气流道10呈直线型，多个空气流道10间隔设置，且各空气流道10之间相互平行。在背侧的冷却流道15也成直线型，且与空气流道10沿阴极板5的宽度方向交错排布，图中实线箭头为空气流动方向，虚线箭头为冷却液流动方向。

在一个未示出的实施例中，空气流道10呈波浪型，多个空气流道10间隔设置，且各空气流道10之间相互平行。

结合参见图2、3、5和7所示，根据本申请的实施例，阳极板4包括氢气入口24、氢气出口25和氢气流道26，氢气流道26的两端分别与氢气入口24和氢气出口25连通，氢气流道26的背侧设置有冷却流道15。

优选地，在本实施例中，空气入口8和空气出口9设置在阴极板5的四角，且空气入口8位于单电池组件的长边的第一端，空气出口9位于单电池组件的长边的第二端，阳极板4和阴极板5远离膜电极6的一侧分别设置有冷却流道15，氢气入口24和氢气出口25设置在单电池组件的短边的两端，且沿单电池组件的长边方向与空气入口8和空气出口9错开。

该单电池组件中，空气入口8和空气出口9占据单电池组件的四个边角，氢气入口24和氢气出口25设置于单电池组件的两侧，并与空气入口8和空气出口9错开，冷却流道15设置在阳极板4和阴极板5远离膜电极6的一侧，从而使得单电池组件的流体入口和出口的分配区完全无重叠区，避免了各流体相互之间为了避免位置干涉对于分配区结构的影响，保证了空气、冷却液以及氢气能够被很均匀的导入到各自的流场内，有效提高了单电池组件的性能以及散热效果。

优选地，空气入口8和空气出口9关于单电池组件的中心对称；和/或，氢气入口24和氢气出口25关于单电池组件的中心对称；和/或，单电池组件包括冷却液入口和冷却液出口，冷却液入口和冷却液出口关于单电池组件的中心对称。在本实施例中，空气入口8为两个，均位于单电池组件的长边的第一端，且关于单电池组件的纵向中平面对称，空气出口9为两个，均位于单电池组件的长边的第二端，且关于单电池组件的纵向中平面对称，因此，更加方便在空气入口端和空气出口端对空气进行均匀分配。冷却液入口和冷却液出口均位于单电池组件的长边的两端，且冷却液入口关于单电池组件的纵向中平面对称，冷却液出口关于单电池组件的纵向中平面对称，从而能够更加有效地保证冷却液分配的均匀性。

阳极板4和阴极板5上在冷却液入口和冷却流道15之间以及冷却液出口和冷却流道15之间分别设置有冷却液分配区，冷却液分配区关于单电池组件的纵向中平面对称。

关于单电池组件的纵向中平面对称的冷却液分配区与冷却液入口和冷却液出口相配合，更加有利于实现冷却液的均匀分配，提高单电池组件的散热效率。

结合参见图5所示，在本申请的一个实施例中，氢气流道26呈S形，氢气流道26的侧壁为平滑侧壁。具体而言，在本实施例中，氢气流道26为多条，多条氢气流道26平行且间隔设置，每条氢气流道26的侧壁均为光滑平面，氢气流道26为折线形，在未弯折之前，氢气流道26的延伸轨迹为直线。

在本申请的另外一个实施例中，氢气流道26整体呈S形，氢气流道26的至少一个侧壁呈波浪形。具体而言，在本实施例中，氢气流道26为一条，氢气流道26在阳极板4上呈S形，氢气流道26包括三段，其中第一段与氢气入口24连通，第三段与氢气出口25连通，第二端连接在第一段和第三段之间，三段连接，形成S形，其中第一段流道的两个侧壁均为波浪形，第二段的远离第三段一侧的侧壁呈波浪形，靠近第三段一侧的侧壁呈直线型，第三段流道的远离第二段一侧的侧壁呈波浪形，靠近第二段一侧的侧壁呈直线型。

