CN1374714A - 便携式燃料电池堆叠物 - Google Patents

Abstract

一种便携式燃料电池堆叠物,这种燃料电池堆叠物设置成通过减少流场板的数量来减少其组件数量,通过减少接触部分的数量以降低内阻而改善了电池的性能,而燃料直接从端板的中心被供给到一燃料分配总管。这种便携式燃料电池堆叠物,它包括:两端板;多个单元电池,这些单元电池设在所述两端板之间;一燃料分配总管,该燃料分配总管设在所述单元电池的中心,以用于供给燃料;一拉紧螺栓,该螺栓穿过所述燃料分配总管以及所述单元电池的中心,以用于使这些构件集合在一起;以及固定螺母,这些螺母螺纹连接在所述拉紧螺栓的两端,以通过一O形圈等物将所述多个单元电池一体地夹在两端板之间。单元电池包括一聚合物电解质膜片、安装在所述聚合物电解膜片的两侧上的一氧电极以及一燃料电极、一与氧电极的一侧相邻的流场板、以及一位于流场板的外侧并与之相邻接触的分隔板与另一位于燃料电极的外侧并与之接触的分隔板。其中一个固定螺母具有一与燃料分配总管相连的燃料供给孔。

Description

便携式燃料电池堆叠物

发明背景

本发明涉及一种便携式燃料电池堆叠物，这种燃料电池堆叠物可以用于各种用途，例如可用作户外活动、野餐以及家用发电器的能源，这种燃料电池所使用的是轻型的、无噪音且无污染的固态聚合物电池。

燃料电池堆叠物通常使用氢作为主要燃料，并提取出在氢与氧发生化学反应的过程中产生的能量。燃料电池堆叠物有几种类型，其中的一种为固态聚合物电解质燃料电池堆叠物。这种固态聚合物电解质燃料电池堆叠物具有的特点有：操作温度低而输出密度大。

在美国专利No.5,595,834中揭示了一种燃料电池堆叠物的实例，这种燃料电池堆叠物是普通的固态聚合物电解质燃料电池堆叠物中的一种。参照图5，一单元电池10包括一固态聚合物电解质膜片12；一阳极(燃料电极)13a以及一阴极(氧电极)13b，它们设置在固态聚合物电解质膜片12的两侧上；一燃料流场板14以及一氧流场板18，它们设置在这些电极13a与13b的侧边上；以及多块分隔板34，它们设置这些流场板14与18的侧边上；通过将这些部分相互集成从而形成了单元电池10。多个单元电池10被堆叠起来，通过将包括与燃料流场板14相连的一吸水性套管32的一燃料分配总管插入单元电池10的一中心孔中，再通过在穿过套管32的中心的螺栓26的两端部设置端板24，从而将这些单元电池夹在螺栓26的两端部之间，以及通过利用螺母通过垫片38a到38d以及一O形圈36来进行固定与装配，可以使这些堆叠起来的电池10形成一整体结构。由于这些燃料电池堆叠物适用于低功率的燃料电池，所以它们可以被设计成尺寸小且质量轻的燃料电池堆叠物。

另外，在这种聚合物电解质燃料电池堆叠物中，一燃料供给流场板29设置在一端板24和与单元电池10相邻的分隔板34之间，以提供与吸水性的套管32的贯通，这样便构成了用于向燃料流场板14供给燃料的燃料分配总管，而在端板24的外周边部分中设有一孔28，从而使燃料可以引入孔28内并供给到燃料流场板14处。

然而，在上述普通电解质燃料电池堆叠物中，由于阴极(燃料电极)13a以及阳极(氧电极)13b这两个电极设置在固态聚合物电解质膜片12的两表面上，而燃料流场板14与氧流场板18设置在这些电极13a与13b的两侧上，其中有许多接触部分，这所导致的结果是，内阻会很大，而整个电池堆叠物的性能会降低。

