CN102217127A - 燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池组，其中，包括薄膜电极组件的多个单个电池的每个沿叠置方向叠置。所述电池燃料组包括多个电绝缘部件，每个电绝缘部件连接至所述薄膜电极组件的对应一个的外周部分。所述燃料电池组还包括设置在每个绝缘部件与相邻绝缘部件之间的第一位移吸收部件。

Description

燃料电池组
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年11月19日提交的日本专利申请No.2008-295450的优先权，其完整内容通过引用的方式结合于此。
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组的结构。
背景技术
燃料电池已经公知，该燃料电池通过利用包括诸如氢气的阳极气体和诸如氧气的阴极气体的反应气体的电化学反应直接地将化学能转换为电能。
日本未审专利申请出版物No.2006-92924公开一种包括多个单个电池的固态聚合物电解质燃料电池组。单个电池的每个包括薄膜电极组件(下文称之为“MEA”和设置在MEA两侧上的分离器)。MEA具有阳极电极和阴极电极，将电解质薄膜夹置在其间。在燃料电池组的外周中，形成绝缘树脂部件使得叠置的单个电池能够彼此连接并且确保与外部的绝缘。
但是，在日本未审专利申请出版物No.2006-92924中记载的燃料电池组中，多个单个电池和树脂部件形成为一体。因此，当MEA的电解质薄膜膨胀并且燃料电池组沿单个电池叠置的方向(下文称之为“叠置方向”)延展时，树脂部件不能跟随燃料电池组的位移，或者换句话说，多个MEA之间的位移。这可导致树脂部件破裂。如果树脂部件破裂，MEA中产生的水蒸汽会从燃料电池组的内部泄漏到外部，可能产生液体合流，并且燃料电池组的绝缘性能可能下降。
发明内容
本发明提供一种绝缘性能被抑制不下降的燃料电池组。
在一项实施例中，提供一种燃料电池组，其中，每个包括薄膜电极组件的多个单个电池沿叠置方向叠置。所述电池燃料组包括多个绝缘部件，每个绝缘部件连接至所述薄膜电极组件的对应一个的外周部分。所述多个绝缘部件电绝缘。所述燃料电池组还包括设置在每个绝缘部件与相邻绝缘部件之间的第一位移吸收部件。
在另一实施例中，提供一种燃料电池组，其中，多个单个电池沿叠置方向叠置。所述燃料电池包括多个薄膜电极组件，所述每个薄膜电极组件包括电解质薄膜和外周部件，所述外周部件用以吸收所述多个薄膜电极组件之间的位移。每个所述外周部件连接至所述多个薄膜电极组件的对应一个的外周部分。
在另一实施例中，提供一种燃料电池组，包括多个薄膜电极组件，以及位移吸收装置，用于吸收薄膜电极组件和相邻薄膜电极组件的每个之间的位移，并且用于将所述多个薄膜电极组件支承在其外周部分。
当薄膜电极组件的电解质薄膜膨胀时，第一位移吸收部件、外周部件或位移吸收装置变形，使得绝缘部件能够沿叠置方向跟随燃料电池组的位移，由此，绝缘部件能够被防止破裂
附图说明
附图结合于此并且构成本说明书的一部分，附图示出本发明的优选实施例与上述总体说明书和下述详细说明共同用于解释本发明的特征。
图1是第一实施例的燃料电池组的示意图；
图2是沿叠置方向的相邻单个电池的局部剖面视图；
图3A和3B示出沿叠置方向的单个电池的厚度与沿叠置方向的绝缘部件的凸出部分的厚度之间的关系；
图4A和4B示出燃料电池组相对于MEA中产生的水蒸汽的密封能力；
图5A至5E示出当燃料电池组沿着叠置方向延展时绝缘部件的状态；
