CN101116208B - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池，包括一对布置在中空电解质膜的内和外表面上的电极，以及至少两个相邻的串联连接的电池模块组件，每个组件具有分别与成对电极接触的多个电流集电器，并具有至少一个开放端。当将电池模块组件串联连接时出现如下问题，即在电池模块的内表面上必须设置复杂的气体流动通道。为了解决燃料电池的上述问题，每个上述的电池模块组件(100)设置有：分隔壁(8A)(8B)，用于分隔电池模块阵列的主体和开放端之间的空间，开口端彼此对齐，以及负极输出单元(14)和正极输出单元(15)，其分别与负极用电流集电器(12)和正极用电流集电器(13)连接，负极用和正极用电流集电器(12)(13)布置在电池模块的端侧附近，并设置在相邻电池模块组件的接触表面上。
Description
技术领域
本发明涉及包含电池模块组件的燃料电池，其中分别具有中空状电解质膜的两个或更多个所述电池模块被一体地固定。
背景技术
燃料电池向相互电连接的两个电极分别供给燃料和氧化剂，以引起燃料的电化学氧化，使得化学能直接转化为电能。因为与热能发电不同，其不受卡诺循环的限制，所以表现出高的能量转化效率。固体聚合物电解质燃料电池是使用固体聚合物电解质膜作为电解质的燃料电池，其具有例如如下优点：容易减小尺寸或可在低温下操作，因此，其在便携或移动产品用电源的应用方面引起了人们的兴趣。
在固体聚合物电解质燃料电池中，如果氢用作燃料，则阳极进行方程式(1)的反应。
方程式(1)：H2→2H++2e-
在方程式(1)中产生的电子流过外部电路，以对外部负载做功，此后到达阴极。在方程式(1)中产生的质子与水水合，通过电渗从阳极侧穿过固体聚合物电解质膜移动到阴极侧，同时所述质子处于水合状态。
另一方面，如果氧被用作氧化剂，阴极进行方程式(2)的反应。
方程式(2)：2H++(1/2)O2+2e-→H2O
在阴极产生的水主要穿过气体扩散层，并被排出到外部。
因此，燃料电池除了水之外不排出其它产物，其是用于发电的清洁设备。
现在被主要开发的常规固体聚合物电解质燃料电池是具有燃料电池堆的燃料电池，所述燃料电池堆通过将多个平面型电池单元进行层叠而获得，其中，所述平面型电池单元通过如下方法来制造：将作为阳极的和阴极的催化层分别布置在平面状固体聚合物电解质膜的一个表面上和另一个表面上，再将气体扩散层分别布置在所得的平面状膜电极组件的两侧上，然后将其置于平面状的隔离物之间。
为了提高固体聚合物电解质燃料电池的功率密度，具有非常薄的膜厚度的质子传导聚合物膜被用作固体聚合物电解质膜。膜厚度通常为100μm或者更小，并且虽然更薄的电解质膜被用于提高功率密度，但是电池单元的厚度不能被极端地减小到常规厚度以下。类似地，催化层、气体扩散层、隔离物等也发生厚度减小。但是，即使将所有构件的厚度减小，每单位体积的功率密度的提高也是有限的。因此，对于进一步的尺寸减小的要求可能得不到满足。
作为上面提高的隔离物，通常使用的是具有优异的耐腐蚀性的片状碳材料。碳材料本身很昂贵。此外，隔离物的表面常常要进行精细加工，用于形成将作为气体通道的沟槽，以便在平面状膜电极组件的整个面上均一地供应燃料气体和氧化气体。因此，由于这样的精细加工，隔离物变得过分昂贵，并且提高了燃料电池的制造成本。
除了上述的问题之外，平面型电池单元还具有许多问题，诸如：对于被层叠的多个电池单元的周边的安全密封(为了防止燃料气体和氧化气体从上述的气体通道泄漏)在技术上是困难的；由于平面状膜电极组件的扭曲或变形而导致发电效率下降。
最近，已经开发了其发电的基本单元为电池模块(其中电极被分别布置再中空电解质膜的内表面和外表面)的固体聚合物电解质燃料电池(参见例如日本专利申请特开(JP-A)No.Hei 9-223507，JP-A No.2002-158015，JP-A No.2002-260685和JP-A No.2002-289220)。
具有这样的中空状电池模块的燃料电池不需要相当于诸如在平面型燃料电池中所使用的隔离物的构件。此外，因为通过对其内表面和外表面分别供料不同类型的气体，所以不必要特意形成气体通道。因此，其制造工艺据估计降低了制造成本。此外，因为电池模块具有三维形状，所以较之平面型电池单元，其可以增大相对于体积的比表面积，由此预期可以提高单位体积的输出功率密度。
通常，电池模块组件以如下方式形成：将适当数量的中空状电池模块被排列成每一个电池模块的纵向保持平行并且相隔预定距离，使得反应气体可以被均匀和顺畅地供应到电池模块周围；多个电池模块被一体地固定；建立分别从电池模块的阳极和阴极的功率收集。一个电池模块组件，或者如果需要的话，两个或者更多电池模块组件被串联或并联连接，并且安装在燃料电池中。
为了在电池模块组件之间获得优异的传导性，理想的是，增大保持接触的电池模块组件的接触面积，简化连接电池模块组件的结构。
并且，在串联连接电池模块的情况下，电池模块组件需要针对正极和负极的位置进行交替排列。因此，如果使用其中电池模块的仅仅一端是开放的死端型电池模块，则存在如下问题，即必须制造两种类型的电池模块组件(其具有相反的正极和负极位置)，或者必须提供复杂的气体通道，以将反应气体供应到电池模块的内部。
考虑到上述的常见问题，本发明的第一目的是提供一种燃料电池，其可以增大保持接触的电池模块组件的接触面积，或者在多个电池模块组件(其为两个或更多主要包括中空状电解质膜和分别设置在膜的内表面和外表面的电极的电池模块的组件)被串联连接时，可以简化连接电池模块组件的结构。
