CN101356683B - 燃料电池组 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池，具有至少一个接合部(41)，该至少一个接合部从单元电池的外缘突出并与电池监控器(60)接合，以便限制电池监控器远离单元电池的移动。该单元电池具有相互隔开一定距离的多个接合部(41)，且接合部在单元电池的多个位置与一个电池监控器接合。单元电池的隔板(18)在其主表面与电池监控器端子(66)接触。一个电池监控器(60)安装在多个电池上，电池监控器的端子(66)与电池的隔板电连接。接合部(41)由树脂框架制成，使得即使对于非常薄的燃料电池也能提供机械稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别是涉及一种其上可拆卸地安装有电池监控器以提高效率和简易性的燃料电池。
背景技术
燃料电池系统的单元电池包括由隔板夹持而位于隔板之间的膜电极组件(MEA)。当隔板是金属隔板的形式时，树脂框架可被设置在MEA和每一个隔板之间。这些单元电池层叠在一起形成燃料电池组。用于获取燃料电池信息例如用于测量电压的电池监控器可安装在燃料电池组的每一个电池(或单元电池)或适当数量的电池上。JP-A-2001-256991公开了一种燃料电池，其中在隔板的边缘部分形成有凹口(端子安装孔)，电池监控器的端子插入凹口。
但是，对于上述文献中公开的燃料电池，电池监控器安装在每一个单元电池上，这样电池监控器安装到各个电池上和从各个电池拆下复杂而低效。而且，形成端子安装孔的隔板的厚度必须比孔的直径大，因此难以在具有小厚度的金属隔板中形成端子安装孔。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池组，使电池监控器或多个监控器能高效且简易地安装到燃料电池组上或从燃料电池组拆下。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池组，包括：燃料电池，所述燃料电池具有隔板和位于所述隔板之间的中间体；和电池监控器，所述电池监控器具有第一和第二可活动爪，其中，所述燃料电池具有接合部，所述接 合部从所述燃料电池的单元电池的外缘突出并与所述电池监控器接合，以便限制所述电池监控器远离所述单元电池的移动，并且所述接合部具有与所述第一可活动爪接合的第一爪和与所述第二可活动爪接合的第二爪。燃料电池的每一个电池可具有相互隔开一定距离的多个接合部，并且接合部在电池的多个位置与一个电池监控器接合。电池监控器具有电池监控器端子，燃料电池的隔板在其主表面(垂直于电池层叠在一起的方向)与电池监控器端子接触。单个接合部或多个接合部可形成在中间体上。例如，在隔板为金属隔板并且中间体为树脂框架的情况下，单个接合部或多个接合部形成在树脂框架上。一个电池监控器可以设置在层叠在一起的两个或多个电池(例如，五个电池，但电池的数量不限于五个)上，并且电池监控器的端子在电池中相邻电池之间的不同位置电连接到电池的隔板上。以上所示至少一个接合部可以在电池的横向或垂直方向上不对称地形成，以便提供防止每个电池的误组装以及电池的误层叠的作用。
在本发明的其中接合部从电池的外缘突出的燃料电池中，电池监控器在电池上的设置和定位通过电池监控器与接合部的接合实现，从而确保高效并简易地把电池监控器安装到电池上或从电池拆下。电池监控器一旦安装好，接合部与电池监控器接合，以便限制电池监控器远离电池的移动，从而防止电池监控器从电池上脱离。同样，在接合部与电池监控器的可活动爪接合的情况下，通过从接合部脱离可活动爪能够将电池监控器容易地从电池上拆下。
此外，由于接合部不是凹口或孔的形式，而是从电池的外缘突出，所以形成有接合部的电池部件不需要具有与接合部是孔的形式时所需的厚度一样大的厚度。因此，即使形成有接合部的电池部分是与金属隔板一起使用的树脂框架，该接合部也能被充分地形成在树脂框架上。
在每个电池具有相互隔开一定距离的两个或多个接合部的情况下(例如，在L形接合部之间形成有空间)，电池监控器的夹持器能被插入接合部之间的空间内，因此电池监控器能被容易地安装和定位而仅需要小的空间。
当电池监控器的端子与电池的隔板的主表面(平行于电池平面)面接触以在电池监控器和电池之间导电时，与电池监控器的端子与薄隔板的端面相接触的情况相比，能够提供端子和电池之间大面积的接触并减小接触电阻。
