CN203932175U - 一种燃料电池取电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池取电装置，包括取电板和电极柱，取电板上设置多个电极柱，取电板上开设有定位孔，定位孔是中空结构，电极柱通过定位孔垂直设置在取电板上，电极柱两两平行且间隔距离相等；取电板与电极柱相接触的一端设置轴肩，轴肩的长度略小于取电板的厚度，轴肩钎焊在定位孔上并形成一个局部钎焊层，取电板背离电极柱的一侧设置镀金层。本实用新型提供的燃料电池取电板装置采用了均布式电极柱与取电板通过钎焊连接后形成燃料电池取电装置，不仅可以提供均匀的取电效果，防止取电板面积上出现较大的面电位差；而且能有效利用燃料电池堆的周边空间，有利于提高电池堆的体积功率密度，对于大功率电堆尤其如此。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池取电装置，特别是指一种燃料电池取电装置，属于燃料电池技术领域。
背景技术
质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)是燃料电池(FC)家族中的重要一员，在与外电路形成回路时，氢气和空气(氧气)这两种反应气体在其中发生催化状态下的氧化还原反应并产生电子的定向移动，从而将反应气蕴含的化学能直接转换为电能。燃料电池电堆的基本单元是单电池，就PEMFC电堆而言，其单电池由膜电极、膜电极两侧的扩散层、与扩散层相邻的电极板构成，与氢气同侧的电极板称为阳极，与空气(氧气)同侧的电极板称为阴极。膜电极由质子交换膜及涂敷在两侧的催化剂组成，催化剂占用的面积称为活性面积。单电池的有效电压很低，其开路电压最高也只有1.229V，每平方厘米的单位面积一般也只能提供1A左右的电流，因此面积太小的单电池不具有实用性。通常将单电池制造为面积较大的薄层结构，外电路的回路电流是单位面积电流的并联和，面积越大，提供给外电路的电流也就越大；然后由很多单电池串联用来获得需要的足够高的电压，此时，一个单电池的阳极与另一个单电池的阴极合并，并称之为双极板。双极板与膜电极之间还存在密封圈，用以隔绝大气，这种由多层单电池组成的带有密封圈的层叠结构体是电堆的核心部分，电堆在层叠结构体外还具有封装结构，在封装结构中，有两块取电板位于上述多层单电池层叠结构体的两侧，分别形成整个燃料电池堆的正极、负极，用于外电路的取电连接。
随着燃料电池的关键技术不断取得突破，燃料电池的应用范围越来越广泛，尤其是将燃料电池电堆作为车载动力电池，其需求量将不低于传统燃油发动机。燃料电池技术的发展趋势是电堆功率密度越来越大，实现方式的基础条件是在前述活性面积上，其单位面积能够发出更大的电流，燃料电池对外输出的电流等于单位面积的电流与活性面积的乘积，目前大功率电堆的电流已达到400A左右，未来会有更大电流的可能。
取电板装置是燃料电池电堆的一个重要零部件,是电堆产生的电能对外输出的连接装置。对于燃料电池而言，活性面积上均匀发电、各单电池均匀发电是保证电堆健康运行的很重要的条件。这种均匀性也反应在面电位的一致性，除了单电池自身的发电状态会影响这种一致性，外电路的取电方式也会造成明显的影响，进而会与发电反应相互作用：当取电板自身在面积上存在电位差时，会逐层影响单电池的面电位，从而导致单电池活性面上产生横向电流，这种横向电流是一种能量自耗损失、还会损害单位面积上发电反应的正常进行，尤其是当膜电极反应自身存在不均匀时，这种因取电方式带来的面电位差会加剧不均匀状态，增加反应趋于反向进行的概率，造成膜电极损毁。
目前常见取电方式一般有取电板侧边引出、面上采用大极柱引出等集中取电方式，实际测量取电板各处的电位差会达到0.3V左右，而一般要求膜电极的面电位极差不要超过0.05V，可见取电板的电压差会存在较大的不良影响。
另一方面，集中取电方式会造成取电板电流集中的地方温度显著升高，这种温度会影响邻近区域的膜电极温度，改变其水热状态，不利于反应稳定，同时还有可能烧毁膜电极。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种制造可行，成本低、取电均匀的燃料电池取电装置。
基于上述目的本实用新型提供的一种燃料电池取电装置，包括取电板和电极柱，所述取电板上设置多个电极柱，所述取电板上开设有定位孔，所述定位孔是中空结构，所述电极柱通过所述定位孔垂直设置在所述取电板上，所述电极柱两两平行且间隔距离相等；所述取电板与所述电极柱相接触的一端设置轴肩，所述轴肩的长度略小于所述取电板的厚度，所述轴肩钎焊在所述定位孔上并形成一个局部钎焊层，所述取电板背离电极柱的一侧设置镀金层。