本发明的第二目的是提供一种燃料电池，除了实现上述的第一目的之外，所述燃料电池即使是在使用死端型电池模块的情况下，也不需要将电池模块组件针对正极和负极的位置进行交替排列。
发明内容
根据本发明的燃料电池是包括两个或更多个串联连接和附接的电池模块组件的燃料电池，每一个所述电池模块组件集中了两个或更多个电池模块，所述电池模块具有至少一个开放端，并包括中空电解质膜，一对布置在所述中空电解质膜的内表面和外表面的电极，以及分别与所述成对的电极接触的多个电流集电器，
其中，每一个电池模块组件包括：电池模块阵列，其中，两个或更多个电池模块被排列成使得每一个电池模块的纵向保持平行并且使得多个开放端或多个封闭端朝向相同的方向；分隔物，其分隔所述电池模块外部的在所述电池模块阵列中的所述电池模块的主体和开放端之间的空间；内表面气体通道，其通过所述分隔物设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的所述开放端侧，并与所述电池模块的每一个开放端连接，以使所述内表面气体通道将反应气体循环到每一个电池模块的内表面中；外表面气体通道，其通过所述分隔物设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的主体侧，以使所述外表面气体通道将反应气体循环到每一个电池模块的外表面；正极用电流集电器，其设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的一端附近，以使所述正极用电流集电器集中收集来自每一个在各个电池模块的正极侧的电流集电器的功率；以及负极用电流集电器，其设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的另一端附近，以使所述负极用电流集电器集中收集来自每一个在各个电池模块的负极侧的电流集电器的功率；以及
其中所述多个电池模块组件被附接，使得相同电极的电流集电器处于相同的方向，其中，对于相邻的电池模块组件，正极输出布置在一个电池模块组件的接触表面上，负极输出布置在另一个电池模块组件的接触表面上，并且所述多个电池模块组件串联连接。
在本发明的燃料电池中，被相邻地串联连接的多个电池模块组件在与相邻的电池模块组件的接触表面上相互电连接，以便增大电接触点的面积，在电池模块组件之间获得优异的导电性能，并且具有简单的电连接电池模块组件的结构。
此外，其能够以串联以及阵列方式连接多个电池模块组件，使得正极和负极保持朝向相同的方向。因此，即使在使用死端型电池模块的情况下，也不再必须将电池模块组件针对正极和负极的位置进行交替排列，或者不必提供复杂的气体通道。
本发明燃料电池可以使用如下结构，其中，每个电池模块组件具有流动通道连接部分，所述流动通道连接部分是与相邻的电池模块组件的接触表面上的开口，并且所述流动通道连接部分连接相邻的电池模块组件的流动通道连接部分，以使电池模块组件的内表面气体通道连通。此时，优选的是，在所述流动通道连接部分的周缘上布置气体密封材料，用于保证所述流动通道连接部分处的内表面气体通道的气体密封性能。作为所述气体密封材料，可以使用O型圈、凸起垫圈、胶粘剂等。在它们中，O型圈是特别优选的。
即使在使用用于连接将被安装在燃料电池中的电池模块组件的内表面气体通道的结构的情况下，进一步来说，即使在内表面气体通道的连接部分处设置诸如O型圈等的气体密封材料的情况下，本发明的燃料电池也能够保证足够的与相邻的电池模块组件的电接触点面积，和优异的导电性能。
在电池模块组件的正极输出和/或所述负极输出构成柱状结构(所述柱状结构桥接与相邻的电池模块组件的接触表面的上端和下端)的情况下，能够增大相邻的电池模块组件之间的负极输出与正极输出的接触面积，同时能够增强电池模块组件中的电池模块阵列。然而，当正极输出和/或负极输出使用这样的柱状结构时，与相反电极的电流集电器的连接部分需要被电绝缘。
通常，用向/从所述燃料电池的外部传导电流的输出端子被布置在电池模块组件的处于串联连接的多个电池模块组件的端部位置处的所述正极输出或负极输出处。
本发明的效果
本发明的燃料电池的串联连接的电池模块组件之间具有优异的传导性，因此可以从其获得大的电流。因为连接电池模块组件的结构可以被简化，所以燃料电池还具有优异的可生产性和可维护性。
此外，电池模块组件可以被串联连接，而不用针对正极和负极的位置交替排列。因而，即使在使用所谓的死端型电池模块的情况下，也不再必须生产具有相反的正极和负极位置的两种电池模块组件，或者不必提供复杂的气体通道。因此，本发明的燃料电池具有优异的可生产性。
附图说明
在附图中，
图1是本发明的管状电池模块的透视图；
图2是图1所示的管状电池模块的剖视图；
图3是示出了本发明的燃料电池的一个实施例的视图，其是两个相邻电池模块组件的透视图；
图4是其中从具有较大宽度的前面侧(从负极输出14一侧)观察图3所示的电池模块组件的视图；
图5是其中从具有较大宽度的前面侧观察图3所示的电池模块组件(其中负极输出14被去除)的视图；
图6是其中从具有较小宽度的侧面侧观察图3所示的两个相邻电池模块组件的视图；以及
图7是图3所示的电池模块组件沿平行于具有较小宽度的侧面的平面的剖视图。
每个附图中的标号所指如下：
1：中空电解质膜(全氟碳磺酸膜)，2：阳极(内表面电极)，3：阴极(外表面电极)，4：负极用电流集电器，5：正极用电流集电器，6：电池模块，7：电池模块阵列，8：(8A，8B)分隔物，9：(9A，9B)内表面气体通道，10：外表面气体通道，11(11A，11B)：管状体部分，12：负极用电流集电器，13：正极用电流集电器，14：负极输出，15：正极输出，16：开口，17：O形圈，18：绝缘材料，以及19：输出端子。
