一種燃料電池取電裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種燃料電池取電裝置，包括取電板和電極柱，取電板上設(shè)置多個電極柱，取電板上開設(shè)有定位孔，定位孔是中空結(jié)構(gòu)，電極柱通過定位孔垂直設(shè)置在取電板上，電極柱兩兩平行且間隔距離相等；取電板與電極柱相接觸的一端設(shè)置軸肩，軸肩的長度略小于取電板的厚度，軸肩釬焊在定位孔上并形成一個局部釬焊層，取電板背離電極柱的一側(cè)設(shè)置鍍金層。本實(shí)用新型提供的燃料電池取電板裝置采用了均布式電極柱與取電板通過釬焊連接后形成燃料電池取電裝置，不僅可以提供均勻的取電效果，防止取電板面積上出現(xiàn)較大的面電位差；而且能有效利用燃料電池堆的周邊空間，有利于提高電池堆的體積功率密度，對于大功率電堆尤其如此。
【專利說明】一種燃料電池取電裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電池取電裝置，特別是指一種燃料電池取電裝置，屬于燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜氫燃料電池(PEMFC)是燃料電池(FC)家族中的重要一員，在與外電路形成回路時，氫氣和空氣(氧氣)這兩種反應(yīng)氣體在其中發(fā)生催化狀態(tài)下的氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生電子的定向移動，從而將反應(yīng)氣蘊(yùn)含的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池電堆的基本單元是單電池，就PEMFC電堆而言，其單電池由膜電極、膜電極兩側(cè)的擴(kuò)散層、與擴(kuò)散層相鄰的電極板構(gòu)成，與氫氣同側(cè)的電極板稱為陽極，與空氣(氧氣)同側(cè)的電極板稱為陰極。膜電極由質(zhì)子交換膜及涂敷在兩側(cè)的催化劑組成，催化劑占用的面積稱為活性面積。單電池的有效電壓很低，其開路電壓最高也只有1.229V，每平方厘米的單位面積一般也只能提供IA左右的電流，因此面積太小的單電池不具有實(shí)用性。通常將單電池制造為面積較大的薄層結(jié)構(gòu)，外電路的回路電流是單位面積電流的并聯(lián)和，面積越大，提供給外電路的電流也就越大；然后由很多單電池串聯(lián)用來獲得需要的足夠高的電壓，此時，一個單電池的陽極與另一個單電池的陰極合并，并稱之為雙極板。雙極板與膜電極之間還存在密封圈，用以隔絕大氣，這種由多層單電池組成的帶有密封圈的層疊結(jié)構(gòu)體是電堆的核心部分，電堆在層疊結(jié)構(gòu)體外還具有封裝結(jié)構(gòu)，在封裝結(jié)構(gòu)中，有兩塊取電板位于上述多層單電池層疊結(jié)構(gòu)體的兩側(cè)，分別形成整個燃料電池堆的正極、負(fù)極，用于外電路的取電連接。
[0003]隨著燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破，燃料電池的應(yīng)用范圍越來越廣泛，尤其是將燃料電池電堆作為車載動力電池，其需求量將不低于傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)。燃料電池技術(shù)的發(fā)展趨勢是電堆功率密度越來越大，實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)條件是在前述活性面積上，其單位面積能夠發(fā)出更大的電流，燃料電池對外輸出的電流等于單位面積的電流與活性面積的乘積，目前大功率電堆的電流已達(dá)到400A左右，未來會有更大電流的可能。
[0004]取電板裝置是燃料電池電堆的一個重要零部件，是電堆產(chǎn)生的電能對外輸出的連接裝置。對于燃料電池而言，活性面積上均勻發(fā)電、各單電池均勻發(fā)電是保證電堆健康運(yùn)行的很重要的條件。這種均勻性也反應(yīng)在面電位的一致性，除了單電池自身的發(fā)電狀態(tài)會影響這種一致性，外電路的取電方式也會造成明顯的影響，進(jìn)而會與發(fā)電反應(yīng)相互作用:當(dāng)取電板自身在面積上存在電位差時，會逐層影響單電池的面電位，從而導(dǎo)致單電池活性面上產(chǎn)生橫向電流，這種橫向電流是一種能量自耗損失、還會損害單位面積上發(fā)電反應(yīng)的正常進(jìn)行，尤其是當(dāng)膜電極反應(yīng)自身存在不均勻時，這種因取電方式帶來的面電位差會加劇不均勻狀態(tài)，增加反應(yīng)趨于反向進(jìn)行的概率，造成膜電極損毀。