图6是沿叠置方向的第二实施例的燃料电池组的单个电池的局部剖视图；以及
图7是沿叠置方向的第三实施例的燃料电池组的单个电池的局部剖视图。
具体实施方式
本发明的实施例参照附图如下所述。
第一实施例
燃料电池系统直接地将燃料的化学能转换为电能。在燃料电池系统中，电解质薄膜夹置在阳极电极与阴极电极之间。阳极电极供给有包括氢气的阳极气体，阴极电极供给有包括氧气的阴极气体。下述电化学反应出现在阳极电极和阴极电极与电解质薄膜接触的表面上，使得电能从电极获得。
阳极电极反应：2H2→4H++4e- ...(1)
阴极电极反应：4H++4e-+O2→2H2O...(2)
图1示出燃料电池组100，该燃料电池组为用作移动车辆诸如汽车的燃料电池系统。
燃料电池组100包括多个单个电池10、一对集电器板20、一对绝缘板30、一对端板40和拧入拉杆(未示出)的螺母50。
单个电池10产生电动力，作为固态聚合物电解质薄膜燃料电池类型的单元电池。燃料电池组100包括单个电池10的叠置组。单个电池10的结构如下所述参照图2详细说明。
该对集电器板20的每个设置在单个电池10的叠置组的外表面上。集电器板20采用诸如紧致碳的不可渗透气体的导电材料制成。集电器板20的每个具有在其上侧上的输出端子21。燃料电池组100通过输出端子21输出产生在单个电池10中的电子。
绝缘板30对其中的每个设置在集电器板20的对应一个的外表面上。绝缘板30采用绝缘橡胶制成。
端板40对其中的每个设置在绝缘板30的对应一个的外表面上。端板40采用具有刚性的金属或树脂材料制成。端板40其中的一个包括冷却水入口41A、冷却水出口41B、阳极气体入口42A和阳极气体出口42B、阴极气体入口43A和阴极气体出口43B。
螺母50设置在端板40对的外表面上的接近每个端板40的四个角部的位置。螺母50拧入延伸穿过燃料电池组100的拉杆的每个的端部中。燃料电池组100通过拉杆和螺母50而沿叠置方向固紧。为了防止单个电池10之间的短路，拉杆的表面被绝缘。
可选择地，燃料电池组100可通过使用拉伸板而沿叠置方向固紧。
参照图2，描述单个电池10的结构。图2是沿叠置方向的相邻单个电池10的局部剖视图。单个电池10的每个包括MEA 60、阳极分离器71和阴极分离器72，将MEA 60夹置在其间，以及与MEA 60形成为一体的绝缘部件80。
MEA 60是分层叠置组，包括电解质薄膜61、设置在电解质薄膜61的一个表面上的阳极电极62和设置在电解质薄膜61的另一表面上的阴极电极63。
电解质薄膜61是采用碳氟树脂制成的质子传导离子交换薄膜。电极质薄膜61大于阳极电极62和阴极电极63，使得电解质薄膜61具有延伸穿过阳极电极62和阴极电极63的外边缘的外边缘61A。因为电解质薄膜61在潮湿状态下能够良好地导电，所以阳极气体和阴极气体在燃料电池组100中被加湿。
阳极电极62是多层的叠置组，包括采用包括铂等的合金制成的电极催化层，由氟碳树脂等制成的排水层以及由碳布等制成的气体扩散层，它们按照这一顺序叠置在电解质薄膜61上。
如同阳极电极62，阴极电极63是多层的叠置层，包括电极催化层、排水层和气体扩散层，它们按照这一顺序叠置在电解质薄膜61上。
阳极分离器71是诸如金属的导电材料制成的波纹状板。阳极分离器71大于MEA 60。在阳极分离器71接触阳极电极62的一侧上，用于将阳极气体供给至阳极电极62的阳极气体通道71A形成在阳极分离器71和阳极电极62之间。在阳极分离器71的相对侧上，冷却气体通道71B形成在阳极分离器71和阴极分离器72之间，用于冷却燃料电池组100的冷却水流动通过该冷却水通道71B。
