专利名称：一种迭式燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，特别是，本发明涉及一种具有改进的 迭式燃料电池组件。
背景技术：
通常情况下，燃料电池是利用碳氢化合物的材料，例如甲醇，乙醇， 天然气等中的氢和氧之间的化学反应能，直接转换成电能。燃料电池可以 分为高温燃料电池和低温燃料电池。低温燃料电池可以包括聚合物电解质
隔膜燃料电池(PEMFC)，直接液体供给燃料电池(DLFC)等。使用甲醇作为燃 料的直接液体供给燃料电池(DLFC)被称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。在这 些燃料电池之中，PEMFC与其他的燃料电池相比具有良好的输出性、较低的 运行温度和快速的启动反应等优点。因此，PEMFC作为汽车的便携式电源， 住宅和公共场所的分布式电源，电子设备的微电源等等，已经被广泛地被 使用于日常生活中。
PEMFC包括一个叠层组件， 一个转化器， 一个燃料槽， 一个燃料泵，一 个空气泵等。叠层组件由一个包括多个电池单元的电流产生组件形成，并 且燃料泵从燃料槽供应燃料到转化器。转化器改善了产生氢气体的燃料， 并且供给氢气到叠层组件。于是，叠层组件引起了氢气和空气中的氧气起 电气化学地反应，从而产生电能。与PEMFC—样，DMFC具有相同的结构， 但它是直接提供液体甲醇而不是用氢气作为反应燃料。因为像转化器这样 的外围的设备不是必需的，所以DMFC能够制成小尺寸的。由于是在正常的 温度操作，燃料的存储和处理被简单化，因此DMFC可以应用于无污染的交 通工具，住宅的电源系统，移动通讯设备，医药设备，军事装备，太空产 业设备，等等，在这样一个燃料电池系统，叠层组件充分地产生的电流具有一个包括若干或许多的电池单元结构，该电池单元各自包括一个隔膜电
极组件(MEA)和一个隔板。
依据那些成熟的技术，隔板通常被称为双极板。MEA具有正极和负极放 置在电解隔膜之间的结构。
更进一步，隔板被放置在MEA的相反一侧，和为了提供燃料气体和氧 气所需的燃料电池的反应不仅使用了一个通道，而且还有一个导体电连结 地串联起每个MEA的正极和负极。因此，当含有氧的氧气被提供到负极时， 隔板允许含有氢的可燃气被供应到正极。从而，含有氢的可燃气和含有氧 的氧气通过隔板分别地被供应到正极和负极。在这个过程，燃料气体在正 极电化学地氧化了，并且氧气在负极电化学地减少了，所以，电子的运动 产生了电能，随之产生了热和水。在这种燃料电池中，单元电池利用分隔 接线端连结在一起，以便电能产生预先确定的电压。然而，在常规的燃料 电池中，接线端从叠层组件的反面突出，因此，叠层组件变得庞大，这样， 阻碍了燃料电池的小型化，使燃料电池在小型电子产品，例如，笔记本电 脑，个人数字助理(PDA)，移动电话，携带式摄像机等之中的应用受到了限 制。更进一步地，接线端与配线之间使用普通的螺钉连接方法容易产生松 动，无法确保燃料电池运行的性能。
发明内容
在本发明的实施方式中，迭式燃料电池提供的接线端仅仅放置于迭式 燃料电池叠层组件的一个面上，以便于配线，减小了燃料电池的体积，提 高了性能，另外，本发明还改进了电连接结构，从而进一步提高了燃料电 池的运行稳定性能。
上述和/或本发明的其它特征将被下面的具体实施实施方式实现，该实 施方式的迭式燃料电池可以包括具有第一导电极性的第一收集板，具有不 同于第一导电极性的第二导电极性的第二收集板，和至少一台位于该收集 的板之间的电生成单元。
至少一台电生成单元是因为由于在氢和氧之间的电化学的反应被第一 收集板和第二收集板收集而产生电能的。连接元件压紧至少一个封闭连接 在收集板之间的电生成单元。 一个接线端元件从第二收集板突出并且与第一收集板电连接和与第二收集板绝缘，这种接线端原件被作为具有第一极 性的第一接线端使用。与第一接线端相同的第二接线端位于叠层组件的相 同面上并且具有第二电极性。第二收集板也可以作为第二接线端被使用。
