CN111276728B - 具有耐腐蚀性的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池，其包括具有在第一方向上堆叠的多个单元电池的电池堆。外壳设置成围绕电池堆并且包括吸入外部空气的入口和排出已经通过入口吸入并且已经在电池堆和外壳之间的空间中循环的空气的出口。绝缘构件被设置成在电池堆的外表面和外壳的内表面之间的空间中沿第一方向延伸。绝缘构件将空间分成多个空间，并且具有形成在其中的孔，以提供分开的多个空间之间的连通，以及被构造成吸入从出口排出的空气的进气构件。

Description

具有耐腐蚀性的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，并且更具体地，涉及具有改善的稳定性和耐腐蚀性的燃料电池。
背景技术
燃料电池堆通过氢和氧(或空气)之间的化学反应获得电力。具体地，在氢和氧结合的化学反应过程期间产生水(下文称为产物水或冷凝水)。产生的水可排放到外部并且可用于适当地保持电解质膜的湿度以辅助反应。然而，在该过程中，水分可通过电解质膜的边缘泄漏到电池堆的外部。
因此，当电池堆运行时，电池堆的外壳和电池堆之间的空间中的湿度由于排放到外部的水分而增加。当水分积聚在饱和水蒸汽压力水平之上时，在电池堆内部发生冷凝。冷凝水可在高压部件和底盘之间形成电路径，从而破坏电池堆内部的电绝缘并导致组成部件的腐蚀。为了防止这种现象，已经研究了各种解决方案，诸如采用完全包围电解质膜外部的结构，或者当难以采用围绕电解质膜外部的结构时采用单独的通风结构。
发明内容
因此，本发明提供一种具有改善的电稳定性和耐腐蚀性的燃料电池。
在一个示例性实施例中，燃料电池可包括具有在第一方向上堆叠的多个单元电池的电池堆，设置成围绕电池堆的至少一部分的外壳，该外壳包括吸入外部空气的入口和排出已经通过入口吸入并且已经在电池堆和外壳之间的空间中循环的空气的出口，以及设置成在电池堆的外表面和外壳的内表面之间的空间中在第一方向上延伸的绝缘构件，该绝缘构件将空间分隔成多个空间，该绝缘构件具有形成在其中的凹槽，以使分开的多个空间彼此连通。
例如，凹槽可与电池堆的外表面间隔开，并且可与外壳的内表面接触。绝缘构件可包括与电池堆的外表面接触的第一边缘和与壳体的内表面接触的第二边缘，并且凹槽可与电池堆的外表面和外壳的内表面间隔开且可设置在绝缘构件的第一边缘和第二边缘之间。
此外，凹槽可包括多个凹槽，这些凹槽设置成在第一方向上彼此间隔开。例如，在第一方向上设置的多个凹槽可从入口和出口逐渐增大。例如，多个凹槽可包括第一凹槽和第二凹槽，第二凹槽相比于第一凹槽定位成更远离入口和出口，并且第二凹槽可具有比第一凹槽更大的横截面积。
多个凹槽可具有相同的尺寸，并且多个凹槽之间的距离可从入口和出口逐渐减小。例如，外壳的内表面可包括在第一方向上面向彼此的前表面和后表面，在与第一方向交叉的第二方向上面向彼此的内顶面和内底面，以及在与第一方向和第二方向交叉的第三方向上面向彼此的第一内侧面和第二内侧面。
另外，燃料电池还可包括设置在电池堆的相应端部处的第一端板和第二端板。外壳的前表面可对应于第一端板的内表面，并且外壳的后表面可对应于第二端板的内表面。例如，入口可设置在外壳的第一内侧面和内底面之间的第一拐角中的前表面处，并且出口可设置在外壳的第二内侧面和内顶面之间的第二拐角中的后表面处。另选地，入口可设置在邻近外壳的第一内侧面和内底面之间的第一拐角的前表面处，并且出口可设置在邻近外壳的第二内侧面和内顶面之间的第二拐角的后表面处。
燃料电池还可包括湿度传感器，其设置在外壳的第一内侧面和内顶面之间的第三拐角或外壳的第二内侧面和内底面之间的第四拐角中的至少一个上。另选地，燃料电池还可包括湿度传感器，其设置成邻近外壳的第一内侧面和内顶面之间的第三拐角或外壳的第二内侧面和内底面之间的第四拐角中的至少一个。
电池堆的外表面可包括分别面向外壳的内顶面和内底面的外顶表面和外底表面，以及分别面向外壳的第一内侧面和第二内侧面的第一外侧表面和第二外侧表面。
绝缘构件可包括设置在电池堆的外顶表面和外壳的内顶面之间的第一绝缘构件。第一绝缘构件可包括孔。绝缘构件还可包括第二绝缘构件，该第二绝缘构件设置在电池堆的外底表面和外壳的内底面之间。第二绝缘构件可包括孔。第三绝缘构件可设置在电池堆的第一外侧表面和外壳的第一内侧面之间，第三绝缘构件中具有孔，并且第四绝缘构件可设置在电池堆的第二外侧表面和外壳的第二内侧面之间，第四绝缘构件中具有孔。
在另一个示例性实施例中，燃料电池可包括：具有在第一方向上堆叠的多个单元电池的电池堆；设置成围绕电池堆的至少一部分的外壳，该外壳包括吸入外部空气的入口和排出已经通过入口吸入并且在电池堆的外表面和外壳的内表面之间的空间中循环的空气的出口；以及设置成在电池堆的外表面和外壳的内表面之间在第一方向上延伸的绝缘构件，绝缘构件具有形成在其中的孔，以允许空气沿与电池堆的外表面和外壳的内表面彼此面对的方向交叉并且与第一方向交叉的方向流动。
另外，燃料电池还可包括进气构件，该进气构件被构造成吸入从出口排出的空气。燃料电池还可包括风扇，该风扇被构造成通过出口排出空气。
附图说明
可参考以下附图详细描述布置和示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是根据本发明示例性实施例的燃料电池的概念图；
图2是根据本发明示例性实施例的图1中所示的电池堆的横截面视图；
图3A是除了进气构件之外的根据本发明示例性实施例的图1中所示的燃料电池的详细视图；
图3B是除了进气构件之外的根据本发明示例性实施例的图1中所示的燃料电池的透视图；
