CN100435394C - 燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

集电板(14)连接到输出终端(16)。集电板(14)是做成这样的：其邻近区域(14A)的每单位面积热容与其他区域(14B，14C)的每单位面积热容不同，该邻近区域(14A)靠近输出终端(16)连接的部分。更具体地，其他区域(14B，14C)是这样形成的：其每单位面积热容小于邻近区域(14A)的每单位面积热容。

Description

燃料电池组
技术领域
本发明涉及由多个叠放在一起的单体电池构成的燃料电池组，以及更具体地涉及一种技术，该技术有助于使燃料电池组在凝固点之下的极端低温下更容易地启动。
背景技术
燃料电池由分层结构构成，在该分层结构中，电解质薄膜例如固体聚合物薄膜被夹在提供在电解质薄膜每一侧的各自的电极和分离器中间。通常，多个具有上述结构的单个单体电池叠放在一起并用作燃料电池组。例如，在日本专利公开的号06-060904和07-282835的公报中所介绍的，这种燃料电池组包括各自的集电板，该集电板在电池单元叠放的方向上提供在电池单元的每一端。每个电池产生的电流从连接到集电板的各输出终端导出。
但是，在用在电动车等上的车用燃料电池组的情况下，单体电池的温度在某些使用环境下也许可能下降到凝固点之下，例如在寒冷地区。在每个单体电池的阴极，化学反应发生，在该化学反应中，水由经过电解质薄膜的氢离子和在氧化气体内的氧生成。但是，当燃料电池组在凝固点之下启动时，生成的水凝固并变成冰，这阻碍氧气提供到阴极。结果，单体电池的电压降低。但是，在上述化学反应中反应热与水同时生成。因此，如果单体电池的温度由于该反应热升高到凝固点之上，那么冰融化并且恢复提供氧气到阴极。
但是，位于燃料电池组外侧的端部单体电池被各自的集电板夺去相当数量的热量，该集电板具有大热容以及高导热性。因此，这些端部单体电池与其他单体电池相比温度升高慢。结果，即使在燃料电池组中的其他单体电池正常产生电，端部单体电池会由于冰的延迟融化而得不到足够的氧是可能的，这又可能导致端部单体电池的电压降低。端部单体电池的这个降低的电压导致燃料电池组的整体输出也降低是可能的。此外，如果不正常的化学反应在这种状态下在端部单体电池内发生，那么(a)端部单体电池的结构材料可能从燃料电池组中用尽，或者(b)端部单体电池的退化可能发生。
能提出用于当燃料电池组在低温下启动时迅速增加端部单体电池的温度的各种方法，如：降低集电板的板厚度，以便减少它们的热容并阻止热量从端部单体电池辐射。但是，仅这样降低集电板的板厚度有可能导致引出电流时电阻增加，这可能又导致电池性能由于功率损失的显著增加而受损。
本发明是鉴于上述问题开放的，并旨在提供一种针对其的解决方法。本发明的目的是提供一种燃料电池组，该燃料电池组使得当燃料电池组在低温下启动时其端部单体电池的温度迅速增加，在正常运行期间对电池性能没有任何有害影响。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的第一个方面提供一种燃料电池组，该燃料电池组由多个叠放在一起的单体电池构成并包括集电板，该集电板在单体电池的叠放方向上布置在叠放在一起的单体电池的端部，以及用于引出电流的输出终端，该输出终端连接到集电板。该燃料电池组的特征在于，集电板是做成这样的：对于靠近连接输出终端的部分的邻近区域，其每单位面积热容与其他区域相比是不同的。更具体地，其他区域每单位面积热容小于邻近区域每单位面积热容。
根据本发明的第二个方面，第一个方面进一步特征在于，集电板是做成这样的：对于靠近连接输出终端的部分的邻近区域，其每单位面积的体积与其他区域相比是不同的。更具体地，其他区域每单位面积的体积小于邻近区域每单位面积的体积。
根据本发明的第三个方面，第二个方面进一步有特征在于，集电板在其他区域比在邻近区域更薄。
根据本发明的第四个方面，第二个方面进一步有特征在于，集电板提供有形成在集电板厚度方向上的多个孔。在其他区域上每单位面积的孔的面积大于在邻近区域上每单位面积的孔的面积。
根据本发明的第五个方面，本发明的第四个方面进一步有特征在于，在其他区域上孔的直径大于在邻近区域上孔的直径。
根据本发明的第六个方面，本发明的第四个方面进一步有特征在于，其他区域的每单位面积的孔的数量大于邻近区域的每单位面积的孔的数量。