在一些实施例中，所述取电板分别设置在燃料电池堆的两端，所述取电板与所述电极柱相接触的一侧与绝缘板和夹持端板连接，所述夹持端板设置在所述绝缘板的外侧，所述取电板与电极柱不相接触的一端设置镀金层并与该燃料电池堆中的双极板连接。
在一些实施例中，所述取电板为PCB板时增设敷铜板，所述敷铜板为设置在所述取电板与所述电极柱相接触的一端的第一敷铜板和所述取电板与电极柱不相接触的另一端的第二敷铜板；所述PCB板通过均匀过孔敷铜形成导电过孔，在所述导电过孔处沉积铜使两面敷铜层电气连通。
在一些实施例中，所述电极柱与所述取电板相接触的一端的横截面积不大于所述电极柱与所述取电板不相接触的一端的横截面积。
在一些实施例中，所述燃料电池活性面积为在取电板上设置电极柱的对应区域，所述对应区域按照每30cm2～40cm2的活性面积上设置一个电极柱。
在一些实施例中，所述轴肩的直径不大于3mm，所述电极柱的直径不大于12mm。
在一些实施例中，所述电极柱为6根且按照取电板的面积均匀设置在所述取电板上。
在一些实施例中，所述定位孔是直径均相等的中空结构。
本实用新型在取电板与活性面积对应区域均匀地焊接多个电极柱，电极柱的直径大小及其数量根据活性面积大小与电流强度而决定，每个电极柱对应的膜电极活性面积应大致相同，即电极柱应均布。这样在连接外电路后，活性面积上产生的电流都可以通过就近的电极柱，避免了集中或偏向一侧取电的不均匀问题。同时因为电极板上的面电位会很均匀，也不会出现大电流集中过热，较好的解决了前述集中取电的问题，对于大功率电堆，其效果优势会更明显。
在燃料电池堆装置方面，取电板的外侧上表面必须有绝缘板，绝缘板外侧还有夹持端板，这样取电板上焊接的电极柱必须穿过绝缘板与夹持端板，绝缘板与夹持端板在取电板电极柱穿过的地方加工有通孔。这样对取电板的电极柱焊接的位置精度存在较高的要求，以保证取电装置符合燃料电池电堆的装配要求、有利于反应正常进行并减少功率自耗。
从上面所述可以看出，本实用新型提供的燃料电池取电板装置采用了均布式电极柱与取电板通过钎焊连接后形成燃料电池取电装置具有如下优点：
1)由于在所述取电板上设置多个电极柱，所述电极柱两两平行排列且垂直设置于所述取电板。所以对于燃料电池而言，可以提供均匀的取电效果，防止取电板面积上出现较大的面电位差；
2)由于所述电极柱根据所述燃料电池的活性面积设置电极柱两两之间的间隔距离且所述取电板均匀设置安装定位孔。可以防止出现电流集中的过热，通过将电流分散，燃料电池的外部引线直径可以较细，能有效利用燃料电池堆的周边空间，有利于提高电池堆的体积功率密度，对于大功率电堆尤其如此。
附图说明
图1为本实用新型实施例中燃料电池取电板装置(取电板为紫铜板)示意图；
图2为本实用新型实施例中燃料电池取电板装置(取电板为PCB板)示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
请参考图1，一种燃料电池取电装置，包括取电板102和电极柱101，所述取电板102上设置多个电极柱101，所述取电板102上开设有定位孔103，所述定位孔103是中空结构，所述电极柱101通过所述定位孔103垂直设置在所述取电板102上，所述电极柱101两两平行且间隔距离相等；所述取电板102与所述电极柱101相接触的一端设置轴肩104，所述轴肩104的长度略小于所述取电板102的厚度，所述轴肩104钎焊在所述定位孔103上并形成一个局部钎焊层105，所述取电板102背离电极柱101的一侧设置镀金层。由于所述取电板102上开设有定位孔103，所述定位孔103是中空结构，使得取电板102被划分为多个的较小的取电板结构。由于所述电极柱101通过所述定位孔103垂直设置在所述取电板102上，所述电极柱101两两平行且间隔距离相等，可以防止取电板102面积上出现较大的面电位差，也可以防止出现电流集中的过热，利于反应稳定，同时还降低了烧毁膜电极的可能性。由于所述取电板102与所述电极柱101相接触的一端设置轴肩104，所述轴肩104的长度略小于所述取电板102的厚度，通过设置轴肩104可便于电极柱101固定在取电板102上。同时，由于所述轴肩104钎焊在所述定位孔103上并形成一个局部钎焊层105，钎焊的温度较低，使取电板102热变形小，也容易保持形位精度。由于所述取电板102背离电极柱101的一侧设置镀金层，焊接后在背离电极柱101的取电面另一侧需镀金，以减小取电板102与双极板之间的接触电阻。常见为镀金，一般可采用金锡钎料。这一侧需要有导电性能好、耐电化学腐蚀能力强的材料。因为金比较常见，其他材料一般效果不好。
