CN104823315A - 用于燃料电池的电流收集器 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆组件具有在堆配置中的多个电池。每个电池包括设置在阳极流板和阴极流板之间的膜电极组件。电流收集器板设置在所述堆的每个末端处，并且压缩组件将所述堆维持在压缩状态下。所述电流收集器板中的至少一个形成为印刷电路板，所述印刷电路板具有：被设置成抵靠所述堆中最外面电池的阴极流板或阳极流板的第一面，和与所述第一面相反的第二面。所述第一面包括导电层，所述导电层设置在所述印刷电路板的衬底上以充当堆电流收集器电极。如温度传感器的电气部件可以安装在所述印刷电路板上，以使得它们位于沿着所述阳极流板或阴极流板的相邻面延伸的流动通道中或与所述流动通道相邻。所述印刷电路板可以提供横向延伸的连接凸耳，以用于与所述电流收集器电极和与所述电气部件的电气连接。

Description

用于燃料电池的电流收集器
本发明涉及在燃料电池堆中用来与燃料电池堆形成电气连接的电气连接器系统。
常规的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转换成电能和热能以及反应产物。典型的燃料电池包括夹在阳极流场板和阴极流场板之间的膜电极组件(MEA)。气体扩散层可以设置在每个流场板和MEA之间，以便将燃料和氧化剂更好地分配到MEA。可以使用垫片来将各种层分开并且提供必要的密封。流场板通常包括一个或多个通道，所述通道在与MEA相邻的板表面上延伸以便将流体燃料或氧化剂传送到MEA的活性表面。
在常规的燃料电池堆中，多个电池堆叠在一起，以使得一个电池的阳极流场板与堆中下一个电池的阴极流场板相邻，等等。在一些布置中，使用双极流板，以使得单个流场板在板的两侧都具有流体流动通道。双极板的一侧充当第一电池的阳极流板，并且流板的另一侧充当相邻电池的阴极流板。可以通过与堆中第一个和最后一个流板形成的电气连接从堆中提取电力。典型的堆可以包括仅仅几个电池，或数十个电池，或者甚至数百个电池。本发明涉及所有这些各种燃料电池堆结构。
按照惯例，使用一对电流收集器板从燃料电池堆中提取电力，这对电流收集器板中的一个板设置成抵靠位于堆的一个末端处的最外面阳极流板，并且这对电流收集器板中的另一个板设置成抵靠位于堆的另一末端处的最外面阴极流板。收集器板通常可以形成为高导电性金属(如铜或不锈钢)的刚性板。每个收集器板的凸耳或凸出部分从堆横向向外延伸，以便使得电气连接器能够例如通过焊接或者通过摩擦配合推接式连接器连接到所述凸耳或凸出部分。
本发明的目标是提供一种适合于在燃料电池堆中使用的改进型收集器板。
根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆组件，其包括：
处于堆配置中的多个电池，每个电池包括设置在阳极流板和阴极流板之间的膜电极组件；
位于所述堆的每个末端处的电流收集器板；以及
压缩组件，其被配置来将所述堆维持在压缩状态下；
其中，所述电流收集器板中的至少一个包括印刷电路板，所述印刷电路板具有被设置成抵靠所述堆中最外面电池的阴极流板或阳极流板的第一面；并且
其中，所述第一面包括设置在所述印刷电路板的衬底上的导电层。
所述印刷电路板的第一面可以包括设置在其上的至少一个电子部件。所述至少一个电子部件可以包括传感器。所述传感器可以包括热敏电阻器或其它温度传感器。所述传感器部件可以在所述印刷电路板上定位成与沿着阴极流板或阳极流板的相邻面延伸的流动通道对准。所述传感器部件可以被配置成凸出超过所述印刷电路板的所述面，而进入到所述流动通道的体积中。所述印刷电路板可以包括从所述堆组件的面横向向外延伸的连接器凸耳，并且所述导电层可以延伸到所述连接器凸耳上。所述印刷电路板可以包括至少一个导电轨道，所述至少一个导电轨道从所述电子部件延伸到从所述堆组件的面横向向外延伸的连接器凸耳，所述连接器凸耳提供电气端子以用于与所述电子部件的电气连接。所述印刷电路板衬底可以由电绝缘介质材料形成。位于所述堆的每个末端处的电流收集器板可以各自包括印刷电路板，所述印刷电路板具有被设置成抵靠所述堆中最外面电池的相应阳极流板或阴极流板的第一面。所述印刷电路板的第一面上的所述导电层可以被配置来充当堆电流收集器电极。所述燃料电池堆组件可以包括位于所述印刷电路板的与所述第一面相反的第二面上的导电轨道，所述导电轨道被配置来充当与安装到所述印刷电路板的所述第一面的一个或多个电子部件的电气连接。所述电流收集器板中的至少一个可以横向延伸超过由所述堆配置中的多个电池界定的所述堆组件的面以便界定横向延伸部分，并且还可以包括安装在所述横向延伸部分上的至少一个电子部件。在另一方面中，本发明提供一种制造具有上述特征的燃料电池堆组件的方法。
