CN116895781B - 一种燃料电池单电池及燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池单电池及燃料电池电堆。单电池包括堆叠设置的阴极单极板、膜电极和阳极单极板，以及连接阴极单极板、膜电极和阳极单极板的第一密封件；第一密封件包括氢腔密封部和氧腔密封部，氢腔密封部能够密封氢腔口，氧腔密封部能够密封氧腔口；单电池还包括氧腔嵌件，阴极单极板上设置氧腔密封件和氢腔密封件，氧腔嵌件上存在多个氧气通道，阴极单极板设有多个氧气通孔，多个氧气通孔位于氧腔密封件与氧腔密封部之间，各氧气通道与各氧气通孔连通；单电池还包括氢腔嵌件，氢腔嵌件上存在多个氢气通道，阳极单极板设有多个氢气通孔，多个氢气通孔位于氢腔密封件与氢腔密封部之间，各氢气通道与各氢气通孔连通。

Description

一种燃料电池单电池及燃料电池电堆

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池单电池及燃料电池电堆。

背景技术

一体化燃料电池是由单电池组装而得，单电池则是由阴极单极板、膜电极组件以及阳极单极板按序组合在一起形成一节单电池。为隔绝反应物及产物，阴极单极板与膜电极组件、阳极单极板与膜电极组件以及阴极单极板与阳极单极板间的界面均需要进行密封。同时，为使反应物及产物流通，氢腔口及氢气场、氧腔口及氧气场以及水腔口及冷却场均需有流通通道。

目前常见的一体化燃料电池结构中的密封，在阴极单极板与膜电极组件间通过胶黏剂进行密封，胶黏剂涂覆整板外缘及氢水腔口，反应物氢气在氢腔通过膜电极通孔流入阳极板单极板与膜电极组件间。在阳极单极板与膜电极组件间同样通过胶黏剂进行密封，胶黏剂涂覆整板外缘及氧水腔口，反应物空气（氧气）在氧腔通过膜电极通孔流入阴极板单极板与膜电极组件间。在阴极单极板面向水场侧，密封件注塑整板外缘及氢氧腔口，水腔入口则呈间隔分布，冷却液在水腔通过密封件间隔流入水场（阴极单极板与杨及单极板间）。过程中需要2~3个工艺步骤及2~3种工艺方式来进行上述三组界面的密封，涉及的密封界面类型也有3~4类，工艺过程、制造过程以及研究界面失效的内容及工作量成倍增长。

上述至少存在的三类界面类型均需要进行各自的失效模式分析及预测，研究方向不一，工作量成倍增长。在气密可靠性上，上述至少存在的三类失效模式导致密封失效的风险性较大，发生密封失效则会产生串漏引起的烧堆安全性问题以及外漏引起的引起氢气泄露安全性问题和气体泄露导致的压降等效率问题。

发明内容

本申请提供了一种燃料电池单电池及燃料电池电堆，旨在通过注塑成型直接将阴极单极板、膜电极和阳极单极板连接，并通过在极板气腔口一侧开设通孔使得气体翻越进入各自的流场。

本申请提供了一种燃料电池单电池，所述单电池包括依次堆叠设置的阴极单极板、膜电极和阳极单极板，以及连接所述阴极单极板、所述膜电极和所述阳极单极板的第一密封件；

所述第一密封件包括氢腔密封部和氧腔密封部，所述氢腔密封部能够密封所述阴极单极板与所述膜电极之间以及所述膜电极与所述阳极单极板之间的氢腔口，所述氧腔密封部能够密封所述阴极单极板与所述膜电极之间以及所述膜电极与所述阳极单极板之间的氧腔口；

所述单电池还包括氧腔嵌件，所述阴极单极板上设置有氧腔密封件和氢腔密封件，所述氧腔密封件与所述氢腔密封件位于所述阴极单极板背离所述膜电极一侧，且所述氧腔密封件围绕所述阴极单极板的氧腔口设置，位于所述阴极单极板的边沿及所述氧腔密封部之间，所述氢腔密封件围绕所述阴极单极板的氢腔口设置，位于所述阴极单极板的边沿及所述氢腔密封部之间；