图3C是根据本发明示例性实施例的沿图3B中的线I-I’截取的横截面视图；
图3D是根据本发明示例性实施例的沿图3B中的线II-II’截取的横截面视图；
图4是根据本发明示例性实施例的沿图3B中的线III-III’截取的局部横截面视图；
图5A是根据本发明示例性实施例的图4中所示的“A”部分的横截面视图；
图5B是根据本发明示例性实施例的图4中所示的“A”部分的横截面视图；
图6示出了根据本发明示例性实施例的沿图3B中的线III-III’截取的横截面形状；
图7示出了根据本发明示例性实施例的沿图3B中的线III-III’截取的横截面形状；
图8示出了根据本发明示例性实施例的沿图3B中的线III-III’截取的横截面形状；
图9示出了根据本发明示例性实施例的沿图3B中的线III-III’截取的横截面形状；
图10是根据本发明示例性实施例的可包括在燃料电池中的进气构件的框图；以及
图11是根据本发明示例性实施例的可包括在燃料电池中的风扇和驱动单元的框图。
具体实施方式
应当理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它的类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途汽车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客汽车，包括各种船只和轮船的水运工具，飞机等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆以及其它替代燃料车辆(例如，来源于除石油之外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两个或更多的动力来源的车辆，例如汽油驱动和电力驱动车辆。
尽管示例性实施例被描述为使用多个单元以执行示例性过程，但是应当理解，通过一个或多个模块也可执行示例性过程。另外，应当理解，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置成存储模块，并且处理器被具体地配置成执行所述模块，从而执行下面进一步描述的一个或多个过程。
本文所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，并且不旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文清楚地指出了其它情况，单数形式“一”、“一种/个(a)”、“一种/个(an)”以及“该”旨在包括复数形式。还应当理解，当术语“包含”和/或“包括”用于本说明书中时，其指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并非排除其一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组群的存在或加入。如本文所用的，术语“和/或”包括相关列出项目的一个或多个的任何和所有组合。
除非从上下文具体地指明或明显地看出，如本文使用的，术语“约”被理解为在本领域中正常的公差范围内，例如在平均值的标准偏差2内。“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％,、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或者0.01％内。除非上下文清楚地指出，本文中提供的所有数值由术语“约”修饰。
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了各种示例性实施例。然而，这些示例以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例，是为了使本发明更加彻底和完整，并且将本发明的范围更充分地传达给本领域技术人员。
应当理解，当元件被称为在另一个元件“上”或“下”时，它可直接在元件上/下，或者也可存在一个或多个中间元件。当元件被称为“在...上”或“在...下”时，可基于该元件包括“在元件下”以及“在元件上”。此外，关系术语，诸如“第一”、“第二”、“上/上部/上方”和“下/下部/下方”仅用于区分一个主题或元件与另一个主题和元件，而不一定要求或涉及这些主题或元件之间的任何物理或逻辑关系或顺序。
在下文中，将参考附图描述根据示例性实施例的燃料电池100。为了便于描述，将使用笛卡尔坐标系(x，y，z)描述燃料电池100。然而，可使用其他不同的坐标系。在附图中，笛卡尔坐标系的x轴、y轴和z轴彼此垂直。然而，实施例不限于此。也就是说，x轴、y轴和z轴可彼此交叉。
图1是根据示例性实施例的燃料电池100的概念图。图1中所示的燃料电池100可以是例如聚合物电解质膜燃料电池(或质子交换膜燃料电池)(PEMFC)，其已被广泛研究作为用于驱动车辆的电源。然而，示例性实施例不限于燃料电池的具体形式。燃料电池100可包括端板(或按压板或压缩板)110A和110B、电池堆(或堆叠模块)122、外壳300和绝缘构件400。
图2是图1中所示的电池堆122的横截面视图。为了便于描述，在图2中省略了图1中所示的外壳300的图示。根据示例性实施例的燃料电池100可包括具有与图2中所示的构造不同的构造的电池堆，并且不限于电池堆的任何特定结构。
电池堆122可包括多个在第一方向上(例如，x轴方向)堆叠的单元电池122-1至122-N。具体地，“N”是1或更大的正整数，并且可在几十到几百的范围内。“N”的范围可以是例如约100至300，并且优选地可以是约220。然而，实施例不限于特定值“N”。
