一種燃料電池電堆結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池電堆結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，手機、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品日益增多，其對體積小、重量輕的電源需求相應增多，采用氫氣或甲醇作為燃料的燃料電池由于具有能量密度高、燃料更換方便等優(yōu)點逐漸成為便攜式電子產(chǎn)品供電的一種可行性方案。
[0003]燃料電池電堆是燃料電池中的關(guān)鍵部件，直接影響燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的性能和體積。負載突變或較大的燃料電池輸出電流紋波都會導致燃料電池電堆壽命的衰減，因此，燃料電池電堆輸出端通常需要并接電容或增加能量管理單元，用于減小負載突變和輸出電流紋波對燃料電池電堆本體的影響。對于大功率燃料電池電堆，其輸出所需的電容較大，難以將其直接與燃料電池電堆本體集成。對于小功率燃料電池電堆，其輸出所需的電容較小，則有可能實現(xiàn)燃料電堆與電容的集成。
[0004]傳統(tǒng)的小功率燃料電池電堆采用石墨雙極板、金屬雙極板或PCB板組成。采用PCB實現(xiàn)的燃料電池通常利用兩個或三個PCB板構(gòu)建單面自呼吸的燃料電池單電池，然后利用單電池串聯(lián)構(gòu)建燃料電池電堆，其輸出功率受到了限制。此外，這種結(jié)構(gòu)未將電容集成到電堆中，需要外接電容來抑制負載突變或輸出電流紋波對燃料電池電堆本體的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙面空氣自呼吸式燃料電池流道，并實現(xiàn)了小功率燃料電池與電容的集成，提高了燃料電池的輸出功率。
[0006]本發(fā)明的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，由下至上依次為雙面PCB板C、高介電常數(shù)薄膜B、絕緣密封墊片D、膜電極B、絕緣密封墊片C、雙面PCB板B、絕緣密封墊片B、膜電極A、絕緣密封墊片A、高介電常數(shù)薄膜A和雙面PCB板A;其中，PCB板雙面設有導電層;所述雙面PCB板C和雙面PCB板A上與膜電極導電部分相對應的位置上設有電氣過孔，雙面PCB板B上與膜電極導電部分相對應的位置上設有迂回的機械開槽，絕緣密封墊片和高介電常數(shù)薄膜上與膜電極導電部分相對應的位置上設有開孔;各層通過緊固螺栓和緊固螺母壓緊固定，膜電極A的上導電部分穿過絕緣密封墊片A和高介電常數(shù)薄膜A的開孔與雙面PCB板A相接觸，膜電極A的下導電部分穿過絕緣密封墊片B的開孔與雙面PCB板B相接觸，膜電極B的上導電部分穿過絕緣密封墊片C的開孔與雙面PCB板B相接觸，膜電極B的下導電部分穿過絕緣密封墊片D和高介電常數(shù)薄膜B的開孔與雙面PCB板C相接觸;所述機械開槽貫通雙面PCB板B的厚度，且機械開槽的兩端分別通過快接插頭與外部燃料管路連接;雙面PCB板A和雙面PCB板C通過導電柱A連接，雙面PCB板B上設有導電柱B，導電柱A和導電柱B分別作為燃料電池的正、負極向外部供電。
[0007]進一步地，通過改變高介電常數(shù)薄膜A和高介電常數(shù)薄膜B的長度，改變電容的容值，且高介電常數(shù)薄膜的長度小于雙面PCB板A和雙面PCB板C的長度。
[0008]進一步地，所述導線柱A和導線柱B為多個。
[0009]本發(fā)明還提供了一種大功率燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，由多個上述的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成，多個燃料電池電堆結(jié)構(gòu)的正、負極依次串聯(lián)。
[0010]有益效果:
[0011]本發(fā)明采用三層PCB實現(xiàn)了雙面空氣自呼吸式質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，提高了燃料電池電堆的功率密度。通過多個同樣的燃料電池電堆串聯(lián)可以提高燃料電池輸出電壓和輸出功率。