现将借助实例并且参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1展示燃料电池堆的透视图；
图2展示图1的燃料电池堆的透视图，其中压缩端板已被移除来显露内部部件；以及
图3展示图1和图2的堆的电流收集器板的透视图。
在本说明书的全文中，与相对方位和位置有关的描述词(如“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”)以及其任何形容词或副词形式的派生词是在附图中所呈现的燃料电池堆组件的方位意义上使用的，以便帮助理解所描述的实施方案。然而，这些描述词并不意图以任何方式限制燃料电池堆组件的预期用途。
参考图1，燃料电池堆组件1具有多个平行的电池2，这些电池各自包括设置在阳极流板4和阴极流板5之间的膜电极组件(MEA)3。在图1所示的堆组件中，阳极流板4水平地位于每个相应MEA 3上方，并且阴极流板5水平地位于每个相应MEA 3下方。
所展示的燃料电池堆属于空气冷却式开放阴极种类，其中阳极流板4为薄金属层，其各自具有在阳极流板面向MEA的表面(图1中不可见)中蚀刻出的或以其它方式形成的一组流动通道，以便将阳极燃料气体(如氢气)传送到MEA 3的阳极侧。多孔气体扩散材料层(图1中不可见)可以定位在MEA和阳极流板之间，以便帮助将燃料分配到MEA表面。垫片围绕MEA和阳极流板的外围延伸，以便提供密封来防止阳极燃料的泄漏。
在所展示的实施例中，阴极流板5属于开放阴极类型，并且形成为波纹板6。波纹提供了开放末端式流动通道8，以便经过设置在其上的MEA或气体扩散层的表面传递空气。如图1中所看到的堆1的正面7提供空气入口面，通过所述空气入口面可以将空气在堆体积中传递到MEA的阴极表面。堆的相反面(也就是，如图1中所看到的堆的背面)可以提供另外的空气入口面。或者，如果堆被迫通风，那么所述相反面可以是空气出口面，以便排出被迫进入到正面7中的空气。
在堆组件1的顶部上，阳极电流收集器板9包括从堆横向向外延伸的阳极电流连接器凸耳10，以便提供可以供电气连接器附接的电气端子。在堆组件1的底部，阴极电流收集器板11包括从堆横向向外延伸的阴极电流收集器凸耳12，以便提供可以供电气连接器附接(例如，通过焊接)的电气端子。
借助于一对端板(具体来说，顶部端板13和底部端板14)将堆组件1放置在压缩状态下，这对端板是由左端夹15和右端夹16保持在一起。端夹15、16是在受拉状态下应用，以使得堆的各层保持在紧密压缩状态下，以便所有垫片与堆中电池的各种层正确密封。
堆组件1也可以包括一系列电压监测凸耳17，这些电压监测凸耳各自从阳极流板或阴极流板中的相应流板横向向外延伸。在所展示的实施例中，电压监测凸耳17为阳极流板的横向延伸部。电压监测凸耳可以针对堆中的每个电池提供或者可以针对堆中的每几个电池提供，并且可用于在操作期间监测整个堆上的电池电压。
垫片布置18可以提供对堆中电池的末端的密封，并且也可以提供穿过堆的垂直延伸廊道，以便将燃料传送和分配到堆中的每个电池。可以在顶部板13的每个末端中提供口19、20，以便提供对图2中可以看到的分配廊道的进入。垫片一般可以呈适合于所部署电池和堆的特定配置的任何形式。
图2展示燃料电池堆组件1，其中顶部端板13被移除来显露阳极电流收集器板9、阳极流体分配廊道21和22，通过口19和20进入所述阳极流体分配廊道21和22。如果阳极电流收集器板9并不延伸到堆的左侧和右侧，那么可以提供厚度与阳极电流收集器板9类似的间隔板或垫片层23、24，如稍后将论述的。这类垫片层23、24的厚度在未经压缩时一般可以是任何合适厚度，以便在被适当压缩以用于组装后的堆时正确地发挥作用来提供密封和间隔功能性。
现在参看图3，展示从堆组件1移除并且与图1和图2的方位相比而言从后到前旋转的阴极电流收集器板11。阴极电流收集器板11是由合适电绝缘介质材料(如环氧树脂)的印刷电路板衬底25制造而成，所述印刷电路板衬底25具有处于层压结构中的编织或非编织支撑件。设置在衬底25上的是被图案化成在大部分衬底上延伸的高度导电材料层26(如铜)。这个材料层26充当燃料电池堆的电流收集电极。更一般来说，高度导电材料层26可以被配置成在衬底25的任何足够区域上延伸，以便电流收集器板11提供从相邻电池的充分电流收集。导电材料层26可以部分或完全由导电的镶嵌织物或其它材料形成，这种材料可以用橡胶处理或一般是可挠的以提供某种程度的挠性和压缩性。