每个单元电池122-n(其中1≤n≤N)可产生约0.6伏特至1.0伏特的电力，平均约0.7伏特的电力。因此，可基于从燃料电池100供应到负载的功率的强度来确定“N”。具体地，负载可以指当燃料电池100用在车辆中时需要电力的车辆的一部分。每个单元电池122-n可包括膜电极组件(MEA)210、气体扩散层(GDL)222和224、垫圈232,234和236以及隔板(或双极板)242和244。
膜电极组件210具有一种结构，其中发生电化学反应的催化剂电极层附着到氢离子移动通过的电解质膜的两侧。具体地，膜电极组件210可包括聚合物电解质膜(或质子交换膜)212、燃料电极(或氢电极或阳极)214以及空气电极(氧电极或阴极)216。另外，膜电极组件210还可包括辅助垫圈238。
聚合物电解质膜212可设置在燃料电极214和空气电极216之间。作为燃料电池100中的燃料的氢可通过第一隔板242供应到燃料电极214，并且包含作为氧化剂的氧的空气可通过第二隔板244供应到空气电极216。供应到燃料电极214的氢可通过催化剂分解成氢离子(质子)(H+)和电子(e-)。只有氢离子可通过聚合物电解质膜212选择性地传送到空气电极216，同时电子可通过作为导体的隔板242和244传送到空气电极216。
为了实现上述操作，可将催化剂层施加到燃料电极214和空气电极216中的每一个。上述电子的运动导致电子流过外部导线，从而产生电流。换句话说，燃料电池100可由于作为燃料的氢与包含在空气中的氧之间的电化学反应而发电。在空气电极216中，通过聚合物电解质膜212供应的氢离子和通过隔板242和244传送的电子与供应到空气电极216的空气中的氧相遇，从而引起产生水(“冷凝水”或“产品水”)的反应。
在一些情况下，燃料电极214可被称为阳极，并且空气电极216可被称为阴极。另选地，燃料电极214可被称为负极，并且空气电极216可被称为正极。气体扩散层222和224可均匀地分配作为反应气体的氢和氧，并传送所产生的电能。因此，气体扩散层222和224可设置在膜电极组件210的相应侧面。换句话说，第一气体扩散层222可设置在燃料电极214的左侧，并且第二气体扩散层224可设置在空气电极216的右侧。
第一气体扩散层222可扩散并均匀地分配作为反应气体经由第一隔板242供应的氢，并且可以是导电的。第二气体扩散层224可扩散并均匀地分配作为反应气体经由第二隔板244供应的空气，并且可以是导电的。第一气体扩散层222和第二气体扩散层224中的每一个可以是微孔层，其中组合有细碳纤维。
垫圈232、234和236可将电池堆的气密性和夹紧压力相对于反应气体和冷却剂保持在适当水平，以在隔板242和244堆叠时分散应力，并独立地密封流动路径。因此，由于垫圈232、234和236可保持气密性和水密性，因此可确保与产生电力的邻近电池堆122的表面的平坦度，并且因此表面压力可均匀地分配在电池堆122的反应表面上。
隔板242和244可移动反应气体和冷却介质，并将单元电池中的每一个与其他单元电池分开。另外，隔板242和244可在结构上支撑膜电极组件210和气体扩散层222和224，并且可收集产生的电流并将收集的电流传送到集电器112。隔板242和244可分别设置在气体扩散层222和224的外部。换句话说，第一隔板242可设置在第一气体扩散层222的左侧，并且第二隔板244可设置在第二气体扩散层224的右侧。
第一隔板242可被构造成通过第一气体扩散层222向燃料电极214供应作为反应气体的氢。第二隔板244可被构造成通过第二气体扩散层224向空气电极216供给作为反应气体的空气。另外，第一隔板242和第二隔板244中的每一个可形成通道，冷却介质(例如冷却剂)可流动通过该通道。此外，隔板242和244可由石墨基材料、复合石墨基材料或金属基材料形成。
图1和图2中所示的端板110A和110B可分别设置在电池堆122的两端处，以支撑和固定单元电池122。换句话说，第一端板110A可设置在电池堆122的一个端部(例如，第一端部)处，并且第二端板110B可设置在电池堆122的相对端部(例如，第二端)处。每个端板110A和110B都可被构造成使得金属插件被塑料注塑产品包围。每个端板110A和110B的金属插件可具有高刚度以承受内表面压力，并且可通过机加工金属材料形成。例如，端板110A和110B中的每一个可通过组合多个板形成。
集电器112可设置在电池堆122和面向电池堆122的端板110A和110B的内表面110AI和110BI之间。电流收集器112可被构造成收集由电池堆122中的电子流产生的电能，并将电能供应给使用燃料电池100的负载。
此外，第一端板110A可包括多个歧管(例如，连通部分)。具体地，歧管可包括入口歧管和出口歧管。作为膜电极组件210中所需的反应气体的氢和氧可通过入口歧管从外部引入电池堆122中。其中加湿和供应的反应气体和在电池中产生的冷凝水结合的气体或液体可通过出口歧管排放到燃料电池100的外部。冷却介质可通过入口歧管从外部流入电池堆122，并且可通过出口歧管从电池堆122流到外部。如上所述，歧管允许流体流入和流出膜电极组件210。
再次参见图1，外壳300可设置成围绕设置在端板110A和110B之间的电池堆122的至少一部分。根据一个示例性实施例，外壳300可设置成围绕电池堆122的所有四个表面(例如，外顶表面、外底表面、第一外侧表面和第二外侧表面，这将在后面描述)。