具体实施方式
根据本发明的燃料电池是包括两个或更多个串联连接和附接的电池模块组件的燃料电池，每一个所述电池模块组件集中了两个或更多个电池模块，所述电池模块具有至少一个开放端，并包括中空电解质膜，一对布置在所述中空电解质膜的内表面和外表面的电极，以及分别与所述成对的电极接触的多个电流集电器，
其中，每一个电池模块组件包括：电池模块阵列，其中，两个或更多个电池模块被排列成使得每一个电池模块的纵向保持平行并且使得多个开放端或多个封闭端朝向相同的方向；分隔物，其分隔所述电池模块外部的在所述电池模块阵列中的所述电池模块的主体和开放端之间的空间；内表面气体通道，其通过所述分隔物设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的所述开放端侧，并与所述电池模块的每一个开放端连接，以使所述内表面气体通道将反应气体循环到每一个电池模块的内表面中；外表面气体通道，其通过所述分隔物设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的主体侧，以使所述外表面气体通道将反应气体循环到每一个电池模块的外表面；正极用电流集电器，其设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的一端附近，以使所述正极用电流集电器集中收集来自每一个在各个电池模块的正极侧的电流集电器的功率；以及负极用电流集电器，其设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的另一端附近，以使所述负极用电流集电器集中收集来自每一个在各个电池模块的负极侧的电流集电器的功率；以及
其中所述多个电池模块组件被附接，使得相同电极的电流集电器处于相同的方向，其中，对于相邻的电池模块组件，正极输出布置在一个电池模块组件的接触表面上，负极输出布置在另一个电池模块组件的接触表面上，并且所述多个电池模块组件串联连接。
下面将参考图1到7描述根据本发明的燃料电池的一个实施例。虽然下述实施例将主要基于使用氢气作为燃料气体、空气(氧)作为氧化剂的固体聚合物型燃料电池进行描述，但是应该注意，本发明不限于下述的实施例。
<电池模块>
图1是包括本发明的燃料电池的电池模块组件的中空状电池模块的示意图。图2是图1的中空状电池模块的剖视图。在图1和图2中，电池模块6具有管状固体聚合物电解质膜(全氟碳磺酸树脂膜)1，布置在固体聚合物电解质膜1的内表面的阳极2(在此实施例中其为燃料电极)，以及布置在固体聚合物电解质膜1的外表面的阴极3(在此实施例中其为空气电极)。此外，作为负极用电流集电器4的柱状电流集电器被布置在阳极2的表面上，作为正极用电流集电器5的棒状电路集电器5b和金属线网5a被布置在阴极3的表面上。
使得氢气与具有上述结构的电池模块的中空的内侧(实质上，其是暴露于由设置在负极用电流集电器4的外表面的沟槽4a所形成的内表面气体通道的部分)接触，并且使得空气与具有上述结构的电池模块的中空的外侧接触，由此燃料和氧化剂被分别循环到阳极和阴极而发电。
图1的电池模块6的中空在其两端是开放的，并且燃料气体从一端流入中空，并且从另一端流出；然而，如果反应气体可以被充足地供应到中空电解质膜的内部，则所述中空的一端可以是开放的，而另一端可以被封闭。具体地如本实施例，在设置利用氢气作为燃料的燃料电极来作为内表面电极的情况下，可以完全消耗中空中所供应的反应气体，因为几乎不含非反应性物质的氢气作为燃料气体可以被供应到电池模块的中空的内侧，并且氢气的氢分子具有高的扩散率。因此，虽然中空的一端被封闭，但是反应气体仍可以被充足地供应到中空中。作为封闭电池模块的一端的方法，可以是将树脂等注入到中空的一端的方法，但是对于该方法并没有具体地限制。
在图1中，电池模块6具有管状电解质膜。然而，本发明中的中空电解质膜不限于管状，其可以是具有中空部分，并能够将燃料或者氧化剂运送到中空中以向布置在中空的内表面的电极供应电化学反应所需的反应物质的形状。
虽然对管状固体聚合物电解质膜1的内径、外径、长度等没有具体限制，但是管状电解质膜的外径优选为0.01到10mm，更优选0.1到1mm，还更优选0.1到0.5mm。外径小于0.01mm的管状电解质膜目前由于技术问题难以生产。另一方面，外径大于10mm的管状电解质膜不会相对于所占体积增大表面积，因此所得的电池模块不能提供足够的单位体积的输出。
虽然从提高质子传导性的观点来看全氟碳磺酸膜优选是薄的膜，但是，极薄的膜减弱了隔离气体的功能并且增大了非质子氢的透过量。然而，较之其中燃料电池用平面状电池单元被层叠的传统燃料电池，即使使用相当厚的膜，通过集中大量的中空状电池模块所制造的燃料电池也可以具有大的电极面积，由此其可以提供足够的输出。从该观点来看，全氟碳磺酸膜的厚度优选为10到100μm，更优选50到60μm，更优选50到55μm。
此外，考虑到外径和膜厚的上述优选范围，内径的优选范围为0.01到10mm，更优选0.1到1mm，更优选0.1到0.5mm。