对取电板102的电极柱101焊接的位置精度存在较高的要求，以保证取电装置符合燃料电池电堆的装配要求、有利于反应正常进行并减少功率自耗，因此有必要对取电板102焊接电极柱101的制造工艺加以优化。
具体而言制造工艺的优化方法如下：
以取电板102为紫铜板为例，可以在紫铜板上加工直径为3mm的定位孔103若干个，其个数根据目前燃料电池膜电极的技术水平，可以选择每40平方厘米内加工一个定位孔103，这样每个电极柱101通过的电流大约为40A，电极柱101的直径大约为12mm。采用的加工方式应保证取电板102一次装夹、一次基准定位后通过加工设备自动定位所有圆孔位置并加工出圆孔，以防止圆孔位置误差的扩大，这种圆孔作为电极柱101的定位孔103安装。钎焊后将紫铜板没有焊接电极柱101的一面镀金，即可形成所述的燃料电池取电装置。
这样燃料电池在封装装置中，有两块取电板102位于多层单电池层叠装置体的两侧，分别形成整个燃料电池堆的正极、负极，用于外电路的取电连接。进一步从整体上减少了燃料电池因取电方式带来的面电位差导致的不均匀发电，减少反应趋于反向进行的概率和膜电极损毁。
在本实施例中，可选的，所述电极柱101采用紫铜材料，也可以采用其他导电性好的材料，如银。
在本实施例中，可选的，所述取电板102为紫铜板。紫铜板导电性良好且紫铜板外价格便宜，是应用广泛的一个铜材料品种。加之其具有良好的机械性能，热态下塑性良好，冷态下塑性尚可，可切削性好。
请参考图1和图2，所述取电板102为PCB板时增设两面敷铜板，所述敷铜板为设置在所述取电板102与所述电极柱101相接触的一端的第一敷铜板207和所述取电板102与电极柱101不相接触的另一端的第二敷铜板208；所述PCB板通过均匀过孔敷铜形成导电过孔206，在所述导电过孔206处沉积铜使两面敷铜层电气连通。由于采用了PCB板，所以需要采用过孔敷铜的方法形成导电过孔206，保证第一敷铜板207和第二敷铜板208的电气连通，在所述取电板102工作时，便于导通电池堆中的电流。
采用PCB板时，两侧板面应敷光铜，两侧板面的第一敷铜板207和第二敷铜板208是指PCB板的上、下两个板面，且两侧板面之间应通过均匀分布的敷铜过孔连接。具体而言制造工艺的优化方法如下：
具体而言，在PCB板上加工直径为3mm的通孔若干个即为定位孔103，其个数根据目前燃料电池膜电极的技术水平，可以选择每30～40平方厘米内加工一个定位孔103，这样每个电极柱101通过的电流大约为30A～40A，电极柱101的直径大约为12mm。电极柱101钎焊后将PCB板没有焊接电极柱101的取电板102一面镀金，即可形成所述的燃料电池取电装置。所用PCB板的双面需要有敷铜层，PCB板上还应均布过孔，过孔敷铜形成导电过孔206，所述导电过孔206将两侧敷铜层电气连通。
在本实施例中，可选的，所述取电板102分别设置在燃料电池堆的两端，所述取电板102与所述电极柱101相接触的一侧与绝缘板和夹持端板连接，所述夹持端板设置在所述绝缘板的外侧，所述取电板102与电极柱101不相接触的一端设置镀金层并与该燃料电池堆中的双极板连接。取电板102是燃料电池堆产生的电能对外输出的连接装置。对于燃料电池堆而言，活性面积上均匀发电、各单电池均匀发电能够保证电堆健康运行。当取电板102自身在面积上不存在电位差时，不会对单电池的面电位产生影响，从而使单电池活性面上产生减少出现横向电流。
在本实施例中，可选的，所述电极柱101与所述取电板102相接触的一端的横截面积不大于所述电极柱101与所述取电板102不相接触的一端的横截面积。为了加工方便，所述电极柱101采用圆柱体，电极柱101顶部直径的实体面积应与电极柱101通过的电流大小适应。在采用圆锥体时，与取电板102装配的一端直径应大于顶部直径，这样采用圆锥体的底面积会更大，周长更长，如果采用手工焊时，可能只能焊其外圆周，这样更长的外圆周长的导电能力更有保证。
在本实施例中，可选的，所述燃料电池活性面积为在取电板102上设置电极柱101的对应区域，所述对应区域按照每30cm2～40cm2的活性面积上设置一个电极柱101。以取电板102为紫铜板为例，在紫铜板上加工直径为3mm的定位孔103若干个，其个数根据目前燃料电池膜电极的技术水平，可以选择每40平方厘米内加工一个定位孔103，这样每个电极柱101通过的电流大约为40A，电极柱101的直径大约为12mm。钎焊后将紫铜板没有焊接电极柱101的一面镀金，即可形成所述的燃料电池取电装置。