根据另一个示例性实施例，外壳300可设置成仅围绕电池堆122的四个表面中的一些，并且附加构件(未示出)可被设置成围绕电池堆122的四个表面中的剩余表面。例如，外壳300可设置成仅围绕电池堆122的四个表面中的三个，并且附加构件可设置成围绕电池堆122的四个表面中的剩余一个。根据示例性实施例，外壳300可作为夹紧构件操作，以在第一方向上将多个单元电池与端板110A和110B夹持在一起。换句话说，电池堆122的夹紧压力可由具有刚性结构的端板110A和110B以及外壳300保持。
图3A是图1所示的燃料电池100的详细视图，图3B是图1所示的燃料电池100的透视图，图3C是沿图3B中的线I-I’截取的横截面视图，并且图3D是沿图3B中的线II-II’截取的横截面视图。下面将参见图3A至3D描述根据示例性实施例的外壳300。
具体地，外壳300可包括入口(或通风过滤器或排放孔)和出口(或通风口)。如图1所示，入口是可通过其吸入外部空气IN1的部件，并且出口是可通过其排出空气OUT1的部件，空气OUT1已经通过入口吸入并且已经在电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间的空间中循环。
参见图3C和图3D，外壳300的内表面可包括内顶面ITS、内底面IBS、第一内侧面ISS1和第二内侧面ISS2。外壳300的内顶面ITS和内底面IBS可在第二方向(例如，z轴方向)上面向彼此，第二方向与第一方向(例如，x轴方向)交叉。外壳300的第一内侧面ISS1和第二内侧面ISS2可在第三方向(例如，y轴方向)上面向彼此，第三方向与第一方向(例如，x轴方向)和第二方向(例如，z轴方向)交叉。
另外，外壳300的内表面还可包括第一方向(例如，x轴方向)上面向彼此的前表面和后表面。根据示例性实施例，外壳300的前表面可对应于第一端板110A的内表面110AI，并且外壳300的后表面可对应于第二端板110B的内表面110BI。
入口可设置在外壳300的前表面处，在外壳300的第一内侧面ISS1和内底面IBS之间的第一拐角中，即，可设置在第一端板110A的内表面110AI中的第一点P1处。出口可设置在外壳300的后表面处，在外壳300的第二内侧面ISS2和内顶面ITS之间的第二拐角处，即，可设置在第二端板110B的内表面110BI中的第二点P2处。另选地，入口可设置在外壳300的前表面中邻近第一拐角P1的第五点(例如P5)处，并且出口可设置在外壳300的后表面中邻近第二拐角P2的第六点(例如P6)处。
然而，示例性实施例不限于设置入口和出口的特定位置，只要入口和出口在外壳300中彼此间隔最大距离即可。电池堆122的外表面可包括外顶表面OTS、外底表面OBS以及第一外侧表面OSS1和第二外侧表面OSS2。电池堆122的外顶表面OTS可面向外壳300的内顶面ITS，并且电池堆122的外底表面OBS可面向外壳300的内底面IBS。电池堆122的第一外侧表面OSS1可面向外壳300的第一内侧面ISS1，并且电池堆122的第二外侧表面OSS2可面向外壳300的第二内侧面ISS2。
下面将参见图3A至图3D描述根据示例性实施例的绝缘构件400。绝缘构件400可设置成在电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间在第一方向(例如，x轴方向)上延伸。例如，如图3B所示，绝缘构件400可形成为条形。然而，示例性实施例不限于绝缘构件400的特定形状。
此外，绝缘构件400可设置在电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间的空间中，以将空间分成多个空间。该空间具体是电池堆的外表面和外壳的内表面之间的间隙，以提供流动路径。电池堆和外壳之间不存在直接接触。例如，如图3B至图3D所示，绝缘构件400可将电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间的空间分成四个空间SP1、SP2、SP3和SP4。因此，绝缘构件400可包括第一绝缘构件至第四绝缘构件410-440。
根据示例性实施例的燃料电池100可被构造成单个堆叠模块，其中电池堆122不被堆叠。在该燃料电池100中，电池堆122可使用外壳300和绝缘构件400夹紧，而不使用单独的夹紧杆。因此，当车辆配备有包括数十至数百个单元电池的电池堆122时，绝缘构件400可防止电池堆122在低速碰撞的情况下或在车辆向上、向下、向左和/或向右振动时变形或分离。
具体地，第一绝缘构件410可设置在电池堆122的外顶表面OTS和外壳300的内顶面ITS之间。第二绝缘构件420可设置在电池堆122的外底表面OBS和外壳300的内底面IBS之间。第三绝缘构件430可设置在电池堆122的第一外侧表面OSS1和外壳300的第一内侧面ISS1之间。第四绝缘构件440可设置在电池堆122的第二外侧表面OSS2和外壳300的第二内侧面ISS2之间。
绝缘构件400可包括形成在其中的凹槽(或通风孔)，其允许多个分开的空间彼此连通。例如，当绝缘构件400包括第一绝缘构件至第四绝缘构件410至440时，第一绝缘构件至第四绝缘构件410至440中的每一个可包括形成在其中的凹槽。形成在第一绝缘构件410中的凹槽H1可提供第一空间SP1和第四空间SP4之间的连通。形成在第二绝缘构件420中的凹槽H2可在第二空间SP2和第三空间SP3之间提供连通。形成在第三绝缘构件430中的凹槽H3可提供第一空间SP1和第二空间SP2之间的连通。形成在第四绝缘构件440中的凹槽H4可提供第三空间SP3和第四空间SP4之间的连通。