另外，上述普通电解燃料电池堆叠物不仅具有大量的组件，例如在燃料供给侧上的燃料流场板14与燃料供给流场板29以及用于燃料供给的端板24的孔28，而且这种燃料电池堆叠物被构造成燃料需通过燃料供给流场板29从端板24的一侧向中心供给，导致的结果是，燃料供给通道的流动阻力以及燃料的浓度波动会增大，从而会对能量供给的稳定性产生影响。使用大量的组件会导致维护工作繁重、形状复杂且尺寸偏大。

鉴于上述一些问题，而提出了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种便携式的燃料电池堆叠物，在这种燃料电池堆叠物中，通过减少流场板的数量使其组件的数量得以减少，通过减少接触部分使电池堆叠物的性能得到了改善，由此降低其内阻，燃料则是从端板的中心被直接输送并供给到燃料分配总管的。

本发明的另一个目的是提供一种便携式的燃料电池堆叠物，这种燃料电池堆叠物可以通过减少组件的数量而进一步减少尺寸与重量。

发明内容

在可达到上述目的的本发明的第一方面，一单元电池设置在一电解质电池堆叠物中，该单元电池包括一聚合物膜片、设置在聚合物电解质膜片的两侧上的一氧电极与一燃料电极、一安装在氧电极侧上的流场板、一安装在氧电极侧上的流场板的外侧上而与之接触的分隔板、以及另一安装在燃料电极的外侧上而与之接触的分隔板。

根据该第一方面，可以获得以下这些有利的效果：

(1)由于没有设置普通电解燃料电池堆叠物中安装在燃料电极侧上的流场板，两表面接触的数量可减少，而接触部分的电阻可减少，从而引起内阻的减少，而能够有效地实现电池堆叠物的发电。

(2)由于一单元电池的零件数量减少，这就可总体上使产品较便宜，并且单元电池的组装变得容易，这样就可以提高生产效率。

本发明的第二个方面的特点在于，一个固定螺母具有一燃料供给细孔，该细孔与燃料分配总管相贯通，以用于从端板的中心处供给燃料。

由此此第二方面，可以获得下列的效果：

(3)由于燃料不流经燃料流场而直接供给到燃料分配总管处，这样流动阻力会减小，而可以实现平稳的燃料供给。另外，燃料供给的浓度波动会减少，因此，可以实现稳定的发电。

(4)由于消除的电池堆叠物中的燃料流场，电池堆叠物的组件的数量可以减少，而此外，电池堆叠物的尺寸与重量也可以减小。

另外，在本发明的第三个方面，通过将吸水性的合成纤维线沿拉紧螺栓的轴向方向设置在拉紧螺栓上而形成了燃料分配总管。

(5)由于第三个方面的燃料分配总管使用了吸水性的合成纤维，这样就可以从容易获得的材料中选择一种用作燃料分配总管的材料，并且由于低成本与操作容易，燃料分配总管可以很容易的形成。

另外，根据本发明的第四个方面，另一个固定螺母设有一排水阀，该排水阀可以通过在螺栓端部处的单触式操作而向流场板等供给燃料。

(6)由于根据第四个方面，另一个固定螺母设有一排水阀，在燃料电池堆叠物的起动阶段，充足量的燃料可以通过单触式的操作而供给到聚合物电解质膜片的燃料电极侧，由此，在起动阶段，发电动作就可以顺利地开始。