根据本发明的第七个方面，本发明的第二个方面进一步包括具有分离器的端部单体电池，气体通道形成在该分离器中，分离器与集电板整体形成。在第七个方面，在其他区域上分离器的气体通道的深度和宽度形成为比在邻近区域上气体通道的深度和宽度都大。
根据本发明的第一个方面，通过在集电板内提供具有每单位面积小热容的区域减少整个集电板的热容。结果，热量从端部单体电池辐射到集电板被抑制，这使得当燃料电池组在低温下启动时能够迅速提高端部单体电池的温度。
根据本发明的第二个方面，通过在集电板内提供具有每单位面积小体积的区域减少整个集电板的热容。结果，热量从端部单体电池辐射到集电板被抑制，这使得当燃料电池组在低温下启动时能够迅速提高端部单体电池的温度。此外，电流密度在邻近区域高，该邻近区域靠近连接输出终端的部分，而电流密度在其他区域低。因此，其他区域每单位面积的体积能够做得更小，不引起任何功率损失的显著变化。结果，在正常运行期间不存在对电池性能的任何有害影响。
注意，其他区域每单位面积体积小于邻近区域每单位面积体积的结构能够容易地实现，利用结构例如(1)板做得更薄(如在第三个方面中)，或者(2)每单位面积孔的面积做得更大(如在第四个方面中)。进一步，每单位面积孔的面积可以用各种其他方法增加，例如增加每单位面积的孔的数量(如在第六个方面中)或者增加每个孔的尺寸(如在第五个方面中)。
另外，如果端部单体电池的分离器与集电板整体形成(如在第七个方面中)，分离器的其他区域的气体通道的宽度或深度能够形成为大于在分离器邻近区域的气体通道的宽度或深度。此外，即使采用该结构，减少端部单体电池周围区域的热容而不引起功率损失的任何显著增加是可能的。
附图说明
图1示出本发明的第一个实施例所述的燃料电池组的结构示意图；
图2是透视图，所出本发明的第二个实施例所述的燃料电池组的集电板的结构；
图3是透视图，所出本发明的第三个实施例所述的燃料电池组的集电板的结构；
图4示出本发明的改进形式所述的燃料电池组的结构示意图；和
图5所出本发明的改进形式所述的燃料电池组的集电板的结构示意图。
具体实施方式
第一个实施例
在下文，本发明的第一个实施例将参照图1说明。
本发明的燃料电池组能够用作例如安装在车上的车用燃料电池组。当然，不用说，本发明的燃料电池组也可以用作其他用途的燃料电池组。
图1示出本发明的第一个实施例所述的燃料电池组的结构示意图。如从图1中显而易见的，燃料电池组由在一个方向上叠放在一起的多个单体电池2构成。每个单体电池2包括薄膜电极组件(MEA)，该薄膜电极组件(MEA)由电解质薄膜例如固体聚合物薄膜形成，该电解质薄膜被提供在其每一侧上的各自的电极夹在中间(这些结构元件未在图1中详细显示)。此外，每个单体电池2提供有一对分离器，该分离器布置成这样：把MEA从其两侧夹在中间。注意，在下文，在叠放方向上位于燃料电池组各端的端部单体电池将称为端部单体电池2A，以便明确地把它们同其他单体电池2区别开。
集电板4布置在每个端部单体电池2A的外侧，以及各输出终端6连接到每个集电板4的边缘部。这些输出终端6把由集电板4从单体电池2收集的电流引到燃料电池组的外边。在该实施例中，集电板4厚度不均匀。而是，集电板4形成为从输出终端6连接的边缘部分到相反侧的边缘部分逐渐变薄。输出终端6侧边缘部分的板厚度基本和在现有技术中介绍的集电板的板厚度一样。但是，相反侧的边缘部分的板厚度比在现有技术中介绍的板厚度薄。例如，在集电板4的宽度大约是300mm，以及输出终端6侧的板厚度是2mm的情况下，相反侧的板厚度定为1mm左右。
根据所述结构，集电板4是这样形成的：它的厚度在不同区域不同。因此，集电板4的整体体积做得比在现有技术中介绍的集电板的整体体积小，由此减少集电板4的整体热容是可能的。结果，阻止热量从端部单体电池2A辐射到集电板4是可能的，这使得当燃料电池组在低温启动时端部单体电池2A的温度能够迅速升高。注意，能够设想，使集电板4更薄会导致功率损失随同电阻的上升一起增加是可能的。但是，由于集电板4不是做得均匀薄，而是对各区域提供有必需的厚度，所以避免了这个问题。通过确保这种结构，能够抑制功率损失的发生。换句话说，集电板4内的电流密度是(a)在靠近输出终端6连接的部分的区域高，以及(b)在离输出终端6连接的部分越远的区域逐渐变越低。但是，这种结构确保了电流密度高的集电板4区域足够厚，像在所介绍的现有技术中一样。另一方面，在电流密度低的区域，即，功率损失本来就小的区域，集电板4薄。因此，与现有技术比，作为带有集电板的情况，功率损失没有明显增加。