在燃料电池具有位于隔板之间的中间体的情况下，接合部形成在中间体上，例如，在隔板为金属隔板并且中间体为树脂框架，而接合部形成在树脂框架上的情况下，与金属隔板形成有接合部且电池监控器与金属隔板接合的情况相比较，由于中间体(例如树脂框架)具有比金属隔板大的刚度和强度，所以电池监控器能被更稳固地保持或支撑在电池上。
在一个电池监控器安装在层叠在一起的多个电池(例如五个电池，但电池数量不限于五个)上的情况下，与电池监控器中的每一个安装在电池组的每个电池上的情况相比，电池监控器安装在燃料电池组上的效率得到提高。在电池监控器的端子在电池中相邻电池之间的不同位置与电池的隔板接触以在电池监控器和电池之间导电的情况下，即使每个电池具有小的厚度，也能牢固地提供允许每个端子附装到每个电池上的空间。
而且，如果接合部在电池的横向或垂直方向上不对称地形成，能通过目视检查容易地防止每个电池的组装或电池的层叠期间的隔板的误安装。
附图说明
本发明的上述以及其它目的、特征和优势将从以下结合附图对示例性实施例所作的说明中变得清晰，相同的附图标记代表相同的部件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例构造的燃料电池的示意性正视图；
图2是图1中包括电池监控器安装部及其周围的燃料电池一部分的示意性横截面图；
图3是沿图2中箭头A的方向看时燃料电池的视图；
图4是沿图2中箭头B的方向看时燃料电池的视图；
图5是沿图4中的线V-V截取的视图；
图6是用单个T形接合部代替图5中的两个L形接合部的燃料电池的变形示例的示意性视图；
图7是示出结合有图1中实施例的燃料电池的燃料电池组的侧面的示意性视图；以及
图8是图7中燃料电池组的一部分的放大横截面图。
具体实施方式
参照图1至图8，将说明根据本发明一个实施例的燃料电池。本实施例的燃料电池(也被称作“电池”)例如是高分子电解质燃料电池10。
如图8所示，高分子电解质燃料电池10由膜电极组件(MEA)的层状结构和隔板18组成。膜电极组件包括用作离子交换膜的电解质膜11、以催化剂层的形式配置在电解质膜11的一个表面上的电极(阳极，燃料电极)14，和以催化剂层的形式配置在电解质膜11的另一个表面上的电极(阴极，空气电极)17。扩散层(也被称作“气体扩散层”)13、16设置在膜电极组件与阳极一侧的隔板18之间，以及膜电极组件与阴极一侧的隔板18之间。膜电极组件和隔板18彼此层积或重叠以构成电池10。如图7所示，多个电池10层叠在一起形成层叠结构或电池组，端子20、绝缘体21和端板22配置在沿电池层叠的方向(该方向以下称为“层叠方向”)上的层叠结构的相对端。在电池的层叠结构的外侧，端板22利用螺栓和螺母25固定到沿层叠方向延伸的紧固件(例如张力板24)上，并且从紧固件沿层叠方向向层叠结构施加载荷，以便构成燃料电池组23。燃料电池组23可以安装在例如燃料电池车辆上。但应理解，燃料电池组23并非仅应用于车辆，也可以用作例如作为家用的静止燃料电池。
如图8所示，每一个电池的隔板18都形成供燃料气体(氢)供给到阳极14的燃料气体通路27和供氧化气体(氧或一般为空气)供给到阴极17的氧化气体通路28，使得这些通路27、28位于发电区域51(如图1所示)。此外，用于供给冷却液(通常为冷却水)的冷却液通路26形成在隔板18的与气体通路27、28相反的表面上。如图1所示，燃料气体歧管30、氧化气体歧管31和冷却液歧管29形成在隔板18中的非发电区域52中。燃料气体歧管30与各电池的燃料气体通路27连通，氧化气体歧管31与氧化 气体通路28连通，同时冷却液歧管29与冷却液通路26连通。每一个隔板18可以是碳隔板、或金属隔板(包括金属隔板和树脂框架53的组合)、或导电树脂隔板的形式。在隔板18为金属隔板形式的情况下，金属隔板18可以由例如不锈钢、铝或其合金、钛或其合金、或镁或其合金的材料形成。树脂框架53是由热固性树脂制成的框架。
运行中，将氢转换成氢离子(或质子)和电子的电离反应发生在每一个电池10的阳极14，氢离子通过电解质膜11移动到阴极17并在阴极17与氧和电子结合生成水，由此根据以下表达式发电。用于在阴极17生成水的电子可以在相邻的MEA的阳极产生并穿过隔板流向阴极17，或在层叠方向上的电池组的一端的电池的阳极产生并通过外部回路流向另一端的电池的阴极。
阳极：H2→2H++2e-
阴极：2H++2e-+(1/2)O2→H2O