附图的简要说明

图1为根据本发明的一实施例的一种便携式燃料电池堆叠物的立体示意图；

图2为图1中的便携式燃料电池堆叠物的分解截面图；

图3A为使用在如图1所示的便携式燃料电池堆叠物中的燃料供给侧上的一固定螺母的截面图，此图是沿图3B中的线IIIA-IIIA截取的；

图3B为从图3A的右侧看到的正视图；

图4为用于如图2所示的便携式燃料电池堆叠物中的一燃料分配总管的侧视图；以及

图5为一普通聚合物电解质燃料电池堆叠物的分解纵向截面图。

较佳实施例的具体描述

以下，将参照附图详细描述本发明的实施例。

图1为根据本发明的一实施例的一便携式燃料电池堆叠物的组装情况的立体图，而图2为这种便携式燃料电池堆叠物的分解截面图。这种便携式燃料电池堆叠物被称为固态聚合物电解质燃料电池堆叠物，其中可使用的原料为氢等。该便携式燃料电池堆叠物包括一固态聚合物电解质膜片12，该膜片是由0.05毫米厚的全氟化碳磺酸聚合物材料形成的，并且界于直径比其它膜片大的、厚度为0.3毫米的不锈钢分隔板34之间；一厚度为0.5毫米、内径为15毫米而外径为45毫米的燃料电极13a，以及一厚度为0.5毫米、内径为19毫米而外径为55毫米的氧电极13b，这两电极设置在固态聚合物电解质膜片12的两侧，并且由一种片状的碳材料构成；一厚度为3.5毫米、内径为19毫米而外径为55毫米的氧流场板18，该流场板18设置在氧电极13b的外侧；一外密封件16，该密封件为2毫米宽的一环形，它用于密封燃料电极13a的外周边部分，并且它是由诸如EPDM之类的合成橡胶构成的；以及一内部密封件22，该密封件22宽为5毫米，它用于密封氧电极13b与氧流场板18的内周边部分。在下列实施例中，燃料主要为氢，而氧为空气中所含的氧，并且氧是以空气的形式进行供给的。另外，固态聚合物电解质膜片12覆盖有用于化学反应的催化剂。

在该单元电池10的中部具有一开口，这样与所需的输出相适应的确切数量的单元电池堆叠起以实现集成，而通过该开口的是一拉紧螺栓26，该螺杆直径为6毫米而长度为100毫米，在拉紧螺栓的外侧沿其轴向方向设置了吸水性的合成纤维线形成的燃料分配总管32，其中的吸水性的合成纤维线是由芳香烃聚酰胺(产品名为：KEVLAR)制成的，而堆叠的单元电池以围绕燃料分配总管32的方式安装。在最外部的单元电池10的分隔板34与端板24之间夹着一由诸如EPDM之类的合成橡胶制成的端部垫片28，而不锈钢螺母40、50旋到在与每一个环氧树脂的端板24、24相对的拉紧螺栓的两端部上所切割出的螺纹上，其中端板厚度为10毫米、内径为15毫米而外径为55毫米，由此，多个单元电池10相互固定形成一个整体。

在用于将这样的单元电池10结合成一单一结构的螺母40中的中间部分有一中空孔42，如图3A与3B所示，其中分别示出了螺母的截面图与侧视图，而在相对侧上沿轴向到中心部分处切有内螺纹46，由此使拉紧螺栓可旋在其中。同时，在内螺纹46的外侧，燃料流场44设在至少在两个位置中，这些流场与中空孔42贯通，由此形成了允许燃料供给到燃料分配总管32的一燃料供给孔。在与端板24接触的螺母40的表面上形成有用来装配一O形圈36的圆形凹槽48。

另外，如图2所示，另一个螺母50也带有一内螺纹56，如同螺母40一样，螺纹56沿着轴向方向基本切到中心部分处，以便旋入拉紧螺栓26的端部，在螺母50的径向方向的外侧上形成有若干孔54，这些孔与燃料分配总管32贯通。在内螺纹56的沿轴向的相对一侧上装有一个用不锈钢制成的排气阀52，该排气阀52允许燃料可以以单触式的操作进行排放，这样该排气阀52可以通过燃料经贯通孔54供给到燃料分配总管32和燃料电极13a以及从中排放出燃料的实行而参与填充的过程。在与端板24接触的螺母50的表面上形成有用于装配O形圈的一圆形凹槽58。

