CN1701456A - 用于减少燃料电池的内部电路的结构 - Google Patents

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CN1701456A CNA038010267A CN03801026A CN1701456A CN 1701456 A CN1701456 A CN 1701456A CN A038010267 A CNA038010267 A CN A038010267A CN 03801026 A CN03801026 A CN 03801026A CN 1701456 A CN1701456 A CN 1701456A
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Abstract

一种减少燃料电池内部电路的结构，包括：相邻堆叠的单元电池；用于连接单元电池的各燃料侧流入路径并使它们电绝缘的燃料侧分配装置；和用于连接单元电池的各空气侧流入路径的空气侧分配装置，能够使由燃料作为电解质溶液的多个堆叠单元电池中的电连接和由附加部分产生的漏电减至最少。

Description

用于减少燃料电池的内部电路的结构
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及用于减少燃料电池内部电路的结构，该结构能够使在多个堆叠的单元电池中存在的内部电路最少化。
背景技术
燃料电池作为对化石燃料的替代品而存在，它将通过燃料如氢的氧化所产生的化学能直接转化为电能。
图1图解说明一个燃料电池的例子。如图1中所示，在燃料电池中，当含氢燃料和作为氧化剂的空气分别提供给设置在电解质层10两侧的燃料电极(阳极)11和空气电极(阴极)12时，在燃料电极11上发生电化学氧化反应，产生氢离子和电子，氢离子通过电解质层10移向空气电极12，电子通过将燃料电极11连接到空气电极12的负载20移向空气电极12。同时，在空气电极12上发生电化学还原反应，在氢离子与氧结合的同时产生热量和副产物。此处，在从燃料电极11发出的电子移向空气电极12的同时，产生电流。
一个单元燃料电池由该结构组成。此处，为了产生更多的电能，可将多个单元电池组合而构成一个燃料电池。
此外，燃料电池可根据燃料种类、工作温度和催化剂等分为不同类型。
当氢基燃料如NaBH4、KBH4、LiAlH4、KH、NaH等溶解在碱性水溶液中时，燃料成为电解质溶液，与氢离子同时产生的电子通过电解质溶液(燃料)移动。
图2是描述根据常规技术采用电解质溶液作燃料的燃料电池的例子的截面图，图3是描述燃料电池堆的平面图，图4是描述燃料电池的第一管路的平面图，图5是描述燃料电池的第二管路的平面图。
如图2-5所示，在燃料电池中，单极板110、120分别设置在一个双极板100的两侧上，两个M.E.A(膜电极组件)130分别插在双极板100和单极板100的两侧上，两个M.E.A(膜电极组件)130分别插在双极板100和单极板110、120之间，端板140分别设置在单极板110、120的两侧上。通过紧固装置150将双极板100、单极板110、120、M.E.A 130和端板140固定地组合在一起，从而构成电池堆。
在双极板100中，在具有一定厚度和面积的极板101的两侧上分别形成流体流动通道102、103；形成其中分别流过燃料和空气的流入路径104、105和流出路径106、107，以便与通道102、103连接。
在单极板110、120中，在具有一定厚度和面积的极板111、121的一侧上形成流体流动通道112、122；在极板111、121上形成连接到通道112、122的流入路径113、123和流出路径114、124，以便接收和排放流体。
在相同线路上设置双极板100和单极板110、120的燃料侧流入路径104、124，在与燃料侧流入路径104、123相同的线路上设置空气侧流入路径105、113以便具有一定的间隔。