所述氧腔嵌件位于所述阴极单极板面向所述膜电极的一侧，所述氧腔嵌件上存在多个氧气通道，所述阴极单极板的氧腔口靠近流场区的一侧设有多个氧气通孔，多个所述氧气通孔位于所述氧腔密封件与所述氧腔密封部之间，各所述氧气通道与各所述氧气通孔连通；

所述单电池还包括氢腔嵌件，所述氢腔嵌件位于阳极单极板靠近所述膜电极的一侧，所述氢腔嵌件上存在多个氢气通道，所述阳极单极板的氢腔口靠近流场区的一侧设有多个氢气通孔，多个氢气通孔位于所述氢腔密封件与所述氢腔密封部之间，各所述氢气通道与各所述氢气通孔连通。

在一种可能的设计中，所述第一密封件还包括水腔密封部，所述水腔密封部能够密封所述阴极单极板与所述膜电极之间以及所述膜电极与所述阳极单极板之间的水腔口；

所述水腔密封部还位于所述阴极单极板背离所述膜电极一侧的水腔口。

在一种可能的设计中，位于所述阴极单极板背离所述膜电极一侧的所述水腔密封部设有冷却液通道；

所述冷却通道位于水腔密封部靠近流场区的一侧。

在一种可能的设计中，所述第一密封件还包括边沿密封部，所述边沿密封部设置于所述阴极单极板与所述膜电极之间的边沿、所述膜电极与所述阳极单极板之间的边沿以及所述阴极单极板背离所述膜电极一侧的边沿。

在一种可能的设计中，所述阴极单极板的外沿及腔口位置设有第一注塑孔，所述膜电极的外沿及腔口位置设有第二注塑孔，所述第一注塑孔与所述第二注塑孔相对设置；

所述氢腔密封部、所述氧腔密封部、所述水腔密封部和所述边沿密封部贯穿所述第一注塑孔和所述第二注塑孔设置。

在一种可能的设计中，所述阴极单极板的外沿及腔口位置设有第一凸起部，所述第一凸起部容纳所述阴极板与所述膜电极之间的所述第一密封件，所述第一注塑孔设置于所述第一凸起部；

所述阳极单极板的外沿及腔口位置设有第二凸起部，所述第二凸起部容纳所述膜电极与所述阳极单极板之间的所述第一密封件。

在一种可能的设计中，所述第二凸起部位于水腔处靠近流场区的一侧设置有冷却液通道。

在一种可能的设计中，所述氧腔嵌件的高度与所述第一凸起部的高度相同，所述氧腔嵌件与所述第一凸起部之间至少间隔2mm；

所述氢腔嵌件的高度与所述第二凸起部的高度相同，所述氢腔嵌件与所述第二凸起部之间至少间隔2mm。

在一种可能的设计中，所述氧腔密封件被压缩后的高度等于位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度；

所述氢腔密封件被压缩后的高度等于所述第一凸起部的高度与位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度和。

在一种可能的设计中，所述氧腔密封件包括多个第一支撑部，相邻所述第一支撑部之间形成第一通道，所述第一通道能够连通所述阴极单极板的氧腔口和所述氧气通孔。

在一种可能的设计中，所述第一支撑部的高度等于所述第一凸起部的高度与位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度和。

在一种可能的设计中，所述氢腔密封件包括多个第二支撑部，相邻所述第二支撑部之间形成第二通道，所述第二通道能够连通所述阴极单极板的氢腔口和相邻阳极单极板的氢气通孔。

在一种可能的设计中，所述第二支撑部的高度等于所述第一凸起部的高度与位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度和。

在一种可能的设计中，所述氧腔密封件与所述氧腔密封部之间的间距为1mm-5mm，所述氧腔密封件与所述边沿密封部之间的间距为1mm-5mm；

所述氢腔密封件与所述氧腔密封部之间的间距为1mm-5mm，所述氢腔密封件与所述边沿密封部之间的间距为1mm-5mm。

本申请还提供了一种燃料电池电堆，包括至少两个堆叠设置的燃料电池单电池，所述燃料电池单电池为上述所述的燃料电池单电池。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为现有技术中燃料电池的结构示意图；