[0005]目前常見取電方式一般有取電板側(cè)邊引出、面上采用大極柱引出等集中取電方式，實(shí)際測量取電板各處的電位差會達(dá)到0.3V左右，而一般要求膜電極的面電位極差不要超過0.05V,可見取電板的電壓差會存在較大的不良影響。
[0006]另一方面，集中取電方式會造成取電板電流集中的地方溫度顯著升高，這種溫度會影響鄰近區(qū)域的膜電極溫度，改變其水熱狀態(tài)，不利于反應(yīng)穩(wěn)定，同時還有可能燒毀膜電極。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提出一種制造可行，成本低、取電均勻的燃料電池取電裝置。
[0008]基于上述目的本實(shí)用新型提供的一種燃料電池取電裝置，包括取電板和電極柱，所述取電板上設(shè)置多個電極柱，所述取電板上開設(shè)有定位孔，所述定位孔是中空結(jié)構(gòu)，所述電極柱通過所述定位孔垂直設(shè)置在所述取電板上，所述電極柱兩兩平行且間隔距離相等；所述取電板與所述電極柱相接觸的一端設(shè)置軸肩，所述軸肩的長度略小于所述取電板的厚度，所述軸肩釬焊在所述定位孔上并形成一個局部釬焊層，所述取電板背離電極柱的一側(cè)設(shè)置鍍金層。
[0009]在一些實(shí)施例中，所述取電板分別設(shè)置在燃料電池堆的兩端，所述取電板與所述電極柱相接觸的一側(cè)與絕緣板和夾持端板連接，所述夾持端板設(shè)置在所述絕緣板的外側(cè)，所述取電板與電極柱不相接觸的一端設(shè)置鍍金層并與該燃料電池堆中的雙極板連接。
[0010]在一些實(shí)施例中，所述取電板為PCB板時增設(shè)敷銅板，所述敷銅板為設(shè)置在所述取電板與所述電極柱相接觸的一端的第一敷銅板和所述取電板與電極柱不相接觸的另一端的第二敷銅板；所述PCB板通過均勻過孔敷銅形成導(dǎo)電過孔，在所述導(dǎo)電過孔處沉積銅使兩面敷銅層電氣連通。
[0011]在一些實(shí)施例中，所述電極柱與所述取電板相接觸的一端的橫截面積不大于所述電極柱與所述取電板不相接觸的一端的橫截面積。
[0012]在一些實(shí)施例中，所述燃料電池活性面積為在取電板上設(shè)置電極柱的對應(yīng)區(qū)域，所述對應(yīng)區(qū)域按照每30cm2?40cm2的活性面積上設(shè)置一個電極柱。
[0013]在一些實(shí)施例中,所述軸肩的直徑不大于3mm,所述電極柱的直徑不大于12_。
[0014]在一些實(shí)施例中，所述電極柱為6根且按照取電板的面積均勻設(shè)置在所述取電板上。
[0015]在一些實(shí)施例中，所述定位孔是直徑均相等的中空結(jié)構(gòu)。
[0016]本實(shí)用新型在取電板與活性面積對應(yīng)區(qū)域均勻地焊接多個電極柱，電極柱的直徑大小及其數(shù)量根據(jù)活性面積大小與電流強(qiáng)度而決定，每個電極柱對應(yīng)的膜電極活性面積應(yīng)大致相同，即電極柱應(yīng)均布。這樣在連接外電路后，活性面積上產(chǎn)生的電流都可以通過就近的電極柱，避免了集中或偏向一側(cè)取電的不均勻問題。同時因為電極板上的面電位會很均勻，也不會出現(xiàn)大電流集中過熱，較好的解決了前述集中取電的問題，對于大功率電堆，其效果優(yōu)勢會更明顯。
[0017]在燃料電池堆裝置方面，取電板的外側(cè)上表面必須有絕緣板，絕緣板外側(cè)還有夾持端板，這樣取電板上焊接的電極柱必須穿過絕緣板與夾持端板，絕緣板與夾持端板在取電板電極柱穿過的地方加工有通孔。這樣對取電板的電極柱焊接的位置精度存在較高的要求，以保證取電裝置符合燃料電池電堆的裝配要求、有利于反應(yīng)正常進(jìn)行并減少功率自耗。
[0018]從上面所述可以看出，本實(shí)用新型提供的燃料電池取電板裝置采用了均布式電極柱與取電板通過釬焊連接后形成燃料電池取電裝置具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019]I)由于在所述取電板上設(shè)置多個電極柱，所述電極柱兩兩平行排列且垂直設(shè)置于所述取電板。所以對于燃料電池而言，可以提供均勻的取電效果，防止取電板面積上出現(xiàn)較大的面電位差；