在M.E.A 130中，在具有一定面积的电解质层131的一侧上形成与燃料接触的燃料侧电极132，在电解质层131的另一侧上形成与空气接触的空气侧电极133。在M.E.A 130中，在同一位置设置相同的电极。
把用于分配燃料和空气以便使它们分别流入燃料侧流入路径104、123和空气侧流入路径105、113的第一管路160设置在电池堆的一侧上，把用于收集将分别排放到燃料侧流出路径106、124和空气侧流出路径107、114的燃料和空气的第二管路170设置在电池堆的另一侧上，通过附加紧固装置180将第一和第二管路160、170固定地组合在一起。在第一管路160中，在具有一定厚度和矩形区域的主体单元162中分别形成燃料侧空间162和空气侧空间163，在燃料侧空间162的底部上形成与燃料侧流入路径104、123连接的通孔164，在空气侧空间163的底部上形成与空气侧流入路径105、113连接的通孔165。并且在第二管路170中，在具有一定厚度和矩形区域的主体单元171中分别形成燃料侧空间172和空气侧空间173，在燃料侧空间172的底部上形成与燃料侧流出路径106、124连接的通孔174，在空气侧空间173的底部上形成与空气侧流出路径107、114连接的通孔175。
第一管路的燃料侧空间162由导管(未示出)连接到燃料箱(未示出)和泵(未示出)，第二管路的燃料侧空间172由附加再生装置(未示出)连接到燃料箱。
在上述燃料电池中，当在燃料箱中的燃料流入第一管路的燃料侧空间162中时，同时空气流入第一管路的空气侧空间163。在燃料侧空间162中的燃料通过通孔164流入电池堆的双极板100和单极板120的流入路径104、123。
当燃料在通道102、122中流动时，在M.E.A 130的燃料侧电极132上发生电化学氧化，产生氢离子和电子，氢离子通过M.E.A的电解质层131移向空气侧电极133，电子通过双极板100或单极板110、120移向空气侧电极133。同时，当在第一管路的空气侧空间163中的空气通过在空气侧空间中的通孔165、电池堆的各双极板100和单极板110的流入路径105、113流入通道103、112中时，在M.E.A的空气侧电极133上与氢离子发生电化学反应。
与此同时，排放到第二管路的燃料侧空间172中的燃料通过再生装置流入燃料箱并再次提供给电池堆。
并且，当在单极板110、120之间连接负载时，在电流借助于电位差流过负载的同时产生电能。
但在，在常规结构中，因为电解质溶液用作燃料，燃料电连接堆叠的单元电池从而构成内部电路，因此可能发生漏电，由此可能出现电损耗。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于减少燃料电池的内部电路的结构，该结构能够使在多个堆叠的单元电池中存在的漏电减至最低限度。
为了实现上述目的，用于减少燃料电池内部电路的结构包括：相邻堆叠的单元电池；用于连接单元电池的各燃料侧流入路径并使它们电绝缘的燃料侧分配装置；和用于连接单元电池的各空气侧流入路径的空气侧分配装置。
此外，用于减少燃料电池内部电路的结构包括：由相邻堆叠的单元电池构成的电池堆；分别设置在电池堆两侧上的第一和第二管路，以便具有用于连接单元电池的燃料侧路径的燃料侧连接路径和用于连接单元电池的空气侧路径的空气侧连接路径；结合在电池堆和第一管路之间的第一绝缘构件，以便具有用于将单元电池的燃料侧路径与第一管路的燃料侧连接路径连接的燃料侧通孔和用于将单元电池的空气侧路径与第一管路的空气侧连接路径连接的空气侧通孔；以及结合在电池堆和第二管路之间的第二绝缘构件，以便具有用于将单元电池的燃料侧路径与第二管路的燃料侧连接路径连接的燃料侧通孔和用于将单元电池的空气侧路径与第二管路的空气侧连接路径连接的空气侧通孔。
附图说明
提供附图以进一步理解本发明，附图结合在本说明书中并构成本说明书中的一部分，附图说明本发明的实施例并与说明书一起解释本发明的原理。
在附图中：
图1是描述一般燃料电池的截面图；
图2是描述常规燃料电池的一个例子的截面图；
图3是描述根据常规技术的燃料电池堆的平面图；
图4和5是分别描述根据常规技术的燃料电池的局部分解的第一和第二管路的平面图；