上述凹槽允许空气在与电池堆122的外表面和外壳300的内表面面向彼此的方向交叉并且与第一方向交叉的方向上流动。例如，形成在第一绝缘构件410中的凹槽H1允许空气在y轴方向上流动，y轴方向与电池堆122的外顶表面OTS和外壳300的内顶面ITS面向彼此的方向(即z轴方向)交叉并且与第一方向(即x轴方向)交叉。
另外，形成在第二绝缘构件420中的凹槽H2允许空气在y轴方向上流动，y轴方向与电池堆122的外底表面OBS和外壳300的内底面IBS面向彼此的方向(即z轴方向)交叉并且与第一方向(即x轴方向)交叉。形成在第三绝缘构件430中的凹槽H3允许空气在z轴方向上流动，z轴方向与电池堆122的第一外侧表面OSS1和外壳300的第一内侧面ISS1面向彼此的方向(即y轴方向)交叉并且与第一方向(即x轴方向)交叉。形成在第四绝缘构件440中的凹槽H4允许空气在z轴方向上流动，z轴方向与电池堆122的第二外侧表面OSS2和外壳300的第二内侧面ISS2面向彼此的方向(即y轴方向)交叉并且与第一方向(即x轴方向)交叉。
根据一个示例性实施例，绝缘构件400的相对端部可设置成分别与外壳300的前表面和后表面接触(例如，邻接)。例如，参见图3A，在第一绝缘构件410的相对端部410E1和410E2中，其一个端部410E1(例如，第一端部)可设置成与第一端板110A的内表面110AI接触，并且其相对端部410E2(例如，第二端部)可设置成与第二端板110B的内表面110BI接触。
此外，在第二绝缘构件420的相对端部420E1和420E2中，其一个端部420E1(例如，第一端部)可设置成与第一端板110A的内表面110AI接触，并且其相对端部420E2(例如，第二端部)可设置成与第二端板110B的内表面110BI接触。类似于第一绝缘构件410和第二绝缘构件420，第三绝缘构件430和第四绝缘构件440中的每一个的相对端部可设置成分别与第一端板110A的内表面110AI和第二端板110B的内表面110BI接触。
图4是沿图3B中的线III-III’截取的局部横截面视图。根据另一个示例性实施例，在绝缘构件400的相对端部中，其一个端部(例如，第一端部)可设置成部分地插入第一端板110A中，并且其相对端部(例如，第二端部)可设置成部分地插入第二端板110B中。例如，参见图4，在第一绝缘构件410的相对端部410E1和410E2中，其相对端部410E2可设置成部分地插入第二端板110B中。
如上所述，绝缘构件400可形成为与第一端板110A和第二端板110B紧密接触(例如，邻接)，以防止电池堆122变形并确保其刚性。具体地，如果在绝缘构件400中没有形成凹槽H，则电池堆122的外表面与外壳300的内表面之间的空间SP1、SP2、SP3和SP4可通过绝缘构件400彼此阻挡。因此，通过入口从外部引入的空气可不在彼此阻挡的空间SP1、SP2、SP3和SP4中循环。然而，当凹槽形成在绝缘构件400中时，空间SP1、SP2、SP3和SP4可通过凹槽彼此连通。
在下文中，将参考附图在下面描述形成在绝缘构件400中的孔或凹槽H的各种示例性实施例。为了更好地理解，将基于以下假设进行描述：入口设置在第一点P1处，设置在第一端板110A的下侧处，并且出口设置在第二点P2处，设置在第二端板110B的上侧处，如图3B所示。
图5A是图4中所示的“A”部分的一个示例性实施例A1的横截面视图，并且图5B是图4中所示的“A”部分的另一个示例性实施例A2的横截面视图。根据一个示例性实施例，绝缘构件400中的凹槽可设置成与电池堆122的外表面间隔开并且与外壳300的内表面接触。例如，参见图5A，形成在第一绝缘构件410中的凹槽H1可与电池堆122的外顶表面OTS间隔开预定距离D1，并且可与外壳300的内顶面ITS接触。
根据另一个示例性实施例，孔或凹槽H可与电池堆122的外表面和外壳300的内表面间隔开，并且可设置在绝缘构件400的第一边缘和第二边缘之间，例如可设置在绝缘构件400的中心处。具体地，绝缘构件400的与电池堆122的外表面(即外顶表面OTS)接触的部分对应于第一边缘，并且绝缘构件400的与外壳300的内表面(即内顶面ITS)接触的部分对应于第二边缘。例如，参见图5B，形成在第一绝缘构件410中的孔或凹槽H1可与外壳300的内顶面ITS间隔开预定距离D2，可与电池堆122的外顶表面OTS间隔开预定距离D3，并且可设置在第一绝缘构件410的中心处。
当凹槽H形成为与电池堆122的外表面接触时，可难以确保电池模块122的刚性。然而，根据示例性实施例，如图5A或图5B所示，凹槽H可与电池堆122的外表面间隔开，而绝缘构件400的所有底表面410B、420B、430B和440B可设置成与电池堆122的外表面接触，从而确保电池模块122的刚性。
凹槽H可包括形成在其中并且在第一方向(例如，x轴方向)上彼此间隔开的多个凹槽。例如，参见图3A，第一绝缘构件410可包括形成在其中并且在第一方向(例如，x轴方向)上彼此间隔开的多个凹槽H1，并且第二绝缘构件420可包括形成在其中并且在第一方向(例如，x轴方向)上彼此间隔开的多个凹槽H2。
图6至图9示出了根据示例性实施例的沿图3B中的线III-III’截取的各种横截面形状。如上所述，第一绝缘构件至第四绝缘构件410至440可包括形成在其中并在第一方向上(例如，x轴方向)布置的多个凹槽。例如，如图6所示，第一绝缘构件410可包括形成在其中并且在第一方向上(例如，x轴方向)设置的多个凹槽H11、H12、H13、H14和H15。如图7所示，第二绝缘构件420可包括形成在其中并且在第一方向上(例如，x轴方向)布置的多个凹槽H21、H22、H23、H24和H25。