[0020]2)由于所述電極柱根據(jù)所述燃料電池的活性面積設(shè)置電極柱兩兩之間的間隔距離且所述取電板均勻設(shè)置安裝定位孔?？梢苑乐钩霈F(xiàn)電流集中的過熱，通過將電流分散，燃料電池的外部引線直徑可以較細(xì)，能有效利用燃料電池堆的周邊空間，有利于提高電池堆的體積功率密度，對于大功率電堆尤其如此。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中燃料電池取電板裝置(取電板為紫銅板)示意圖；
[0022]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中燃料電池取電板裝置(取電板為PCB板)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]請參考圖1，一種燃料電池取電裝置，包括取電板102和電極柱101，所述取電板102上設(shè)置多個電極柱101，所述取電板102上開設(shè)有定位孔103，所述定位孔103是中空結(jié)構(gòu)，所述電極柱101通過所述定位孔103垂直設(shè)置在所述取電板102上，所述電極柱101兩兩平行且間隔距離相等；所述取電板102與所述電極柱101相接觸的一端設(shè)置軸肩104，所述軸肩104的長度略小于所述取電板102的厚度，所述軸肩104釬焊在所述定位孔103上并形成一個局部釬焊層105，所述取電板102背離電極柱101的一側(cè)設(shè)置鍍金層。由于所述取電板102上開設(shè)有定位孔103，所述定位孔103是中空結(jié)構(gòu)，使得取電板102被劃分為多個的較小的取電板結(jié)構(gòu)。由于所述電極柱101通過所述定位孔103垂直設(shè)置在所述取電板102上，所述電極柱101兩兩平行且間隔距離相等，可以防止取電板102面積上出現(xiàn)較大的面電位差，也可以防止出現(xiàn)電流集中的過熱，利于反應(yīng)穩(wěn)定，同時還降低了燒毀膜電極的可能性。由于所述取電板102與所述電極柱101相接觸的一端設(shè)置軸肩104，所述軸肩104的長度略小于所述取電板102的厚度,通過設(shè)置軸肩104可便于電極柱101固定在取電板102上。同時，由于所述軸肩104釬焊在所述定位孔103上并形成一個局部釬焊層105，釬焊的溫度較低，使取電板102熱變形小，也容易保持形位精度。由于所述取電板102背離電極柱101的一側(cè)設(shè)置鍍金層，焊接后在背離電極柱101的取電面另一側(cè)需鍍金，以減小取電板102與雙極板之間的接觸電阻。常見為鍍金，一般可采用金錫釬料。這一側(cè)需要有導(dǎo)電性能好、耐電化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)的材料。因為金比較常見，其他材料一般效果不好。
[0025]對取電板102的電極柱101焊接的位置精度存在較高的要求，以保證取電裝置符合燃料電池電堆的裝配要求、有利于反應(yīng)正常進(jìn)行并減少功率自耗，因此有必要對取電板102焊接電極柱101的制造工藝加以優(yōu)化。
[0026]具體而言制造工藝的優(yōu)化方法如下:
[0027]以取電板102為紫銅板為例，可以在紫銅板上加工直徑為3mm的定位孔103若干個，其個數(shù)根據(jù)目前燃料電池膜電極的技術(shù)水平，可以選擇每40平方厘米內(nèi)加工一個定位孔103，這樣每個電極柱101通過的電流大約為40A，電極柱101的直徑大約為12mm。采用的加工方式應(yīng)保證取電板102 —次裝夾、一次基準(zhǔn)定位后通過加工設(shè)備自動定位所有圓孔位置并加工出圓孔，以防止圓孔位置誤差的擴(kuò)大，這種圓孔作為電極柱101的定位孔103安裝。釬焊后將紫銅板沒有焊接電極柱101的一面鍍金，即可形成所述的燃料電池取電裝置。
[0028]這樣燃料電池在封裝裝置中，有兩塊取電板102位于多層單電池層疊裝置體的兩偵牝分別形成整個燃料電池堆的正極、負(fù)極，用于外電路的取電連接。進(jìn)一步從整體上減少了燃料電池因取電方式帶來的面電位差導(dǎo)致的不均勻發(fā)電，減少反應(yīng)趨于反向進(jìn)行的概率和膜電極損毀。