上述的阳极板4和阴极板5之间的流道配合可以为阴极板直流道+阳极板S形流道、阴极板直流道+阳极板S形波浪流道、阴极板波浪流道+阳极板S形流道或者阴极板波浪流道+阳极板S形波浪流道等多种组合，从而形成多种配合关系，在本实施例中，为了实现空气、氢气和冷却液的均匀分配，阴极板5上的空气流道10采用直流道，阳极板4上的氢气流道26采用S形流道，从而能够与各自的盖板结构以及流体进口和出口的设置位置形成良好匹配，既能够避免发生分配区重叠的问题，又能够保证空气和氢气在内部均匀分配，发生更加充分良好的反应，提高单电池组件的性能。

阳极板4的氢气入口24设置有第三盖板13，第三盖板13盖设在阳极板4与阴极板5之间，第三盖板13与阳极板4之间形成有将氢气入口24与氢气流道26连通的氢气通道30。

阳极板4的氢气入口24设置有第四盖板14，第四盖板14盖设在阳极板4与阴极板5之间，第四盖板14与阳极板4之间形成有将氢气入口24与氢气流道26连通的氢气通道30。

在本实施例中，阳极板4上设置有形成氢气流道26的凹陷部27，凹陷部27相对于阳极板4的板面下凹，相邻的凹陷部27之间形成冷却流道15，阳极板4在凹陷部27的端口位置形成有下陷槽28，第三盖板13包括有设置在氢气通道30的末端并向下弯折的搭接部29，搭接部29安装在下陷槽28内，且位于下陷槽28内的搭接部29的表面与阳极板4的板面齐平。搭接部29安装在下陷槽28内，并能够在下陷槽28内与阳极板4之间形成限位配合，方便对第三盖板13在阳极板4上的安装进行定位，提高安装效率。此外，搭接部29能够对经氢气通道30进入的氢气起到导流的作用，防止氢气未进入到氢气流道26之前从氢气通道30发生逸出。

阳极板4上设置有形成氢气流道26的凹陷部27，凹陷部27相对于阳极板4的板面下凹，相邻的凹陷部27之间形成冷却流道15，阳极板4在凹陷部27的端口位置形成有下陷槽28，第四盖板14包括有设置在氢气通道30的末端并向下弯折的搭接部29，搭接部29安装在下陷槽28内，且位于下陷槽28内的搭接部29的表面与阳极板4的板面齐平。

搭接部29将氢气通道30末端的氢气导流至氢气流道26，搭接部29在氢气流道26和氢气通道30的连通位置处形成密封。此处的密封是指搭接部29与凹陷部27的顶面之间形成密封，并不会对氢气流道26形成阻挡，能够保证氢气顺利经第三盖板13进入到氢气流道26内。

搭接部29的宽度小于下陷槽28的宽度，搭接部29抵接在下陷槽28远离氢气入口24的侧壁上，且搭接部29与下陷槽28靠近氢气入口24的侧壁之间具有供氢气通过的预设间隔，下陷槽28靠近氢气入口24的侧壁在氢气流道26的端部形成止挡。搭接部29的宽度小于下陷槽28的宽度，能够在搭接部29与下陷槽28靠近氢气入口24的边缘之间形成间隙，避免对氢气流道26形成封堵，使得氢气在进入到第三盖板13与阳极板4所形成的氢气通道30之后，能够顺利经第三盖板13的搭接部29与下陷槽28的外边缘之间的间隙进入到氢气流道26内。

第三盖板13上朝向阳极板4的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点21和引流条22，其中凸点21呈点阵布置，引流条22为多个，多个引流条22间隔设置，相邻的引流条22之间形成氢气通道30，凸点21设置在引流条22远离氢气流道26的一侧。

第四盖板14上朝向阳极板4的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点21和引流条22，其中凸点21呈点阵布置，引流条22为多个，多个引流条22间隔设置，相邻的引流条22之间形成氢气通道30，凸点21设置在引流条22远离氢气流道26的一侧。

