專利名稱：燃料電池雙面同性電極陣列結構體及其構成的燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池及其電堆的構造，具體涉及一種雙面同性電極結構及其構成的燃料電池系統。
背景技術：
燃料電池一般皆由數個基本單元所組成。由于每個基本單元所能提供的電壓很小，因此在應用時必須串聯多的基本單元，以達到所需要的操作電壓輸出。而傳統的集層式燃料電池因為要串聯多個單體電池導致長度過大，無法達到小型化的要求。而目前的平板式燃料電堆采用單面的陽極板和單面的陰極板進行配合。雖然解決了長度過大的問題，但在根本上仍然浪費了較大的可用空間。而且其進料和出料方式仍然沿用集層式燃料電池的方式，存在密封性能差的問題。
中國專利號為200410074112.8的“薄型化的平板式直接甲醇燃料電池結構及其制造方法”雖已指出直接甲醇燃料電池系統及制法，然而仍存在有下列所指出的缺失a)未擺脫傳統電堆的進料和出料方式，存在密封不嚴的問題。b)采用單面陽極的方式，存在小型化的可能。c)流場板與基板不能分離。
中國專利號為200410055620.1“直接甲醇燃料電池和具有該電池的便攜計算機”雖已指出直接甲醇燃料電池系統及制法，然而仍存在有下列所指出的缺失a)仍采用單面電極的方式，存在小型化的可能。b)表面的平均分配流道較繁瑣，有簡化的可能。c)只含有兩層相對應的基板，只能在基板的平面面積內增加單體電池的數目。
中國專利號為01815152.3“直接甲醇燃料電池系統”雖已指出直接甲醇燃料電池系統及制法，然而仍存在有下列所指出的缺失a)采用單面陽極的方式，存在小型化的可能。b)微流體管路的設計，會造成加工不易的現象發生，批量生產困難。c)由于單純采用進料、排料通道均在基板內的設計，單體較多時，存在進料和出料口的設計困難，導致加工復雜，難于成批加工。有進行簡化的可能。d)只指出單純一塊陽極基板和一塊陰極基板的配合，空間利用率不高。
發明內容
為了解決現有的燃料電池體無法再縮小體積、表面平均分配流道較繁瑣、空間利用率低的問題，本發明提出了一種燃料電池雙面同性電極陣列結構體及其構成的燃料電池系統。本發明適用于甲醇、二甲醚、乙醇、甲酸、氫氣作為燃料的直接型燃料電池。
本發明的燃料電池雙面同性電極陣列結構體，由基板、多個電極區域和多個金屬流場板構成；所述基板在邊緣部位設置有一圈裝配通孔；所述電極區域形成于所述基板的正反兩面，所述基板的每個電極區域內鑲嵌有一個所述金屬流場板，在所述基板的正反兩面以四個金屬流場板為一單元陣列，構成一個單元陣列的四個金屬流場板之間通過基板的表面支流道相連通，每個單元陣列的表面支流道的區域內開有一個進料導出孔，該進料導出孔通過基板上設置的主進料通道與基板的外部相連通，在每個電極區域內都設置有一個導電孔和一個排料孔，每個導電孔通過基板上設置的導線引出通道與基板的外部相連通，每個排料孔通過基板上設置的主排料通道與基板的外部相連通。所述形成于所述基板表面的電極區域的深度與金屬流場板的厚度一致。所述金屬流場板鑲嵌在電極區域內并且所述金屬流場板與電極區域之間夾有密封硅膠墊進行密封。
由上述多個雙面同性電極陣列結構體構成的燃料電池系統，它包含有多個整合式雙面陰極系統、多個整合式雙面陽極系統、多個三合一膜電極組件和兩個端部整合式單極性電極系統；每個整合式雙面陰極系統采用上述的雙面同性電極陣列結構體并且基板正反兩面的金屬流場板為陰極，每個整合式雙面陽極系統采用上述的雙面同性電極陣列系統的結構并且基板正反兩面的金屬流場板為陽極，多個整合式雙面陰極系統和多個整合式雙面陽極系統依次疊加構成燃料電池堆；多個三合一膜電極組件位于相鄰兩個整合式雙面陰極系統和整合式雙面陽極系統之間，并且每個電極區域配置一個三合一膜電極組件；在構成的燃料電池堆的兩端分別設置有一個端部整合式單極性電極系統，該端部整合式單極性電極板只具有上述的雙面同性電極陣列結構體構成的整合式燃料電池系統中涉及一個面的電極區域、金屬流場板及其相關孔和通道的結構，該單極性電極板的極性由構成的燃料電池堆的兩個端面的極性決定；利用穿過各個基板的裝配孔的緊固件固定連接所有的整合式雙面陰極系統、整合式雙面陽極系統和端部整合式單極性電極系統。