[0029]在本實(shí)施例中，可選的，所述電極柱101采用紫銅材料，也可以采用其他導(dǎo)電性好的材料，如銀。
[0030]在本實(shí)施例中，可選的，所述取電板102為紫銅板。紫銅板導(dǎo)電性良好且紫銅板外價格便宜，是應(yīng)用廣泛的一個銅材料品種。加之其具有良好的機(jī)械性能，熱態(tài)下塑性良好，冷態(tài)下塑性尚可，可切削性好。
[0031]請參考圖1和圖2,所述取電板102為PCB板時增設(shè)兩面敷銅板,所述敷銅板為設(shè)置在所述取電板102與所述電極柱101相接觸的一端的第一敷銅板207和所述取電板102與電極柱101不相接觸的另一端的第二敷銅板208 ;所述PCB板通過均勻過孔敷銅形成導(dǎo)電過孔206，在所述導(dǎo)電過孔206處沉積銅使兩面敷銅層電氣連通。由于采用了 PCB板，所以需要采用過孔敷銅的方法形成導(dǎo)電過孔206，保證第一敷銅板207和第二敷銅板208的電氣連通，在所述取電板102工作時，便于導(dǎo)通電池堆中的電流。
[0032]采用PCB板時,兩側(cè)板面應(yīng)敷光銅,兩側(cè)板面的第一敷銅板207和第二敷銅板208是指PCB板的上、下兩個板面，且兩側(cè)板面之間應(yīng)通過均勻分布的敷銅過孔連接。具體而言制造工藝的優(yōu)化方法如下:
[0033]具體而言，在PCB板上加工直徑為3mm的通孔若干個即為定位孔103，其個數(shù)根據(jù)目前燃料電池膜電極的技術(shù)水平，可以選擇每30?40平方厘米內(nèi)加工一個定位孔103，這樣每個電極柱101通過的電流大約為30A?40A，電極柱101的直徑大約為12mm。電極柱101釬焊后將PCB板沒有焊接電極柱101的取電板102 —面鍍金，即可形成所述的燃料電池取電裝置。所用PCB板的雙面需要有敷銅層，PCB板上還應(yīng)均布過孔，過孔敷銅形成導(dǎo)電過孔206，所述導(dǎo)電過孔206將兩側(cè)敷銅層電氣連通。
[0034]在本實(shí)施例中，可選的，所述取電板102分別設(shè)置在燃料電池堆的兩端，所述取電板102與所述電極柱101相接觸的一側(cè)與絕緣板和夾持端板連接，所述夾持端板設(shè)置在所述絕緣板的外側(cè)，所述取電板102與電極柱101不相接觸的一端設(shè)置鍍金層并與該燃料電池堆中的雙極板連接。取電板102是燃料電池堆產(chǎn)生的電能對外輸出的連接裝置。對于燃料電池堆而言，活性面積上均勻發(fā)電、各單電池均勻發(fā)電能夠保證電堆健康運(yùn)行。當(dāng)取電板102自身在面積上不存在電位差時，不會對單電池的面電位產(chǎn)生影響，從而使單電池活性面上產(chǎn)生減少出現(xiàn)橫向電流。
[0035]在本實(shí)施例中，可選的，所述電極柱101與所述取電板102相接觸的一端的橫截面積不大于所述電極柱101與所述取電板102不相接觸的一端的橫截面積。為了加工方便，所述電極柱101采用圓柱體，電極柱101頂部直徑的實(shí)體面積應(yīng)與電極柱101通過的電流大小適應(yīng)。在采用圓錐體時，與取電板102裝配的一端直徑應(yīng)大于頂部直徑，這樣采用圓錐體的底面積會更大，周長更長，如果采用手工焊時，可能只能焊其外圓周，這樣更長的外圓周長的導(dǎo)電能力更有保證。
[0036]在本實(shí)施例中，可選的，所述燃料電池活性面積為在取電板102上設(shè)置電極柱101的對應(yīng)區(qū)域，所述對應(yīng)區(qū)域按照每30cm2?40cm2的活性面積上設(shè)置一個電極柱101。以取電板102為紫銅板為例,在紫銅板上加工直徑為3mm的定位孔103若干個,其個數(shù)根據(jù)目前燃料電池膜電極的技術(shù)水平，可以選擇每40平方厘米內(nèi)加工一個定位孔103，這樣每個電極柱101通過的電流大約為40A，電極柱101的直徑大約為12mm。釬焊后將紫銅板沒有焊接電極柱101的一面鍍金，即可形成所述的燃料電池取電裝置。
[0037]在本實(shí)施例中，可選的，所述軸肩104的直徑不大于3mm，即在取電板102上的定位孔103的名義直徑一致均不大于3mm，但軸肩104直徑應(yīng)取負(fù)公差以方便插入所述取電板102的定位孔103中。所述電極柱101的直徑不大于12mm。