阳极板4上加工有冷却液分配区，冷却液分配区设置有对冷却液进行分配的凸点21和/或引流条22。

结合参见图1和图2所示，阳极板4的两个侧边向着远离膜电极6的方向凹陷，并与膜电极6的阳极碳纸2之间形成容纳密封材料7的空间，两个侧边位于氢气入口24和氢气出口25之间，且沿氢气流道26的延伸方向延伸。当阳极板4的板面平直时，阳极板4的板面理论上与膜电极6的表面贴合，因此难以留下足够的空间来容纳密封胶等密封材料7的填充，为了保证阳极板4和膜电极6之间能够有足够的容纳空间容纳密封胶，需要在阳极板4的周边进行改造，使得阳极板4的周边向着远离膜电极6的方向弯折，从而能够形成较大的间隙来容纳密封胶，进而有效保证阳极板4与膜电极6之间能够填充足量密封胶，使得阳极碳纸2和质子交换膜1所形成的突出部可以顺利嵌入到密封胶内，提高密封胶与膜电极6之间的结合效果，提高密封胶对膜电极6周侧的密封效果。

在本实施例中，膜电极6被封装在阳极板4和阴极板5之间，通过密封胶将膜电极6和两片单极板粘接在一起，形成一个整体。其中与阳极板4配合的盖板和阴极板5之间有较大间隙，该间隙由密封胶填充满；同样的，与阴极板5配合的盖板和阳极板4之间也有较大间隙，该间隙由密封胶填充满。单电池组件除了盖板和膜电极以及氢气、空气、冷却液流通通道所占用的空间以外的所有空间，均由密封胶填充满。

结合插件图1至图12所示，根据本申请的实施例，燃料电池电堆包括叠置的单电池组件42，单电池组件42为上述的单电池组件。

单电池组件42包括阳极板4和阴极板5时，相邻的单电池组件的阳极板4和阴极板5之间沿周侧通过冷却液密封垫31密封连接，且阳极板4和阴极板5的冷却流道15配合形成冷却通道。在本实施例中，在各个单电池组件的两侧均形成有供冷却液流通的冷却流道15，单电池组件42和单电池组件42之间通过预制好的冷却液密封垫31进行密封。由于各个单电池组件42均包括独立的阳极板4和阴极板5，且单电池组件42的两侧分别设置有单极板，因此单电池组件42为相对较独立的个体，各单电池组件42之间的相互关联较小，能够独立存在，不像现有技术中的燃料电池中，每个单电池两侧的双极板均要同时用于另一个相邻的单电池，因此结构更加独立，更加便于进行维修和更换，且能够避免其他单电池组件42受到较大影响，可维护性更好。

冷却液密封垫31包括外环凸条32和内环凸条33，外环凸条32和内环凸条33之间形成环形的密封舱。通过采用这种结构，可以对相邻单电池组件42之间的密封形成双层密封，这样一来，即使有内环凸条33所形成的密封腔发生了破损问题，无法起到有效的密封作用，仍然可以通过外环凸条32所形成的外环密封继续保证相邻的单电池组件42之间的密封效果。

优选地，外环凸条32和内环凸条33之间连接有横筋34，横筋34沿密封舱的周向间隔设置，并将密封舱分隔成多个水密舱。横筋34能够将密封舱沿周向分成多个水密舱，如此一来，当燃料电池电堆某一处内环凸条33破损时，冷却液流入该破损处所在的水密舱，依然能实现密封功能。

燃料电池电堆还包括上端板35和下端板36，单电池组件设置在上端板35和下端板36之间，上端板和/或下端板包括金属骨架和包覆在金属骨架外的绝缘材料。金属骨架和绝缘材料一体浇铸成型，上端板上同时一体成型有空气进气管38、氢气进气管39和冷却液进液管40。

采用金属材料作为骨架，能够有效保证端板刚度，在金属骨架外包覆绝缘材料，又能够有效保证端板自身的绝缘性能，采用一体浇铸成型的工艺，可以在一体成型上端板35的同时，一体浇铸出空气、氢气和冷却液三种介质的进出口接管，使得接管与上端板35位一体结构，因此能够省去接头与端板之间的密封垫，消除了此处的密封泄露风险。

