CN1725540A - 一种质子交换膜燃料电池的组装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池组装技术，具体为一种质子交换膜燃料电池的组装结构。采用内定位和外定位相结合的组装结构，内定位是集流板与双极板、上下端板设有相对应的内定位孔，内定位杆插在其内，在组装电池组过程中，利用双极板和电极上的内定位孔来确定它们之间的相对位置；外定位是上、下端板周边通过导位杆连接，上、下端板周边形状是锯齿形，导位杆的形状为与上、下端板外周形状相配合的形状，与导位杆配合的下端板与导位杆下端固定，与导位杆配合的上端板连有防止导位杆水平移动的档板。按照本发明组装方式，加工简单、方便可行，成本低，便于批量生产，能够确保电极和双极板间的接触良好，能够实现电池组的密封。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池组装技术，具体为一种质子交换膜燃料电池的组装结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane of Fuel Cell，缩写：PEMFC)是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。它是由膜电极组件(MEA)3、5、7、双极板4、6、集流板2、8、端板1、9及相应的密封件组成的，由于燃料电池单节工作电压一般在0.5-1.0V之间，这样低的电压在实际中是没法使用的，因此就必须将多个单池串联组装成电池组才有实际意义。绝大多数PEMFC电池组是按压滤机方式组装的，如图1。
对PEMFC电池组来说，一般均采用各节单池大并联的气路结构。主要通过公有管道向电池组内各节单池送入燃料与氧化剂。通过与电极接触的流场的脊传导电流，因此组装电池组工艺除了要确保电池组密封、MEA与双极板位置无相对偏移位外，还要确保电池组各节单池的MEA与双极板有良好的接触，即接触电阻应尽可能的小。否则不但会降低电池的输出性能，而且会导致公用孔道压力损失增加，会严重影响反应气在各单池间的分配，所以在组装电池组时必须要有定位结构。定位方式有两种：内定位和外定位。内定位是指利用双极板内部的结构来实现的定位方式；外定位是利用双极板外部的结构来实现电池组的组装方式。
与两块集流板相邻的是电池组端板，也称夹板，在其上除布有反应气与冷却液进出通道外，周边还均布一定数目圆孔，在组装电池组时，圆孔内穿入螺杆，给电池施加一定的组装力。若两块端板用金属如不锈钢，钛板，超硬铝等制作，还需在集流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘板。对采用公用孔道的电池组，公用孔道是由双极板、MEA与密封件在电池组组装时形成的。
根据组装工艺的要求，在制备双极板(图2)和MEA(图3)时，均应设置有定位孔，在组装电池组时，依靠定位机构的定位作用，确保电池组内各双极板、MEA无相对移位发生，形成比较光滑的供反应气流动与分配的公用孔道。
美国专利US2002110720提出一种组装方法，将MEA镶嵌在两块双极板之间，MEA周边夹在硅橡皮的凹槽内，在实现密封的同时通过在压紧力作用下来实现双极板与电极间的定位，将该单节电池作为模块组装成电池组。但该专利没有提及将单节电池模块组装成电池组采取的定位方式，只是强调了将单节电池制备成模块的形式有利于电池组的组装。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的组装结构，其结构简单，加工方便，非常适合电池组的组装，实用化、方便。
本发明的技术方案是：
一种质子交换膜燃料电池的组装结构，采用内定位和外定位相结合的组装结构，内定位是集流板与双极板、上下端板设有相对应的内定位孔，内定位杆插在其内，在组装电池组过程中，利用双极板和电极上的内定位孔来确定它们之间的相对位置；外定位是上、下端板周边通过导位杆连接，上、下端板周边形状是锯齿形，导位杆的形状为与上、下端板外周形状相配合的形状，与导位杆配合的下端板与导位杆下端固定，与导位杆配合的上端板连有防止导位杆水平移动的档板。
所述导位杆数量为3-6根。
所述导位杆下端开有固定孔，通过固定杆、固定孔与下端板固定。
所述导位杆材质选用刚度大、易加工的材料：45#钢、不锈钢、钛、超硬铝或硬塑料。
所述档板开口为与上端板相对应的形状。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用内定位和外定位相结合的方式实现电池组的组装，该组装方式设计了锯齿形的端板、挡板及导位杆；导位杆材质选用刚度大、易加工的材料，如45#钢、不锈钢、钛、超硬铝、硬塑料等等。按照本发明组装方式，加工简单、方便可行，成本低，便于批量生产。
2、按照本发明组装电池组，能够确保电极和双极板间的接触良好。
3、按照本发明按照本发明组装电池组，能够实现电池组的密封。
附图说明
图1为现有技术中燃料电池的组装结构示意图。