图6是根据本发明第一实施例的具有用于减少燃料电池的内部电路的结构的燃料电池的截面图；
图7是描述图6中燃料电池的平面图；
图8是描述根据本发明第二实施例的具有内部电路减少结构的燃料电池的截面图。
图9是描述沿图8中的线A-B取向的燃料电池的截面图；
图10是描述沿图8中的线C-D取向的燃料电池的截面图；和
图11是表示根据本发明的第一和第二实施例的单元电池的对照结果的曲线图。
具体实施方式
下面，参考附图描述本发明的优选实施例。
首先，描述根据本发明第一实施例的用于减少燃料电池内部电路的结构。
图6是描述具有根据本发明第一实施例的内部电路减少结构的燃料电池的截面图，图7是描述图6中燃料电池的平面图。
如图6和7所示，根据本发明第一实施例的用于减少燃料电池内部电路的结构包括：相邻堆叠的单元电池(C)；用于连接单元电池(C)的各燃料侧流入路径并使它们(电)绝缘的燃料侧分配装置；和用于连接单元电池(C)的各空气侧流入路径205的空气侧分配装置。
燃料侧分配装置是用于连接单元电池(C)的各燃料侧流入路径的燃料侧分配管240。燃料侧分配管240向单元电池(C)的各燃料侧流入路径分配燃料并同时形成电绝缘空间。
空气侧分配装置是用于连接单元电池(C)的各空气侧流入路径的空气侧分配管280。
并且，燃料流入管250连接到燃料侧分配管240，燃料流入管250连接到燃料箱260。流入外部空气的空气流入管290与空气侧分配装置280结合。
单元电池(C)由双极板200、分别设置在双极板200的两侧上的单极板210、220、以及分别插入双极板200和单极板210、220之间的M.E.A 230构成。双极板200、两个单极板210、220和M.E.A 230构成一个单元电池(C)。
在双极板200中，通道202、203分别形成在具有一定厚度和矩形区域的极板201的两侧上，在极板201上形成用于将燃料和空气分别传送给通道202、203的流入路径204、205，在极板201上形成用于将燃料和空气排放出通道202、203的流出路径206、207。在极板201的一面上形成燃料侧流入路径204和空气侧流出路径207，在极板201的另一面(与上述表面相反)上形成燃料侧流出路径206和空气侧流入路径205。燃料侧流入路径204和燃料侧流出路径206对角设置，空气侧流入路径205和空气侧流出路径207对角设置。
在单极板中210、220中，在具有一定厚度和矩形区域的表面211、221的一侧上形成通道212、222，在极板211、221上形成用于将流体接纳到通道212、222中和从通道212、222中排放出流体的流入路径213、223和流出路径214、224。在双极板200的两侧上分别设置单极板210、220，以便使通道212、222面对双极板的通道202、203。此处，当单极板210的通道212面对在其中空气流动的双极板200的通道203时，燃料在单极板210的通道212中流动。当单极板220的通道222面对在其中燃料流动的双极板200的通道202时，空气在单极板220的通道222中流动。
在M.E.A 230中，在具有一定面积的电解质层231的一侧上形成其上接触燃料的燃料侧电极232，在电解质层231的另一侧上形成其中接触空气的空气侧电极233。M.E.A 230插入双极板200和单极板210、220之间，以便使电极232、233按相同方向设置。
燃料侧分配管240将双极板的燃料侧流入路径204连接到其中燃料流动的单极板的燃料侧流入路径213。燃料侧分配管240被制成弯曲形状。把燃料流入管250连接到燃料侧分配管240，连接燃料流入管250以便将其设置在燃料侧分配管240的中心。
把燃料流入管250连接到用于储存燃料的燃料箱260，在燃料流入管250上安装用于泵送燃料的第一泵270，把第一泵270设置在燃料侧分配管240和燃料箱260之间。燃料箱的燃料是电解质溶液。
燃料侧分配管240和燃料流入管250由绝缘材料制成。
流出管208分别与双极板200的燃料例流出路径206和邻接于燃料侧流出路径206并具有燃料的单极板210的燃料侧流出路径214结合。