燃料电池电堆还包括上端板35和下端板36，单电池组件设置在上端板35和下端板36之间，单电池组件底部设置有中端板41，中端板41和下端板36之间设置有弹性垫块43。该弹性垫块43例如为橡胶垫，橡胶垫为一平板结构，设置在中端板41和下端板36之间，能够发挥平面弹簧的作用，既能有效地补偿极板膜电极组合体的热胀冷缩，又能保证中间端板受到均匀的压力作用。

在本实施例中，在中端板41和/或下端板36上设置有安装槽，弹性垫块43设置在安装槽内，且高度高于安装槽的深度，从而既能够保证弹性垫块43起到有效的弹性缓冲和补偿作用，又能够避免弹性垫块43在工作过程中发生位移，提高单电池组件工作时的稳定性和可靠性。在其他的实施例中，弹性垫块43也可以通过粘接等方式固定连接在中端板41或者是下端板36上。

优选地，单电池组件的至少一个侧边设置有限位结构，限位结构处设置有与限位结构相匹配的限位件，上端板35和下端板36通过限位件对单电池组件进行限位安装。

限位结构包括设置在单电池组件的两个相对设置的第一侧边上的凸块37，限位件包括第一限位板，第一限位板具有限位槽，凸块37嵌入限位槽内，限位板固定设置在上端板35和下端板36上。

限位结构包括设置在单电池组件的两个相对设置的第二侧边上的凹槽，限位件包括第二限位板，第二限位板卡入凹槽内，并与上端板35和下端板36固定连接。

通过上述的结构，能够利用这些凹凸配合的定位结构，在燃料电池电堆外部形成限制单电池组件42前后左右晃动的限位板，在振动发生时，能够有效限制单电池组件42的位移，从而提高了燃料电池电堆的可靠性。

在本实施例中，多个单电池组件42叠加在一起，形成单电池叠加体，在底部的单电池组件42上连接有底部采电板，在顶部的单电池组件42上连接有顶部采电板，在上端板35和下端板36上分别设置有方便外部线缆与采电板连接时起固定作用的绝缘块。其中上端板35和下端板36之间通过螺栓对单电池叠加体形成夹紧固定。在相邻的两片单电池组件42之间设置有一个冷却液密封垫31，从而在两个相邻的单电池组件42的冷却液流场外形成密封。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种单电池组件，其特征在于，包括膜电极(6)、阳极板(4)和阴极板(5)，所述膜电极(6)设置在所述阳极板(4)和所述阴极板(5)之间，所述阴极板(5)包括空气入口(8)、空气出口(9)和空气流道(10)，所述阳极板(4)包括氢气入口(24)、氢气出口(25)和氢气流道(26)，所述空气入口(8)和空气出口(9)设置在所述阴极板(5)的四角，且所述空气入口(8)位于所述单电池组件的长边的第一端，所述空气出口(9)位于所述单电池组件的长边的第二端，所述阳极板(4)和所述阴极板(5)远离所述膜电极(6)的一侧分别设置有冷却流道(15)，所述氢气入口(24)和氢气出口(25)设置在所述单电池组件的短边的两端，且沿所述单电池组件的长边方向与所述空气入口(8)和空气出口(9)错开。

2.根据权利要求1所述的单电池组件，其特征在于，所述空气入口(8)和空气出口(9)关于所述单电池组件的中心对称；和/或，所述氢气入口(24)和氢气出口(25)关于所述单电池组件的中心对称；和/或，所述单电池组件包括冷却液入口和冷却液出口，所述冷却液入口和冷却液出口关于所述单电池组件的中心对称。

3.根据权利要求1所述的单电池组件，其特征在于，所述单电池组件包括冷却液入口和冷却液出口，所述阳极板(4)和所述阴极板(5)上在所述冷却液入口和所述冷却流道(15)之间以及所述冷却液出口和所述冷却流道(15)之间分别设置有冷却液分配区，所述冷却液分配区关于所述单电池组件的纵向中平面对称。

