專利名稱：一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽極反應(yīng)
陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可用作移動式或固定式發(fā)電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般由若干個單電池組成，將這些單電池以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接起來構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池堆，將質(zhì)子交換膜燃料電池堆與其他運行支持系統(tǒng)組合起來構(gòu)成整個質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
如圖1是現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池單電池中的膜電極，它包括空氣進(jìn)氣口1a，進(jìn)水口2a，氫氣進(jìn)氣口3a，電極活性區(qū)域4a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖2是現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池單電池中的導(dǎo)流極板，它包括空氣進(jìn)氣口1a，進(jìn)水口2a，氫氣進(jìn)氣口3a，流道8a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖3是一種數(shù)個單電池以串聯(lián)方式連接的燃料電池堆，它包括面板9a，第一集流母板10a，電池堆11a，第二集流母板12a，負(fù)載13a；質(zhì)子交換膜燃料電池堆可以由數(shù)個單電池串聯(lián)方式組成，也可以數(shù)個單電池串聯(lián)構(gòu)成一個單元，再將數(shù)個這種單元以并聯(lián)形式構(gòu)成，如圖4的燃料電池堆，該燃料電池堆包括第一集流母板10a，電池堆11a，第二集流母板12a，絕緣板14a；以上圖3、圖4所指的質(zhì)子交換膜燃料電池堆都涉及到二塊或多塊集流母板，分別是燃料電池堆中的正、負(fù)或負(fù)、正集流母板。這二塊集流母板有以下二種功效1、將數(shù)個串聯(lián)或并聯(lián)的燃料電池單電池或整個燃料電池堆的電流引出來，構(gòu)成導(dǎo)通外電路電流的正、負(fù)極；2、集流母板上也有各種流體道孔，可以讓燃料電池各種流體自由通過，如圖5，圖6，其中1a、2a、3a、5a、6a、7a是流體孔，15a是電流引出端的耳子，10a是集流母板，所以，集流母板除了二個電流引出端的耳子外大小基本上與燃料電池堆中的導(dǎo)流極板大小相同，上面的流體孔也與導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流孔一樣大小，以構(gòu)成整個燃料電池堆的各個導(dǎo)流通道。
如圖5、圖6，目前燃料電池電流集流母板(10a、12a)的電流引出接線是通過集流母板上下、左右的二個電流引出端的耳子與外接導(dǎo)線相連接來實現(xiàn)的，該技術(shù)方案有以下技術(shù)缺陷電流引出端的二個耳子無論在左右或者上下，外加與外接導(dǎo)線相連接后使燃料電池堆在左右、上下的方向大大增加了體積的龐雜性，燃料電池堆在左右、上下方向的空間非常有限或十分擁擠的情況下，這種電流引出與外接線相連接是很難實現(xiàn)的；為了大大增加燃料電池堆的體積比功率，必須使燃料電池電流集流母板的厚度減薄。當(dāng)薄到一定程度，以及燃料電池堆輸出大電流時，電流引出端的二個耳子無論在左右或上下時，都無法將整個燃料電池堆的大電流均勻引出，即大電流從中心向耳子方向流動時，會產(chǎn)生微量的電壓下降，從而影響燃料電池的發(fā)電性能與效率。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種不需在集流母板上下或左右設(shè)置電流引出端耳子同樣能達(dá)到引流目的的結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆。
本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，包括膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前后端板，其中由兩塊導(dǎo)流極板中間夾持一片膜電極構(gòu)成一單電池，多個該單電池串聯(lián)或并聯(lián)并在其前后端部依次夾持集流母板與前后端板即構(gòu)成一燃料電池堆，所述的膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前端板上的相對應(yīng)位置均設(shè)有可供氫氣進(jìn)出的流體孔、可供空氣進(jìn)出的流體孔、可供冷卻流體進(jìn)出的流體孔，這些膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前端板組合后，其流體孔即分別構(gòu)成了氫氣進(jìn)出通道、空氣進(jìn)出通道、冷卻流體進(jìn)出通道，其特征在于，所述的集流母板上設(shè)有多個電流引出端子，該電流引出端子設(shè)在集流母板均分的多個區(qū)域的中心點上，所述的前后端板開設(shè)有多個洞孔，所述的集流母板的電流引出端子從前后端板開設(shè)的洞孔中穿出，并與外接導(dǎo)線直接連接。
所述的集流母板上設(shè)有四個電流引出端子，集流母板均分成四個區(qū)域，所述的四個電流引出端子分別設(shè)在集流母板均分成的四個區(qū)域的中心點上。
所述的電流引出端子設(shè)有螺紋，所述的外接導(dǎo)線通過緊固螺帽與電流引出端子連接。
所述的電流引出端子上套設(shè)有絕緣套。
所述的電流引出端子采用銅、鈦材料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型采用了一種新的技術(shù)方案。如圖7～11所示，該新的技術(shù)方案將燃料電池電流集流母板的電流引出端子設(shè)在集流母板均分的多個區(qū)域的中心點上，并直接從燃料電池堆的前后端板的洞孔中引出來與外接導(dǎo)線直接連接。這樣既可以保證燃料電池堆左右、上下方向的體積空間緊湊而不被耳子、外接導(dǎo)線占用，而且可以保證燃料電池堆既使在采用很薄的集流母板且輸出大電流時，也可以均勻地通過將集流母板各個區(qū)域均分區(qū)域上的各個引出端子與外接導(dǎo)線一一并聯(lián)連接引出電流。