空气侧分配管290将双极板200的空气侧流入路径205与邻接于空气侧流入路径205并具有空气的单极板220的空气侧流入路径223连接。空气侧分配管290被制成弯曲形状。空气流入管251连接到空气侧分配管290，连接空气流入管251以便将其设置在空气侧分配管290的中心上。空气侧分配管290和空气流入管251由绝缘材料制成。
在空气流入管251上安装用于泵送空气的第二泵271。
流出管281分别与双极板200的空气侧流出路径207和连接于空气侧流出路径207并具有空气的单极板220的空气侧流出路径224连接。
以下将描述用于减少燃料电池内部电路的结构的工作方式。
首先，当第一泵270和第二泵271工作时，在燃料箱260中的燃料通过燃料流入管250流入燃料侧分配管240。在燃料侧分配管240中的燃料被分配并流入各单元电池(C)的燃料侧流入路径204、213，在燃料侧流入路径204、213中的燃料流过通道202、212。在燃料流过通道202、212的同时，利用M.E.A的燃料侧电极232发生电化学氧化，产生氢离子和电子，氢离子通过M.E.A的电解质层231移向空气侧电极233，电子通过双极板200移向空气侧电极233。
同时，外部空气通过空气流入管251流入空气侧分配管290，并流入各单元电池(C)的空气侧流入路径205、223。在各单元电池(C)的空气侧流入路径205、223中的空气流过通道203、222的同时，在M.E.A的空气侧电极233上空气与氢离子发生电化学氧化。
经过各单元电池(C)的通道202、212的燃料分别由燃料侧排放路径206、214和排放管280进行排放。经过各单元电池(C)的通道203、222的空气由空气侧流出路径207、224和流出管281进行排放。由流出管280排放的燃料经过附加再生装置(未示出)并重新流入燃料箱260。
当负载连接于单极板210、220之间时，在电流借助于电位差流过负载时，产生电能。
在那个过程中，因为由燃料箱260提供的燃料通过燃料侧分配管240进行分配并流入各单元电池(C)的燃料侧电极，所以通过燃料侧分配管240抑制了由燃料电池的电连接产生的漏电。更为详细地讲，因为作为电解质溶液流入各单元电池(C)的燃料通过具有一定长度的燃料侧分配管240进行连接，通过燃料的电连接是不稳定的，因此使漏电减至最少。
此外，经过各单元电池(C)的燃料分别通过附加排放管280进行排放，切断了通过燃料的电连接，因此防止了漏电。
与此同时，在本发明中，通过分别安装用于泵送燃料和空气的泵270、271，能够使泵的数量减至最少。
以下将描述根据本发明第二实施例的燃料电池的内部接地电流减少结构。
图8是描述具有根据本发明第二实施例的内部电路减少结构的燃料电池的截面图，图9是描述沿图8中的线A-B截取的燃料电池的截面图，图10是描述沿图8中的线C-D截取的燃料电池的截面图。
如图8-10中所示，根据本发明第二实施例的用于减少燃料电池内部电路的结构包括：由堆叠的单元电池(C)构成的电池堆；分别设置在电池堆两侧上的第一和第二管路，以便具有用于连接单元电池(C)的燃料侧路径的燃料侧连接路径和用于连接单元电池(C)的空气侧路径的空气侧连接路径；结合在电池堆和第一管路之间的第一绝缘构件，以便具有用于将单元电池(C)的燃料侧路径与第一管路的燃料侧连接路径连接的燃料侧通孔和用于将单元电池(C)的空气侧路径与第一管路的空气侧连接路径连接的空气侧通孔；以及结合在电池堆和第二管路之间的第二绝缘构件，以便具有用于将单元电池(C)的燃料侧路径与第二管路的燃料侧连接路径连接的燃料侧通孔和用于将单元电池(C)的空气侧路径与第二管路的空气侧连接路径连接的空气侧通孔。
电池堆由两个单元电池(C)构成。在单元电池(C)中，单极板310、320分别设置在一个双极板300的两侧上，M.E.A分别插入双极板300和单极板310、320之间。
单元电池(C)由双极板、单极板和M.E.A构成。
双极板300、单极板310、320和M.E.A 330具有与根据第一实施例的双极板200、单极板210、220和M.E.A 230相同的结构。