在该实施例中，集电板4可能是均匀厚度，代替在不同区域改变集电板4的厚度，集电板可能是这样做的：对于靠近输出终端连接的部分的邻近区域，其每单位面积热容与集电板的其他区域相比是不同的，以及其他区域的每单位面积热容可能小于邻近区域的每单位面积热容。例如，邻近区域材料的比热可能小于其他区域材料的比热。
给定所述结构，那么如本发明的第一个实施例所述的燃料电池组使得当燃料电池组在低温启动时端部单元电池的温度能够迅速增加，在正常运行期间对电池性能没有任何有害影响。
第二个实施例
下面，本发明的第二个实施例将参照图2说明。
图2是透视图，示出本发明的第二个实施例所述的燃料电池组的集电板14的结构。该集电板14可以代替如第一个实施例所述的集电板4使用。但是，和第一个实施例的集电板4不同，集电板14的板厚度在所有区域相同。此外，多个孔18形成在集电板14的表面上。这些孔18在集电板14的厚度方向上完全穿透集电板14。集电板14上的孔18的位置和尺寸是这样确定的：离输出终端16连接的部分越远，集电板14每个区域每单位面积的孔的面积变得越大。例如，集电板14可以假想地分成三个区域，即，区域14A，14B和14C，如图2中所示的。孔18中的一个小孔提供在区域14A，这个区域是靠近输出终端16连接的部分的邻近区域，以及和这个形成对比，孔18中的一个大孔和一个小孔提供在区域14B和14C，这两个区域是离输出终端16较远的其他区域。此外，提供在远离输出终端16的两个区域14B和14C上的孔18是这样形成的：在区域14C上的孔18大于提供在区域14B上的那些孔，与区域14B比较，区域14C离输出终端16更远。
根据所述结构，在集电板14上提供多个孔18使得集电板14的整体体积与在现有技术中介绍的集电板相比减少了。结果，减少集电板14的整体热容是可能的。此外，靠近输出终端16具有高电流密度的区域14A每单位面积的孔的面积小，而远离输出终端16具有低电流密度的区域14B和14C每单位面积的孔的面积大。因此，可以提供孔18，同时也保证在功率损失上没有因此产生明显增加。
倘若给定所述结构，和第一个实施例的燃料电池组一样，如本发明的第二个实施例所述的燃料电池组使得当燃料电池组在低温启动时端部单体电池的温度能够迅速增加，在正常运行期间对电池性能没有任何有害影响。此外，通过在具有均匀厚度的板上形成孔18能够容易地制造集电板14。因此，该制造方法与第一个实施例所用的方法相比是有利的，在第一个实施例中集电板4必须制造成具有不同的厚度。
第三个实施例
其次，本发明的第三个实施例将参照图3说明。
图3是透视图，所示为如本发明的第三个实施例所述的燃料电池组的集电板24的结构。集电板24可以代替如第一个实施例所述的集电板4使用。和如第二个实施例所述的集电板14一样，集电板24提供有多个孔18在其表面。这些孔18在集电板24的厚度方向上完全穿透集电板24。此外，集电板24不同区域每单位面积的孔的面积设置成不同的。但是，与第二个实施例的主要不同在于：在第三个实施例中，所有的孔28是相同尺寸的，每单位面积的孔的面积的不同通过改变每个区域上的孔28的数量实现。更具体地，在邻近区域上有少数孔28，该邻近区域靠近输出终端26连接的部分，而在离输出终端26较远的区域上有很多孔28。作为采用该结构的结果，实现和第二个实施例相同的效果是可能的。
其他改进形式
在上文，已经说明了本发明的各种实施例。但是，本发明不限于这些实施例，以及可以用不同的其他改进形式实现，这些改进形式在本发明的精神范围之内。下面的例子仅仅说明这些其他可能形式中的几个。
在所述实施例中，集电板每单位面积的体积以平滑连续的方式(在第一个实施例中)或者阶跃的方式(在第二个和第三个实施例中)随着离连接输出终端的部分的距离一起变化。但是，可以使用任何结构，只要它保证邻近区域每单位面积的体积是足够的，该邻近区域靠近输出终端连接的部分。例如，两个其他区域每单位面积的体积可以减少到相同的程度。应该注意，集电板之内的电流密度在邻近区域内急剧增加，该邻近区域靠近输出终端连接的部分。因此，只要保证该邻近区域每单位面积的体积是足够的，即使其他区域每单位面积的体积同等地减少，没有功率损失会显著增加的可能性。