4.根据权利要求1所述的单电池组件，其特征在于，所述阴极板(5)的空气入口(8)设置有第一盖板(11)，所述第一盖板(11)盖设在所述阴极板(5)的表面，且位于所述阴极板(5)和所述阳极板(4)之间，所述第一盖板(11)与所述阴极板(5)之间形成有将所述空气入口(8)与所述空气流道(10)连通的空气通道(20)；和/或，所述阴极板(5)的空气出口(9)设置有第二盖板(12)，所述第二盖板(12)盖设在所述阴极板(5)的表面，且位于所述阴极板(5)和所述阳极板(4)之间，所述第一盖板(11)与所述阴极板(5)之间形成有将所述空气入口(8)与所述空气流道(10)连通的空气通道(20)。

5.根据权利要求4所述的单电池组件，其特征在于，所述第一盖板(11)上朝向所述阴极板(5)的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点(21)和/或引流条(22)，所述第一盖板(11)的两侧形成有对空气进行导流的支撑侧板(23)，所述支撑侧板(23)与所述第一盖板(11)之间密封接触，所述第一盖板(11)关于所述单电池组件的纵向中平面对称；和/或，所述第二盖板(12)上朝向所述阴极板(5)的一侧板面上设置有用于对气体进行均匀分配的凸点(21)和/或引流条(22)，所述第二盖板(12)的两侧形成有对空气进行导流的支撑侧板(23)，所述支撑侧板(23)与所述第二盖板(12)之间密封接触，所述第二盖板(12)关于所述单电池组件的纵向中平面对称。

6.根据权利要求1所述的单电池组件，其特征在于，所述阳极板(4)的氢气入口(24)设置有第三盖板(13)，所述第三盖板(13)盖设在所述阳极板(4)与所述阴极板(5)之间，所述第三盖板(13)与所述阳极板(4)之间形成有将所述氢气入口(24)与所述氢气流道(26)连通的氢气通道(30)；和/或，所述阳极板(4)的氢气入口(24)设置有第四盖板(14)，所述第四盖板(14)盖设在所述阳极板(4)与所述阴极板(5)之间，所述第四盖板(14)与所述阳极板(4)之间形成有将所述氢气入口(24)与所述氢气流道(26)连通的氢气通道(30)。

7.根据权利要求1所述的单电池组件，其特征在于，所述阳极板(4)和所述阴极板(5)为单极板结构，所述阳极板(4)和所述阴极板(5)在所述膜电极(6)的外周形成密封空间，所述密封空间内填充有密封材料(7)，所述密封材料(7)包覆在所述膜电极(6)外。

8.根据权利要求7所述的单电池组件，其特征在于，所述膜电极(6)包括质子交换膜(1)、阳极碳纸(2)和阴极碳纸(3)，所述阳极碳纸(2)位于所述质子交换膜(1)的第一侧，并用于与所述阳极板(4)接触，所述阴极碳纸(3)位于所述质子交换膜(1)的第二侧，并用于与所述阴极板(5)接触，所述阴极碳纸(3)的面积小于所述阳极碳纸(2)的面积，所述质子交换膜(1)的面积大于所述阴极碳纸(3)的面积。

9.一种燃料电池电堆，包括叠置的单电池组件，其特征在于，所述单电池组件为权利要求1至8中任一项所述的单电池组件。

10.根据权利要求9所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阳极板(4)和阴极板(5)均为单极板时，相邻的所述电池组件的阳极板(4)和阴极板(5)之间沿周侧通过冷却液密封垫(31)密封连接，且所述阳极板(4)和阴极板(5)的冷却流道(15)配合形成冷却通道。

11.根据权利要求9所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括上端板(35)和下端板(36)，所述单电池组件设置在所述上端板(35)和所述下端板(36)之间，所述上端板和/或所述下端板包括金属骨架和包覆在所述金属骨架外的绝缘材料。

12.根据权利要求11所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述金属骨架和所述绝缘材料一体浇铸成型，所述上端板上同时一体成型有空气进气管(38)、氢气进气管(39)和冷却液进液管(40)。

13.根据权利要求9所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括上端板(35)和下端板(36)，所述单电池组件设置在所述上端板(35)和所述下端板(36)之间，所述单电池组件底部设置有中端板(41)，所述中端板(41)和所述下端板(36)之间设置有弹性垫块(43)。

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