CN101393993A - 一种燃料电池的装配结构及方法 - Google Patents

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顾志军
金珂
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Abstract

本发明披露了一种燃料电池的装配结构，包括燃料侧端板，阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层，空气侧端板，依次叠合，其特征在于：所述燃料侧端板及空气侧端板的对应部位熔融连接，并对所述阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层形成压紧力。本发明还披露了一种燃料电池系统，包括一个或多个所述的燃料电池的装配结构，还包括印刷电路板PCB，所述的燃料电池的电极引出后，连接至所述的印刷电路板PCB。本发明还披露了所述燃料电池的装配方法：将所述的燃料侧端板及空气侧端板置于所述的阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层的两端，压紧以后进行超声波焊接。与现有技术相比，本发明的技术方案具有装配速度快，成本、重量、体积低的优点。

Description

一种燃料电池的装配结构及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池的装配结构及方法。
背景技术
燃料电池采用燃料经过电化学反应直接发电，具有节能、环保等优点。
为了保证密封性及导电接触，需要通过装配结构向单个燃料电池或多个燃料电池堆叠的两端施加压力。
在现有技术中，一般采用两个端板夹住单个燃料电池或多个燃料电池堆叠，沿端板的周边用数对不锈钢螺钉螺母拉紧。
现有技术的缺陷在于，装配工作量较大，速度较慢，成本较高，产品的重量及体积较大。对于单个或者少数几个燃料电池的小型应用，上述问题尤其突出。
发明内容
为了克服现有技术在装配速度、成本、重量及体积方面的缺陷，本发明提出了下述技术方案：
一种燃料电池的装配结构，包括燃料侧端板，阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层，空气侧端板，依次叠合，其特征在于：所述燃料侧端板及空气侧端板的对应部位熔融连接，并对所述阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层形成压紧力。
集电层的作用是收集电流并引出。
所述的熔融连接的结构可以是，在所述燃料侧端板及空气侧端板中的一个端板，其与另一个端板相靠近的表面，设有刃形突起；在另一个端板，其与所述第一个端板的刃形突起相对应的部位，设有平整的表面；所述刃形突起与所述平整的表面熔融连接。
所述的刃形突起，可以是围成闭合环的。对闭合环的定义并不限于圆环，可以是方环或其它各种拓补形状，但是没有端点。这有助于在紧固的同时，产生密封作用，从而省去密封圈或减少密封圈的数量。
所述的两个端板的材料，可以是适合超声波焊接的材料。所述的适合超声波焊接的材料，可以是是塑料。所述的塑料，可以是聚碳酸酯。
所述的阳极集电层，阴极集电层，可以是多孔的导电材料。所述多孔的导电材料，可以是金属网。所述的金属网，可以是镍网或钛网或不锈钢网。所述的金属网，其表面可以覆盖有耐腐蚀且导电的材料。这种耐腐蚀且导电的材料，可以是金。
所述的端板内可以设有流道或透气孔。
所述的燃料电池的装配结构，可以用于玩具、或教具，或电子消费品。
增大燃料电池功率的一种方式是，所述的燃料电池装配结构两个或多个单元堆叠，相邻两个单元的相邻端板集成为一块分隔板。这样安排的优点是，可以提高集成度及空间利用率。
所述的燃料电池装配结构可以是两个单元背对背堆叠，两者的燃料侧相邻，两者的燃料侧端板集成为一块燃料侧分隔板。
另外一种提高集成度的方案是，至少有一个所述的端板为包含所述燃料电池的应用产品的内部或外壳的塑料部分。
在所述燃料侧端板及空气侧端板的中央及边沿，均可以有所述的熔融连接。
增大燃料电池功率的另一种方式是，所述的燃料电池装配结构两个或多个单元并列设置，各个单元的所述燃料侧端板集成为一个面积较大的燃料侧端板，各个单元的所述空气侧端板集成为一个面积较大的空气侧端板。
一种燃料电池系统，包括一个或多个所述的燃料电池的装配结构，还包括印刷电路板PCB，所述的燃料电池的电极引出后，连接至所述的印刷电路板PCB。
所述的印刷电路板PCB上可以设置有对多个燃料电池的串联或并联进行切换的电路。
所述的印刷电路板PCB上可以设置有用以显示电池运行状态的发光二极管，或DC-DC，或控制电路。
所述的一种燃料电池的装配方法：将所述的燃料侧端板及空气侧端板置于所述的阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层的两端，压紧以后进行超声波焊接。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有装配速度快，成本、重量、体积低的优点。
附图说明
图1是本发明的一种技术方案的示意图。
图2是本发明的另一种技术方案的示意图。
图3是本发明的另一种技术方案的示意图。
图4是本发明的另一种技术方案的示意图。
具体实施方式
例1
图1为一种用于玩具或教具的燃料电池的装配结构示意图。两个燃料电池的燃料侧互相靠近，反向堆叠。
燃料侧分隔板1(实际上是两块燃料侧端板的一体化集成)上面设置有燃料的流道4，用于压紧燃料电池的柱5，位于柱5之间的燃料腔6与燃料的流道4之间是良好连通的。
阴极集电层15，阴极扩散层11、膜电极12、阳极扩散层13、阳极集电层16依次叠合、加上周边密封圈14组成了燃料电池组件。
两个空气侧端板2上面设置有超声波线3，用于压紧燃料电池的柱7，位于柱7之间的空气腔8通过空气的透气孔10与外界空气连通。超声波线3是围成闭合环的刃形突起。
另外，燃料侧分隔板1上面还设置有环形突起9，其与燃料侧的周边密封圈14相贴合，对燃料腔6起到了密封作用。
燃料侧分隔板1及空气侧端板2均采用聚碳酸酯，这种塑料适合进行超声波焊接。
两个空气侧端板2及一个燃料侧分隔板1将两个燃料电池组件夹住，压紧后进行超声波焊接，形成熔融连接，产生永久的压紧力。
氢气通过燃料的流道4进入燃料腔6、阳极集电层16及阳极扩散层13，空气通过空气的透气孔10进入空气腔8、阴极集电层15及阴极扩散层11。从而在膜电极12上发生电化学反应，产生电压。
阴极集电层15、阳极集电层16均为表面镀金的钛网，其电流引出部分穿过周边密封圈14。由于周边密封圈14是浇铸在钛网上进行固化的，所以不会影响密封性。另外有焊在钛网上的引线穿过端板或分隔板将电流引至外部。这种引出结构并不处于图1的剖面中，所以未能图示。但是由于其比较简单，所属领域普通技术人员应能根据文字描述理解。
例2
如图2所示，其它均与例1相同，不同点在于：
1，没有采用反向堆叠的结构；因此不包括燃料侧分隔板1，但是包括燃料
侧端板31。
2，空气侧端板2与玩具小车的底盘集成为一体。
例3
如图3所示，其它均与例1相同，不同点在于：
1，两个燃料电池单元之间的空间关系为并列设置，而不是堆叠设置。
2，两个单元的燃料侧端板集成为一个面积较大的燃料侧端板，两个单元的
空气侧端板集成为一个面积较大的空气侧端板。
3，不仅是边沿处，而且中央部位也有超声波线3。这在端板面积较大的情况下，有助于保证压紧力的均匀性。
例4
如图4所示的燃料电池系统，包括上述技术方案的燃料电池21，PCB22，导线23。
燃料电池21的输出经导线23连接至PCB22。
PCB22中设置有串并联切换电路，当处于串联状态时，输出较高的电压及较低的电流，当处于并联状态时，输出较低的电压及较高的电流。从而能够适应不同阻抗的负载。切换电路可以采用继电器实现，也可以采用MOSFET，这是所属领域普通技术人员公知的，本文不再描述。
另外，PCB22中还设置有发光二极管，用于指示不同的工作状态。