图2为图1中燃料电池双极板的结构示意图。
图3为图1中燃料电池膜电极组件的结构示意图。
图4为本发明质子交换膜燃料电池的组装结构示意图。
图5a为图4中导位杆结构示意图。
图5b为图5a的A-A剖视图。
图6a为图4中档板结构示意图。
图6b为图6a的A-A剖视图。
图7为本发明实施例1电池单节电压输出情况曲线。
图8为本发明实施例2电池单节电压输出情况曲线。
图9为本发明实施例3电池单节电压输出情况曲线。
具体实施方式
本发明提出的电池组的组装结构见图4所示，虚线A-B-C-D代表区域表示组装成电池组的集流板、双极板与端板的接触范围，E、E′是指内定位孔，内定位杆插在内，在组装电池组过程中，利用双极板和电极上的内定位孔来确定它们之间的相对位置。内定位杆由于直径很细，一般在2——6毫米之间，主要目的是为了提高双极板的有效利用面积，而且长度很长，一般在10——1000毫米之间，这取决于电池组中双极板厚度、电极边框厚度、密封件厚度及电池的节数，因此其刚度较差，所以内定位杆只是为了在组装电池组时候，确定电极与极板间的相对位移，而在施加压力的过程中，外定位就起主要作用。
外定位是利用双极板的外部与端板边缘结构通过导位杆14来实现的，本发明的上、下端板10、13形状也见(图4)，周边是锯齿形，不仅节省空间，减轻端板的重量，还有利于固定导位杆14。而导位杆14的形状加工成(图5a～b)中与端板外周形状相配合的形状，材料选择刚性大的容易加工的材质，如45#钢、不锈钢、钛、超硬铝、硬塑料等。数量一般需要3-6根，导位杆14下端与下端板13通过固定杆15及下端板上的固定孔J固定在一起，上端可以通过挡板12(图6a～b)、可移动的螺栓11及螺栓孔G′、F′与电池组的上端板10连接在一起，当按照压滤机形式将所需节数的电池组装好以后，还必须要保证电池组的密封和电极与双极板间的良好接触。
电池组的密封要求是，按照设计的密封结构，在电池组组装力的作用下，达到反应气、冷却液不外漏，氧化剂、燃料和冷却液不互窜。电极与双极板间的良好接触是指它们之间的接触电阻足够小，即随着组装力的增加，接触电阻变化不大。
因此为保证电池组的密封性和减少电阻，必须要施加一定的组装力。在实际工作中，组装力的大小主要是通过控制电池组的组装高度来实现的，至于最终电池组组装高度的确定可以参考(衣宝廉院士撰写的：《燃料电池——原理、技术、应用》一书的248——250页，化学工业出版社)。
在施加组装力的过程中，上端板10、挡板12、螺栓11及上下端板10、13之间的集流板、双极板和电极一起沿着垂直端板的方向向下端板13移动，而不会发生平行端板方向的位移，这样就可以确保电池组尺寸的准确性，既包括外形尺寸，又包括内公用管道。
实施例1
按上述发明构思，设计了图4所示的组装结构，导位杆和挡板材料选择45#钢，组装成40节电池组。电池组的密封和接触情况良好，电池单节电压的输出情况如图7所示。
实施例2
按上述发明构思，设计了图4所示的组装结构，导位杆和挡板材料选择不锈钢，组装成129节电池组。电池组的密封和接触情况良好，电池单节电压的输出情况如图8所示。
实施例3
按上述发明构思，设计了图4所示的组装结构，导位杆和挡板材料选择硬塑料，组装成2节电池组。电池组的密封和接触情况良好，电池单节电压的输出情况如图9所示。
Claims (5)
1、一种质子交换膜燃料电池的组装结构，其特征在于：采用内定位和外定位相结合的组装结构，内定位是集流板与双极板、上下端板设有相对应的内定位孔，内定位杆插在其内，在组装电池组过程中，利用双极板和电极上的内定位孔来确定它们之间的相对位置；外定位是上、下端板(10、13)周边通过导位杆(14)连接，上、下端板(10、13)周边形状是锯齿形，导位杆(14)的形状为与上、下端板(10、13)外周形状相配合的形状，与导位杆(14)配合的下端板(13)与导位杆(14)下端固定，与导位杆(14)配合的上端板(10)连有防止导位杆(14)水平移动的档板(12)。
2、按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池的组装结构，其特征在于：所述导位杆(14)数量为3-6根。
3、按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池的组装结构，其特征在于：所述导位杆(14)下端开有固定孔，通过固定杆(15)、固定孔与下端板(13)固定。
4、按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池的组装结构，其特征在于：所述导位杆(14)材质选用刚度大、易加工的材料：45#钢、不锈钢、钛、超硬铝或硬塑料。
5、按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池的组装结构，其特征在于：所述档板(12)开口为与上端板(10)相对应的形状。
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