CN105449253B - 一种燃料电池电堆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆结构。使用本发明能够实现双面空气自呼吸式燃料电池流道，并实现了小功率燃料电池与电容的集成，提高了燃料电池的输出功率。本发明结构由下至上依次为双面PCB板C、高介电常数薄膜B、绝缘密封垫片D、膜电极B、绝缘密封垫片C、双面PCB板B、绝缘密封垫片B、膜电极A、绝缘密封垫片A、高介电常数薄膜A和双面PCB板A；其中，双面PCB板C、双面PCB板A上与膜电极导电部分相对应的位置上设有电气过孔，双面PCB板B上与膜电极导电部分相对应的位置上设有机械开槽，绝缘密封垫片、高介电常数薄膜上与膜电极导电部分相对应的位置上设有开孔；各层通过紧固螺栓和紧固螺母压紧固定。

Description

一种燃料电池电堆结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆结构。
背景技术
随着科技的发展，手机、笔记本电脑等便携式电子产品日益增多，其对体积小、重量轻的电源需求相应增多，采用氢气或甲醇作为燃料的燃料电池由于具有能量密度高、燃料更换方便等优点逐渐成为便携式电子产品供电的一种可行性方案。
燃料电池电堆是燃料电池中的关键部件，直接影响燃料电池发电系统的性能和体积。负载突变或较大的燃料电池输出电流纹波都会导致燃料电池电堆寿命的衰减，因此，燃料电池电堆输出端通常需要并接电容或增加能量管理单元，用于减小负载突变和输出电流纹波对燃料电池电堆本体的影响。对于大功率燃料电池电堆，其输出所需的电容较大，难以将其直接与燃料电池电堆本体集成。对于小功率燃料电池电堆，其输出所需的电容较小，则有可能实现燃料电堆与电容的集成。
传统的小功率燃料电池电堆采用石墨双极板、金属双极板或PCB板组成。采用PCB实现的燃料电池通常利用两个或三个PCB板构建单面自呼吸的燃料电池单电池，然后利用单电池串联构建燃料电池电堆，其输出功率受到了限制。此外，这种结构未将电容集成到电堆中，需要外接电容来抑制负载突变或输出电流纹波对燃料电池电堆本体的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池电堆结构，能够实现双面空气自呼吸式燃料电池流道，并实现了小功率燃料电池与电容的集成，提高了燃料电池的输出功率。
本发明的燃料电池电堆结构，由下至上依次为双面PCB板C、高介电常数薄膜B、绝缘密封垫片D、膜电极B、绝缘密封垫片C、双面PCB板B、绝缘密封垫片B、膜电极A、绝缘密封垫片A、高介电常数薄膜A和双面PCB板A；其中，PCB板双面设有导电层；所述双面PCB板C和双面PCB板A上与膜电极导电部分相对应的位置上设有电气过孔，双面PCB板B上与膜电极导电部分相对应的位置上设有迂回的机械开槽，绝缘密封垫片和高介电常数薄膜上与膜电极导电部分相对应的位置上设有开孔；各层通过紧固螺栓和紧固螺母压紧固定，膜电极A的上导电部分穿过绝缘密封垫片A和高介电常数薄膜A的开孔与双面PCB板A相接触，膜电极A的下导电部分穿过绝缘密封垫片B的开孔与双面PCB板B相接触，膜电极B的上导电部分穿过绝缘密封垫片C的开孔与双面PCB板B相接触，膜电极B的下导电部分穿过绝缘密封垫片D和高介电常数薄膜B的开孔与双面PCB板C相接触；所述机械开槽贯通双面PCB板B的厚度，且机械开槽的两端分别通过快接插头与外部燃料管路连接；双面PCB板A和双面PCB板C通过导电柱A连接，双面PCB板B上设有导电柱B，导电柱A和导电柱B分别作为燃料电池的正、负极向外部供电。