因为根据本发明的燃料电池具有中空状电池，所以较之具有平面型电池单元的燃料电池，本发明的燃料电池可以具有大的每单位体积的电极面积。因此，即使所使用的固体聚合物电解质膜是质子传导性不如全氟碳磺酸树脂膜那么高的电解质膜，也可以获得具有高的每单位体积的功率密度的燃料电池。作为不同于全氟磺酸树脂的固体聚合物电解质膜，可以使用用于固体聚合物型燃料电池的电解质膜的材料，并且聚合物电解质的实例包括：不同于全氟磺酸树脂的氟碳基离子交换树脂；具有磺酸基等的聚苯乙烯基阳离子交换膜，即，基于烃骨架(诸如“聚烯烃基”)并且具有选自磺酸基、膦酸基、磷酸基等的至少一种质子交换基的树脂；包括碱性聚合物与强酸的配合物的固体聚合物电解质，诸如由PCT国际申请No.11-503262的日文译文所公开的等，即，通过将强酸掺杂到诸如聚苯并咪唑、聚嘧啶、聚苯并噁唑等的碱性聚合物中所制备的聚合物电解质。可以使用纤丝形式、纺织织物形式、无纺织物形式、多孔薄片形式等的全氟碳聚合物来增强使用这样的电解质的固体聚合物电解质膜，或者也可以通过用无机氧化物或者金属涂覆膜表面来增强该固体聚合物电解质膜。此外，全氟碳磺酸树脂膜还可以从市场获得，例如Nafion(产品名；由Dupont制造)，Flemion(产品名；由Asahi Glass Co.，Ltd.制造)等。
虽然在以固体聚合物电解质膜之一的全氟碳磺酸树脂膜作为一种质子传导膜的基础上解释了此实施例中的电解质膜，但是对用于本发明的燃料电池的电解质膜没有具体的限制，并且其可以是具有质子传导性或者具有另一种离子传导性(诸如氢氧根离子、氧离子(O2-)等的传导性)的电解质膜。具有质子传导性的电解质膜不限于上述的固体聚合物电解质膜，并且其可以使用：浸润有磷酸水溶液的多孔电解质板；包括多孔玻璃的质子传导材料；在水凝胶化后的磷酸盐玻璃；有机-无机混杂质子传导膜，其通过将具有质子传导性的功能基团引入到具有纳米尺寸的孔的多孔玻璃的表面和孔中来制造；使用无机金属纤维增强的电解质聚合物等。取决于燃料电池的结构，例如在将本发明应用于使用氢氧根离子作为电荷载体的固体聚合物型燃料电池，固体氧化物燃料电池等的情况下，可以使用传导作为其它电荷载体的离子(诸如氢氧根离子、氧离子等)的固体电解质膜。
布置在电解质膜(全氟碳磺酸树脂膜)的内表面和外表面上的电极2和3中的每一个可以使用固体聚合物型燃料电池用电极材料来形成。一般来说，所使用电极通过如下方法来构成：将催化层以及气体扩散层以此次序从电解质膜一侧开始进行层叠。
催化层包含催化剂粒子，并且可以还包含质子传导材料，以便提高催化剂粒子的使用效率。用作电解质膜的材料也可以被用作该质子传导材料。作为催化剂粒子，优选使用其中催化剂物质被承载在导电材料(诸如碳质材料，例如碳质粒子或者碳质纤维)上的催化剂粒子。因为本发明的燃料电池具有中空状电池模块，所以较之具有平面状电池单元的燃料电池，本发明的燃料电池可以具有大的每单位体积的电极面积。因此，即使所使用的催化剂是催化活性不如铂那么高的催化剂，也可以获得具有高的每单位体积的功率密度的燃料电池。只要催化剂物质的催化活性对于阳极中的氢的氧化反应或对阴极中的氧的还原反应有效，则对催化剂物质就没有具体的限制。例如，催化剂物质可以选自诸如铂(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、钨(W)、铅(Pb)、铁(Fe)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钒(V)、钼(Mo)、镓(Ga)、铝(Al)等的金属或者基于这些金属的合金。Pt和包含Pt和另一种金属(诸如Ru)的合金是优选的。
作为气体扩散层，可以使用包含碳质材料(诸如碳质粒子和/或碳质纤维)作为主要组分的多孔导电材料。碳质粒子和/或碳质纤维的尺寸可以考虑如下因素进行优化选择：在用于制造气体扩散层的溶液中的分散性；所获得的气体扩散层的排水能力等。为了提高对于水(诸如所生成的水)的排水能力，优选以下面的方式对气体扩散膜进行疏水处理：用下列任何材料，诸如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、全氟碳烷氧基烷烃、乙烯-四氟乙烯聚合物或者基于它们的混合物等浸润气体扩散层；或者使用上述材料形成疏水层。
对于电极的结构，材料，布置在中空电解质膜的内表面和外表面的电极中的每一个可以是彼此相同的或不同的。
对于在管状电解质膜的内表面和外表面提供一对电极的方法没有具体限制。例如，方法可以如下：提供管状电解质膜(对于制备管状电解质膜的方法没有具体限制，并且也可以使用管状电解质膜的商业化产品)；将包含电解质和催化剂粒子的溶液涂覆在管状电解质膜的内表面和外表面上，并将其干燥形成催化层；以及将包含碳质粒子和/或碳质纤维的溶液涂覆在该两个催化层上，并将其干燥形成气体扩散层。在此方法中，催化层和气体扩散层被这样形成，使得中空部分可以出现在被形成在电解质膜的内表面上的气体扩散层的内侧。
或者，方法还可以如下：使用包含碳质材料(诸如碳质粒子和/或碳质纤维)并且被形成为管状形式的构件(管状碳质材料)作为内表面电极(阳极)的气体扩散层；将包含电解质和催化剂粒子的溶液涂覆在气体扩散层的外表面上，并将其干燥形成内表面电极的催化层，由此制造内表面电极；接着，将包含电解质的溶液涂覆在催化层的外表面上，并且将其干燥形成电解质膜层；此外，外表面电极(阴极)的催化层被形成在电解质膜层的外表面上；将包含碳质材料的溶液涂覆在催化层的外表面上，并且将其干燥形成外表面电极的气体扩散层。管状碳质材料也可以通过如下方式获得：将诸如碳质粒子的碳质材料和环氧基和/或酚基树脂分散在溶剂中；将所得物形成为管状形式，然后进行加热固化；此后对其进行烘烤。
用于形成电解质膜、催化剂层和气体扩散层的溶剂可以根据将被分散和/或溶解的材料进行适当地选择。并且，可以从诸如喷涂、丝网印刷等的各种方法中适当地选出用于形成各个层的涂覆方法。
用于本发明的燃料电池的具有管状形式的电池模块不限于上面举例说明的结构，并且其可以具有除催化层和气体扩散层之外的任何其它层，以提高电池模块的功能。虽然本实施例的中空电解质膜在内表面具有阳极，在外表面具有阴极，但是其可以在内表面具有阴极，在外表面具有阳极。