依照本发明的一种方案，接线端元件包含一个连接元件。
接线端元件完整地形成在第一收集板上，并且连结在形成于其间带有 薄膜绝缘涂层的第二收集板中的接合孔的边缘。依照本发明的一种方案， 接线端元件连接到位于第一收集板中的接合孔的边缘和位于第二收集板中 的接合孔的边缘，和薄膜绝缘涂层放置在接线端原件和位于第二收集板中 的接合孔的边缘之间。依照本发明的一种方案，叠层组件还包括一个放在 接线端元件和第二收集板之间的绝缘元件。
连接元件被放置在至少一个电生成单元的外面去直接连接配有第二收 集板的第一收集板。在这种情况下，接线端元件贯穿至少一个电生成单元 和贯穿至少一个其中一部分涂有薄膜绝缘层的电生成单元。
依照本发明的一种方案，连接元件由一个螺栓和一个螺母构成。
依照本发明的一种方案，收集板中的其中一个包含涂有一层从金、银 和铜族中选择出的一种材料的铝材料。
依照本发明的一种方案， 一枚螺栓被固定到第二收集板和金属线连结 到螺栓，这样第二收集板作为外部的接线端。
依照本发明的一种方案，叠层组件进一步包含一个第二接线端元件电 连结到第二收集板并且与第一收集板绝缘。从第二收集板突出的第二接线 端元件和第二接线端元件被作为第二接线端使用。
依照本发明的一种方案，第二接线端元件构成连接元件之一，并且连 接元件构成一个螺栓和一个螺母。
依照本发明的另一种方案，所述第二集电板可以进一步包括 一个一
端具有突出物且可与配线固定连接的第一止动连接件，所述第一止动连接 件与所述第二集电板绝缘连接， 一个一端具有突出物且可与配线固定连接 的第二止动连接件，所述第二止动连接件与所述第二集电板电气连接，以 使所述第二止动连接件具有第二电极性，与所述第一止动连接件上的所述 突出物相配合的第一接受孔，与所述第二止动连接件上的所述突出物相配 合的第二接受孔， 一个将所述第一止动连接件固定于所述第二集电板上的 第一螺钉， 一个将所述第二止动连接件固定于所述第二集电板上的第二螺钉，所述第一螺钉电气地与所述连接件和所述第一止动连接件相连，以使 其所述第一止动连接件具有第一电极性。所述第二集电板还包括与所述第 一、第二螺钉相配合的螺纹孔。
如上所述，在本发明上述的燃料电池中，燃料电池的正负端子位于叠 层组件的一侧，这样，易于配线，使其电气连接结构得到了改进，从而縮 小了燃料电池地体积，提高了燃料电池的性能。另外，本发明还改进了配 线与第二集电板的连接方式，在燃料电池运行过程中，不会造成配线的松 动，进一步提高了燃料电池的运行稳定性。
本发明的上述和其它特性及优点将参考附图所示的实施方式进行描 述，因此会变得更加清晰。
图1是依据本发明迭式燃料电池的一个结构示意图； 图2是依照本发明在图1中展示的迭式燃料电池的叠层组件的分解透 视图3是本发明迭式燃料电池的剖视示意图4是在图3中展示的迭式燃料电池的第二集电板配线连接和导电极 性示意图5是依照图1至4中展示的典型实施方式的迭式燃料电池的接线端 连接结构的平面图6是依据本发明迭式燃料电池第二典型实施方式的导电件与第二集 电板的连接示意图7是依据本发明迭式燃料电池第二典型实施方式的第二集电板配线
连接及导电极性的示意图。
在附图中，相同的标号代表相同零件、部件和结构。
具体实施例方式
下面将参考附图对本发明典型实施方式加以介绍。
图1是本发明典型实施方式迭式燃料电池的结构示意图。参看图1，本发明典型实施方式迭式燃料电池使用一种直接甲醇燃料电
池(DMFC)，该直接甲醇燃料电池直接向叠层组件供应燃料以产生电能。
按本发明的典型实施方式，迭式燃料电池包括至少一个借助氢和氧
之间的电化学反应产生电能的电发生单元20、 一个向电发生单元20输送燃料的燃料供应器、和一个向电发生单元20输送氧气的氧气供应器。