各种流体(燃料气体、氧化气体以及冷却液)相互之间以及与外界封闭。第一密封件32提供了夹持每一个电池10的MEA的两个隔板18之间的密封，第二密封部件33提供相邻的电池10之间的密封。在隔板是金属隔板的情况下，树脂框架53(由树脂制成并具有歧管和在发电区域51上延伸的中间开口的框架)可以在非发电区域52中设置在金属隔板18和电解质膜11之间。这种情况下，第一密封部件32提供金属隔板18和树脂框架53之间的密封以及树脂框架53和电解质膜11之间的密封。第一密封件32由例如用于密封的粘着剂(或密封粘着剂)形成，第二密封件33由例如橡胶密封材料形成，例如硅橡胶、氟橡胶或EPDM(三元乙丙橡胶)。但应理解，第一密封件32和第二密封件33可以都由用于密封的粘着剂或橡胶密封材料形成。
如图2至图5所示，用于检测电池信息(例如电池电压、电池温度或其它信息)的电池监控器60设置在燃料电池组23的电池10上，使得电池监控器60能附装到电池10的接合部41上或者脱离电池10的接合部41。
每一个电池10在一对隔板18(1号隔板和2号隔板)之间具有中间体， 中间体形成有接合部41。在本实施例中，电池10具有金属隔板18和树脂框架53，树脂框架53被视为中间体，电池10的接合部41形成在树脂框架53上。
电池10的接合部41与电池监控器60接合以便将电池监控器60保持在适当位置。电池10的接合部41从电池10的轮廓的一侧边缘向外突出，用于与电池监控器60接合，以便限制电池监控器60远离电池10的移动。例如，电池10的每一个接合部41形成为从电池10的轮廓一侧边缘向外突出的L形爪，并在其末端部分弯曲成在平行于电池10的外缘的方向上延伸，如图1所示。当接合部41与电池监控器60的可活动爪63接合时，接合部41限制电池监控器60远离电池10的移动。
燃料电池10的上述一对隔板18(1号隔板和2号隔板)中的一个具有形成在隔板18的安装电池监控器60并从电池10的轮廓向外突出的一部分上的隔板突出部45，如图2和图5所示。另一个隔板18没有突出部。
如图2和图5所示，作为一对隔板18(1号隔板和2号隔板)之间的中间体的一对树脂框架53在其对应于上述一个隔板18的突出部45的位置上没有类似于一个隔板18的突出部45的突出部。这种布置使得能够将电池监控器60的隔板夹持器62嵌入相邻电池的隔板突出部45之间。在变形示例中，一对树脂框架53可以形成有类似于上述一个隔板18的突出部45的突出部。这种情况下，树脂框架53形成有接纳电池监控器60的隔板夹持器62且不与夹持器62干涉的凹槽或凹口46(如图6所示)。
如图2所示，电池监控器60具有树脂外壳61，和与树脂外壳61一体地形成并向电池10突出沿隔板突出部45的主表面43平行延伸的隔板夹持器62。电池监控器60还具有形成在隔板夹持器62的与隔板突出部45相反的表面上的电极感应部分(电池监控端子)66(如图3所示)，和相对于外壳61可移动并能与电池10的接合部41接合的可活动爪63。可活动爪63被弹簧64沿与接合部41接合的方向推动。可活动爪63形成有从外壳61突出的按钮65。当推动按钮65时，可活动爪63克服弹簧64的偏压力沿这样一种方向移动以绕弹簧64枢转，在所述方向中，可活动爪63的 末端弯曲部63a从接合部41上脱开。
如图4所示，一个电池监控器60监控多个电池10的信息。例如，在一个电池监控器60监控五个电池10(电池的数量不限于五个)的信息的情况下，一个电池监控器60具有一个外壳61和10个隔板夹持器62(每一个电池对应两个夹持器)。电池监控器60的成对的隔板夹持器62被定位在突出部45的端部，电池10的一个隔板18的突出部45设置在成对的隔板夹持器62之间，同时在突出部45和各个夹持器62之间留有间隙。端子(电极感应部分)66形成在隔板夹持器62的与上述一个隔板18的突出部45相反的表面上，使得端子66与一个隔板18接触以便导电。