在印刷电路板衬底25的表面上的一个选定位置或多个选定位置处，安装有一个或多个电气部件27，形成到所述电气部件27的导电轨道28以用于电气连接。充当堆电流收集电极的导电材料26的主要场区域也可以用作电气部件27的第二电气连接，或者可以改为使用多个分开的轨道28。多个部件27可以设置在印刷电路板25/阴极电流收集器板11的表面上，并且这些部件可以与位于相邻流板5中或衬底25上任何其它地方的流动通道对准。导电轨道28优选地延伸到板25的边缘，其中导电轨道28在板的边缘处或边缘附近终止，优选地在横向延伸凸耳30上终止。推入配合式或夹上式电气连接器可以在堆组装期间或堆组装之后附接到凸耳或所制作的焊接接合处。
区域31可以例如通过在图案化于衬底上的导电材料薄片或导电材料层26中提供缺口来提供对抗热分层的保护。这可以允许材料层26和下伏衬底25的差异性热膨胀率。
在优选布置中，电气部件27为传感器，并且在又一优选布置中，所述传感器为用于监测温度的热敏电阻器。多个传感器可以分布在阴极电流收集器板的区域上。在所展示的优选实施例中，热敏电阻器是表面安装式的，并且从印刷电路板25的主表面向上突出，以使得其部分突出到空气流动通道29中(参见图2)，并且因此准确地监测穿过阴极流动通道的空气流的温度。
可以将其它类型的传感器以类似方式安装到印刷电路板25以便感应燃料电池的状态。这类传感器可以包括温度传感器、湿度传感器、杂质传感器等。印刷电路板衬底25可以更一般来说横向延伸超过由堆配置中的电池2界定的堆组件1的面(例如，正面7)，以便在堆的主体外部界定横向延伸部分(除横向延伸凸耳30之外或者代替横向延伸凸耳30)，电气部件27可以安装在这个横向延伸部分上。举例而言，热敏电阻器可以在主体外部与主要空气流动路径相邻地有效工作。
安装到印刷电路板25的电气部件27可以经由设置在板的背侧(也就是，与设置有阴极电流收集导体26的那一侧相反的侧)上的电气轨道被电气连接。这个选项可以提供导体26的更广阔或无破损区域，同时仍然允许与横向延伸凸耳30形成电气连接。
阴极电流收集凸耳12和用于传感器导电轨道28的凸耳30可以组合成一个凸耳。传感器连接和阴极电流收集连接可以设置在凸耳的相反两面上。
在另一布置中，可以省去所述横向延伸凸耳中的一些或全部。可以通过在端板14中提供切口而在收集器板11的主体上提供电流收集连接，所述切口允许进入所述收集器板中与导电材料26所在的那一面相反的面的连接器区。可以使用常规电气穿孔或类似穿孔来形成穿过印刷电路板衬底25的电气连接。可以提供多个这类连接。
在印刷电路板25上充当堆电流收集电极的导电材料26的主要场区域不必在阴极电流收集器11的整个表面上都是连续的。在如图所示的开放阴极燃料电池堆的例示性布置中，印刷电路板的导电性在板25将与阴极的波纹板6进行物理接触的区域中很重要。因此，可能提供导电材料26离散轨道，这些轨道各自与波纹板6的与印刷电路板形成接触的相应部分对准。跨越堆宽度的共同导轨随后可以将这些离散轨道中的每个轨道进行电气连接，以便连接到阴极电流收集凸耳12。这个共同导轨可以提供在印刷电路板的任一面上。
仅仅在印刷电路板和波纹板6之间的接触区域中提供导电轨道26的可能优点在于，金属轨道不必形成于流动通道上方。因此，金属轨道更少地暴露于在通道29中流动的流体，并且更不容易受到这类流体的腐蚀。在另一布置中，导电材料26的选定部分可以涂有保护层。
然而，一般来说，印刷电路板上充当堆电流收集电极的金属轨道可以由任何可印刷在或以其它方式沉积在衬底25上的合适导电材料形成。优选金属包括具有最高导电性的金属，但是其它材料可以用于减少与相邻流动通道中的任何气体流的反应。例示性材料可以包括银、金或不锈钢层或涂层。
将印刷电路板用作电流收集器板的原理不必仅仅用于阴极电流收集器板11，而是也适用于阳极电流收集器板9。由印刷电路板形成的阳极电流收集器板9不必包括传感器，但是也可以包括传感器。如图所示，印刷电路板收集器板9不必在整个堆宽度上延伸，而是可以是以间隔板23、24为界的局部层。间隔板可以是垫片材料，但也可以由印刷电路板衬底材料制造而成，但是其上不必具有导电轨道。印刷电路板衬底材料可以选择成具有垫片类密封性质，例如，某种程度的压缩性和气体密封能力，或者，可以具有粘合到衬底上的垫片材料。可以使用单层板或多层板来提供印刷电路板。