阴极分离器72是采用诸如金属的导电材料制成的波纹状板。阴极分离器72大于MEA 60。在阴极分离器72接触阴极电极63的一侧上，用于将阴极气体供给至阴极电极63的阴极气体通道72A形成在阴极分离器72与阳极电极63之间。在阴极分离器72的相对侧上，冷却水通道72B形成在阴极分离器72与阳极分离器71之间，用于冷却燃料电池组100的冷却水流动通过冷却水通道72B。
通过一对相邻单个电池10其中一个的阳极分离器71形成的冷却水通道71B和通过该对相邻单个电池10其中另一个的阴极分离器72形成的冷却水通道72B彼此面对。冷却水通道71B和72B构成冷却水通道73。
采用电绝缘树脂的绝缘部件80为沿着MEA 60的外周设置的框状部件。绝缘部件80包括与MEA 60的外周形成一体的框架部分80以及从框架部分81沿着叠置方向凸出的凸出部分82。
绝缘部件80的凸出部分82沿着叠置方向(图2中的竖直方向)双向地从框架部分81的端部突伸出来。一对相邻单个电池10其中一个的绝缘部件80的凸出部分82和该对单个电池10其中另一个的绝缘部件80的凸出部分82经由第一位移吸收部件90而彼此结合。在一项实施例中，第一位移吸收部件90为结合部件。
在绝缘部件80的框架部分81中，形成狭槽83使得电解质薄膜61的外边缘61A能够插入其中。框架部分81夹置在单个电池10的阳极分离器71与阴极分离器72之间，并且经由第二位移吸收部件92结合至阳极分离器71和阴极分离器72。在一项实施例中，第二位移吸收部件92为结合部件。
第一位移吸收部件90填充在绝缘部件80之间的空间中，绝缘部件80通过第二位移吸收部件92粘合至分离器71和72，上述吸收部件可以是粘合剂，其杨氏模量比粘合剂硬化时的绝缘部件80的低。优选地，第一位移吸收部件90和第二位移吸收部件92的杨氏模量等于或低于20MPa。
由于燃料电池组100包括覆盖单个电池10的外周的绝缘部件80，所以能够确保燃料电池组100的内部与外部之间的绝缘。
如图3A所示，单个电池10的绝缘部件80的凸出部分82的沿叠置方向的厚度t1小于单个电池10的沿叠置方向的厚度t2。单个电池10的沿叠置方向的厚度t2是MEA 60沿叠置方向的厚度、阳极分离器71沿叠置方向的厚度和阴极分离器72沿叠置方向的厚度的和。如果，例如，绝缘部件80的凸出部分82沿叠置方向的厚度t1大于单个电池10的沿叠置方向的厚度t2，如图3B所示，那么相邻的单个电池10的绝缘部件80彼此干涉，使得单个电池10之间的接触压力下降，这会损害发电效率。在本实施例中，凸出部分82沿叠置方向的厚度t1小于单个电池10沿叠置方向的厚度t2。因此，相邻单个电池10的绝缘部件80不彼此干涉，由此发电效率不太可能受到损害。
图4A和4B示出燃料电池组相对于产生在MEA中的水蒸汽的密封能力。图4A示出本实施例的燃料电池组10，图4B示出比较性实例的燃料电池组200。
在图4B所示的燃料电池组200中，绝缘部件80设置成使得将单个电池10的电解质61的外边缘61A夹置在其间，由此，电解质薄膜61的外周暴露至外部。因此，如箭头A所示，产生在MEA 60中的水蒸汽能够容易地从电解质薄膜61与绝缘部件80之间释放至外部。而且，在燃料电池组200中，橡胶垫片74设置在绝缘部件80与分离器71和72之间。因为橡胶垫圈74可渗透水蒸汽，所以产生在MEA 60中的水蒸汽会从绝缘部件80与分离器71和72之间泄漏到外部，如箭头B所示。