负极用电流集电器4(在本实施例中，其是布置在内表面电极的表面上的内电流集电器)是柱状电流集电器，其外径与电池模块的内周表面相接触。沟槽4a被形成在负极用电流集电器4的外周表面上，所述沟槽4a沿电池模块的轴向(纵向)延伸。沟槽和内表面电极2之间的间隙将作为中空内部的气体通道，用于应用氢气。作为沟槽4a，至少一个沿电池模块的轴向(纵向)延伸的沟槽是必需的，并且根据需要，在电池模块的外周表面上将形成各种模式或方向的沟槽。
作为正极用电流集电器5(在本实施例中，其是布置在外表面电极的表面上的外电流集电器)的一部分的金属线网5a可以通过如下方式制备：平行地交替布置电池模块和棒状电流集电器5b，并且将金属线5a对其进行缠绕，就像编织网来覆盖其外周表面。
优选用于正极用和负极用电流集电器的金属可以是选自Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm或In等的至少一种金属，或者可以是基于这些金属的合金，诸如不锈钢。其表面可以用Au、Pt、导电树脂等进行进一步涂覆。从优异的耐腐蚀性的观点来看，在这些金属中优选不锈钢或者钛。对于线的直径、编织密度，棒状电流集电器的直径等可以没有具体的限制。
虽然本实施例使用柱状电流集电器4和包括电线5a和棒状电流集电器5b的电流集电器5，但是对电流集电器4和5可以没有具体限制，并且只要其由导电材料制成，其形状是任选的。因此，其可以是线形的或圆筒形的，而不是柱状、丝线状和棒状的。例如，可以使用由弹簧状金属线或片状材料(诸如金属箔、金属片或碳片)形成的电流集电器。
如果需要的话，可以用导电胶粘剂材料(诸如碳基胶粘剂、Ag糊等)将电流集电器固定在电极上
<电池模块和燃料电池>
本发明的燃料电池具有两个或者更多个电池模块组件，每一个电池模块组件具有两个或者更多个上述的电池模块，所述电池模块经过排齐、一体固定和集中。下面将参考图3到7详细描述本发明中的电池模块组件。图3是示出了本发明的燃料电池的一个实施例的视图，其是两个相邻电池模块组件的透视图。图4是其中从具有较大宽度的前面侧(从负极输出14一侧)观察图3所示的电池模块组件的视图。图5是其中从具有较大宽度的前面侧观察图3所示的电池模块组件(其中负极输出14被去除)的视图。图6是其中从具有较小宽度的侧面侧观察图3所示的两个相邻电池模块组件的视图。图7是图3所示的电池模块组件沿平行于具有较小宽度的侧面的平面的剖视图。为了简化起见，结构中的一些细节在图3到7中被省略。
在图示的实施例的燃料电池中，一个电池模块组件100和相邻的电池模块组件100之间(除了内表面气体通道9A或9B的连接部分)的接触表面的整个表面是负极输出14或正极输出15，其是相邻电池模块组件100之间的电接触点。这样，在本发明的电池中的每一个电池模块组件100中，作为串联连接的相邻电池模块组件之间的电接触点的正极输出15或负极输出14被设置在与相邻的电池模块组件的接触表面上。更具体地，在每一个电池模块组件100中，电池模块组件的设置在与一个相邻的电池模块组件的接触表面上的正极输出15与所述相邻的电池模块组件的处于该接触表面上的负极输出14电连接；并且电池模块组件的设置在与另一相邻的电池模块组件的另一接触表面上的负极输出14与另一相邻电池模块组件的处于另一接触表面上的正极输出15电连接。
并且，在每一个电池模块组件100中，负极用电流集电器12集中收集来自电池模块6的负极用电流集电器4的功率，其被设置在电池模块6的一个端部附近。正极用电流集电器13集中收集来自正极用电流集电器5的功率，其被设置电池模块6的另一端部附近。此外，电池模块组件100被排列成使得负极用电流集电器12和正极用电流集电器13朝向相同的方向。更具体地，负极输出14和正极输出15具有大的面积，因此，负极输出14(其与布置在每一个电池模块组件100中的电池模块6的一个端部处的负极用电流集电器12连接)与正极输出15(其与布置在与相邻的一个电池模块组件100的接触表面处的电池模块6的另一端部的正极用电流集电器13连接)保持接触。
如上所述，因为多个电池模块组件100在与相邻的电池模块组件100的接触表面上彼此电连接，所以本发明的燃料电池具有连接电池模块组件的简单结构，并且不再需要用于电连接的更多空间。并且，电池模块组件之间的传导性优异，因为作为相邻电池模块组件之间的电接触点的正极输出15或负极输出14的面积可以被增大。因此，本发明的燃料电池使得能够获得大的电流。此外，因为将每一个电池模块组件100的方向朝向相同的方向排列，可以实现串联连接，所以即使在使用死端型电池模块的情况下，可以不必制备具有相反的正极和负极位置的两种电池模块组件，或者不必提供复杂的气体通道。因此，根据本发明，可以减少燃料电池组件所需的构件的数量。
下面将详细描述本发明的电池模块组件。
在图3到7所示的电池模块组件100中，两个或更多个电池模块6被排列成使得每一个电池模块的纵向保持平行并且开放端(其中负极用电流集电器4暴露的开放端和其中正极用电流集电器5暴露的开放端)朝向相同的方法，以形成电池模块阵列7。
包含在电池模块阵列中的多个电池模块6被排列成保持预定距离，即保持规则的距离间隔，并且通常，它们以规则的(相等的)间隔排列。如果它们不以相等的间隔排列，在电池模块之间流动以被供应到电池模块的外表面电极3的反应气体流变得不均匀，使得供应到每一个电池模块的反应气体的量不同，并且燃料电池的发电效率可能下降。具体地，当电池模块之间的垂直于将被供应到电池模块的外表面的反应气体的流动方向的间隔不规则时，反应气体流可能产生大的不均匀性。因此，优选的是，将电池模块排列成至少使得电池模块之间的垂直于将被供应到电池模块的外表面的反应气体的流动方向的间隔保持规则。只要在电池模块之间具有规则的间隔，电池模块可以被附接在一起，并且沿其它方向排列。此外，电池模块之间的垂直于将被供应到电池模块的外表面的反应气体的流动方向的间隔和电池模块之间的沿其它方向的间隔可以不相同。在本文中，图3到7示出了电池模块阵列7的一部分。