發明效果本發明是一種含有雙面同性電極陣列的并含有特殊進料和出料設計的燃料電池結構，其提供了一種含有雙面同性電極陣列的燃料電池系統。本發明的雙面同性電極陣列結構的燃料單電池在基板的正反兩面分別布置有各自獨立的主通道。本發明燃料電池采用雙面同性結構，在原有平板式燃料電池的單面電極基礎上，更大的利用了空間，尤其在采用自呼吸模式進行工作時，雙面陽極的兩側均為可以與空氣接觸的陰極，大大提高了體積效率；采用基板內主流道與表面副流道相互配合的方式，即方便了加工，解決了燃料的平均分配，又在一定程度上解決了流道全部在表面所引起的密封問題；擺脫了傳統平板式燃料電池只有單層陽極的形式，既可以按要求做成薄型化，也可以根據需要增加雙面同性電極的個數，提高了功率。
圖1是本發明雙面同性電極陣列結構體的立體結構示意圖；圖2是圖1中基板的主視圖；圖3是圖1中基板的俯視圖；圖4是圖1中基板的后視圖；圖5是圖1中基板的仰視圖；圖6是圖3的A-A剖視圖；圖7是端部整合式單極性電極板中基板結構主視圖；圖8是圖7的俯視圖；圖9是圖8的B-B剖視圖；圖10是圖7的仰視圖；圖11是金屬流場板6的立體結構示意圖；圖12是含有多個單元陣列的基板1的結構示意圖；圖13是采用本發明的具有雙面同性電極陣列結構的燃料電池系統的裝配示意圖。
上述圖中，1—基板；2—裝配孔；3—主排料通道；4—導線引出通道；5—電極區域；6—金屬流場板；7—進料導出孔；8—表面支流道；9—主進料通道；5-1—導電孔；5-2—排料孔；6-1—燃料引入通道；6-2—金屬棱；6-3—流道；10—整合式雙面陰極系統；11—整合式雙面陽極系統；12—端部整合式單極性系統；13—三合一膜電極組件。
具體實施例方式
具體實施方式
一參見圖1至圖6，本具體實施方式
的雙面同性電極陣列體，由基板1、四個陰極電極區域5和四個金屬流場板6構成；所述基板1在邊緣部位設置有一圈裝配通孔2；所述電極區域5以機械加工形成于所述基板1的正反兩面，所述基板1的每個電極區域5內鑲嵌有一個所述金屬流場板6，在所述基板1的正反兩面以四個金屬流場板6為一單元陣列，構成一個單元陣列的四個金屬流場板6之間通過基板1的表面支流道8相連通，每個單元陣列的表面支流道8的區域內開有一個進料導出孔7，該進料導出孔7通過基板1上設置的主進料通道9與基板1的外部相連通，在每個電極區域5內都設置有一個導電孔5-1和一個排料孔5-2，每個導電孔5-1通過基板1上設置的導線引出通道4與基板1的外部相連通，每個排料孔5-2通過基板1上設置的主排料通道3與基板1的外部相連通。所述形成于所述基板1表面的電極區域5的深度與金屬流場板6的厚度一致。如圖1至圖6所示，圖中只給出了基板1上只有一個上述單元陣列結構的結構示意圖，如圖12所述，基板1上還可以沿縱向或橫向設置多個單元陣列結構，那么基板為每個單元結構所提供的內部與外部的通道都與圖1至圖6相同。
所述基板1采用不導電材料，例如PTFE(聚四氟乙烯)或ABS(工程塑料)等絕緣材料，或它既作為燃料和氣體的供應和排出通道，又是陰陽極流場的承載體和電堆的殼體和支撐體。參見圖2至圖6，每一個主進料通道3是設計在基板1內，在達到相應的電極區域的集合部時，與排料孔5-2相連通，該排料孔5-2用于燃料導出或氣體導出，并在基板1兩個或單表面重新進行平均分配流路的加工，使燃料或氣體均勻流向各個陽極或陰極區域。所述單電池適用于甲醇、二甲醚、乙醇、甲酸、氫氣作為燃料的直接型燃料單電池。