Claims (17)

1.一种燃料电池的装配结构，包括燃料侧端板，阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层，空气侧端板，依次叠合，其特征在于：所述燃料侧端板及空气侧端板的对应部位熔融连接，并对所述阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层形成压紧力。
2.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的熔融连接的结构是，在所述燃料侧端板及空气侧端板中的一个端板，其与另一个端板相靠近的表面，设有刃形突起；在另一个端板，其与所述第一个端板的刃形突起相对应的部位，设有平整的表面；所述刃形突起与所述平整的表面熔融连接。
3.如权利要求2所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的刃形突起，是围成闭合环的。
4.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的燃料侧端板及空气侧端板的材料，为适合超声波焊接的材料。
5.如权利要求4所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的适合超声波焊接的材料，是聚碳酸酯塑料。
6.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的阳极集电层，阴极集电层，是经过耐腐蚀处理的金属网多孔耐腐蚀导电材料。
7.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的端板内设有流道或透气孔。
8.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的燃料电池的装配结构，用于玩具、或教具，或电子消费品。
9.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的燃料电池装配结构两个或多个单元堆叠，相邻两个单元的相邻端板集成为一块分隔板。
10.如权利要求9所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的燃料电池装配结构两个单元背对背堆叠，两者的燃料侧相邻，两者的燃料侧端板集成为一块燃料侧分隔板。
11.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：至少有一个所述的端板为包含所述燃料电池的应用产品的内部或外壳的塑料部分。
12.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：在所述燃料侧端板及空气侧端板的中央及边沿，均有所述的熔融连接。
13.如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，其特征在于：所述的燃料电池装配结构两个或多个单元并列设置，各个单元的所述燃料侧端板集成为一个面积较大的燃料侧端板，各个单元的所述空气侧端板集成为一个面积较大的空气侧端板。
14.一种燃料电池系统，包括一个或多个如权利要求1所述的燃料电池的装配结构，还包括印刷电路板PCB，所述的燃料电池的电极引出后，连接至所述的印刷电路板PCB。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其特征在于：所述的印刷电路板PCB上设置有对多个燃料电池的串联或并联进行切换的电路。
16.如权利要求14所述的燃料电池系统，其特征在于：所述的印刷电路板PCB上设置有用以显示电池运行状态的发光二极管，或DC-DC，或控制电路。
17.一种如权利要求1所述的燃料电池的装配方法：将所述的燃料侧端板及空气侧端板置于所述的阳极集电层，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，阴极集电层的两端，压紧以后进行超声波焊接。
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