在电池模块阵列7中的每一个电池模块6的两个开放端侧，设置用于将反应气体(在此实施例中，其是氢气)循环到每一个电池模块6的内表面的内表面气体通道9(9A，9B)。并且，在电池模块阵列7中的每一个电池模块6的主体侧，设置用于将反应气体(在此实施例中，其是空气)循环到每一个电池模块6的外表面的外表面气体通道10。通过分隔物8(8A，8B)来保证两个内表面气体通道9A和9B和外表面气体通道10之间的气体密封性能，所述分隔物8分隔电池模块6外部的在电池模块阵列7的电池模块6的主体和两个开放端之间的空间。
内表面气体通道9A和9B中的一个是供应通道(上游)，用于将氢气供应到电池模块的中空中，其中另一个是排出通道(下游)，用于将氢气(被部分消耗的氢气中未反应的氢气)排出中空。气压的差异决定了在9A和9B中哪一个是上游，哪一个是下游。电池模块6的一个开放端与内表面气体通道9的供应通道连接，并且另一个开放端与内表面气体通道9的排出通道连接，以将氢气运送到中空中。如图3所示，每一个电池模块6的两个开放端分别被插入在设置在分隔物8上的通孔(没有示出)中，并且分别连接到内表面气体通道9。
在本文中，开放端可以不穿透分隔物8，并且可以例如被布置成使得其末端与分隔物8的将作为内表面气体通道9的内表面的面接触。或者，其可以以如下方式布置：开放端的末端被固定在通孔中；设置能够调节每一个电池模块6的轴向位置的固定结构；以及通过该固定结构将末端布置在通孔中。或者，仅仅负极用电流集电器4或者棒状电路集电器5b(其为正极用电流集电器5的一部分)可以穿透(见图5到7)。
优选的是，设置在分隔物8上的通孔具有允许插入各个电池模块6的内径，并且以预定距离布置。具有这样的通孔的分隔物充当用于分隔的装置，其能够自动地确定每一个电池模块6的位置，使得电池模块可以被高效地排列。如上所述，优选的是，电池模块阵列7中的电池模块6以预定的距离(通常以规则(均匀)的间隔)排列，以及垂直于将被供应到电池模块的外表面的反应气体的流动方向的电池模块被排列成使得它们之间的间隔保持规则。因此，即使其依赖于将被供应到电池模块的外表面的反应气体的流动方向，设置在分隔物8上的通孔也优选以相等的间隔布置，使得电池模块之间保持规则的间隔。间隔的长度可以是其中可以将足够量的反应气体供应到电池模块的外表面的长度，并且其可以由此来确定。
插入在分隔物8的通孔中的每一个电池模块6通常通过铸封处理等相对于通孔固定。在本文中，为了防止铸封材料流到与其上进行铸封处理的表面相对的表面上，设置到分隔物8上的通孔的内径优选大致等于将被插入到通孔中的电池模块的外径(在插入具有外表面电极的电流集电器的电池模块的情况下，其指包括电流集电器在内的外径)。
在此实施例中，内表面气体通道9A和9B分别由管状体部分11A和11B形成，所述管状体部分11A和11B分别由导电材料制成，并且分别与分隔物8和负极用电流集电器12或正极用电流集电器13形成一体。管状体部分11(11A和11B)在与相邻的电池模块组件100的接触表面一侧是开放的。布置在该接触表面上的负极输出14和正极输出15也设置有开口16，其附接到管状体部分11的开口。相邻的电池模块组件100的内表面气体通道9在设置在每一个电池模块组件100的负极输出14和正极输出15的开口16(流动通道连接部分)处相互连接和连同。在本文中，优选的是，通常在流动通道连接部分的周缘上设置诸如o型圈17之类的气体密封材料，用于提高相邻的电池模块组件100的流动通道连接部分(开口16)的气体密封性能。
如上所述，在使用用于将相邻的电池模块组件100的气体通道相互连通的结构的情况下，通常难以增大相邻的电池模块组件之间的接触面积，这是因为内表面气体通道的连接部分或者气体密封材料存在于正极用和/或负极用电流集电器的附近。相反，在本发明的燃料电池中，相邻的电池模块组件之间的包括远离正极用和/或负极用电流集电器的区域在内的接触表面可以被充分地用作正极输出和/或负极输出；因此，可以增大保持接触的负极输出14和正极输出15的接触面积。因而，即使气体通道的连接部分或者气体密封材料(例如，O型圈)被布置到接触表面，也可以获得将作为相邻的电池模块组件之间的电接触点的足够大的接触面积。
在图3所示的电池模块组件100中，位于两个彼此面对的两个分隔物8A和8B之间的外表面气体通道10可以向/从电池模块组件100的具有较小宽度的侧面供应/排出反应气体。在图3所示的电池模块组件100中，因为相邻的电池模块组件的连接表面是板状的输出14或15，所以以此方式向/从具有较小宽度的侧面供应/排出反应气体。但是，作为每一个电池模块组件100的外表面气体通道10的连接部分的开口可以被布置到与相邻的电池模块组件的接触表面上，以与相邻的电池模块组件的外表面气体通道连通。
并且，在此实施例中，分隔物8构成管状体部分11的一部分，并且由导电材料制成。但是，对形成分隔物8的材料没有具体限制，并且其可以是具有足够硬度或强度以支撑电池模块6并且不渗透反应气体的材料。例如，其可以是金属、树脂、碳材料、玻璃、陶瓷等。在利用导电材料形成分隔物8的情况下，根据需要，对其应用与包括电池模块6在内的其它构件的绝缘。