相对比地，在图4A所示的本实施例的燃料电池组100中，单个电池10的电解质薄膜61的外边缘61A插入绝缘部件80的框架部分81的狭槽83中，框架部分81经由第二位移吸收部件92结合至分离器71和72，由此，产生在MEA 60中的水蒸汽受抑制不会通过绝缘部件80与分离器71和72之间。而且，在燃料电池组100中，相邻单个电池10的绝缘部件80的凸出部分72之间的空间填充有第一吸收位移部件90，使得燃料电池组100的内部通过绝缘部件80和第一位移吸收部件90而从外部分离开。因此，即使水蒸汽通过绝缘部件80与分离器71和72之间，水蒸汽也能够被防止泄漏到外部。
当燃料电池发电时，MEA 60的电解质薄膜61膨胀，使得燃料电池组100沿叠置方向延展。图5A至5E示出当燃料电池组沿叠置方向延展时的绝缘部件的状态。
图5C示出燃料电池组300，作为燃料电池组100的比较性实例。在燃料电池组300中，相邻单个电池10的绝缘部件80的凸出部分82经由杨氏模量高于绝缘部件80的杨氏模量的第一位移吸收部件90而彼此连接。图5D示出燃料电池组300，作为燃料电池组100的比较性实例。在燃料电池组300中，单个电池10的绝缘部件80的凸出部分82彼此形成一体。采用图5C和5D所示的燃料电池组300，绝缘部件80和第一位移吸收部件90可能不能跟随燃料电池组沿叠置方向的位移(多个MEA 60之间的位移)，这会在发电等期间产生。位移的原因包括但不局限于MEA 60的膨胀和燃料电池组300的震动，例如在经受道路不平坦性的移动汽车中。因此，绝缘部件80的凸出部分82例如可能如图5E所示破裂。
相对比地，在图5A所示的燃料电池组100中，相邻的单个电池10的绝缘部件80的凸出部分82经由杨氏模量低于绝缘部件80的杨氏模量的第一位移吸收部件90而彼此结合。如图5B所示，第一位移吸收部件90变形，使得绝缘部件80能够跟随燃料电池组沿叠置方向的位移，由此，绝缘部件80被抑制不发生破裂。
因此，本实施例的燃料电池组100具有下述优势。
在燃料电池组100中，相邻单个电池10的绝缘部件80的凸出部分82之间填充有第一位移吸收部件90。即使当MEA 60的电解质薄膜61膨胀时，第一位移吸收部件90变形，使得绝缘部件80能够跟随燃料电池沿叠置方向的位移，由此，绝缘部件80被抑制产生破裂。因此，产生在燃料电池组100中的水蒸汽不会泄漏到外部，液体汇合的产生也被抑制，由此，燃料电池组100的绝缘性能被抑制下降。
在燃料电池组100中，绝缘部件80的框架部分81与MEA 60的外周形成一体。因此，与图4B所示的燃料电池组200相比较，其中的电解质薄膜的外边缘61A夹置在绝缘部件80之间，电解质薄膜61的膨胀的面积可被降低。因此，采用燃料电池组100，燃料电池组由于电解质薄膜61的膨胀而产生的沿叠置方向的位移与燃料电池组200相比能够减小，由此，绝缘部件80更稳定地被抑制不产生破裂。
在燃料电池组100中，相邻单个电池10的绝缘部件80的凸出部分82之间的空间填充有第一位移吸收部件90，使得燃料电池组100的内部从外部分离开。因此，产生在MEA 60中的水蒸汽不会泄漏离开燃料电池组100。而且，在燃料电池组100中，单个电池10的电解质薄膜61的外边缘61A插入绝缘部件80的框架部分81的狭槽83中，绝缘部件80的框架部分81经由第二位移吸收部件92结合至分离器71和72。因此，产生在MEA 60的水蒸汽被抑制不通过绝缘部件80与分离器71和72之间。采用这种方式，在不使用垫圈等的情况下，水蒸汽被抑制泄漏至外部，由此，燃料电池组100的部件数量和尺寸能够被减小。
第二实施例
图6是第二实施例的燃料电池组100的沿叠置方向的单个电池10的局部剖视图。