[0038]在本實(shí)施例中，可選的，所述電極柱101為6根且按照取電板102的面積均勻設(shè)置在所述取電板102上。若按照所述對應(yīng)區(qū)域按照每30cm2?40cm2的活性面積上設(shè)置一個電極柱101，該電池取電板102裝置設(shè)置6根時為其最優(yōu)選的情況，當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)活性面積和需要布置任意數(shù)量的電極柱101。所述電極柱101之間輸出的電位差相等，因為電極柱101兩兩平行且間隔距離相等，且電極柱101的體積相同，所以相同的時間內(nèi)通過其中的電流相同，進(jìn)而輸出的電位差也相等。
[0039]在本實(shí)施例中，可選的，所述定位孔103是直徑均相等的中空結(jié)構(gòu)，由于采用了在取電板102是直徑均相等的中空結(jié)構(gòu)，所以定位孔103與活性面積對應(yīng)區(qū)域均勻地焊接多個電極柱101，電極柱101的直徑大小及其數(shù)量根據(jù)活性面積大小與電流強(qiáng)度而決定，每個電極柱101對應(yīng)的膜電極活性面積應(yīng)大致相同，即能夠使電極柱101均布。這樣在連接外電路后，活性面積上產(chǎn)生的電流都可以通過就近的電極柱101，避免了集中或偏向一側(cè)取電的不均勻問題。
[0040]所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池取電裝置，其特征在于，包括取電板和電極柱，所述取電板上設(shè)置多個電極柱，所述取電板上開設(shè)有定位孔，所述定位孔是中空結(jié)構(gòu)，所述電極柱通過所述定位孔垂直設(shè)置在所述取電板上，所述電極柱兩兩平行且間隔距離相等；所述取電板與所述電極柱相接觸的一端設(shè)置軸肩，所述軸肩的長度略小于所述取電板的厚度，所述軸肩釬焊在所述定位孔上并形成一個局部釬焊層，所述取電板背離電極柱的一側(cè)設(shè)置鍍金層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池取電裝置，其特征在于，所述取電板分別設(shè)置在燃料電池堆的兩端，所述取電板與所述電極柱相接觸的一側(cè)與絕緣板和夾持端板連接，所述夾持端板設(shè)置在所述絕緣板的外側(cè)，所述取電板與電極柱不相接觸的一端設(shè)置鍍金層并與該燃料電池堆中的雙極板連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池取電裝置，其特征在于，所述取電板為PCB板時增設(shè)敷銅板，所述敷銅板為設(shè)置在所述取電板與所述電極柱相接觸的一端的第一敷銅板和所述取電板與電極柱不相接觸的另一端的第二敷銅板；所述PCB板通過均勻過孔敷銅形成導(dǎo)電過孔，在所述導(dǎo)電過孔處沉積銅使兩面敷銅層電氣連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的燃料電池取電裝置，其特征在于，所述電極柱與所述取電板相接觸的一端的橫截面積不大于所述電極柱與所述取電板不相接觸的一端的橫截面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池取電裝置，其特征在于，所述燃料電池活性面積為在取電板上設(shè)置電極柱的對應(yīng)區(qū)域，所述對應(yīng)區(qū)域按照每30cm2?40cm2的活性面積上設(shè)置一個電極柱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池取電裝置，其特征在于，所述軸肩的直徑不大于3mm，所述電極柱的直徑不大于12mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池取電裝置，其特征在于，所述電極柱為6根且按照取電板的面積均勻設(shè)置在所述取電板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池取電裝置，其特征在于，所述定位孔是直徑均相等的中空結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01M2/30GK203932175SQ201420311311
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】宋艷平, 辛廷慧, 韓福江, 靳殷實(shí), 余海 申請人:航天新長征電動汽車技術(shù)有限公司