在负极输出14和正极输出15被布置到相邻电池模块组件之间的接触表面上的情况下，对负极输出14和正极输出15的结构没有具体限制。例如，其可以是如下的结构：其一端与负极用电流集电器12或正极用电流集电器13连接，而另一端不固定在任何构件上。或者，其可以是如下的结构：负极输出14或正极输出15被设置到连接表面上，并且分别与负极用电流集电器12或正极用电流集电器13连接，而板状构件的用于增强电池模块阵列7中的电池模块6的部分由导电材料形成。并且，对其形状没有具体限制。
从相邻电池模块组件之间的电连接的方面来考虑，进一步增大作为电接触点的输出的接触面积是更优选的。并且，如在此实施例中，优选的是，在每一个电池模块组件100中，负极输出14和/或正极输出15构成将与相邻的电池模块组件100的接触表面的上端和下端桥接的柱状结构。如果负极输出14和/或正极输出15具有这样的柱状结构，则相邻的电池模块组件100的输出的接触面积可以被增大，并且电池模块阵列7可以沿轴向被增强。
每一个输出的柱状结构不限于平面状结构(诸如图中所示的在整个接触表面上延伸的板)，只要其桥接与相邻的电池模块组件100的接触表面的上端和下端就行。例如，其可以是其相对于接触表面的水平方向的宽度较小的结构，或者是具有多个这样的具有小的宽度的柱状结构的结构。为了减小电池模块组件100的重量，诸如冲孔之类的穿透结构可以被形成还在图示的板状结构中。
由于可以获得大的电流(因为相邻的电池模块组件100的负极输出14和正极输出15的接触面积很大并且对于每一个形成电池模块阵列7的电池模块6的增强效果很大)，优选的是，如在此实施例中，负极输出14和正极输出15为板状形式，以形成与相邻电池模块组件100的整个接触表面。
当使用具有这样的柱状结构的负极输出14和/或正极输出15时，有必要将电极输出和相反电极的电流集电器于此被固定的部分电绝缘。在此实施例中，与设置在每一个电池模块组件100的上端的负极用电流集电器12相连的负极输出14通过绝缘材料18与设置在该电池模块组件100的下端的正极用电流集电器13相连。类似地，与设置在电池模块组件100的下端的正极用电流集电器13相连的正极输出15通过绝缘材料18与设置在该电池模块组件100的上端的负极用电流集电器12相连。对于绝缘材料18没有具体限制，只要其能够在负极输出14和正极用电流集电器13之间以及在正极输出15和负极用电流集电器12之间进行电绝缘。例如，可以使用绝缘胶粘剂等，其能够在负极输出14和充当正极用电流集电器13的管状体部分11B之间以及在正极输出15和充当负极用电流集电器12的管状体11A之间进行连接和绝缘。具体地，其可以是环氧树脂基胶粘剂，硅酮基胶粘剂等。
对于形成各个电极输出14或15和各个电流集电器12或13的导电材料可以没有具体限制。例如，其可以是金属、碳材料、导电陶瓷、导电树脂等。这样的导电材料可以单独使用或者组合使用。作为具体的金属材料，例如其可以是选自Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm或In等的一种或者多种金属，或基于这些金属的合金，诸如不锈钢(SUS)。形成输出和电流集电器的导电材料可以根据电池模块组件的结构被优化选择。就强度而言，SUS或Ti是优选的。就减轻重量而言，Al或Ti是优选的。就电导率而言，Cu或Al是优选的。并且，可以根据各个电流集电器或输出所暴露的环境对其进行优化选择。例如，当与氢接触时，可以优选选择耐氢脆化(这是一种金属材料由于吸收氢而脆化的现象)的材料。当需要耐腐蚀时，可以优选使用Ti、SUS等。
下面将解释负极用电流集电器12或正极用电流集电器13与每一个电池模块6的负极用电流集电器4或正极用电流集电器5之间的电连接。
在电池模块6的布置有负极用电流集电器12的上端，负极用电流集电器4(其从插入分隔物8A的通孔中的各个电池模块6的开口端延伸出)越过内表面气体通道9A，并且与负极用电流集电器12连接。另一方面，在电池模块6的布置有正极用电流集电器13的下端，正极用电流集电器5(其从插入分隔物8B的通孔中的各个电池模块6的开口端延伸出)越过内表面气体通道9B，并且与正极用电流集电器13连接。
在本文中，对于将负极用电流集电器12与负极用电流集电器4进行连接的方法或将正极用电流集电器13与正极用电流集电器5进行连接的方法没有具体限制。例如，可以采用如下方法：各个电流集电器(12，13)设置有通孔或盲孔，电流集电器(4，5)可以插入所述通孔或盲孔中；每一个电池模块6的电流集电器(4，5)被插入该孔中，并且利用焊料等固定，由此将各个电流集电器(12，13)与电流集电器(4，5)连接。当提供具有这样的通孔的电流集电器时，该孔根据需要被封闭，以保证内表面气体通道的气体密封性能。
在此实施例中，形成内表面气体通道9A和9B的管状体部分11A或11B由导电材料制成，并且还充当负极用电流集电器12或正极用电流集电器13。但是，对于负极用电流集电器12或正极用电流集电器13的位置或结构没有具体限制，只要负极用电流集电器12被设置在电池模块阵列7中的电池模块6的一端附近，正极用电流集电器13被设置在另一端附近。例如，负极用电流集电器12和/或正极用电流集电器13可以构成内表面气体通道9A或9B的内表面或外表面的一部分，或者可以被布置在内表面气体通道9A或9B的内表面或外表面。