如图8所示，第一绝缘构件410可包括形成在其中并且在第一方向上(例如，x轴方向)布置的多个凹槽H11、H12、H13、H14、H15和H16。如图9所示，第二绝缘构件420可包括形成在其中并且在第一方向上(例如，x轴方向)布置的多个凹槽H21、H22、H23、H24、H25和H26。
如图6和图7所示，第一绝缘构件410和第二绝缘构件420中的每一个可包括形成在其中的五个凹槽，并且如图8和图9所示，第一绝缘构件410和第二绝缘构件420中的每一个可包括形成在其中的六个凹槽。然而，示例性实施例不限于在每个绝缘构件400(410,420,430和440)中形成的凹槽的数量。
此外，如图3D和图6至图9所示，凹槽可形成为与外壳300的内表面接触，如图5A所示。然而，以下对凹槽的描述也可应用于如图5B所示的在绝缘构件400的中心形成多个如图3D和图6至图9中所示的孔或凹槽的构造。
根据一个示例性实施例，在第一方向(例如，x轴方向)上设置的孔或凹槽的深度可从入口或出口逐渐增加。随着距设置出口的第二端板110B的距离增加，孔或凹槽的尺寸可逐渐增加。
例如，如图6所示，在第一绝缘构件410中的凹槽H11至H15中，最靠近第二端板110B的上侧的第二拐角中的第二点P2(其处设置有出口)的凹槽H11可具有最小尺寸。另外，在第一绝缘构件410中的凹槽H11至H15中，距离第二端板110B的上侧的第二拐角中第二点P2(其处设置有出口)最远的凹槽H15可具有最大尺寸。换句话说，如图所示，凹槽H11至H15的尺寸可在箭头AR1所示的方向上逐渐增大。第一绝缘构件410中的凹槽的尺寸可使用下面的式1表示。
式1
S11<S12<S13<S14<S15
其中，S11、S12、S13、S14和S15分别表示形成在第一绝缘构件410中的凹槽H11、H12、H13、H14和H15的尺寸。
此外，凹槽的尺寸可从设置有入口的第一端板110A逐渐增大。例如，如图7所示，在第二绝缘构件420中的凹槽H21至H25中，最靠近设置在第一端板110A的下侧的第一拐角中的第一点P1处的入口的凹槽H21可具有最小尺寸。另外，在第二绝缘构件420中的凹槽H21至H25中，距设置在第一端板110A的下侧的第一拐角中的第一点P1处的入口最远的凹槽H25可具有最大尺寸。换句话说，如图所示，凹槽H21至H25的尺寸可在箭头AR2所示的方向上逐渐增大。第二绝缘构件420中的凹槽的尺寸可使用下面的式2表示。
式2
S21<S22<S23<S24<S25
其中，S21、S22、S23、S24和S25分别表示形成在第二绝缘构件420中的凹槽H21、H22、H23、H24和H25的尺寸。
如上所述，当凹槽的尺寸从入口和出口逐渐增大时，流过靠近入口或出口的凹槽的空气的量可等于或类似于流过远离入口或出口的凹槽的空气的量。具体地，空气以更高的流速通过设置成更靠近入口或出口的凹槽。
此外，包括在每个绝缘构件400(410,420,430和440)中的多个凹槽可包括第一凹槽和第二凹槽。具体地，第二凹槽可被限定为比第一凹槽更远离入口和出口的凹槽。第二凹槽可具有比第一凹槽更大的横截面积。
例如，如图3D所示，在设置入口的第五点P5与设置出口的第六点P6之间的第一路径和第二路径的距离L1和L2中，当第二路径的距离L2大于第一路径的距离L1时，形成在位于第二路径中的第二绝缘构件420和第四绝缘构件440中的凹槽的尺寸可大于形成在位于第一路径中的第一绝缘构件410和第三绝缘构件430中的凹槽的尺寸。然而，与图3D所示的构造不同，当第一路径的距离L1大于第二路径的距离L2时，形成在位于第一路径中的第一和第三绝缘构件410和430中的凹槽的尺寸可大于在位于第二路径中的第二和第四绝缘构件420和440中形成的凹槽的尺寸。
如上所述，当相比于第一孔或凹槽定位成距入口和出口更远的第二凹槽的横截面积大于第一凹槽的横截面积时，流过第一凹槽的空气的量可等于或类似于流过第二凹槽的空气的量。具体地，通过第一凹槽的空气的流速大于通过第二凹槽的空气的流速。
根据又一个示例性实施例，尽管多个凹槽具有彼此相同的尺寸，但是凹槽之间的距离可从入口和出口逐渐减小。例如，参见图8，形成在第一绝缘构件410中的凹槽H11至H16具有彼此相同的尺寸。然而，凹槽之间的距离可从第二端板110B的上侧中的第二点P2(其处设置有出口)逐渐减小。换句话说，如图所示，凹槽H11至H16之间的距离可在箭头AR1所示的方向上逐渐减小。第一绝缘构件410中的凹槽H11至H16之间的距离可使用下面的式3表示。
式3
d15<d14<d13<d12<d11
其中，d11表示凹槽H11和H12之间的距离，d12表示凹槽H12和H13之间的距离，d13表示凹槽H13和H14之间的距离，d14表示凹槽H14和H15之间的距离，并且d15表示凹槽H15和H16之间的距离。
此外，参见图9，形成在第二绝缘构件420中的凹槽H21至H26可具有彼此相同的尺寸。但是，凹槽之间的距离可从例如第一端板110A的下侧中的第一点P1(其处设置有入口)逐渐减小。换句话说，如图所示，凹槽H21至H26之间的距离可在箭头AR2所示的方向上逐渐减小。第二绝缘构件420中的凹槽H21至H26之间的距离可使用下面的式4表示。
式4
d25<d24<d23<d22<d21
其中，d21表示凹槽H21和H22之间的距离，d22表示凹槽H22和H23之间的距离，d23表示凹槽H23和H24之间的距离，d24表示凹槽H24和H25之间的距离，并且d25表示凹槽H25和H26之间的距离。