图2为本申请所提供燃料电池单电池的爆炸示意图；

图3为本申请所提供阴极单极板的结构示意图；

图4为本申请所提供膜电极的结构示意图；

图5为本申请所提供燃料电池单电池腔口处剖面示意图（该剖面示意图是密封件及极板的组合剖面示意图）；

图6为本申请所提供水场侧水腔密封部的结构示意图；

图7为本申请所提供氢腔嵌件的结构示意图；

图8为本申请所提供氧腔嵌件的结构示意图；

图9为本申请所提供氢腔口处氢腔密封部、氢腔密封件及第二支撑部的示意图；

图10为本申请所提供氧腔口处氧腔密封部、氧腔密封件及第一支撑部的示意图；

图11为燃料电池单电池氢腔口处的剖面示意图；

图12为图11中氢腔口处远离流场区的放大示意图；

图13为图11中氢腔口处靠近流场区的放大示意图；

图14为图11中流场区的放大示意图；

图15为燃料电池单电池氧腔口处的剖面示意图；

图16为图15中氧腔口处远离流场区的放大示意图；

图17为图15中氧腔口处靠近流场区的放大示意图；

图18为图15中流场区的放大示意图；

图19为燃料电池单电池水腔口处的剖面示意图；

图20为图19中边沿密封部的放大示意图；

图21为图19中水腔口两侧密封的放大示意图；

图22为图19中流场区的放大示意图；

图23为本申请所提供燃料电池单电池在另一种具体实施例中的结构示意图；

图24为图23中阳极单极板的水腔口处的示意图；

图25为图24中燃料电池单电池水腔口处的剖面示意图。

附图标记：

1´-阴极单极板；

2´-膜电极；

3´-阳极单极板；

4´-胶黏剂；

5´-密封件；

1-阴极单极板；

11-氧腔嵌件；

111-氧气通道；

12-氧腔密封件；

121-第一支撑部；

121a-第一通道；

13-氢腔密封件；

131-第二支撑部；

131a-第二通道；

14-氧气通孔；

15-第一注塑孔；

16-第一凸起部；

2-膜电极；

21-第二注塑孔；

22-膜电极阴极侧流场区；

23-膜电极阳极侧流场区；

3-阳极单极板；

31-氢腔嵌件；

311-氢气通道；

32-氢气通孔；

33-第二凸起部；

4-第一密封件；

41-氢腔密封部；

42-氧腔密封部；

43-水腔密封部；

431-冷却液通道；

44-边沿密封部。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

如图1所示，现有技术中，燃料电池的密封由两种方式联合形成，阳极单极板3´与膜电极2´、阴极单极板1´与膜电极2´间的界面由胶黏剂4´进行密封，阳极单极板3´与阴极单极板1´之间的界面则由密封件5´进行密封。阳极单极板3´与膜电极2´的粘结可以与阴极单极板1´与膜电极2´的粘结采用同种工艺一起进行，也可以采用不同的胶黏剂4´分步进行，而阴极单极板1´与阳极单极板3´的密封则需要通过压注或注塑等工艺进行。过程中需要2~3个工艺步骤及2~3种工艺方式来进行上述三组界面的密封，涉及的密封界面类型也有3~4类（至少一种粘接界面、注塑界面、机械装配界面），工艺过程、制造过程以及研究界面失效的内容及工作量成倍增长。

为此，如图2至图4，本实施例提供了一种燃料电池单电池，单电池包括依次堆叠设置的阴极单极板1、膜电极2和阳极单极板3，以及连接阴极单极板1、膜电极2和阳极单极板3的第一密封件4。阴极单极板的外沿及腔口位置设有第一注塑孔15，膜电极2的外沿及腔口位置设有第二注塑孔21，第一注塑孔15与第二注塑孔21相对设置。部分第一密封件4设置于阴极板远离膜电极2一侧的边沿，部分第一密封件4贯穿第一注塑孔15和第二注塑孔21密封阴极单极板1、膜电极2和阳极单极板3的外沿及腔口位置。

如图5所示，第一密封件4包括氢腔密封部41、氧腔密封部42、水腔密封部43和边沿密封部44，边沿密封部44设置于阴极单极板1与膜电极2之间的边沿、膜电极2与阳极单极板3之间的边沿以及阴极单极板1背离膜电极2一侧的边沿。水腔密封部能够密封阴极单极板1与膜电极2之间以及膜电极2与阳极单极板3之间的水腔口，水腔密封部43还位于阴极单极板1背离膜电极2一侧的水腔口。氢腔密封部41能够密封阴极单极板1与膜电极2之间以及膜电极2与阳极单极板3之间的氢腔口，氧腔密封部42能够密封阴极单极板1与膜电极2之间以及膜电极2与阳极单极板3之间的氧腔口。