此外，图4所示为燃料电池组的改进形式的结构示意图，该燃料电池组可以适用于所述实施例中的任何一个。在该改进形式中，单体电池30(除端部单体电池30A之外)由MEA32形成，该MEA32被各自的分离器34从每一侧夹在中间。每个分离器34由相邻的单体电池30共用。多个用于提供反应气体的气体通道36和38形成在每个分离器34各自的表面，该分离器34同MEA32接触。形成在每个分离器36的阳极侧的表面上的气体通道36是用于提供燃料气体的通道，以及形成在阴极侧的气体通道38用于提供氧化气体。
每个端部单体电池30A(和其他单体电池30不同)的结构是这样的：MEA32被布置在内侧的(即，接近燃料电池组中间的一边)分离器34中的一个和布置在外侧的集电板40夹在中间。集电板40连接到输出终端46。换句话说，根据如该改进形式所述的端部单体电池30A，省略了在现有技术中位于MEA32外边的分离器，以及集电板40代替履行分离器的功能。因此，用于给MEA32提供气体的多个气体通道42形成在集电板40上。在图4中，所示MEA32布置在阳极侧，因此，气体通道42提供燃料气体。应该注意，在导电性方面优越的铜用作集电板40的材料，以及气体通道42是镀金的，以便提高它们的抗腐蚀性。
根据本发明的该改进形式，通过把集电板40和分离器合而为一减少端部单体电池30A周围区域的热容是可能的，该分离器通常可提供给每个端部单体电池30A的外侧。因此，抑制了热量从端部单体电池30A散出，以及当燃料电池在低温启动时端部单体电池30A的温度更迅速的增加是可能的。
此外，根据所述改进形式，如图5中所示的，气体通道42这样形成是可能的：它们的深度和宽度在远离输出终端46的区域上与靠近输出终端46连接的部分的邻近区域相比是不同的。更具体地，气体通道42的深度和宽度可以这样设置：集电板40每单位面积的体积在离输出终端46连接的部分较远的区域逐渐变小。通过采用该结构，使端部单体电池30A周围区域的热容较小且不引起功率损失的显著增加是可能的。

Claims (7)

1.燃料电池组包括：
多个叠放在一起的单体电池；
集电板(14)，该集电板(14)布置在单体电池的叠放方向上，在叠放在一起的单体电池的端部；以及
用于引出电流的输出终端(16)，该输出终端(16)连接到集电板(14)，其特征在于
所述集电板(14)是做成这样的：对于靠近连接输出终端(16)的部分的邻近区域(14A)，其每单位面积热容与集电板(14)的其他区域(14B，14C)相比是不同的，以及其他区域(14B，14C)的每单位面积热容小于邻近区域(14A)的每单位面积热容。
2.如权利要求1所述的燃料电池组，其中
所述集电板(14)是做成这样的：对于靠近连接输出终端(16)的部分的邻近区域(14A)，其每单位面积体积与集电板(14)的其他区域(14B，14C)相比是不同的，以及其他区域(14B，14C)的每单位面积体积小于邻近区域(14A)的每单位面积体积。
3.如权利要求2所述的燃料电池组，其中
集电板(14)在其他区域(14B，14C)比在邻近区域(14A)更薄。
4.如权利要求2所述的燃料电池组，其中
集电板(14)设有形成在集电板(14)的厚度方向上的多个孔(18)，以及在其他区域(14B，14C)中集电板(14)每单位面积的孔(18)的面积大于在邻近区域(14A)中每单位面积的孔(18)的面积。
5.如权利要求4所述的燃料电池组，其中
在其他区域(14B，14C)中孔(18)的直径大于在邻近区域(14A)中孔(18)的直径。
6.如权利要求4所述的燃料电池组，其中
在其他区域(14B，14C)中每单位面积的孔(18)的数量大于在邻近区域(14A)中每单位面积的孔(18)的数量。
7.如权利要求2所述的燃料电池组，其进一步包括：
端部单体电池(2A)，该端部单体电池(2A)包括在其中形成气体通道(36)的分离器(34)，该分离器(34)与集电板(14)整体形成，其中
在分离器(34)的其他区域(14B，14C)中的气体通道(36)的深度和宽度中的至少一个形成得大于在分离器(34)的邻近区域(14A)中的气体通道(36)的深度和宽度中的对应的那个。
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