附图标记301、311、312是极板，302和303是通道，303、313是燃料侧流入路径，305和323是空气侧流入路径，306和314是燃料侧流出路径，307和324是空气侧流出路径。此外，附图标记331是电解质层，332是燃料侧电极，333是空气侧电极，420是端板。
在第一管路340中，在具有一定厚度和矩形区域的主体341的一侧上形成燃料侧连接路径342，在主体341的另一侧上形成空气侧连接路径343。形成所述的燃料侧连接路径342是为了连接相邻两个单元电池(C)的燃料侧流入路径304、313。形成所述的空气侧连接路径343是为了连接这两个单元电池(C)的空气侧流出路径307、324。
在第一管路340的改进中，将它分成包括燃料侧连接路径342的部分和包括空气侧连接路径343的部分。形成所述的包括燃料侧连接路径342的部分和所述的包括空气侧连接路径343的部分是为了具有一定的厚度和矩形区域。
在第二管路350中，在具有一定厚度和矩形区域的主体351的一侧上形成燃料侧连接路径352，在主体351的另一侧上形成空气侧连接路径353。形成所述的燃料侧连接路径352是为了连接相邻两个单元电池(C)的燃料侧流出路径306、314。形成所述的空气侧连接路径353是为了连接这两个单元电池(C)的空气侧流入路径305、323。
在第二管路350的改进中，将它分成包括燃料侧连接路径352的部分和包括空气侧连接路径353的部分。形成所述的包括燃料侧连接路径352的部分和所述的包括空气侧连接路径353的部分是为了具有一定厚度和矩形区域。
第一和第二管路340、350可由绝缘材料制成，这里可以不采用第一和第二绝缘构件360、370。
由附加紧固装置400将第一和第二管路340、350固定地组合在一起。
第一和第二绝缘构件360、370具有矩形形状和一定厚度，其中分别形成燃料侧通孔361、371和空气侧通孔362、372。当燃料侧通孔361、371和空气侧通孔362、372填满燃料时，存在着绝缘空间。
连接到燃料箱380的燃料流入管390与第一管路340的燃料侧连接路径342连接，用于排出空气的流出管391与空气侧连接路径343连接。在燃料流入管390上安装第一泵392，在燃料箱380中存储的燃料是电解质溶液。
用于排出燃料的燃料流出管393与第二管路350的燃料侧连接路径352连接，流入外部空气的空气流入管394与空气侧连接路径353连接。在空气流入管394上安装第二泵395。
下面描述根据本发明第二实施例的用于减少燃料电池内部电路的结构的工作方式。
首先，在燃料箱380中的燃料通过燃料流入管390流入第一管路的燃料侧连接路径342、并流入该电池堆的各单元电池(C)的燃料侧流入路径304、313，在燃料侧流入路径304、313中的燃料流过通道302、312。在燃料流过通道302、312的同时，利用M.E.A的燃料侧电极332发生电化学氧化反应，产生氢离子和电子，氢离子通过M.E.A的电解质层331移向空气侧电极333，电子通过双极板300移向空气侧电极333。
同时，外部空气通过空气流入管394流入空气侧连接路径353并流入各单元电池(C)的空气侧流入路径305、323。在各单元电池(C)的空气侧流入路径305、323中的空气流过通道303、322的同时，在M.E.A的空气侧电极333上空气与氢离子发生电化学氧化反应。
经过各单元电池(C)的通道302、312的燃料分别经由第二管路的燃料侧排放路径306、314、排放管393和燃料侧连接路径352进行排放。经过各单元电池(C)的通道303、322的空气经由第一管路的空气侧流出路径307、324、空气侧连接路径343和流出管391进行排放。由流出管393排出的燃料通过附加再生装置(未示出)并重新流入燃料箱380。
当负载连接于单极板310、320之间时，在电流借助于电位差流过负载时，产生电能。
在那一结构中，因为在第一和第二管路340、350之间第一和第二绝缘构件360、370被组合在一起，所以能够防止由电池堆、第一管路340和第二管路350引起的漏电。