如图7至图10所示，单电池还包括氧腔嵌件11，阴极单极板1上设置有氧腔密封件12和氢腔密封件13，氧腔密封件12与氢腔密封件13位于阴极单极板1背离膜电极2一侧，且氧腔密封件12围绕阴极单极板1的氧腔口设置，位于边沿密封部44与氧腔密封部42之间，氢腔密封件13围绕阴极单极板1的氢腔口设置，位于边沿密封部44与氢腔密封部41之间。氧腔嵌件11位于阴极单极板1面向膜电极2的一侧，氧腔嵌件11上存在多个氧气通道111，阴极单极板1的氧腔口靠近流场区的一侧设有多个氧气通孔14，多个氧气通孔14位于氧腔密封件12与氧腔密封部42之间，各氧气通道111与各氧气通孔14连通。单电池还包括氢腔嵌件31，氢腔嵌件31位于阳极单极板3面向膜电极2的一侧，氢腔嵌件31上存在多个氢气通道311，阳极单极板3的氢腔口靠近流场区的一侧设有多个氢气通孔32，多个氢气通孔32位于氢腔密封件13与氢腔密封部41之间，各氢气通道311与各氢气通孔32连通。

本实施例中，在单极板和膜电极2边框上开孔使得注塑用材料透过开孔进入阴极单极板1与膜电极2以及膜电极2与阳极单极板3之间以将三个部件连接在一起。具体地，在对阴极单极板1、膜电极2和阳极单极板3进行注塑连接前，先将氧腔嵌件11、氧腔密封件12和氢腔密封件13一并注塑于阴极单极板1上，将氢腔嵌件31注塑于阳极单极板3上，然后将阳极单极板3、膜电极2和阴极单极板1依次堆叠至模具中，注塑材料沿阴极单极板1的第一注塑孔15流至阴极单极板1与膜电极2之间的外沿及腔口位置，注塑材料再沿膜电极2的第二注塑孔21流至膜电极2与阳极单极板3之间的外沿及腔口位置，形成密封氢腔口的氢气密封部、密封氧腔口的氧腔密封部42和边沿密封部，使得注塑材料将阴极单极板1、膜电极2和阳极单极板3连接达成氢气场及氧气场的密封，同时阴极单极板1面向水场的一侧同步注塑形成水腔的密封。本实施例中氧气场的氧气能够翻越出阴极单极板1的氧气腔，沿氧气通孔14流至氧气通道111，再沿氧气通道111流至膜电极2流场区，同时氧腔密封件12和氧腔密封部42能够阻挡氧气的泄漏。氢气场的氢气能够翻越出阳极单极板3的氢气腔，沿氢气通孔32流至氢气通道311，再沿氢气通道311流至膜电极2流场区，同时单电池堆叠后氢腔密封件13和氢腔密封部41能够阻挡氢气的泄漏。本实施例在气腔密封、水腔密封均只有注塑工艺产生的注塑界面，（在多个单电池堆叠形成电堆时，存在多个电池装配时产生的机械应力界面，）减少了密封失效的类型，降低外漏及串漏的风险。

其中，第一注塑孔15的长度为0.5mm-5mm，宽度为0.5mm-5mm，相邻第一注塑孔15的间隔为2mm-200mm。第二注塑孔21的长度为0.5mm-5mm，宽度为0.5mm-5mm，相邻第二注塑孔2112的间隔为2mm-200mm。

氧气通孔14单个宽度为0.1mm-2mm，长度为0.5mm-4.5mm，间隔为0.1mm-2mm。氢气通孔32单个宽度为0.1mm-2mm，长度为0.5mm-4.5mm，间隔为0.1mm-2mm。

氧腔嵌件11和氢腔嵌件31可采用橡胶、聚砜、聚醚酰亚胺等注塑材料，也可采用铁件、钛件等金属件，采用点焊或粘贴的方式固定在极板上，且在点焊嵌件前，需要提前在阴极单极板1上注塑氧腔密封件12和氢腔密封件13。