在本实施例中，可选的，所述轴肩104的直径不大于3mm，即在取电板102上的定位孔103的名义直径一致均不大于3mm，但轴肩104直径应取负公差以方便***所述取电板102的定位孔103中。所述电极柱101的直径不大于12mm。
在本实施例中，可选的，所述电极柱101为6根且按照取电板102的面积均匀设置在所述取电板102上。若按照所述对应区域按照每30cm2～40cm2的活性面积上设置一个电极柱101，该电池取电板102装置设置6根时为其最优选的情况，当然本领域技术人员可以根据活性面积和需要布置任意数量的电极柱101。所述电极柱101之间输出的电位差相等，因为电极柱101两两平行且间隔距离相等，且电极柱101的体积相同，所以相同的时间内通过其中的电流相同，进而输出的电位差也相等。
在本实施例中，可选的，所述定位孔103是直径均相等的中空结构，由于采用了在取电板102是直径均相等的中空结构，所以定位孔103与活性面积对应区域均匀地焊接多个电极柱101，电极柱101的直径大小及其数量根据活性面积大小与电流强度而决定，每个电极柱101对应的膜电极活性面积应大致相同，即能够使电极柱101均布。这样在连接外电路后，活性面积上产生的电流都可以通过就近的电极柱101，避免了集中或偏向一侧取电的不均匀问题。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃料电池取电装置，其特征在于，包括取电板和电极柱，所述取电板上设置多个电极柱，所述取电板上开设有定位孔，所述定位孔是中空结构，所述电极柱通过所述定位孔垂直设置在所述取电板上，所述电极柱两两平行且间隔距离相等；所述取电板与所述电极柱相接触的一端设置轴肩，所述轴肩的长度略小于所述取电板的厚度，所述轴肩钎焊在所述定位孔上并形成一个局部钎焊层，所述取电板背离电极柱的一侧设置镀金层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池取电装置，其特征在于，所述取电板分别设置在燃料电池堆的两端，所述取电板与所述电极柱相接触的一侧与绝缘板和夹持端板连接，所述夹持端板设置在所述绝缘板的外侧，所述取电板与电极柱不相接触的一端设置镀金层并与该燃料电池堆中的双极板连接。
3.根据权利要求1所述的燃料电池取电装置，其特征在于，所述取电板为PCB板时增设敷铜板，所述敷铜板为设置在所述取电板与所述电极柱相接触的一端的第一敷铜板和所述取电板与电极柱不相接触的另一端的第二敷铜板；所述PCB板通过均匀过孔敷铜形成导电过孔，在所述导电过孔处沉积铜使两面敷铜层电气连通。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池取电装置，其特征在于，所述电极柱与所述取电板相接触的一端的横截面积不大于所述电极柱与所述取电板不相接触的一端的横截面积。
5.根据权利要求1所述的燃料电池取电装置，其特征在于，所述燃料电池活性面积为在取电板上设置电极柱的对应区域，所述对应区域按照每30cm2～40cm2的活性面积上设置一个电极柱。
6.根据权利要求1所述的燃料电池取电装置，其特征在于，所述轴肩的直径不大于3mm，所述电极柱的直径不大于12mm。
7.根据权利要求1所述的燃料电池取电装置，其特征在于，所述电极柱为6根且按照取电板的面积均匀设置在所述取电板上。
8.根据权利要求1所述的燃料电池取电装置，其特征在于，所述定位孔是直径均相等的中空结构。
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| CN109560315A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-04-02 | 浙江锋源氢能科技有限公司 | 燃料电池取电装置 |
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2014
- 2014-06-12 CN CN201420311311.5U patent/CN203932175U/zh not_active Expired - Lifetime
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| CN109560315A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-04-02 | 浙江锋源氢能科技有限公司 | 燃料电池取电装置 |
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