电发生单元20与燃料供应器相连，并从燃料供应器接受甲醇。此外，电发生单元20从氧气供应器接受氧气。此处，电发生单元20是迭式燃料电池的基本单元，它使甲醇中的氢可以与氧进行反应，并产生电能。电发生单元20可以进一步包括一个膜电极组件(MEA) 22、和一个隔离件26，隔离件26在本技术领域内称之为双极板。此处，隔离件26设置于膜电极组件22的两边。这样，连续排列的多个电发生单元20形成了一个叠层组件10。
燃料供应器包括一个储存流体燃料的第一燃料箱5，和一个与第一燃料箱5相连的燃料泵3。
此外，氧气供应器包括一个抽取空气并将空气供给电发生单元20的空气泵6。
在具有这种结构的迭式燃料电池10中，当燃料从燃料泵3和空气从空气泵6分别输送给电发生单元20时，电发生单元20使燃料中的氢气与空气中的氧进行电化学反应，从而产生电、水和热。
DMFC可以进一步包括一个将在叠层组件10中未完全反应的燃料进行再循环的再循环燃料箱(图中未示出)，和一个将第一燃料箱5中的高浓度燃料和再循环燃料箱中的低浓度燃料进行混合的混合燃料箱(图中未示出)。
此外，本发明的典型实施方式的迭式燃料电池还可以使用聚合物电解质隔膜燃料电池(PEMFC)，这种电池使含有氢的燃料发生变化以产生氢气，并使氢气与氧进行电化学反应，从而产生电能。与DMFC相比，PEMFC是典型的需要转化器的结构。
下面将对使用DMFC的迭式燃料电池进行介绍。但是，本发明的迭式燃
料电池不限于DMFC，也可以使用PEMFC。
在图l所示的典型实施方式中，当燃料从燃料供给器而空气由空气泵6供入叠层组件10时，氢气与空气中的氧在叠层组件10中进行电化学反应，从而产生电能。如图1至3所示，迭式燃料电池中的叠层组件10包括作为燃料电池基本单元的电发生单元20。电发生单元20包括隔离件26和放置于隔离件26之间的膜电极组件22。由此，多个电发生单元20连续地堆放起来形成电发生单元20的集合体，即叠层组件IO。
放置在隔离件26之间的膜电极组件22包括阳极和位于其反面的阴极，以及位于阳极和阴极之间的膜电极。
这里，阳极用于氧化通过隔离件26供入的氢气，使氢原子分裂为氢离子和电子。此外，阴极用于使通过隔离件26供入的空气中的氧与从阳极转换来的氢离子和电子进行反应以致被还原，从而产生热和水。膜电极可以由具有50卿至200 Mm厚度的固相聚合物电解质构成，并起到将氢离子从阳极传送到阴极的离子交换膜的作用。
此外，隔离件26紧挨着位于它们之间的膜电极组件22。如本典型实施方式所示，隔离件26位于膜电极组件22的两侧，并分别具有燃料通路26a和空气通路(图中未示出)。
这里，燃料通路26a面朝着膜电极组件22的阳极设置，并向阳极供给燃料。而空气通路，主要是氧气通路，面朝着膜电极组件22的阴极设置，并将空气中的氧从空气泵6输向阴极。
燃料和空气可以分别通过燃料通路26a和空气通路进行循环的方法是公知的，因此在本说明书中略去，不再详述。对本领域的普通技术人员来说很明显，燃料和空气可以通过任何适当形式的燃料通路26a和空气通路进行循环。
隔离件26可以由石墨或碳纤维复合材料构成并用模铸法形成燃料通路26a和空气通路。此外，隔离件26可以由一种或多种金属，如从铝、铜、铁、镍和钴族金属中选出的一种或多种金属或它们的合金的金属板材构成，经压制形成燃料通路26a和空气通路。
在本典型实施方式中，使用尺寸与隔离件26相应的压床将金属板压制成隔离件26。此外，隔离件26也可以用注模法或模铸法制成。
隔离件26也可以用比普通碳材料具有较低导电率的材料或非导电材料，如陶瓷、聚合物、合成树脂、橡胶等，以喷射模塑法或挤压成形法制成。
叠层组件10包括一个允许在膜电极组件22中产生的电子流动的端(图中未示出)，和一个将每个电发生单元20和与其相邻的电发生单元20电气连接的连接结构，从而使叠层组件10中相邻的电发生单元20电气串联起来。这里，端子和连接结构可以采用本领域普通技术人员所熟悉的任何适用的结构。因此，略去对这些结构的详细描述。
叠层组件10进一步包括位于其最外侧的第一和第二集电板324和322，第一集电板324和第二集电板322具有不同的电极性。因而，第一集电板324和第二集电板322收集在叠层组件10中产生的电能，并形成电流。此处，由隔离绝缘物质(图中未示出)将第一和第二集电板324和322与最外侧的隔离件(图中未示出)相绝缘。