印刷电路板电流收集器板9、11的使用在模块性和设计变化方面提供了显著的益处。用于任何类型堆组件的电流收集器板所需的导电性型样，可以轻易地使用高效完善的PCB制造技术进行更改，并且可以适于以下方面：阳极流板4或阴极流板5的不同配置；不同的传感器位置；以及不同的外部连接，如凸耳或焊点。它们高度适合于批量制造和组装，并且具有很高的成本效益。可以使用标准PCB连接器布置，并且可以使用标准部件安装技术，以便降低成本。将传感器(如温度传感器)集成到电流收集器板中意味着可以降低部件数和制造复杂性。
本文所描述的组件特别适合于具有几个电池的小型燃料电池堆，如可以用于消费性电子装置中的燃料电池堆。然而，所述原理可以应用于更大的燃料电池堆。
用作电流收集器板的印刷电路板不必由刚性衬底材料形成。挠性板是可获得的，并且可以在堆设计容许的情况下或者在需要收集器板具有一些挠性的情况下使用，例如以便吸收顶部端板13和底部端板14所施加的不均匀压缩力。
用作电流收集器板的印刷电路板可以与多种类型的燃料电池堆结构一起使用，并且不必限于附图中所展示的并且说明性实施方案中所描述的堆的特定配置。其它实施方案意在处于所附权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种燃料电池堆组件，其包括：
在堆配置中的多个电池，每个电池包括设置在阳极流板和阴极流板之间的膜电极组件；
在所述堆的每个末端处的电流收集器板；以及
压缩组件，其被配置来将所述堆保持在压缩状态下；
其中，所述电流收集器板中的至少一个包括印刷电路板，所述印刷电路板具有被设置成抵靠所述堆中最外面电池的阴极流板或阳极流板的第一面；并且
其中，所述第一面包括设置在所述印刷电路板的衬底上的导电层。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述印刷电路板的所述第一面还包括设置在其上的至少一个电子部件。
3.如权利要求2所述的燃料电池堆组件，其中所述至少一个电子部件包括传感器。
4.如权利要求3所述的燃料电池堆组件，其中所述至少一个传感器包括热敏电阻器或其它温度传感器。
5.如权利要求3或权利要求4所述的燃料电池堆组件，其中所述传感器部件在所述印刷电路板上定位成与沿着所述阴极流板或所述阳极流板的相邻面延伸的流动通道对准。
6.如权利要求5所述的燃料电池堆组件，其中所述传感器部件被配置成凸出超过所述印刷电路板的所述面，而进入到所述流动通道的体积中。
7.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述印刷电路板包括从所述堆组件的面横向向外延伸的连接器凸耳，并且其中所述导电层延伸到所述连接器凸耳上。
8.如权利要求2所述的燃料电池堆组件，其中所述印刷电路板包括至少一个导电轨道，所述至少一个导电轨道从所述电子部件延伸到从所述堆组件的面横向向外延伸的连接器凸耳，所述连接器凸耳提供电气端子用于与所述电子部件的电气连接。
9.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述印刷电路板衬底由电绝缘介质材料形成。
10.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中在所述堆的每个末端处的所述电流收集器板各自包括印刷电路板，所述印刷电路板具有被设置成抵靠所述堆中最外面电池的相应阳极流板或阴极流板的第一面。
11.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述印刷电路板的所述第一面上的所述导电层被配置来充当堆电流收集器电极。
12.如权利要求11所述的燃料电池堆组件，其还包括位于所述印刷电路板的与所述第一面相反的第二面上的导电轨道，所述导电轨道被配置来充当与安装到所述印刷电路板的所述第一面的一个或多个电子部件的电气连接。
13.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述电流收集器板中的至少一个横向延伸超过由所述堆配置中的所述多个电池界定的所述堆组件的面以界定横向延伸部分，并且还包括安装在所述横向延伸部分上的至少一个电子部件。
14.一种燃料电池堆组件，其大致上如本文中参考附图所描述。
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