第二实施例的燃料电池组100类似于第一实施例，不同于第一实施例的地方在于，单个电池10的叠置状态牢固地保持在第二实施例中。该差异主要如下所述。
燃料电池组100包括单个电池100的叠置组，每个包括绝缘部件80，单个电池的叠置组沿叠置方向夹置在端板40之间。因此，燃料电池组100沿垂直于叠置方向的方向的刚性低于燃料电池组100沿叠置方向的刚性。因此，当力从外部沿垂直于叠置方向的方向施加至燃料电池组100时，单个电池100可沿垂直于叠置方向的方向移动。如果单个电池90移动大距离，那么绝缘部件80和第一位移吸收部件90可能不能跟随单个电池10的移动，由此，绝缘部件80和第一位移吸收部件90可破裂。
为了防止这种情况的发生，如图6所示，燃料电池组100包括一对拉紧杆84，使得单个电池10能够被抑制移动。
拉紧杆84沿着单个电池10的叠置组的绝缘部件80的凸出部分82的外周表面在叠置方向上延伸。拉紧杆84固定至端板40。该对拉紧杆84设置成彼此面对并且从绝缘部件80的外侧将单个电池10夹置到其间。
第二实施例的燃料电池组100包括该对拉紧杆84，其设置在单个电池10的叠置组的外侧上并且沿着叠置方向延伸。因此，即使力从外部沿垂直于叠置方向的方向施加，单个电池10也被抑制不沿垂直于叠置方向的方向移动。由于单个电池10被抑制不沿垂直于叠置方向的方向移动，所以第一位移吸收部件90能够变形，使得绝缘部件80能够跟随单个电池10的移动。因此，绝缘部件80和第一位移吸收部件90被抑制不会破裂。因此，产生在燃料电池组100的水蒸汽不会泄漏到外部，流体汇合的产生被抑制，燃料电池组100的绝缘性能被抑制不会下降。
第三实施例
图7是第三实施例的沿叠置方向的燃料电池组100的单个电池10的局部剖视图。
第三实施例的燃料电池组100类似于第一实施例，不同于第一实施例的地方在于单个电池10的绝缘部件80的结构。该区别主要如下所述。
在第三实施例中，单个电池10的绝缘部件80的凸出部分82从框架部分81的端部单向地沿叠置方向凸出(在图7中向上)。为了吸收燃料电池组的位移，一对相邻单个电池10其中一个的绝缘部件80的凸出部分82与该对相邻单个电池10其中另一个的绝缘部件80的框架部分81的端部之间的空间填充有第一位移吸收部件90。
同样采用第三实施例的燃料电池组100，第一位移吸收部件90变形，使得绝缘部件80能够跟随燃料电池组沿叠置方向的位移，由此，能够获得类似于第一实施例的优势。
而且，在第三实施例的燃料电池组100中，根据燃料电池组的位移而变形的第一位移吸收部件90设置成比第一实施例中沿叠置方向更远离阳极分离器71和阴极分离器72的端部。因此，当第一位移吸收部件90变形使得绝缘部件80能跟随燃料电池组的位移时，绝缘部件80以及分离器71和72的端部被防止相对于彼此撞击或偏移，由此，绝缘部件80被抑制不会破裂。
虽然已经参照特定优选实施例公开本发明，但是可在不脱离由所附权利要求和其等同内容所限定的本发明的周边和范围的情况下对所述实施例进行许多改变、变化和改进。
例如，上述实施例的优势能够通过使用位移吸收装置诸如由橡胶或其他类似材料制成的弹性部件代替结合部件作为第一位移吸收90而获得。而且，在第一至第三实施例的每个中，燃料电池组100通过同时叠置所有的单个电池10而制成。但是，一些单个电池10可预先叠置从而形成电池模块，多个电池模块可以叠置从而形成燃料电池组100。采用这种结构，组装燃料电池组所需的人工小时数能够减小。
因此，本发明意在不限制于所述实施例，而是具有由随后的权利要求的语言所限定的完整范围。