[0012]本技術(shù)方案實現(xiàn)了燃料電池電堆本體與電容的集成，減少負載突變和輸出電流紋波對燃料電池電堆性能的影響，從而減小了外接電容的大小，提高了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的功率密度。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為最小尺寸集成電容的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為雙面PCB板A結(jié)構(gòu)示意。
[0016]圖4為高介電常數(shù)薄膜A結(jié)構(gòu)示意。
[0017]圖5為絕緣墊片A結(jié)構(gòu)示意。
[0018]圖6為膜電極A結(jié)構(gòu)示意。
[0019]圖7為絕緣墊片B結(jié)構(gòu)示意。
[0020]圖8為雙面PCB板B結(jié)構(gòu)示意。
[0021]圖9為絕緣墊片C結(jié)構(gòu)示意。
[0022]圖10為膜電極B結(jié)構(gòu)示意。
[0023]圖11為絕緣墊片D結(jié)構(gòu)示意。
[0024]圖12為高介電常數(shù)薄膜B結(jié)構(gòu)示意。
[0025]圖13為雙面PCB板C結(jié)構(gòu)示意。
[0026]圖14為各組件壓緊后的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖15為燃料電池電堆等效電路示意。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0029]本發(fā)明提供了一種燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，由下至上依次為雙面PCB板C、高介電常數(shù)(介電常數(shù)大于100)薄膜B、絕緣密封墊片D、膜電極B、絕緣密封墊片C、雙面PCB板B、絕緣密封墊片B、膜電極A、絕緣密封墊片A、高介電常數(shù)薄膜A和雙面PCB板A;其中，3塊雙面PCB板均為在PCB板的上下表面均鍍一層導電層，如導電銅箔;雙面PCB板C、雙面PCB板A上與膜電極導電部分相對應的位置上設有電氣過孔，雙面PCB板B上與膜電極導電部分相對應的位置上設有機械開槽，絕緣密封墊片、高介電常數(shù)薄膜上與膜電極導電部分相對應的位置上設有開孔;各層通過兩端的緊固螺栓A、緊固螺栓B、以及緊固螺栓A兩端的緊固螺母A、緊固螺母C，緊固螺栓B兩端的緊固螺母B、緊固螺母D壓緊固定，膜電極A的上導電部分穿過絕緣密封墊片A和高介電常數(shù)薄膜A的開孔與雙面PCB板A相接觸，膜電極A的下導電部分穿過絕緣密封墊片B的開孔與雙面PCB板B相接觸，膜電極B的上導電部分穿過絕緣密封墊片C的開孔與雙面PCB板B相接觸，膜電極B的下導電部分穿過絕緣密封墊片D和高介電常數(shù)薄膜B的開孔與雙面PCB板C相接觸。各層結(jié)構(gòu)如圖3?圖13所示。其中，機械通孔A、B、C、D、E、F為螺栓固定通孔，機械通孔G、Η為快接插頭固定通孔。
[0030]雙面PCB板Α和雙面PCB板Β、高介電常數(shù)薄膜Α、膜電極Α、絕緣密封墊片Α和絕緣密封墊片B組成燃料電池單電池I，雙面PCB板B和雙面PCB板C、高介電常數(shù)薄膜B、膜電極B、絕緣密封墊片C和絕緣密封墊片D組成燃料電池單電池II。
[0031]其中，上下端面的雙面PCB板A和雙面PCB板C上的電氣過孔，用于構(gòu)建燃料電池空氣自呼吸流道;位于中間的雙面PCB板B上的機械開槽貫通雙面PCB板B的厚度，用于構(gòu)建燃料電池的燃料(氫氣或甲醇)流道，其中，燃料流道的兩端分別通過快接插頭A和快接插頭B與外部燃料管路快速連接。
[0032]絕緣密封墊片A、B、C、D用于實現(xiàn)燃料流道的密封與電氣絕緣。
[0033]膜電極A、膜電極B分別為燃料電池單電池I和燃料電池單電池II的發(fā)電界面;雙面PCB板B構(gòu)成燃料電池單電池I和燃料電池單電池II的陽極，雙面PCB板A構(gòu)成燃料電池單電池I的陰極，雙面PCB板C構(gòu)成燃料電池單電池II的陰極。導電柱A的兩端分別與雙面PCB板A和雙面PCB板C連接，實現(xiàn)燃料電池單電池I陰極和單電池II陰極連接;導電柱B貫穿雙面PCB板B，用于實現(xiàn)燃料電池單電池I陽極和單電池II陽極連接。同時，導電柱A和導電柱B分別作為燃料電池的正、負極向外部供電?？梢栽O置多個導線柱A和導線柱B，減少寄生電阻。
[0034]高介電常數(shù)薄膜用于集成電容，燃料電池電堆等效電路如圖15所示。燃料電池電堆集成的電容大小可以通過改變高介電常數(shù)薄膜尺寸來實現(xiàn)，其中，高介電常數(shù)薄膜的長度小于位于上下端面的雙面PCB板A、C的長度。最小尺寸集成電容的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0035]本發(fā)明還可以采用多個同樣的燃料電池電堆，將其正、負極依次串聯(lián)，提高燃料電池輸出電壓和輸出功率。