圖1為現(xiàn)有燃料電池堆單電池中膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池堆單電池中導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有燃料電池堆數(shù)個單電池串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為現(xiàn)有燃料電池堆數(shù)個單電池串聯(lián)后再并聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為現(xiàn)有燃料電池堆中一種集流母板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為現(xiàn)有燃料電池堆中另一種集流母板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實用新型燃料電池堆中后集流母板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖7的左視圖；圖9為本實用新型燃料電池堆中前集流母板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為圖9的左視圖；圖11為本實用新型燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例如圖7～11所示，一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，包括膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前后端板，其中由兩塊導(dǎo)流極板中間夾持一片膜電極構(gòu)成一單電池，多個該單電池串聯(lián)或并聯(lián)并在其前后端部依次夾持集流母板與前后端板即構(gòu)成一燃料電池堆，所述的膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前端板上的相對應(yīng)位置均設(shè)有可供氫氣進(jìn)出的流體孔、可供空氣進(jìn)出的流體孔、可供冷卻流體進(jìn)出的流體孔，這些膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前端板組合后，其流體孔即分別構(gòu)成了氫氣進(jìn)出通道、空氣進(jìn)出通道、冷卻流體進(jìn)出通道，(以上結(jié)構(gòu)與圖1～6相同)；所述的集流母板分為前端集流母板10、后端集流母板12，所述的前端集流母板10上設(shè)有四個電流引出端子11，該電流引出端子11設(shè)在前端集流母板10均分的四個區(qū)域的中心點上，所述的前端板9開設(shè)有四個洞孔33，所述的前端集流母板10的電流引出端子11從前端板9開設(shè)的洞孔33中穿出，并通過緊固螺帽與外接導(dǎo)線直接連接(圖未示)；所述的后端集流母板12上設(shè)有四個電流引出端子22，該電流引出端子22設(shè)在后端集流母板12均分的四個區(qū)域的中心點上，所述的后端板13開設(shè)有四個洞孔44，所述的后端集流母板12的電流引出端子22從后端板13開設(shè)的洞孔44中穿出，并通過緊固螺帽與外接導(dǎo)線直接連接(圖未示)。
本實施例為一種由100個單電池構(gòu)成的燃料電池堆，單電池中的膜電極、導(dǎo)流雙極板的尺寸為200mm(長)、200mm(寬)、2.5mm(厚)。燃料電池堆的構(gòu)成部件還有前端板9、前端(電流)集流母板10、后端(電流)集流母板12及后端板13，如圖7所示。
前端(電流)集流母板與后端(電流)集流母板的寬度為200mm、高度為200mm、厚度為1mm，由金屬材料如銅、鈦等制造加工而成。其中集流母板上按整塊集流母板四等分的每塊中心點上分別焊接有一根長為5cm的金屬圓柱狀電流引出端子，即，金屬材料柱頭，該柱頭帶有螺紋，并套上由塑料制成的絕緣套。每塊集流母板上共有四個這樣的柱頭。在燃料電池堆前、后端板上與四個柱頭相對應(yīng)的地方分別開四個比柱頭直徑稍大的圓孔，即上述洞孔，這樣四個柱頭就可以在裝配燃料電池堆時穿出前、后端板，并分別與四根并聯(lián)在一起的外接金屬導(dǎo)線通過緊固螺帽連接，達(dá)到均勻引出燃料電池堆電流的目的。
權(quán)利要求1.一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，包括膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前后端板，其中由兩塊導(dǎo)流極板中間夾持一片膜電極構(gòu)成一單電池，多個該單電池串聯(lián)或并聯(lián)并在其前后端部依次夾持集流母板與前后端板即構(gòu)成一燃料電池堆，所述的膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前端板上的相對應(yīng)位置均設(shè)有可供氫氣進(jìn)出的流體孔、可供空氣進(jìn)出的流體孔、可供冷卻流體進(jìn)出的流體孔，這些膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前端板組合后，其流體孔即分別構(gòu)成了氫氣進(jìn)出通道、空氣進(jìn)出通道、冷卻流體進(jìn)出通道，其特征在于，所述的集流母板上設(shè)有多個電流引出端子，該電流引出端子設(shè)在集流母板均分的多個區(qū)域的中心點上，所述的前后端板開設(shè)有多個洞孔，所述的集流母板的電流引出端子從前后端板開設(shè)的洞孔中穿出，并與外接導(dǎo)線直接連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，其特征在于，所述的集流母板上設(shè)有四個電流引出端子，集流母板均分成四個區(qū)域，所述的四個電流引出端子分別設(shè)在集流母板均分成的四個區(qū)域的中心點上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，其特征在于，所述的電流引出端子設(shè)有螺紋，所述的外接導(dǎo)線通過緊固螺帽與電流引出端子連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，其特征在于，所述的電流引出端子上套設(shè)有絕緣套。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，其特征在于，所述的電流引出端子采用銅、鈦材料。
專利摘要本實用新型涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊的燃料電池堆，包括膜電極、導(dǎo)流極板、集流母板、前后端板，所述的集流母板上設(shè)有多個電流引出端子，該電流引出端子設(shè)在集流母板均分的多個區(qū)域的中心點上，所述的前后端板開設(shè)有多個洞孔，所述的集流母板的電流引出端子從前后端板開設(shè)的洞孔中穿出，并與外接導(dǎo)線直接連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型既可以保證燃料電池堆左右、上下方向的體積空間緊湊而不被耳子、外接導(dǎo)線占用，又可以保證燃料電池堆既使在采用很薄的集流母板且輸出大電流時，也可以均勻地通過電流引出端子與外接導(dǎo)線一一并聯(lián)連接引出電流。
文檔編號H01M8/00GK2738404SQ20042010764
公開日2005年11月2日 申請日期2004年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者夏建偉, 章波, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司