Claims (18)

1.一种燃料电池组，其中，多个单个电池沿叠置方向叠置，多个单个电池的每个包括薄膜电极组件，所述电池燃料组包括：
多个绝缘部件，每个绝缘部件连接至所述薄膜电极组件的对应一个的外周部分，所述多个绝缘部件电绝缘；以及
设置在每个绝缘部件与相邻绝缘部件之间的第一位移吸收部件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，
其中，所述第一位移吸收部件的杨氏模量低于所述绝缘部件的杨氏模量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组，
其中，所述第一位移吸收部件是将相邻绝缘部件彼此结合的结合部件。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组，
其中，所述绝缘部件的每个包括沿着所述薄膜电极组件的外周形成的框架部分和从所述框架部分沿叠置方向凸出的凸出部分。
5.根据权利要求4所述的燃料电池组，
其中，所述凸出部分沿叠置方向双向地从所述框架部分凸出。
6.根据权利要求4所述的燃料电池组，
其中，所述凸出部分沿叠置方向仅单向地从所述框架部分凸出。
7.根据权利要求4所述的燃料电池组，还包括：
将所述薄膜电极组件夹置在其间的一对分离器，
其中，所述凸出部分沿叠置方向的厚度小于所述薄膜电极组件沿叠置方向的厚度和分离器对沿叠置方向的厚度的和。
8.根据权利要求4所述的燃料电池组，
其中，所述薄膜电极组件包括电解质薄膜，以及
其中，所述框架部分限定狭槽，所述电解质薄膜的外边缘插入所述狭槽。
9.根据权利要求4所述的燃料电池组，还包括：
将所述薄膜电极组件夹置在其间的一对分离器；以及
第二位移吸收部件，所述第二位移吸收部件的每个设置在所述框架部分与所述分离器之间。
10.根据权利要求9所述的燃料电池组，
其中，所述第二位移吸收部件的杨氏模量低于所述绝缘部件的杨氏模量。
11.根据权利要求10所述的燃料电池组，
其中，所述第二位移吸收部件是将所述框架部分结合至所述分离器的结合部件。
12.根据权利要求1所述的燃料电池组，还包括
一对拉紧杆，所述拉紧杆沿着叠置方向延伸并且从所述绝缘部件的外侧将所述单个电池夹置在其间。
13.一种燃料电池组，其中，多个单个电池沿叠置方向叠置，所述燃料电池包括：
多个薄膜电极组件，所述每个薄膜电极组件包括电解质薄膜；以及
外周部件，所述外周部件用以吸收所述多个薄膜电极组件之间的位移，每个所述外周部件连接至所述多个薄膜电极组件的对应一个的外周部分。
14.根据权利要求13所述的燃料电池组，
其中，所述外周部件的每个包括电绝缘的绝缘部件和吸收所述位移的位移吸收部件，所述绝缘部件连接至所述多个薄膜电极组件的对应一个的外周部分，所述位移吸收部件设置在相邻外周部件的绝缘部件之间。
15.根据权利要求14所述的燃料电池组，
其中，所述位移吸收部件的杨氏模量低于所述绝缘部件的杨氏模量。
16.根据权利要求14所述的燃料电池组，
其中，所述位移吸收部件是将所述绝缘部件彼此结合的结合部件。
17.根据权利要求14所述的燃料电池组，
其中，所述绝缘部件的每个包括沿着所述薄膜电极组件的外周形成的框架部分和沿叠置方向从所述框架部分凸出的凸出部分。
18.一种燃料电池组，包括：
多个薄膜电极组件；以及
位移吸收装置，用于吸收相邻薄膜电极组件和薄膜电极组件的每个之间的位移，并且用于将所述多个薄膜电极组件支承在外周部分。
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