电池10具有在电池平面上沿某一方向彼此隔开一定距离的两个或多个接合部41，接合部41与一个电池监控器60的两个或多个可活动爪63在两个或多个位置接合。在图5中，每一个电池10具有在电池平面中彼此隔开距离D的两个L形接合部41(左边和右边接合部410)。两个L形接合部41具有从其直角部分沿平行于电池10的轮廓一侧的边缘的方向延伸的末端部分41a，使得末端部分41a指向彼此相反的方向。末端部分41a与电池监控器60的可活动爪63的末端弯曲部63a接合以便限制电池监控器60远离电池10的移动。电池监控器60的隔板夹持器62插入两个L形接合部41之间的空间D内。在两个L形接合部41之间具有空间D的情况下，电池监控器60的隔板夹持器62能被插入空间D内且不与位于接合部41之间的树脂框架53的部分发生干涉。如果接合部41形成为字母T的形状，即替换为单个T形接合部，则电池监控器60的隔板夹持器62与接合部干涉，因此，凹槽(由双点划线所示的凹槽46)必须形成在干涉部分中，如图6所示。这种情况下，凹槽46暴露于隔板18的突出部45，因此形成在隔板夹持器62上的端子66与突出部45接触。
电池监控器60具有形成在隔板夹持器62的与隔板相反的表面上的电池监控器端子(电极感应部)66，电池监控器端子66与隔板18的主表面43(平行于电池平面)接触，由此能测量隔板的信息(例如电压)。每个端子66与每个隔板18的主表面43的接触面积比端子66与隔板的端面44 (图5)的接触面积大。
如图3和图4所示，在燃料电池组23中，一个电池监控器60相对于层叠在一起的多个电池10(例如五个电池，但用于每个电池监控器的电池的数量不局限于五个)安装。一个电池监控器60的多个端子66在图3中由(1)到(5)所示的交替位置(也就是在平行于电池板的方向上相互偏置的位置)与电池10的隔板18的突出部45接触，因此隔板18与电池监控器60导电接触。即端子66在电池层叠方向上交替布置成两列，使得与电池10的相邻电池连接的端子66位于不同的列内。由于每个电池10具有小的厚度，因此采用交错配置，相邻电池的隔板夹持器62需要防止与突出部45的干涉。
电池10的接合部41沿横向和垂直方向形成在不对称的位置上。例如，当接合部41在垂直方向上不对称地形成时，仅有上部和下部树脂框架53中的一个形成有一对接合部41。当接合部41在横向方向上不对称地形成时，右边和左边接合部41中的一个形成在上部和下部树脂框架53中的一个上，另一个接合部41形成在另一个树脂框架53上。接合部在横向或垂直方向上的不对称布置提供防止每个电池误组装在一起以及防止电池被误层叠在一起的作用。例如，在将电池10层叠进电池组期间，如果电池10中的一个错误定位成将接合部41颠倒放置，则错误定位的电池10的接合部41出现在与正确定位的电池的接合部出现的一侧相反的一侧上，由此错误定位能够被通过目视检查立即发现。
接着，将说明根据本实施例的燃料电池的操作和效果。
电池10被层叠进电池组23中。电池监控器60安装在每个电池10或两个或多个电池上，用于监控关于电池10的信息。该信息被传输到计算机用于计算，电池10的操作基于计算结果来控制。电池监控器60在两个或多个电池10上的安装是通过用手推动电池监控器60的按钮65以便移动可活动爪63使其相互远离来执行的，从而将电池监控器60插入足够的深度直到可活动爪63能与电池10的接合部41接合，并且从按钮上松手使可活动爪63在弹簧64的弹簧力的作用下恢复到它们的原始位置以与电池10 的接合部41接合。当可活动爪63与电池10的接合部41接合时，隔板突出部45的每一个被设置在其间形成有间隙的各隔板夹持器62之间，形成在隔板夹持器62上的端子(电极感应部)66与隔板18的突出部45面接触来导电。以这样的方式，电池监控器60相对于电池组23被定位。
在本实施例的燃料电池中，其中接合部41从电池的外缘向外突出，通过接合电池监控器60与接合部41以及由隔板夹持器62夹持隔板突出部45使隔板突出部45位于隔板夹持器62之间，电池监控器60能被安装在电池10上并相对于电池10定位。由于一个电池监控器60与两个或多个电池的隔板18接触以导电，所以与电池监控器设置在每个电池10上的情况相比，电池监控器60能被高效且简易地安装在电池10上。电池监控器60一旦被安装在电池10上，接合部41与电池监控器60接合以便限制电池监控器60远离电池10的移动，由此防止电池监控器60从电池10分离。同样，通过从接合部41脱开可活动爪63，电池监控器60能从电池10被容易地拆卸。此外，接合部41是突出部的形式，而不是凹口或孔，形成有接合部41的电池部件(例如树脂框架53)不必具有足够大以允许在其中形成孔的厚度。因此，即使在形成有接合部41的电池部件(例如树脂框架53)是与金属隔板一起使用的树脂框架的情况下，也能够形成接合部且不减小电池部件(例如树脂框架53)的刚度和强度。