如上所述，当凹槽之间的距离从入口和出口逐渐减小时，流过远离入口或出口的凹槽的空气的量可等于或类似于流过靠近入口或出口的凹槽的空气的量。具体地，尽管凹槽具有彼此相同的尺寸，但是空气以更高的流速通过设置在更靠近入口或出口的凹槽，并且因此在预定时间段期间，流过凹槽之间的距离相对较短的节段的空气量可大于流过凹槽之间的距离相对较长的节段的空气量。
另外，根据示例性实施例的燃料电池还可包括湿度传感器。湿度传感器可被构造成感测电池堆122和外壳300之间的空间中的湿度。湿度传感器可设置在出口和入口之间。例如，湿度传感器可设置在外壳300的第一内侧面ISS1和内顶面ITS之间的第三拐角P3或外壳300的第二内侧面ISS2和内底面IBS之间的第四拐角P4中的至少一个上。
另选地，湿度传感器可设置成邻近第三拐角P3或第四拐角P4中的至少一个。例如，湿度传感器可设置在内顶面ITS或第一内侧面ISS1上，邻近第三拐角P3，或者可设置在内底面IBS或第二内侧面ISS2上，邻近第四拐角P4。
同时，下面将参照附图描述用于通过出口排放通过壳体300的入口吸入的空气的各种示例性实施例。然而，示例性实施例不限于此。
图10是可包括在燃料电池100中的进气构件510的框图。图1中所示的燃料电池100还可包括图10中所示的进气构件510。
具体地，进气构件510可被构造成使用空气压缩机吸入空气IN2，并且基于引入进气构件510的空气IN2的流速在进气构件510中形成负压。由于进气构件510可连接到外壳300的出口，因此从外壳300的出口排出的空气OUT1可借助进气构件510中的负压通过输入终端IN3被吸入进气构件510，并且可通过输出终端OUT2被排放到外部。
因此，进气构件510中的负压可使通过外壳300的入口从外部吸入的空气IN1在电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间的空间中循环，通过外壳300的出口被排出到进气构件510，并且通过进气构件510的输出终端OUT2被排放到外部。
图11是可包括在燃料电池100中的风扇520和驱动单元530的框图。图1所示的燃料电池100还可包括图11所示的风扇520和驱动单元530。风扇520可被构造成响应于从驱动单元530(例如，控制器)提供的驱动信号(例如，约为15伏的驱动电压)而通过输出终端OUT3排出通过输入终端IN4引入的空气。
当风扇520的输入终端IN4连接到外壳300的出口时，从外壳300的出口排出的空气OUT1可被吸入风扇520的输入终端IN4，并且可通过风扇520的输出终端OUT3被排出。例如，风扇520可直接连接到外壳300的出口，或者可通过单独的管(例如软管)间接连接到外壳300的出口。由于风扇520的旋转，从外壳300的外部吸入的空气IN1可在电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间的空间中循环，可通过出口被排放到风扇520，并且可通过风扇520的输出终端OUT3被排出。
由于在电池堆122的操作期间水分泄漏到外部，在电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间的空间中的湿度可能增加。当水分在该空间中积聚到饱和水蒸汽压力水平之上时，在电池堆122内部发生冷凝。然而，由于从出口排出的空气可被进气构件510或风扇520吸入，所以空气可在电池堆122的外表面和外壳300的内表面之间的空间中循环，从而适当地管理该空间中的湿度。
根据示例性实施例的燃料电池可包括绝缘构件400，绝缘构件400设置成防止具有单模块结构的电池堆122变形并确保其刚性。形成在绝缘构件400中以使电池堆122与外壳300之间的空间通风的孔或凹槽防止电池堆122中的水冷凝。因此，根据示例性实施例的燃料电池防止由于电路径的产生导致的电绝缘劣化，该电路径可能由冷凝水在高功率部件和底盘之间产生，从而确保电池堆122中的高功率电绝缘性(或稳定性)并防止电池堆122的内部部件的腐蚀。
从以上描述中显而易见的是，根据示例性实施例的燃料电池能够使空气在电池堆的外表面和外壳的内表面之间的空间中平稳地循环，从而防止由于在高功率部件和底盘之间产生电路径而导致的电绝缘劣化。因此，可能确保电池堆中的高功率电绝缘性(或稳定性)并防止电池堆的内部部件的腐蚀。
除非彼此相反，否则在不脱离本发明的目的的情况下，上述各种示例性实施例可彼此组合。另外，对于各种示例性实施例中任一个的未详细描述的任何元件，参考具有另一个示例性实施例的相同附图标记的元件的描述。
虽然已经参考本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是这些示例性实施例仅出于说明性目的而提出，并且不限制本发明，并且对于本领域技术人员来说，显而易见的是在不脱离本文阐述的示例性实施例的基本特征的情况下，可进行形式和细节上的各种改变。例如，可修改和应用示例性实施例中阐述的相应构造。此外，此类修改和应用的差异应该被解释为落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种燃料电池，包括：
电池堆，其具有在第一方向上堆叠的多个单元电池；
设置在所述电池堆的各个端部的第一端板和第二端板；
外壳，其设置为围绕所述电池堆的至少一部分，其中所述外壳包括吸入外部空气的入口和排出已通过所述入口吸入并已在所述电池堆和所述外壳之间的空间内循环的空气的出口；以及
绝缘构件，其设置为在所述电池堆的外表面和所述外壳的内表面之间的空间中在所述第一方向上延伸，其中，所述绝缘构件将所述空间分成多个空间，并包括形成在其中的凹槽，以在分开的所述多个空间之间提供连通，