进一步地，通过改变高介电常数薄膜A和高介电常数薄膜B的长度，改变电容的容值，且高介电常数薄膜的长度小于双面PCB板A和双面PCB板C的长度。
进一步地，所述导线柱A和导线柱B为多个。
本发明还提供了一种大功率燃料电池电堆结构，由多个上述的燃料电池电堆结构串联组成，多个燃料电池电堆结构的正、负极依次串联。
有益效果：
本发明采用三层PCB实现了双面空气自呼吸式质子交换膜燃料电池电堆，提高了燃料电池电堆的功率密度。通过多个同样的燃料电池电堆串联可以提高燃料电池输出电压和输出功率。
本技术方案实现了燃料电池电堆本体与电容的集成，减少负载突变和输出电流纹波对燃料电池电堆性能的影响，从而减小了外接电容的大小，提高了燃料电池发电系统的功率密度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为最小尺寸集成电容的燃料电池电堆结构示意图。
图3为双面PCB板A结构示意。
图4为高介电常数薄膜A结构示意。
图5为绝缘垫片A结构示意。
图6为膜电极A结构示意。
图7为绝缘垫片B结构示意。
图8为双面PCB板B结构示意。
图9为绝缘垫片C结构示意。
图10为膜电极B结构示意。
图11为绝缘垫片D结构示意。
图12为高介电常数薄膜B结构示意。
图13为双面PCB板C结构示意。
图14为各组件压紧后的燃料电池电堆结构示意图。
图15为燃料电池电堆等效电路示意。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种燃料电池电堆结构，如图1和图2所示，由下至上依次为双面PCB板C、高介电常数(介电常数大于100)薄膜B、绝缘密封垫片D、膜电极B、绝缘密封垫片C、双面PCB板B、绝缘密封垫片B、膜电极A、绝缘密封垫片A、高介电常数薄膜A和双面PCB板A；其中，3块双面PCB板均为在PCB板的上下表面均镀一层导电层，如导电铜箔；双面PCB板C、双面PCB板A上与膜电极导电部分相对应的位置上设有电气过孔，双面PCB板B上与膜电极导电部分相对应的位置上设有机械开槽，绝缘密封垫片、高介电常数薄膜上与膜电极导电部分相对应的位置上设有开孔；各层通过两端的紧固螺栓A、紧固螺栓B、以及紧固螺栓A两端的紧固螺母A、紧固螺母C，紧固螺栓B两端的紧固螺母B、紧固螺母D压紧固定，膜电极A的上导电部分穿过绝缘密封垫片A和高介电常数薄膜A的开孔与双面PCB板A相接触，膜电极A的下导电部分穿过绝缘密封垫片B的开孔与双面PCB板B相接触，膜电极B的上导电部分穿过绝缘密封垫片C的开孔与双面PCB板B相接触，膜电极B的下导电部分穿过绝缘密封垫片D和高介电常数薄膜B的开孔与双面PCB板C相接触。各层结构如图3～图13所示。其中，机械通孔A、B、C、D、E、F为螺栓固定通孔，机械通孔G、H为快接插头固定通孔。
双面PCB板A和双面PCB板B、高介电常数薄膜A、膜电极A、绝缘密封垫片A和绝缘密封垫片B组成燃料电池单电池I，双面PCB板B和双面PCB板C、高介电常数薄膜B、膜电极B、绝缘密封垫片C和绝缘密封垫片D组成燃料电池单电池II。
其中，上下端面的双面PCB板A和双面PCB板C上的电气过孔，用于构建燃料电池空气自呼吸流道；位于中间的双面PCB板B上的机械开槽贯通双面PCB板B的厚度，用于构建燃料电池的燃料(氢气或甲醇)流道，其中，燃料流道的两端分别通过快接插头A和快接插头B与外部燃料管路快速连接。
绝缘密封垫片A、B、C、D用于实现燃料流道的密封与电气绝缘。