对于将整体收集来自每一个电池模块6的负极用电流集电器4的功率的负极用电流集电器12与负极输出14电连接的方法，以及将整体收集来自每一个电池模块6的正极用电流集电器5的功率的正极用电流集电器13与负极输出15电连接的方法，没有具体限制。在此实施例中，由导电材料制成的并且充当负极用电流集电器12的管状体部分11A被焊接并电连接到由导电材料制成的负极输出14上。但是，可以是如下结构，即管状体部分11A和负极输出14被一体地成型。类似地，在此实施例中，由导电材料制成的并且充当正极用电流集电器13的管状体部分11B被焊接并电连接到由导电材料制成的正极输出15上。但是，可以是如下结构，即管状体部分11B和正极输出15被一体地成型。
在多个串联连接的电池模块组件中，通常，电池模块组件的布置在一端的负极用电流集电器12设置有输出端子19，以引导到燃料电池外部。
本发明的电池模块组件不限于图3到7所示的形状。对构成一个电池模块组件的电池模块的数量、电池模块的布置等也没有具体限制。例如，在图3到7中，负极用电流集电器12被布置在电池模块组件100的上端侧，并且正极用电流集电器13被布置在电池模块组件100的下端侧；但是，它们可以具有相反的结构。
并且，在此实施例中，使用其中空在两端都开放的电池模块，使得包括供应通道和排出通道的内表面气体通道9A和9B与电池模块的每一个开放端分别相连。但是，在其中空仅仅在一端开放的死端型电池模块的情况下，形成如下的电池模块阵列，其中，电池模块的开放端和封闭端分别保持相同的方向并对齐。在此情况下，内表面气体通道仅仅包括供应通道，以使供应通道与开放端相连，所述供应通道用于将反应气体从开放端供应到中空。不必在电池模块的封闭端侧设置分隔物8，并且不必固接到用于固定不具有内表面气体通道的电池模块的构件。固定构件优选设置有诸如孔、沟槽等以预定距离设置的引导装置，用于确定电池模块阵列中的电池模块的位置。固定构件还可以充当电流集电器。
工业实用性
如上所述，在易于减小尺寸并且可在低温下工作的固体聚合物电解质燃料电池的领域，本发明的燃料电池可以用作在发电能力和更长的寿命方面获得进一步改进的燃料电池。具体地，其适用于便携或者移动产品用电源的应用。
Claims (5)
1.一种燃料电池，其包括两个或更多个串联连接和附接的电池模块组件，每一个所述电池模块组件均集中了两个或更多个电池模块，所述电池模块具有至少一个开放端，并包括中空电解质膜、布置在所述中空电解质膜的内侧和外侧的成对电极、以及分别与所述成对电极接触的电流集电器，
其中，每一个电池模块组件均包括：电池模块阵列，其中，两个或更多个电池模块被排列成使得每一个电池模块的纵向保持平行并且使得多个开放端或多个封闭端朝向相同的方向；分隔物，其在所述电池模块阵列中的所述电池模块的主体所在的位置和开放端所在的位置之间，并且对所述电池模块外部的空间进行分隔；内侧气体通道，其通过所述分隔物设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的所述开放端侧，并与所述电池模块的每一个开放端连接，使得所述内侧气体通道将反应气体循环到每一个电池模块的内侧中；外侧气体通道，其通过所述分隔物设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的所述主体侧，使得所述外侧气体通道将反应气体循环到每一个电池模块的外侧；正极用电流集电器，其设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的一端附近，使得所述正极用电流集电器集中收集来自每一个在各个电池模块的正极侧的电流集电器的功率，以及负极用电流集电器，其设置在所述电池模块阵列中的所述电池模块的另一端附近，使得所述负极用电流集电器集中收集来自每一个在各个电池模块的负极侧的电流集电器的功率；以及正极或负极输出，其与所述正极用或负极用电流集电器连接，并设置在所述电池模块组件的接触表面上，所述接触表面与相邻电池模块组件接触；并且
其中所述电池模块组件被附接，使得所述负极用电流集电器朝向相同的方向并且所述正极用电流集电器朝向相同的方向，其中，对于相邻的电池模块组件，所述正极输出布置在一个电池模块组件的所述接触表面上，所述负极输出布置在另一个电池模块组件的所述接触表面上，并且所述电池模块组件串联连接，
所述燃料电池的特征在于：
每一个电池模块组件的所述正极输出和/或所述负极输出构成柱状结构，所述柱状结构桥接所述电池模块组件的所述接触表面的上端和下端，所述接触表面与所述相邻电池模块组件接触，并且其中，所述正极输出与所述负极用电流集电器的连接部分和所述负极输出与所述正极用电流集电器的连接部分被电绝缘。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，每个电池模块组件均具有流动通道连接部分，所述流动通道连接部分是所述电池模块组件的所述接触表面上的开口，所述接触表面与所述相邻电池模块组件接触，并且所述流动通道连接部分连接所述相邻电池模块组件的流动通道连接部分，以使电池模块组件的内侧气体通道连通。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，在所述流动通道连接部分的周缘上布置气体密封材料。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，所述气体密封材料是O型圈。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池，其中，用向/从所述燃料电池的外部传导电流的输出端子被布置在电池模块组件的处于串联连接的所述电池模块组件的端部位置处的所述正极输出或负极输出处。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100519 Termination date: 20120203 |