[0036]本發(fā)明采用三個PCB板用于構(gòu)建雙面空氣自呼吸式燃料電池流道，同時采用高介電常數(shù)薄膜用于提高燃料電池輸出電容，實現(xiàn)燃料電池與電容的集成方案。燃料(氫氣或甲醇)進口與出口采用快插接頭，方便氣路連接。
[0037]本發(fā)明構(gòu)建了一種易于制造、裝配的雙面空氣自呼吸式質(zhì)子交換膜燃料電池電堆結(jié)構(gòu)。同時，利用高介電常數(shù)薄膜將電容集成到燃料電池電堆中，其等效電路圖如圖14所示。CelldPCell2分別為兩個PCB構(gòu)建的燃料電池單電池，CjPC2分別為電堆內(nèi)集成的兩個電容，兩個燃料電池單電池和兩個電容輸出端分別通過兩個導電柱并聯(lián)后作為燃料電池電堆的正、負極對負載供電。
[0038]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，由下至上依次為雙面PCB板C、高介電常數(shù)薄膜B、絕緣密封墊片D、膜電極B、絕緣密封墊片C、雙面PCB板B、絕緣密封墊片B、膜電極A、絕緣密封墊片A、高介電常數(shù)薄膜A和雙面PCB板A;其中，PCB板雙面設有導電層;所述雙面PCB板C和雙面PCB板A上與膜電極導電部分相對應的位置上設有電氣過孔，雙面PCB板B上與膜電極導電部分相對應的位置上設有迂回的機械開槽，絕緣密封墊片和高介電常數(shù)薄膜上與膜電極導電部分相對應的位置上設有開孔;各層通過緊固螺栓和緊固螺母壓緊固定，膜電極A的上導電部分穿過絕緣密封墊片A和高介電常數(shù)薄膜A的開孔與雙面PCB板A相接觸，膜電極A的下導電部分穿過絕緣密封墊片B的開孔與雙面PCB板B相接觸，膜電極B的上導電部分穿過絕緣密封墊片C的開孔與雙面PCB板B相接觸，膜電極B的下導電部分穿過絕緣密封墊片D和高介電常數(shù)薄膜B的開孔與雙面PCB板C相接觸;所述機械開槽貫通雙面PCB板B的厚度，且機械開槽的兩端分別通過快接插頭與外部燃料管路連接;雙面PCB板A和雙面PCB板C通過導電柱A連接，雙面PCB板B上設有導電柱B，導電柱A和導電柱B分別作為燃料電池的正、負極向外部供電。2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，通過改變高介電常數(shù)薄膜A和高介電常數(shù)薄膜B的長度，改變電容的容值，且高介電常數(shù)薄膜的長度小于雙面PCB板A和雙面PCB板C的長度。3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述導線柱A和導線柱B為多個。4.一種大功率燃料電池電堆結(jié)構(gòu)，其特征在于，由多個如權(quán)利要求1?3任意一項所述的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成，多個燃料電池電堆結(jié)構(gòu)的正、負極依次串聯(lián)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種燃料電池電堆結(jié)構(gòu)。使用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)雙面空氣自呼吸式燃料電池流道，并實現(xiàn)了小功率燃料電池與電容的集成，提高了燃料電池的輸出功率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)由下至上依次為雙面PCB板C、高介電常數(shù)薄膜B、絕緣密封墊片D、膜電極B、絕緣密封墊片C、雙面PCB板B、絕緣密封墊片B、膜電極A、絕緣密封墊片A、高介電常數(shù)薄膜A和雙面PCB板A；其中，雙面PCB板C、雙面PCB板A上與膜電極導電部分相對應的位置上設有電氣過孔，雙面PCB板B上與膜電極導電部分相對應的位置上設有機械開槽，絕緣密封墊片、高介電常數(shù)薄膜上與膜電極導電部分相對應的位置上設有開孔；各層通過緊固螺栓和緊固螺母壓緊固定。
【IPC分類】H01M8/10, H01M8/24
【公開號】CN105449253
【申請?zhí)枴緾N201511025948
【發(fā)明人】張龍龍, 崔戰(zhàn)國, 王磊, 趙建偉, 王本東, 李文曉
【申請人】山東航天電子技術(shù)研究所
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月31日