如圖6所示，每個電極區域都配有單獨的導電引出通道，將各單體在電堆外實現電連接，便于使用不同的電壓和電流，符合實際的工作環境要求，并便于電堆的故障檢測和排除。
如圖1所示，所述金屬流場板6鑲嵌在電極區域5內并且所述金屬流場板6與電極區域5之間夾有密封硅膠墊進行密封。所述金屬流場板6采用不銹鋼等金屬材質，并在表面進行電鍍作為導電涂層，并鑲嵌在相應的電極區域5內。如圖11所示，每個金屬流場板6具有以下結構特點在表面鍍有鎳金涂層的流場板的上表面上開有多個相互連通的流道6-3，相鄰流道6-3之間構成金屬棱6-2，相互連通的流道6-3與燃料引入通道6-1相連通并且還與燃料單電池的表面支流道8相連通。所述表面支流道8可以設計成如圖2所示的矩形結構。金屬流場板6厚度是具體情況而定，流道類型可以視具體工作條件進行選擇，流道6-3的加工可以采用數控車床加工或者鍛鑄，電化學腐蝕、電火花切割等手段。流道6-3的深度可以在1mm至5mm內選擇，流道6-3的寬度可以在1mm至5mm之間選擇。
具體實施方式
二參見圖1至圖13，由具體實施方式
一所述的雙面同性電極陣列結構體構成的燃料電池系統，它包含有多個整合式雙面陰極系統10、多個整合式雙面陽極系統11、多個三合一膜電極組件13和兩個端部整合式單極性電極系統12；每個整合式雙面陰極系統10采用具體實施方式
一所述的雙面同性電極陣列系統的的結構并且基板1正反兩面的金屬流場板6為陰極，每個整合式雙面陽極系統11采用具體實施方式
一所述的雙面同性電極陣列系統的結構并且基板1正反兩面的金屬流場板6為陽極，多個整合式雙面陰極系統10和多個整合式雙面陽極系統11依次疊加構成燃料電池堆；多個三合一膜電極組件13位于相鄰兩個整合式雙面陰極系統10和整合式雙面陽極系統11之間，并且每個電極區域配置一個三合一膜電極組件13；在構成的燃料電池堆的兩端分別設置有一個端部整合式單極性電極系統12，該端部整合式單極性電極板12只具有具體實施方式
一所述的雙面同性電極陣列結構體構成的整合式燃料電池系統中涉及一個面的電極區域、金屬流場板及其相關孔和通道的結構，該單極性電極板的極性由構成的燃料電池堆的兩個端面的極性決定；利用穿過各個基板1的裝配孔2的緊固件固定連接所有的整合式雙面陰極系統10、整合式雙面陽極系統11和端部整合式單極性電極系統12。所述燃料電池系統適用于甲醇、二甲醚、乙醇、甲酸、氫氣作為燃料的直接型燃料電池。在通常使用時，基板1采用平放的模式。
如圖7至9，給出了一種含有一個單元陣列結構的端部整合式單極性電極系統12的基板1結構，其中采用垂直的表面支流道。采用圖13的組裝方式可以根據具體要求調整電堆的體積，若要求薄型化時，可以采用一個雙面陽極或雙面陰極系統和單面陽極、陰極系統各一個，組裝成薄型的電堆系統，并采用ABS等薄型化板材作基板，其可以用于筆記本、移動電話等移動電子產品。當要求大功率，對移動性要求不高時，可采用多個雙面陽極和雙面陰極系統，外加端面的單面陽極、單面陰極系統各一組，組裝成功率較大的電堆系統。
權利要求
1.燃料電池雙面同性電極陣列結構體，其特征在于所述單電池由基板(1)、多個電極區域(5)和多個金屬流場板(6)構成；所述基板(1)在邊緣部位設置有一圈裝配通孔(2)；所述電極區域(5)形成于所述基板(1)的正反兩面，所述基板(1)的每個電極區域(5)內鑲嵌有一個所述金屬流場板(6)，在所述基板(1)的正反兩面以四個金屬流場板(6)為一單元陣列，構成一個單元陣列的四個金屬流場板(6)之間通過基板(1)的表面支流道(8)相連通，每個單元陣列的表面支流道(8)的區域內開有一個進料導出孔(7)，該進料導出孔(7)通過基板(1)上設置的主進料通道(9)與基板(1)的外部相連通，在每個電極區域(5)內都設置有一個導電孔(5-1)和一個排料孔(5-2)，每個導電孔(5-1)通過基板(1)上設置的導線引出通道(4)與基板(1)的外部相連通，每個排料孔(5-2)通過基板(1)上設置的主排料通道(3)與基板(1)的外部相連通。