进一步地，如图6所示，阴极单极板1远离膜电极2一侧的水腔密封部43靠近流场区的一侧设有冷却液通道431，使得冷却液能够沿冷却液通道431流至阴极单极板1与相连阳极单极板3之间的水场内，以进行冷却。

如图2所示，阴极单极板1的外沿及腔口位置设有第一凸起部16，第一凸起部16朝远离膜电极2的方向凸起，第一凸起部16形成的凹槽容纳阴极板与膜电极2之间的第一密封件4，第一注塑孔15设置于第一凸起部16。阳极单极板3的外沿及腔口位置设有第二凸起部33，第二凸起部33朝远离膜电极2的方向凹陷，第二凸起部33形成的凹槽容纳膜电极2与阳极单极板3之间的第一密封件4。

本实施例中，阴极单极板1、膜电极2和阳极单极板3堆叠后，第一凸起部16与膜电极2之间以及膜电极2与第二凸起部33之间形成容纳空间，使得注塑材料能够被限制在容纳空间内，避免注塑材料溢出各部件的外沿及腔口位置。

第一凸起部16的高度与流场区的高度近似，配合膜电极2边框与膜电极2流场区厚度进行一定补偿，整体高度在0.15mm-0.5mm之间，该凸出表面在各个位置呈连续封闭状态，宽度在2mm-8mm。第二凸起部33的高度与流场区的高度近似，配合膜电极2边框与膜电极2流场区厚度进行一定补偿，整体高度在0.15mm-0.5mm之间，该凸出表面在各个位置呈连续封闭状态，宽度在2mm-8mm。

进一步地，为使注塑材料能够填满极板与膜电极2边框之间，可选用注塑材料粘度较小的材料。本实施例可采用液态硅橡胶、三元乙丙橡胶、氟橡胶中的一种作为注塑材料。以硅橡胶为例，为补偿液体硅橡胶材料的自粘性不足，在注塑前，在所有与液态硅橡胶接触的极板及膜电极2边框上预先涂覆一层胶黏剂，在注塑流化过程中形成液体硅橡胶与极板及膜电极2边框的有效粘结界面。胶黏剂的材料可以为硅烷偶联剂、开姆洛克等反应型胶黏剂中的一种。

边沿密封部的胶黏剂的涂覆区域为阴极单极板1面向水场侧及面向膜电极2侧，膜电极2面向阴极单极板1侧及面向阳极单极板3侧，阳极单极板3面向膜电极2侧。氧腔密封部42与氢腔密封部41的胶黏剂的涂覆区域为阴极单极板1面向膜电极2侧，膜电极2面向阴极单极板1侧及面向阳极单极板3侧，阳极单极板3面向膜电极2侧。水腔密封部43的胶黏剂的涂覆区域为阴极单极板1面向水场侧及面向膜电极2侧，膜电极2面向阴极单极板1侧及面向阳极单极板3侧，阳极单极板3面向膜电极2侧。

或者，注塑材料可以采用自粘性材料，如聚烯烃等，可以直接进行注塑。

为进一步防止注塑材料溢胶的问题，阴极单极板1的外沿及腔口位置还设有第一夹持部，第一夹持部位于第一凸起部16的两侧，第一夹持部与膜电极2贴合；阴极单极板1的外沿及部分腔口位置还设有第二夹持部，第二夹持部位于第二凸起部33的两侧，第二夹持部与膜电极2贴合。本实施例通过在第一凸起部16的两侧留有第一夹持部，在第二凸起部33的两侧留有第二夹持部，使得模具能够通过第一夹持部与第二夹持部压紧单电池，限制注塑材料成型的过程。

其中，第一夹持部的宽度为1mm-5mm，第二夹持部的宽度为1mm-5mm。

在一些实施例中，氧腔嵌件11的高度与第一凸起部16的高度相同，宽度为2mm-8mm，氧腔嵌件11上形成的氧气通道111单个宽度为0.1mm-2mm，各氧气通道111间隔为0.1mm-2mm，氧腔嵌件11与第一凸起部16之间至少间隔2mm，便于注塑时目睹封胶位的放置。氢腔嵌件31的高度与第二凸起部33的高度相同，氢腔嵌件31上形成的氢气通道311单个宽度为0.1mm-2mm，各氢气通道311间隔为0.1mm-2mm，氢腔嵌件31与第二凸起部33之间至少间隔2mm，便于注塑时目睹封胶位的放置。