其中，所述绝缘构件的相对端部中的一个端部被设置成部分地插入所述第一端板中，并且所述绝缘构件的相对端部中的另一个端部被设置成部分地插入所述第二端板中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述凹槽与所述电池堆的外表面隔开，并与所述外壳的内表面接触。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述绝缘构件包括：
第一边缘，其与所述电池堆的外表面接触；以及
第二边缘，其与所述外壳的内表面接触，
其中，所述凹槽与所述电池堆的外表面和所述外壳的内表面隔开，并设置在所述绝缘构件的所述第一边缘和所述第二边缘之间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述凹槽包括多个凹槽，所述多个凹槽设置成在所述第一方向上以预定间隔彼此隔开。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，在所述第一方向上设置的所述多个凹槽的深度从所述入口和所述出口起逐渐增加。
6.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述多个凹槽包括：
第一凹槽；以及
第二凹槽，其位于比所述第一凹槽距所述入口和所述出口更远的位置，
其中，所述第二凹槽的横截面积大于所述第一凹槽的横截面积。
7.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述多个凹槽中的每个凹槽具有相同的深度，并且所述多个凹槽之间的距离从所述入口和所述出口起逐渐减小。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述外壳的内表面包括：
在所述第一方向上彼此相对的前表面和后表面；
在与所述第一方向交叉的第二方向上彼此相对的内顶面和内底面；以及
在与所述第一方向和所述第二方向交叉的第三方向上彼此相对的第一内侧面和第二内侧面。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，还包括：
其中，所述外壳的所述前表面对应于所述第一端板的内表面，并且
其中，所述外壳的所述后表面对应于所述第二端板的内表面。
10.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述入口设置在所述外壳的所述第一内侧面和所述内底面之间的第一拐角中的所述前表面处，所述出口设置在所述外壳的所述第二内侧面和所述内顶面之间的第二拐角中的所述后表面处。
11.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述入口设置在所述前表面处，邻近所述外壳的所述第一内侧面和所述内底面之间的第一拐角，所述出口设置在所述后表面处，邻近所述外壳的所述第二内侧面和所述内顶面之间的第二拐角。
12.根据权利要求8所述的燃料电池，还包括：
湿度传感器，其设置在所述外壳的所述第一内侧面与所述内顶面之间的第三拐角和所述外壳的所述第二内侧面与所述内底面之间的第四拐角中的至少一个上。
13.根据权利要求8所述的燃料电池，还包括：
湿度传感器，其设置成与所述外壳的所述第一内侧面与所述内顶面之间的第三拐角和所述外壳的所述第二内侧面与所述内底面之间的第四拐角中的至少一个邻近。
14.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述电池堆的所述外表面包括：
外顶表面和外底表面，其分别面向所述外壳的所述内顶面和所述内底面；以及
第一外侧表面和第二外侧表面，其分别面向所述外壳的所述第一内侧面和所述第二内侧面。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，其中，所述绝缘构件包括：
第一绝缘构件，其设置在所述电池堆的所述外顶表面和所述外壳的所述内顶面之间，所述第一绝缘构件中具有所述凹槽；
第二绝缘构件，其设置在所述电池堆的所述外底表面和所述外壳的所述内底面之间，所述第二绝缘构件中具有所述凹槽；
第三绝缘构件，其设置在所述电池堆的所述第一外侧表面和所述外壳的所述第一内侧面之间，所述第三绝缘构件中具有所述凹槽；以及
第四绝缘构件，其设置在所述电池堆的所述第二外侧表面和所述外壳的所述第二内侧面之间，所述第四绝缘构件中具有所述凹槽。
16.一种燃料电池，包括：
电池堆，其具有在第一方向上堆叠的多个单元电池；
设置在所述电池堆的各个端部的第一端板和第二端板；
外壳，其设置为围绕所述电池堆的至少一部分，并包括吸入外部空气的入口和排出已通过所述入口吸入并已在所述电池堆的外表面和所述外壳的内表面之间的空间内循环的空气的出口；以及
绝缘构件，其设置为在所述电池堆的外表面和所述外壳的内表面之间在所述第一方向上延伸，其中，所述绝缘构件包括形成在其中的孔，以允许空气在与所述电池堆的外表面和所述外壳的内表面彼此相对的方向交叉、并与所述第一方向交叉的方向上流动，
其中，所述绝缘构件的相对端部中的一个端部被设置成部分地插入所述第一端板中，并且所述绝缘构件的相对端部中的另一个端部被设置成部分地插入所述第二端板中。
17.根据权利要求1或16所述的燃料电池，还包括进气构件，其被配置成吸入从所述出口排出的空气。
18.根据权利要求1或16所述的燃料电池，还包括风扇，其被配置成通过所述出口排出空气。
19.根据权利要求16所述的燃料电池，其中，所述绝缘构件包括形成在其中的大小不同的多个孔。
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