在每个燃料电池10具有相互隔开距离D的两个或多个接合部的情况下，在接合部41之间设置有允许电池监控器60的隔板夹持器62插入的空间，因此电池监控器60仅需要小的空间就能被容易地固定和定位。即，通过电池监控器60的隔板夹持器62在电池层叠方向上与隔板突出部45的接合，电池监控器60能够在电池的层叠方向上相对于电池组23定位，以及通过电池的接合部41与电池监控器60的接合，电池监控器60能定位在电池平面中。
在电池10的接合部41的主表面43与电池监控器60的端子(电极感应部)66面接触以在电池10和电池监控器60之间导电的情况下，接触面积能被设置成比在小厚度隔板的端面44与电池监控器的端子接触的情况 下的面积大，因此能减小接触电阻。
在燃料电池10具有位于一对隔板之间的中间体并且接合部41形成在中间体上的情况下，例如，在隔板18包括金属隔板并且中间体包括树脂框架53而接合部41形成在树脂框架53上的情况下，如在本实施例中，与电池监控器60由金属隔板18保持或支撑的情况相比，由于中间体(例如树脂框架53)具有比金属隔板18大的刚度和强度，所以电池监控器60能被更稳固地保持在适当位置。
在一个电池监控器60安装在层叠在一起的多个电池10(例如五个电池，但电池数量不限于五个)上的情况下，与每个电池监控器60安装在每个电池10上的情况相比，电池监控器设置在电池组上的安装效率得到提高。如果一个电池监控器60安装在五个电池10上，例如，仅一个电池监控器60的安装就完成电池监控器在五个电池10上的安装。在电池监控器60的端子(电极感应部)66在相邻电池10之间的不同位置(例如在交替地布置成两行的位置)与电池组23中电池10的隔板18电连接的情况下，即使电池10具有小的厚度，每个端子(电极感应部)66也能牢固地附装到每个电池上。同样，如果接合部41在电池的横向或垂直方向上不对称地形成，能通过目视检查容易地防止在每个电池的组装和电池的层叠期间的隔板的误安装。
虽然已参照优选实施例对本发明作了说明，但应理解本发明不局限于所公开的实施例或结构。相反，本发明企图覆盖各种改型和等同布置。另外，尽管本发明的各种元件以各种示例性的组合和结构中示出，但包括更多、更少或仅单个元件的其它组合和结构同样在本发明的范围内。
Claims (6)
1.一种燃料电池组，包括：燃料电池，所述燃料电池具有隔板(18)和位于所述隔板(18)之间的中间体(53)；和电池监控器(60)，所述电池监控器具有第一和第二可活动爪，
其中，所述燃料电池具有接合部(41)，所述接合部从所述燃料电池的单元电池(10)的外缘突出并与所述电池监控器(60)接合，以便限制所述电池监控器(60)远离所述单元电池(10)的移动；
所述接合部(41)具有与所述第一可活动爪接合的第一爪和与所述第二可活动爪接合的第二爪；
所述中间体(53)包括树脂框架；并且
所述接合部(41)形成在所述树脂框架上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中：
所述接合部是指相互隔开一定距离的多个接合部(41)；并且
所述多个接合部(41)在所述单元电池(10)的多个位置与一个电池监控器(60)接合。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池组，其中：
所述电池监控器(60)具有与所述隔板(18)接触的电池监控器端子(66)。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池组，其中：
所述隔板(18)包括金属隔板。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池组，其中：
在层叠在一起的多个单元电池上安装有一个电池监控器(60)；并且
所述电池监控器的端子(66)在所述单元电池中相邻单元电池之间的不同位置电连接到所述单元电池的所述隔板(18)上。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池组，其中，所述接合部(41)不对称地形成在所述单元电池(10)的横向或竖直方向上，以便提供防止每个单元电池的误组装以及所述单元电池的误层叠的作用。
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