氧腔密封件12被压缩后的高度等于位于第一凸起部16上的边沿密封部被压缩后的高度，保证相邻单电池堆叠后水场侧的密封性。氢腔密封件13被压缩后的高度等于第一凸起部16的高度与位于第一凸起部16上的边沿密封部被压缩后的高度和，保证相邻单电池堆叠后水场侧的密封性。

其中，氧腔密封件的宽度为2mm-8mm，氧腔密封件12与氧腔密封部42之间的间距为1mm-5mm，氧腔密封件12与边沿密封部之间的间距为1mm-5mm。氢腔密封件13的宽度为2mm-8mm，氢腔密封件13与氧腔密封部42之间的间距为1mm-5mm，氢腔密封件13与边沿密封部之间的间距为1mm-5mm。

如图9和图10所示，氧腔密封件12包括多个第一支撑部121，相邻第一支撑部121之间形成第一通道121a，第一通道121a能够连通阴极单极板1的氧腔口和氧气通孔14，使得氧气场的氧气能够翻越出阴极单极板1的氢气腔，沿第一通道121a、氧气通孔14和氧气通道111流至流场区。第一支撑部的高度等于第一凸起部16的高度与位于第一凸起部16上的边沿密封部被压缩后的高度和，保证相邻单电池堆叠后水场侧的密封性。该第一支撑部121可以在注塑氧腔密封件12时延伸出来得到，采用与氧气密封件相同的材料及工艺进行制备，也可以是单独制备成嵌件后采用与氧腔嵌件11一致的材料及工艺进行制备。

如图9和图10所示，氢腔密封件包括多个第二支撑部131，相邻第二支撑部131之间形成第二通道131a，第二通道131a能够连通阴极单极板1的氢腔口和相邻阳极单极板3的氢气通孔32，使得氢气场的氢气能够翻越出阳极单极板3的氢气腔，沿第二通道131a、氢气通孔32和氢气通道311流至流场区。第二支撑部的高度等于第一凸起部16的高度与位于第一凸起部16上的边沿密封部被压缩后的高度和，保证相邻单电池堆叠后水场侧的密封性。该第二支撑部131可以在注塑氢腔密封件13时延伸出来得到，采用与氢气密封件相同的材料及工艺进行制备，也可以是单独制备成嵌件后采用与氢腔嵌件31一致的材料及工艺进行制备。

在一些实施例中，可以阳极单极板3也可设置第一注塑孔15，实现单电池双边注塑，在进行双边注塑时，阳极单极板3面向水场的一侧不进行第一密封件4的注塑，仅通过第一注塑孔15向阳极单极板3与膜电极2之间进行注塑材料的流动及第一注塑孔15的封堵，多单电池装配时，阴极单极板1面向水场侧的密封件部分（包括部分第一密封件4、氧腔密封件12和氢腔密封件13）与阳极单极板3的板材材料接触即可而非密封材料接触。

如图11至图22所示，本实施例中，膜电极2边框的厚度为0.25mm，质子膜厚度为0.05mm，阴极GDL（扩散层）压缩20%后厚度为0.1mm，阳极GDL（扩散层）压缩20%后厚度为0.1mm。第二凸起部33高度c1、氢腔嵌件31高度d1及膜电极阳极侧流场区23高度c2一致，均为0.3mm。第一凸起部16高度b1与氧气嵌件高度d2一致，均为0.19mm，二者较膜电极阴极侧流场区22高度b2（0.4mm）低0.21mm，第一凸起部16脊高较膜电极阴极侧流场区22脊高低0.21mm，第一凸起部16槽高于膜电极阴极侧流场区22槽高一致，以使注塑于第一凸起部16上的密封部分具有足够的压缩空间。位于第一凸起部16上的边沿密封部高度a1为0.3mm，设计其压缩率为30％，其被压缩后高度为0.21mm。氢腔密封件13的高度为a3，其压缩后与注塑于第一凸起部16上的边沿密封部高度a1压缩后及第一凸起部高度b1的加和高度保持一致。氧腔密封件12的高度a2与注塑于第一凸起部16上的边沿密封部高度a1保持一致。a1的高度为0.3mm，压缩30％后高0.21mm，a2的高度为0. 3，压缩30％后高为0.21mm，a3的高度为0.57mm，压缩30％后高0.4mm，第一支撑部121和第二支撑部131的高度d3等于第一凸起部16的高度b1和第一凸起部16上边沿密封部的高度a1压缩后的和一致。d3的高度为0.4mm。其中，上述密封结构的压缩率均在20％-40％之间。