第一和第二集电板324和322紧靠在最外侧的隔离件上，并将它们之间的多个电发生单元20压紧。这样，第一和第二集电板324和322由单独的连接机构将它们连接在一起。例如，连接机构可以是螺栓和螺母，铆钉等。
如图2、 3和4所示，螺栓331和333从叠层组件10的外侧在电发生单元20的上部和下部插入电发生单元20中，从而将第一和第二集电板324和322彼此连接起来。螺栓331和333将电发生单元20压紧，使它们形成紧密连接。
在本典型实施方式中，连接机构作为端子。在叠层组件10中的端子电气连接于第一集电板324并与第二集电板322电气绝缘。也就是说，端子电气连接于第一集电板324并与第一集电板324具有相同的电极性。在本典型实施方式中，连接机构作为端子。
换句话说，螺栓333中的一个，后面称之为"第一螺栓"，电气连接于第一集电板324，而与第二集电板322电气绝缘，因此具有与第一集电板24相同的电极性。
更确切地说，第一螺栓333连接于形成于第一集电板324上的连接孔324b和形成于第二集电板322上的连接孔322b。在这种情况下，第一螺栓333具有导电接触第一集电板324上的连接孔324b的接触部分333a，而在第一螺栓333上与第二集电板322的连接孔322b相接触的部分上覆盖有一层绝缘物质343，从而使其与第二集电板322电气绝缘。
如图2所示，除了与第一集电板324的连接孔324b相应的接触部分333a外，第一螺栓333可以完全被绝缘物质343覆盖住，从而使第一螺栓333具有与第一集电板324相同的电极性。这里，第一螺栓333的端部333b没有覆盖以绝缘物质343，因此可以作为端子。
由此，第一螺栓333除了与第一集电板324的连接孔324b相应的接触部分333a和其端部之外完全被绝缘物质343覆盖住，它与第一集电板324导电接触，而与第二集电板322电气绝缘，因此起到外部端子的作用。
可以将一个单独的绝缘件放置于第一螺栓333和第二集电板322之间，以便更好地使第一螺栓333和第二集电板322相互绝缘。在本典型实施方式中，绝缘件可以是在第一螺栓333端部333b上的绝缘垫圈360。在这种情况，当第一螺栓333与螺母353相连接时，绝缘垫圈360放置于螺母353和第二集电板322之间，使第一螺栓333和第二集电板322能彼此更好地绝缘。此处，如本领域的技术人员所知，垫圈360可以由任何绝缘材料制成。
在本典型实施方式中，第一螺栓333之外的螺栓331，下面称之为"第二螺栓"，除了与螺母351相连的端部之外，完全被绝缘物质341所覆盖。此处，第二螺栓331，甚至在与第一集电板324相应的连接孔324a的接触部分，都被绝缘物质341所覆盖。
此处，单独的绝缘件放置于第二螺栓331和第一集电板324之间，以便使第二螺栓331更好地与第一集电板324相绝缘。
例如，绝缘件可以是在第二螺栓331端部上的绝缘垫圈(图中未示出)。在这种情况，绝缘垫圈放置于第二螺栓331和第一集电板324之间，从而使第二螺栓331和第一集电板324之间彼此可以更好地绝缘。
第一集电板324和第二集电板322可以由覆盖以高导电率的材料，如金、银、铜等，的铝材制成，但本发明不仅限于这些材料。
本发明的典型实施方式的叠层组件10还包括一个通过燃料泵3向阳极输送燃料的燃料供应管325、 一个排出未在叠层组件10中完全反应的燃料的排出管326、 一个通过空气泵6将氧供向阴极的空气供应管327等，它们均设置于第一集电板324上。这样，燃料和氧均在一侧注入和排出，并实现如上所述的相互反应。
在具有这种结构的叠层组件10中，第一螺栓333从第二集电板322突出，使第一螺栓333作为第二集电板322上的正或负端子。