如图4所示，为了燃料的供给以及为了吸收并保持所产生的水，通过使吸水的合成纤维线324与设置在圆筒形壳体的两端部上的法兰322啮合并且使这些纤维线延伸，由此使线在圆柱体的表面上拉伸，并且将它们沿轴向方向设置在其中，从而形成了燃料分配总管32。

上述结构的便携式燃料电池堆叠物可以按下列方法组装。

首先，较佳地沿垂直竖立的方向预先将螺母40连接在拉紧螺栓26的一端上，使燃料分配总管32与螺母40相连，从而将其覆盖。由此被燃料分配总管32覆盖的拉紧螺栓26将作为燃料电池堆叠物的中心轴。

相对于该中心轴，将最外面的端板24以及端部垫片28相继插入中心孔内，由此作好准备，然后，以这种方式形成单元电池10，即，通过将中心轴插入以下这些组件的中心孔而相继地将这些组件堆叠起来，这些组件分别为：分隔板34、一燃料电极13a、一设定在其中径向外侧的外部密封件16、固态聚合物电解质膜片12、内部密封件22、均定位在其中径向方向外侧上的氧电极13b与氧流场板18、以及分隔板34，由此形成了一集合物。

此后，为了下一个单元电池10，相对于上一个单元电池10的最后的分隔件34，如上一个单元电池10一样，将一燃料电极13a、一设定在其中径向外侧的外部密封件16、固态聚合物电解质膜片12、内部密封件22、均定位在其中径向方向外侧上的氧电极13b与氧流场板18、以及分隔板34插入中心轴中以组装起来。与便携式燃料电池堆叠物的预定输出相适应的确切数量的电池10通过重复上述步骤而被堆叠与组装起来。

最后，通过将中心轴插入端板24的中心孔内，使端板24设有夹在端板与最外部的单元电池10的分隔板34之间的端部垫片28。以规定的压力对若干电池10的堆叠物进行按压，例如其中压力可大约为15Mpa。在这种情况下，另一个设有排气阀的螺母50被旋到中心轴的拉紧螺栓26的端部的螺纹上，并且整个堆叠物以规定的扭矩被收紧并固定，其中的扭转可为6.8Nm、

由此组装的燃料电池堆叠物将被用作一种便携式的燃料电池堆叠物，而在这种电池堆叠物中，另外与螺母40连上一管子等物，这样可以用比供给来自于氢发生器的燃料。通过用作螺母40的燃料供给孔的中空孔42以及燃料流场44，诸如氢之类的燃料被供给到燃料分配总管32，并且通过沿着拉紧螺栓26的燃料分配总管32，进一步将燃料进给到各个单元电池10的燃料电极13a的内端部。由片状碳材料形成的燃料电极13a可以通过它的多孔材料的空隙沿径向方向供给燃料，这样就没有要求设置燃料流场板的特殊需求了。另外，由于它的外周边由外部密封件密封，这样燃料电极13a就可以将燃料供给到固态聚合物电解质膜片12处。由于在此固态聚合物12的相对侧上设有氧电极13b与氧流场板18，这样空气就可以通过氧流场板18的多孔材料的空隙从外侧供给流入，而空气中的氧则被供给到氧电极13b处。

因此，输送到固态聚合物电解质膜片12的两侧处的燃料与氧在其中发生化学反应，这样，燃料电极与氧电极分别成为一阳极与一阴极，从而实现发电效应。这时，水合作用会产生水并发热。产生的水可以在燃料分配总管32内被吸水的合成纤维线324吸收，这样就可以消除这样一种情况，即，在燃料分配总管32内形成的水可能聚集起来并阻碍燃料供给到燃料电极13a。另外，由于所产生的热，这些水会蒸发而消散在空气中。另外，由于分隔板34的半径比其它组件大，这可以使部分突出于其它组件，以用作一散热片，这样可就以使所产生的热辐射开去。