膜电极A、膜电极B分别为燃料电池单电池I和燃料电池单电池II的发电界面；双面PCB板B构成燃料电池单电池I和燃料电池单电池II的阳极，双面PCB板A构成燃料电池单电池I的阴极，双面PCB板C构成燃料电池单电池II的阴极。导电柱A的两端分别与双面PCB板A和双面PCB板C连接，实现燃料电池单电池I阴极和单电池II阴极连接；导电柱B贯穿双面PCB板B，用于实现燃料电池单电池I阳极和单电池II阳极连接。同时，导电柱A和导电柱B分别作为燃料电池的正、负极向外部供电。可以设置多个导线柱A和导线柱B，减少寄生电阻。
高介电常数薄膜用于集成电容，燃料电池电堆等效电路如图15所示。燃料电池电堆集成的电容大小可以通过改变高介电常数薄膜尺寸来实现，其中，高介电常数薄膜的长度小于位于上下端面的双面PCB板A、C的长度。最小尺寸集成电容的燃料电池电堆结构如图2所示。
本发明还可以采用多个同样的燃料电池电堆，将其正、负极依次串联，提高燃料电池输出电压和输出功率。
本发明采用三个PCB板用于构建双面空气自呼吸式燃料电池流道，同时采用高介电常数薄膜用于提高燃料电池输出电容，实现燃料电池与电容的集成方案。燃料(氢气或甲醇)进口与出口采用快插接头，方便气路连接。
本发明构建了一种易于制造、装配的双面空气自呼吸式质子交换膜燃料电池电堆结构。同时，利用高介电常数薄膜将电容集成到燃料电池电堆中，其等效电路图如图14所示。Cell1和Cell2分别为两个PCB构建的燃料电池单电池，C1和C2分别为电堆内集成的两个电容，两个燃料电池单电池和两个电容输出端分别通过两个导电柱并联后作为燃料电池电堆的正、负极对负载供电。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种燃料电池电堆结构，其特征在于，由下至上依次为双面PCB板C、高介电常数薄膜B、绝缘密封垫片D、膜电极B、绝缘密封垫片C、双面PCB板B、绝缘密封垫片B、膜电极A、绝缘密封垫片A、高介电常数薄膜A和双面PCB板A；其中，PCB板双面设有导电层；所述双面PCB板C和双面PCB板A上与膜电极导电部分相对应的位置上设有电气过孔，双面PCB板B上与膜电极导电部分相对应的位置上设有迂回的机械开槽，绝缘密封垫片和高介电常数薄膜上与膜电极导电部分相对应的位置上设有开孔；各层通过紧固螺栓和紧固螺母压紧固定，膜电极A的上导电部分穿过绝缘密封垫片A和高介电常数薄膜A的开孔与双面PCB板A相接触，膜电极A的下导电部分穿过绝缘密封垫片B的开孔与双面PCB板B相接触，膜电极B的上导电部分穿过绝缘密封垫片C的开孔与双面PCB板B相接触，膜电极B的下导电部分穿过绝缘密封垫片D和高介电常数薄膜B的开孔与双面PCB板C相接触；所述机械开槽贯通双面PCB板B的厚度，且机械开槽的两端分别通过快接插头与外部燃料管路连接；双面PCB板A和双面PCB板C通过导电柱A连接，双面PCB板B上设有导电柱B，导电柱A和导电柱B分别作为燃料电池的正、负极向外部供电。
2.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，通过改变高介电常数薄膜A和高介电常数薄膜B的长度，改变电容的容值，且高介电常数薄膜的长度小于双面PCB板A和双面PCB板C的长度。
3.如权利要求1所述的燃料电池电堆结构，其特征在于，所述导电柱A和导电柱B为多个。
4.一种大功率燃料电池电堆结构，其特征在于，由多个如权利要求1～3任意一项所述的燃料电池电堆结构串联组成，多个燃料电池电堆结构的正、负极依次串联。
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