如图4所示，在第一集电板324具有负极性而第二集电板322具有正极性的情况，第一螺栓333与第一集电板324电气连接，并借助绝缘物质343与第二集电板322相绝缘，从而使第一螺栓333具有与第一集电板324相同的负极性。这样，第一螺栓333的端部333b可以作为负极性的端子。在图5所示的典型实施方式中，第二集电板322具有正极性，而配线380用螺钉381连接于第二集电板322上。由此，第二集电板322可以作为外部正极性端子。
在图6、图7所示的是本发明第二典型实施方式，在本实施方式中，第二集电板422可以进一步包括 一个一端具有突出物510a且可与配线490固定连接的第一止动连接件510， 一个与第一止动连接件510上的突出物510a相配合的第一接受孔422a，第一接受孔422a可以是一个，也可以是多个，本实施方式是3个。第一止动连接件510与第二集电板422做绝缘连接，此时，可以通过在第一止动连接件510上的突出物510a上覆盖绝缘层，或通过在第一接受孔422a的内缘上覆盖绝缘层，或在第一止动连接件510上的突出物510a和第一接受孔422a的内缘上分别覆盖绝缘层的办法使第一止动连接件510与第二集电板422保持绝缘状态。在第二集电板422上还包括将第一止动连接件510固定于第二集电板上422的第一螺钉511，第一螺钉511通过设置在第一止动连接件510上的第一连接孔510b和第二集电板上422上的连接孔422b与第一螺栓433上的螺纹孔433c相配合，从而将第一止动连接件510固定于第二集电板上422上，此时，通过对第一典型实施方式的描述可知，第一螺栓333的端部333b具有负极性(见图4)，因此，第一止动连接件510也具有负极性。更进一步，本发明还可以使第一止动连接件510本身由绝缘材料制成，而将配线490直接与螺钉511电气连接，使其具有负极性。
一个一端具有突出物520a且可与配线480固定连接的第二止动连接件520，第二止动连接件520通过第二螺钉521穿过设置在其上的第二连接孔520b与设置在第二集电板422上的螺纹孔422c电气连接，这样就使第二止动连接件520具有与第二集电板422相同的电极性，即图7中所示的正极性。
配线490、 480可以通过设置在第一止动连接件510和第二止动连接件520上的连接孔510c、 520c进行连接，当然，也可以直接通过螺钉511和521将配线490、480分别连接于第一止动连接件510和第二止动连接件520上。
具有上述结构的第一止动连接件510和第二止动连接件520与第二集电板422连接后不会产生松动，因此，保证了配线480、 490与第二集电板422的连接可靠性，同时，该结构也便于燃料电池的维修。
综上所述，在本发明上述典型实施方式的燃料电池系统中，端子位于叠层组件的一侧，使之易于配线，而电气连接结构得到了改进，从而縮小了燃料电池的体积，提高了燃料电池的性能。另外，本发明还改进了配线与第二集电板的连接方式，在燃料电池运行过程中，不会造成配线的松动，进一步提高了燃料电池的运行稳定性。进一步提高了燃料电池的运行稳定性。
上面借助一些典型实施方式对本发明进行了介绍，但对本领域的普通技术人员来说很明显，本发明不受上述典型实施方式的限制，相反，还应包括在不离开所附权利要求和其等同物所规定的本发明范围和精神实质的情况下所进行的各种改进和变化。
权利要求
1.一种迭式燃料电池包括一个由氢和氧之间产生电化学反应而产生电能的叠层组件，该叠层组件包括一个具有第一电极性的第一集电板；一个具有与第一电极性不同的第二集电板；至少一个位于所述第一集电板和所述第二集电板之间的电发生单元，所述电发生单元使氢和氧之间进行电化学反应并生成电能，该电能收集于所述第一集电板和所述第二集电板；将所述第一集电板和第二集电板之间的至少一个所述电发生单元压紧的连接件；一个可导电地连接于所述第一集电板并与所述第二集电板绝缘的端子件，所述端子件从所述第二集电板突出，并作为具有所述第一电极性的第一端子；和一个位于所述叠层组件上并与所述第一端子同一侧的具有所述第二电极性的第二端子件；一个将含有氢的燃料供给所述叠层组件的燃料供应器；与将燃料通过所述燃料供应器供给所述至少一个电发生单元相应的输送管和与排出未在叠层组件中完全反应的所述燃料的燃料排出管；一个与供给所述叠层组件含有氧的氧化剂相应的氧供应器；和与通过所述氧供应器向所述至少一个电发生单元输送和排出氧化剂相应的氧化剂输送管和排出管，其特征在于，所述燃料输送和排出管和所述氧化剂输送和排出管均设置于所述第一集电板上。