2.根據權利要求1所述的燃料電池雙面同性電極陣列結構體，其特征在于所述基板(1)采用不導電材料。
3.根據權利要求1所述的燃料電池雙面同性電極陣列結構體，其特征在于所述金屬流場板(6)采用不銹鋼等金屬材質，并在表面進行電鍍作為導電涂層，并鑲嵌在相應的電極區域(5)內。
4.根據權利要求1所述的燃料電池雙面同性電極陣列結構體，其特征在于所述形成于所述基板(1)表面的電極區域(5)的深度與金屬流場板(6)的厚度一致。
5.根據權利要求1所述的燃料電池雙面同性電極陣列結構體，其特征在于所述電極區域5以機械加工形成于所述基板(1)的正反兩面。
6.根據權利要求2所述的燃料電池雙面同性電極陣列結構體，其特征在于所述不導電材料為PTFE或ABS。
7.根據權利要求1、2、3、4或5所述的燃料電池雙面同性電極陣列結構體，其特征在于所述金屬流場板(6)鑲嵌在電極區域(5)內并且所述金屬流場板(6)與電極區域(5)之間夾有密封硅膠墊進行密封。
8.由權利要求1所述的燃料電池雙面同性電極陣列結構體構成的燃料電池系統，其特征在于所述燃料電池系統包含有多個整合式雙面陰極系統(10)、多個整合式雙面陽極系統(11)、多個三合一膜電極組件(13)和兩個端部整合式單極性電極系統(12)；每個整合式雙面陰極系統(10)采用具體實施方式
一所述的雙面同性電極陣列系統的的結構并且基板(1)正反兩面的金屬流場板(6)為陰極，每個整合式雙面陽極系統(11)采用具體實施方式
一所述的雙面同性電極陣列系統的結構并且基板(1)正反兩面的金屬流場板(6)為陽極，多個整合式雙面陰極系統(10)和多個整合式雙面陽極系統(11)依次疊加構成燃料電池堆；多個三合一膜電極組件(13)位于相鄰兩個整合式雙面陰極系統(10)和整合式雙面陽極系統(11)之間，并且每個電極區域配置一個三合一膜電極組件(13)；在構成的燃料電池堆的兩端分別設置有一個端部整合式單極性電極系統(12)，該端部整合式單極性電極系統(12)只具有權利要求1所述的雙面同性電極陣列結構體構成的整合式燃料電池系統中涉及一個面的電極區域、金屬流場板及其相關孔和通道的結構，該單極性電極板的極性由構成的燃料電池堆的兩個端面的極性決定；利用穿過各個基板(1)的裝配孔(2)的緊固件固定連接所有的整合式雙面陰極系統(10)、整合式雙面陽極系統(11)和端部整合式單極性電極系統(12)。
全文摘要
燃料電池雙面同性電極陣列結構體及其構成的燃料電池系統，它涉及一種燃料電池及其電堆的構造，它解決了現有的燃料電池體無法再縮小體積、表面平均分配流到較繁瑣、空間利用率低的問題。本發明燃料電池基板(1)的正反兩面設置有多個電極區域(5)，所述基板(1)的每個電極區域(5)內鑲嵌有一個所述金屬流場板(6)，在所述基板(1)的正反兩面以四個金屬流場板(6)為一單元陣列，構成一個單元陣列的四個金屬流場板(6)之間通過基板(1)的表面支流道(8)相連通。本發明采用雙面同性結構，在原有平板式燃料電池的單面電極基礎上，更大的利用了空間，尤其在采用自呼吸模式進行工作時，雙面陽極的兩側均為可以與空氣接觸的陰極，大大提高了體積效率。
文檔編號H01M8/02GK1937291SQ20061015090
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月17日 優先權日2006年10月17日
發明者尹鴿平, 賴勤志, 張健, 蔡克迪, 史鵬飛, 程新群, 杜春雨 申請人:哈爾濱工業大學