一种一体化燃料电池的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地涉及一种一体化集成设计的燃料电池。

背景技术：

燃料电池是将氢气等燃料和空气中氧气等氧化剂的化学能通过电化学反应直接转化为电能的高效洁净发电装置，具有发电效率高、环境污染少等优点，应用前景极其广阔。现有燃料电池产品通常含有多个层状的单电池单元形成的层叠体，层叠体两端加上端板、集流板等组件形成了燃料电池的主体部分——燃料电池堆。另外为了实现燃料电池的正常工作，还必须有一套相应的辅助系统，包括反应物供给系统、散热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等，即燃料电池的控制系统。

现有技术中，燃料电池堆和控制系统一般采用分体式设计(如说明书附图图1所示)，燃料电池主体结构和控制系统的控制反馈模块分开设计，燃料电池控制系统的控制反馈模块集成于一体，外面设置保护壳及散热组件，其通过控制线路(各种规格导线的集合体)和燃料电池各功能组件相连，实现对电池运行的控制，并输出所需规格的电流。但是这种燃料电池结构紧凑性不好，需要占用较大的用电设备空间，安装难度也较大。

为解决上述技术问题，有必要提供一种新型的一体化燃料电池，提高燃料电池的结构集成化程度，方便燃料电池的安装。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新型的一体化燃料电池，提高电池结构的集成化程度，以方便燃料电池的安装及用电设备的空间设计。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种一体化燃料电池，包括燃料电池堆、集成式控制系统。所述燃料电池堆由多个单电池单元、集流板、端板、反应物进出口及管道组成，电池堆还可以再增设外壳用来保护燃料电池堆主体结构并方便其他功能组件的安装；所述集成式控制系统由控制及电力转化集成板、燃料电池堆散热组件、反应物输入控制组件、反应产物排放控制组件、保护壳、控制线路组成，用来进行燃料电池反应物料进出控制、温度检测、燃料电池散热、输出电流的采集调节、安全防护等。所述集成式控制系统中的控制及电力转化集成板、控制线路、保护壳与所述燃料电池堆中的端板、外壳集成设计，形成一体化结构。

进一步地，所述燃料电池堆可采用空冷型或液冷型，空冷型燃料电池堆的散热组件为风扇，液冷型燃料电池堆的散热组件为泵驱循环液冷系统。

较佳地，所述燃料电池堆的端板上设有减重槽或减重孔，所述集成式控制系统中的控制及电力转化集成板、控制线路的外形尺寸与所述燃料电池堆端板减重槽或减重孔的外形尺寸相配合，所述控制控制及电力转化集成板上的电子元件和控制线路全部或部分安装于所述燃料电池端板减重槽或减重孔内部，所述控制电路板和电力转换组件外侧设有保护壳，保护壳固定于所述电池堆端板上。

进一步地，所述集成式控制系统的保护壳和控制及电力转化集成板的散热器合为一体，采用导热性能良好的金属材质制成，保护壳外部还可以根据散热需求再设置散热槽或散热翅片用来提高散热效率。

进一步地，所述集成式控制系统中的控制及电力转化集成板、控制线路也可安装在所述燃料电池堆的外壳上，此种情况下在外壳的外侧固定有所述集成式控制系统的保护壳，控制及电力转化集成板安装在保护壳和燃料电池端板之间的结构空间内，或者利用燃料电池堆外壳和控制系统保护壳的结构空间而安装在这两种壳体之间的空腔内。为保证上述两种壳体的良好散热性能，其均采用导热性能良好的金属材料制成，还可以根据散热需求设置一定量的散热孔、散热槽或散热翅片。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：

1、将燃料电池堆及燃料电池控制系统设计为一体，燃料电池的安装更加方便，也有利于简化用电设备的结构设计。

2、将燃料电池集成式控制系统中的控制及电力转化集成板、控制线路、保护壳与燃料电池堆中的端板、外壳集成设计，充分利用各个组件的结构空间，如减重孔、凹槽、组件间的空腔及间隙等来放置其他组件，提高了燃料电池的结构紧凑性，可有效节省安装空间，也能在保证结构强度同时最大限度的降低燃料电池的重量，实现轻量化设计。

3、燃料电池控制系统的控制及电力转化集成板和电池堆设计为一体，控制电路中的导线固定于电池堆主体结构上，连接牢靠，控制系统的可靠性得到优化。

4、燃料电池的一体化结构相对于分体式结构可以缩短电流输出导线的长度，在大电流输出的情况下，可以缩小电能损耗，提高燃料电池的电能利用效率。

附图说明

图1为常规燃料电池燃料电池结构示意图，图中标号：1-燃料电池主体，2-控制反馈模块。

图2至图5为本发明所述一体化燃料电池结构示意图，其中图2为空冷型一体化燃料电池的结构示意图，图3为液冷型一体化燃料电池的结构示意图，图4为集成式控制系统的保护壳结构示意图(图4a设有散热槽或散热翅片，图4b未设散热槽或散热翅片)，图5为燃料电池堆外壳和集成式控制系统集成的结构图，图中标号：11-单电池单元，12-集流板，13-端板，14-反应物进出口及管道，15-外壳，131-减重槽，151-散热孔，21-控制及电力转化集成板，22-燃料电池堆散热组件，23-反应物输入控制组件，24-反应产物排放控制组件，25-保护壳，221-冷却液储存箱，222-冷却液驱动泵，223-冷却液管道，251-散热槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，所述实施例的一体化燃料电池及常规燃料电池的结构示意图在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用以解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