如图23和图24所示，在另一种实施例中，第二凸起部33位于水腔处靠近流场区的一侧设置有冷却液通道431，使得冷却液能够沿冷却液通道431流至阴极单极板1与相连阳极单极板3之间的水场内，以进行冷却。在该实施例中，阴极单极板1面向水场侧的水腔口外周不设置水腔密封部43。在涂覆水腔密封部43的胶黏剂的涂覆区域为阴极单极板1面向膜电极2侧，膜电极2面向阴极单极板1和面向阳极单极板3侧，阳极单极板3面向膜电极2侧。

如图25所示，本实施例中，膜电极2边框的厚度为0.25mm，质子膜厚度为0.05mm，阴极GDL（扩散层）压缩20%后厚度为0.1mm，阳极GDL（扩散层）压缩20%后厚度为0.1mm。第二凸起部33的高度c1以及氢腔嵌件（图中未示出）的高度d1较膜电极阳极侧流场区23高度c2（0.3mm）高0.05mm，均为0.35mm，以为了配合膜电极2流场区压缩后的高度与与边框高度的间隙。第二凸起部33靠近流场区一侧的高度c3（c3为0.56mm，c3＝c1+c2）较膜电极阳极侧流场区23高度c2高0.26mm，第二凸起部33脊高较膜电极阳极侧流场区23脊高高0.21mm，第二凸起部33槽高较膜电极阳极侧流场区23槽高深0.05mm，以为了配合膜电极2流场区压缩后的高度与边框高度的间隙以及配合时阴极单极板1水腔口的接触及流体流通。第一凸起部16的高度b1为0.24mmm，氧腔嵌件（图中未示出）的高度d2为0.24mm，第一凸起部16的高度b1与氧腔嵌件11的高度d2较膜电极阴极侧流场区22的高度b2（0.4mm）低0.16mm，第一凸起部16脊高较膜电极阴极侧流场区22脊高低0.21mm，第一凸起部16槽高较膜电极阴极侧流场区22槽高深0.05mm，以为配合膜电极2流场区压缩后的高度与边框高度的间隙，并使注塑于第一凸起部16上的边沿密封部44具有足够的压缩空间。

本实施例还提供了一种燃料电池电堆，包括至少两个堆叠设置的燃料电池单电池。本实施例通过注塑成型直接将阳极单极板3、膜电极2边框及阴极单极板1连接在一起，并通过在气腔口极板上开设通孔使得气体翻越进入各自的流场。该结构在气腔密封、水腔密封均只有注塑工艺产生的注塑界面，此外还存在多个电池堆叠装配形成电堆时产生的机械应力界面。减少了密封失效的类型，降低外漏及串漏问题的风险，有效提高电堆使用的安全性，提高电堆的效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种燃料电池单电池，其特征在于，所述单电池包括堆叠设置的阴极单极板、膜电极和阳极单极板，以及连接所述阴极单极板、所述膜电极和所述阳极单极板的第一密封件；

所述第一密封件包括氢腔密封部和氧腔密封部，所述氢腔密封部能够密封所述阴极单极板与所述膜电极之间以及所述膜电极与所述阳极单极板之间的氢腔口，所述氧腔密封部能够密封所述阴极单极板与所述膜电极之间以及所述膜电极与所述阳极单极板之间的氧腔口，所述氢腔密封部与所述氧腔密封部一体注塑成型；

所述单电池还包括氧腔嵌件，所述阴极单极板上设置氧腔密封件和氢腔密封件，所述氧腔密封件与所述氢腔密封件位于所述阴极单极板背离所述膜电极一侧，且所述氧腔密封件围绕所述阴极单极板的氧腔口设置，位于所述阴极单极板的边沿及所述氧腔密封部之间，所述氢腔密封件围绕所述阴极单极板的氢腔口设置，位于所述阴极单极板的边沿及所述氢腔密封部之间；