此外，借助第一和第二绝缘构件360、370，能够使通过作为电解质的燃料的连接引起的漏电减至最少。更为详细地讲，依据第一和第二绝缘构件360、370的燃料侧通孔361、371的高度，与第一管路的燃料侧连接路径342、第二管路的燃料侧连接路径352、和其中单元电池(C)的燃料流动的路径的电连接是不稳定的，从而使泄漏减至最少。更为详细地讲，第一和第二绝缘构件的燃料侧通孔361、371起到绝缘管的作用，通过燃料的电连接是不稳定的，能够使泄漏减至最少。
与此同时，当第一和第二管路340、350由绝缘材料制成时，由于燃料的电连接是不稳定的，因此能够使泄漏减至最少。
图11是表示根据本发明的第一和第二实施例的单元电池的对照结果的曲线图。
如图11中所示，和一般的单元电池相比，在第一和第二实施例中，由于漏电引起的电损耗小。单元电池具有的结构使由燃料和附加部分引起的电泄漏非常少。
如上所述，在根据本发明用于减少燃料电池内部电路的结构中，在堆叠的多个单元电池中，通过将由作为电解质溶液的燃料的电连接和由附加部件的电连接引起的漏电减至最少，可以提高单元电池的电能效率。

Claims (13)

1.一种用于减少燃料电池的内部电路的结构，包括：
相邻堆叠的单元电池；
一燃料侧分配装置，用于连接所述的单元电池的每一个燃料侧流入路径并使它们电绝缘；和
一空气侧分配装置，用于连接所述的单元电池的每一个空气侧流入路径。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述的燃料侧分配装置是用于连接所述的单元电池的燃料侧流入路径并形成绝缘空间的一燃料侧分配管，并且所述的燃料侧分配管由绝缘材料制成。
3.根据权利要求1所述的结构，其中将所述的燃料侧流入路径和所述的空气侧流入路径设置成彼此相对。
4.根据权利要求1所述的结构，其中安装一用于提供燃料的泵作为所述的燃料侧分配装置。
5.根据权利要求1所述的结构，其中流出管分别与所述的单元电池的燃料侧流出路径连接。
6.根据权利要求1所述的结构，其中安装一用于提供空气的泵作为所述的空气侧分配装置。
7.一种用于减少燃料电池内部电路的结构，包括：
一包括相邻堆叠的单元电池的电池堆；
一第一和一第二管路，分别设置在电池堆两侧上，以便具有用于连接所述的单元电池的燃料侧路径的燃料侧连接路径和用于连接所述的单元电池的空气侧路径的空气侧连接路径；
一第一绝缘构件，被组合在所述的电池堆和所述的第一管路之间，以便具有用于将所述的单元电池的燃料侧路径与所述的第一管路的燃料侧连接路径连接的燃料侧通孔和用于将所述的单元电池的空气侧路径与所述的第一管路的空气侧连接路径连接的空气侧通孔；以及
一第二绝缘构件，被组合在所述的电池堆和所述的第二管路之间，以便具有用于将所述的单元电池的燃料侧路径与所述的第二管路的燃料侧连接路径连接的燃料侧通孔和用于将所述的单元电池的空气侧路径与所述的第二管路的空气侧连接路径连接的空气侧通孔。
8.根据权利要求7所述的结构，其中所述的第一和第二绝缘构件分别具有一定的厚度以便使它的内部通孔具有绝缘空间。
9.根据权利要求7所述的结构，其中所述的第一和第二管路由绝缘材料制成。
10.根据权利要求7所述的结构，其中形成所述的第一管路的燃料侧连接路径，以便使相邻两个单元电池的燃料侧流入路径彼此连接，形成所述的第一管路的空气侧连接路径，以便使所述的两个单元电池的空气侧流出路径彼此连接。
11.根据权利要求7所述的结构，其中所述的第一管路被分成包括所述的燃料侧连接路径的一部分和包括所述的空气侧连接路径的一部分。
12.根据权利要求7所述的结构，其中形成所述的第二管路的燃料侧连接路径，以便使相邻两个单元电池的燃料侧流出路径彼此连接，形成所述的第二管路的空气侧连接路径，以便使所述的两个单元电池的空气侧流入路径彼此连接。
13.根据权利要求7所述的结构，其中所述的第二管路被分成包括所述的燃料侧连接路径的部分和包括所述的空气侧连接路径的部分。
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