另外，由于燃料供给到燃料电极13a是直接进行的，因而无需安装燃料流场板，这样接触的零件数量就会很少。因此，内部阻力减少的量与所减少的直接接触的部分相应，并且由此可以使燃料电池堆叠物的性能保持稳定。同时，通过减少零件的数量，制造成本可以降低。由于与其它气体相比，作为燃料的氢气的分子是最小的，这样，由于燃料电极13a是由多孔材料成形的，所以即使不使用燃料流场，氢分子也可以很快地到达聚合物电解质膜片12。

另外，上述实施例中的组件的尺寸不限于上述描述中所给出的那些，那些尺寸仅仅是实例。这些尺寸应当根据使用及所需的输出量来确定。

归由上述发明的主要特征，本发明的便携式燃料电池堆叠物可得出下列的效果。

在以上的便携式燃料电池堆叠物中，在聚合物电解质膜片的燃料电极侧上，单元电池仅具有在聚合物电解膜片与分隔板之间的燃料电极，燃料是通过燃料电极直接以沿聚合物电解质膜片的径向方向供给的。因此，仅存在与燃料电极接触的一部分，而不存在其它的接触部分。因此，接触部分的内部阻力可以减小，而由电池堆叠物产生的能量可以有效地实现，从而达到优良的效果。

另外，单元电池的零件数量可以减少，结构的简化成为可能。这所产生的效果是，聚合物电解质燃料电池堆叠物总体上可以成为一种较便宜的产品。

此外，为了从外侧将燃料供给到燃料单元电池中，在以将堆叠的单元电池夹在一起的固定螺母中设置了若干个燃料供孔。因此，无需各别地安装用于燃料供给的端板的零件或一部件，便可以将燃料直接供给到燃料分配总管中，在燃料供给中的流动场的阻力可减小，以及组件的数量可以减少，这样，达到的效果是，便携式燃料电池堆叠物的尺寸与重量可以做得较小。

另外，在燃料分配总管内使用吸水性的合成纤维线所产生的效果是，无需使用特殊装置，就可以很容易地将一种能获得的材料形成燃料分配总管。

此外，由于排气阀连接的螺母是在与固定螺母上设有燃料供给孔的一侧相对的一侧上，这样在燃料电池堆叠物起动时，通过进行单触式的操作便可以对燃料电极进行填充。这样所产生的效果是，在起动过程中，发电作用可以较早且顺利地起动。

Claims (4)

1.一种便携式燃料电池堆叠物，它包括两端板；多个单元电池，这些单元电池设在所述两端板之间；一燃料分配总管，该燃料分配总管设定在所述单元电池的中心，以用于供给燃料；一拉紧螺栓，该螺栓穿过所述燃料分配总管以及所述单元电池的中心，以用于使这些构件集合在一起；以及固定螺母，这些螺母螺纹连接在所述拉紧螺栓的两端，以通过一O形圈等物将所述多个单元电池成一体地夹在两端板之间；其中，所述单元电池包括一聚合物电解质膜片、安装在所述聚合物电解膜片的两侧上的一氧电极以及一燃料电极、一位于所述氧电极的外侧从而与之相邻的流场板、以及一位于所述流场板的外侧从而与之相邻的分隔板和另一位于所述燃料电极的外侧上从而与之相邻的分隔板。

2.如权利要求1所述的便携式燃料电池堆叠物，其特征在于，其中一个所述固定螺母具有一燃料供给孔，该孔与所述燃料分配器管相连，以从所述端板的中心供给燃料。

3.如权利要求1所述的便携式燃料电池堆叠物，其特征在于，所述燃料分配总管是通过将吸水性的合成纤维线沿轴向设置在所述拉紧螺栓上而形成的。

4.如权利要求1所述的便携式燃料电池堆叠物，其特征在于，所述固定螺母中的另一个设有一排气阀，该排气阀能够通过在所述螺栓一端上的单触式操作将燃料排入所述燃料电极等内。

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