所述氧腔嵌件位于所述阴极单极板面向所述膜电极一侧，所述氧腔嵌件上存在多个氧气通道，所述阴极单极板的氧腔口靠近流场区的一侧设有多个氧气通孔，多个所述氧气通孔位于所述氧腔密封件与所述氧腔密封部之间，各所述氧气通道与各所述氧气通孔连通；

所述单电池还包括氢腔嵌件，所述氢腔嵌件位于所述阳极单极板面向所述膜电极一侧，所述氢腔嵌件上存在多个氢气通道，所述阳极单极板的氢腔口靠近流场区的一侧设有多个氢气通孔，多个氢气通孔位于所述氢腔密封件与所述氢腔密封部之间，各所述氢气通道与各所述氢气通孔连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述第一密封件还包括水腔密封部，所述水腔密封部能够密封所述阴极单极板与所述膜电极之间以及所述膜电极与所述阳极单极板之间的水腔口；

所述水腔密封部还位于所述阴极单极板背离所述膜电极一侧的水腔口。

3.根据权利要求2所述的燃料电池单电池，其特征在于，位于所述阴极单极板背离所述膜电极一侧的所述水腔密封部设有冷却液通道；

所述冷却液通道位于所述水腔密封部靠近流场区的一侧。

4.根据权利要求2所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述第一密封件还包括边沿密封部，所述边沿密封部设置于所述阴极单极板与所述膜电极之间的边沿、所述膜电极与所述阳极单极板之间的边沿以及所述阴极单极板背离所述膜电极一侧的边沿。

5.根据权利要求4所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述阴极单极板的外沿及腔口位置设有第一注塑孔，所述膜电极的外沿及腔口位置设有第二注塑孔，所述第一注塑孔与所述第二注塑孔相对设置；

所述氢腔密封部、所述氧腔密封部、所述水腔密封部和所述边沿密封部贯穿所述第一注塑孔和所述第二注塑孔设置。

6.根据权利要求5所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述阴极单极板的外沿及腔口位置设有第一凸起部，所述第一凸起部容纳所述阴极单极板与所述膜电极之间的所述第一密封件，所述第一注塑孔设置于所述第一凸起部；

所述阳极单极板的外沿及腔口位置设有第二凸起部，所述第二凸起部容纳所述膜电极与所述阳极单极板之间的所述第一密封件。

7.根据权利要求6所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述第二凸起部位于水腔处靠近流场区的一侧设置有冷却液通道。

8.根据权利要求6所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述氧腔嵌件的高度与所述第一凸起部的高度相同，所述氧腔嵌件与所述第一凸起部之间至少间隔2mm；

所述氢腔嵌件的高度与所述第二凸起部的高度相同，所述氢腔嵌件与所述第二凸起部之间至少间隔2mm。

9.根据权利要求6所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述氧腔密封件被压缩后的高度等于位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度；

所述氢腔密封件被压缩后的高度等于所述第一凸起部的高度与位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度和。

10.根据权利要求6所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述氧腔密封件包括多个第一支撑部，相邻所述第一支撑部之间形成第一通道，所述第一通道能够连通所述阴极单极板的氧腔口和所述氧气通孔。

11.根据权利要求10所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述第一支撑部的高度等于所述第一凸起部的高度与位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度和。

12.根据权利要求6所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述氢腔密封件包括多个第二支撑部，相邻所述第二支撑部之间形成第二通道，所述第二通道能够连通所述阴极单极板的氢腔口和相邻阳极单极板的氢气通孔。

13.根据权利要求12所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述第二支撑部的高度等于所述第一凸起部的高度与位于所述第一凸起部上的所述边沿密封部被压缩后的高度和。

14.根据权利要求4所述的燃料电池单电池，其特征在于，所述氧腔密封件与所述氧腔密封部之间的间距为1mm-5mm，所述氧腔密封件与所述边沿密封部之间的间距为1mm-5mm；

所述氢腔密封件与所述氧腔密封部之间的间距为1mm-5mm，所述氢腔密封件与所述边沿密封部之间的间距为1mm-5mm。

15.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括至少两个堆叠设置的燃料电池单电池，所述燃料电池单电池为权利要求1至14任一项所述的燃料电池单电池。