2. 按权利要求1所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述第二集电板 作为所述第二端子。
3. 按权利要求1所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述端子件包括 一个连接件。
4. 按权利要求1所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述端子件整体 形成于所述第一集电板上，并连接于形成在所述第二集电板上的连接孔的 孔缘，在所述端子件和所述孔缘之间设置有绝缘膜覆盖层。
5. 按权利要求1所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述端子件连接 于所述第一集电板的连接孔的孔缘和所述第二集电板的连接孔的孔缘，在 所述端子件和所述第二集电板的所述连接孔的孔缘之间设置有绝缘膜覆盖 层。
6. 按权利要求2所述的迭式燃料电池，其特征在于，它进一步包括一 个放置于所述端子件和所述第二集电板之间的绝缘件。
7. 按权利要求1所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述连接件设置 于所述至少一个电发生单元的外侧直接将所述第一集电板与所述第二集电 板连接起来，所述端子件包括一个所述连接件，所述连接件还包括螺栓和螺 母。
8. 按权利要求7所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述端子件穿过 所述至少一个电发生单元，并在其穿过所述电发生单元的那部分设置有绝 缘膜覆盖层。
9. 按权利要求7所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述连接件穿过 所述第一集电板、所述第二集电板和所述至少一个电发生单元，并覆盖以 绝缘膜，所述连接件和所述第一集电板之间还配有绝缘件。
10. 按权利要求1、 7或9所述的迭式燃料电池，其特征在于，所述第 二集电板进一步包括 一个一端具有突出物且可与配线固定连接的第一止 动连接件，所述第一止动连接件与所述第二集电板绝缘连接， 一个一端具 有突出物且可与配线固定连接的第二止动连接件，所述第二止动连接件与 所述第二集电板电气连接，以使所述第二止动连接件具有第二电极性，与 所述第一止动连接件上的所述突出物相配合的第一接受孔，与所述第二止 动连接件上的所述突出物相配合的第二接受孔， 一个将所述第一止动连接 件固定于所述第二集电板上的第一螺钉， 一个将所述第二止动连接件固定 于所述第二集电板上的第二螺钉，所述第一螺钉电气地与所述连接件和所 述第一止动连接件相连，以使其所述第一止动连接件具有第一电极性。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池，该燃料电池为了配线方便，正负端子均位于叠层组件的同一侧，使其电气连接结构得到了改进，从而缩小了燃料电池的体积，提高了燃料电池的性能。另外，本发明还改进了配线与集电板的连接方式，在燃料电池运行过程中，该连接方式不会造成配线与集电板之间的连接松动，进一步提高了燃料电池的运行稳定性。
文档编号H01M8/10GK101494295SQ200810000599
公开日2009年7月29日 申请日期2008年1月24日 优先权日2008年1月24日
发明者严南根 申请人:严南根