如图1所示，常规燃料电池采用分体式设计，其控制反馈模块2集中于控制盒内，和燃料电池及其他功能组件通过导线连接，从而实现燃料电池反应物料进出及散热组件的控制、温度监测、电压电流调节等功能，本发明改进后将电池堆和控制系统融合于一体，具体如下：

实施例1：一种空冷型一体化燃料电池，所述如图2所示，包括燃料电池堆、集成式控制系统。所述燃料电池堆由多个单电池单元11、集流板12、端板13、反应物进出口及管道14组成；所述集成式控制系统由控制及电力转化集成板21、燃料电池堆散热组件(即风扇)22、反应物输入控制组件23、反应产物排放控制组件24、保护壳25、控制线路(图中未示出，为连接燃料电池各功能组件的导电线路)组成，用来进行燃料电池反应物料进出控制、温度检测、燃料电池散热风扇转速、输出电流的采集调节、安全防护等。

所述燃料电池堆的端板13上设有减重槽131(也可为减重孔)，所述集成式控制系统的控制及电力转化集成板21、控制线路的外形尺寸与所述燃料电池端板减重槽131或减重孔的外形尺寸相配合，所述控制及电力转化集成板21上的电子元件和控制线路全部或部分安装于所述燃料电池端板减重槽131或减重孔的内部，所述控控制电路板及电力转化集成板21外侧设有保护壳25，保护壳25固定于所述电池堆端板13上。

所述集成式控制系统的集成式控制系统的保护壳25的结构图如图4所示，其和控制及电力转化集成板21的散热器合为一体，采用导热性能良好的金属材质制成，保护壳外部还设置了散热槽251(也可为散热翅片)用来提高散热效率(在散热效果满足使用要求的情况下，保护壳上的散热槽或散热翅片可以省略，如图4b所示)。

实施例2：一种液冷型一体化燃料电池，如图3所示，包括燃料电池堆、集成式控制系统。所述燃料电池堆由多个单电池单元11、集流板12、端板13、反应物进出口及管道14组成；所述集成式控制系统由控制及电力转化集成板21、燃料电池堆散热组件22(即泵驱循环液冷系统，包括冷却液储存箱221、冷却液驱动泵222、冷却液管道223、夹持在单电池单元11中间的一个或以上的冷却板，冷却板图中未示出)、反应物输入控制组件23、反应产物排放控制组件24、保护壳25、控制线路(图中未示出，为连接燃料电池各功能组件的导电线路)组成，用来进行燃料电池反应物料进出控制、温度检测、冷却液驱动泵功率、输出电流的采集调节、安全防护等。

所述燃料电池堆的端板13上设有减重槽131(也可为减重孔)，所述集成式控制系统的控制及电力转化集成板21、控制线路的外形尺寸与所述燃料电池端板减重槽131或减重孔的外形尺寸相配合，所述控制及电力转化集成板21上的电子元件和控制线路全部或部分安装于所述燃料电池端板减重槽131或减重孔内部，所述集成式控制系统的控制及电力转化集成板21外侧设有保护壳25，保护壳25固定于所述电池堆端板13上。

所述控制系统的保护壳25如图4a所示，其和控制及电力转化集成板21的散热器合为一体，采用导热性能良好的金属材质制成，保护壳外部还设置了散热槽或散热翅片251用来提高散热效率(在散热效果满足使用要求的情况下，散热槽或散热翅片可以省略，如图4b所示)。

实施例3：一种一体化燃料电池，包括燃料电池堆、集成式控制系统。所述燃料电池堆由多个单电池单元、集流板、端板、反应物进出口及管道、外壳组成；所述集成式控制系统由控制及电力转化集成板、燃料电池堆散热组件、反应物输入控制组件、反应产物排放控制组件、保护壳、控制线路组成，用来进行燃料电池反应物料进出控制、温度检测、燃料电池散热组件自动控制、输出电流的采集调节、安全防护等。外壳15安装于燃料电池堆的外侧，用来保护燃料电池堆主体并方便各功能组件的安装(如图5所示)，其外侧固定有所述集成式控制系统的保护壳25，控制及电力转化集成板21安装在保护壳25和燃料电池端板之间的结构空间内(也可直接安装在外壳15和保护壳25之间的空腔内)，且燃料电池外壳和燃料电池保护壳均采用导热性能良好的金属材料制成，外壳15还设置有一定量的散热孔151(也可为散热槽或散热翅片)。