CN1969420A - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种易于部件更新和修复的燃料电池。本发明的燃料电池是由容纳电池盒的外部容器构成，每个电池盒集合了两个或更多个电池模块，该电池模块包括中空电解质膜、一对置于中空电解质膜的孔侧和壳侧的电极以及分别与该对电极接触的集电器，其中所述电池盒由两个或更多个电池模块、固定电池模块的固定部、将电池模块集电器电连接的模块连接部、以及分别将连接的电池模块的阴极和阳极电集合的阴极输出部和阳极输出部构成，其中所述外部容器由容纳两个或更多个电池盒的容纳部、将容纳的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电连接的电池盒连接部、以及分别将连接的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电集合的阴极输出端和阳极输出端构成，并且其中将两个或更多个电池盒容纳在外部容器的容纳部中。
Description
技术领域
本发明涉及其中各电池模块具有中空电解质膜的燃料电池。
背景技术
燃料电池分别供给电连接的两电极燃料和氧化剂，以使燃料发生电化学氧化反应，从而将化学能直接转变为电能。由于它与热能的产生相比不受卡诺循环的限制，因此显示出高的能量转换率。使用固体聚合物电解质膜作电解质的固体聚合物电解质燃料电池具有如易于减小尺寸或低温操作等的优点，因此将其用作便携式或移动物品的电源引起人们的兴趣。
在固体聚合物电解质燃料电池中，如果使用氢作燃料，则阳极发生方程式(1)的反应。
方程式(1)：
在方程式(1)中产生的电子流经外部回路以用作外负荷，然后到达阴极。在方程式(1)中产生的质子与水化合并通过电渗从阳极一侧穿过固体聚合物电解质膜移动至阴极一侧，其间质子为水合态。
相反，如果使用氧气作氧化剂，则阴极发生方程式(2)的反应。
方程式(2)：
在阴极产生的水主要通过气体扩散层排到外面去。
如此，燃料电池不排出除水之外的任何产物，因此它是清洁的发电装置。
目前主要开发的常规固体聚合物电解质燃料电池具有通过叠放多个平面型单电池得到的燃料电池堆，其中平面型单电池是如此制造的，即在平面状固体聚合物电解质膜的一面和另一面上分别设置催化剂层作为阳极和阴极，接着分别在所得平面状膜电极组件的两侧设置气体扩散层，然后将其插入平面状隔板中间。
为提高固体聚合物电解质燃料电池的功率密度，使用具有很薄膜厚度的质子传导性聚合物膜作为固体聚合物电解质膜。其膜厚度通常为1O0μm或更小，尽管可以使用更薄的电解质膜来提高功率密度，但单电池的厚度不可能极端降低至低于常规单电池的厚度。类似地，也可降低催化剂层、气体扩散层、隔板等的厚度。但是，即使通过降低所有部件的厚度，单位体积功率密度的改进仍然是有限的。
对于上述的隔板，通常使用耐腐蚀性优良的片状碳材。但碳材本身很昂贵。而且，通常需要对隔板表面进行精密加工以形成作为气体通道的沟槽，从而在平面状膜电极组件的整个表面上均匀供给燃料气体和氧化剂气体。因此，隔板因上述精密加工而变得太过昂贵并增加了燃料电池的制造成本。
除上述问题外，平面型单电池还具有许多问题，例如将叠放的多个单电池的周边安全密封以从上述气体通道泄漏燃料气体和氧化剂气体存在技术困难，并且发电效率会因平面状膜电极组件的扭曲或变形而降低。
最近，已开发出发电基本单元为电池模块的固体聚合物电解质燃料电池，其中电极被分别置于中空电解质膜的孔侧和壳侧(参见，例如日本专利申请待审公开No.Heisei 9-223507，日本专利申请待审公开No.2002-124273，日本专利申请待审公开No.2002-158015和日本专利申请待审公开No.2002-260685)。
通常，具有该中空型电池模块的燃料电池无需使用与在诸如平面型中所用隔板相应的元件。此外，由于通过向其孔侧和壳侧分别供给不同类型的气体来发电，因此不是特别需要形成气体通道。因此，预计其制造工艺可降低生产成本。此外，由于电池模块具有三维形状，因此与平面型单电池相比可以使其相对于体积的比表面大，从而可以预期提高单位体积的输出功率密度。
作为适于从电池获得导通(continuity)的方法，包含平面型单电池的叠层通常是利用相当大的压力将单电池叠放并压缩。因此，通过加压可以提高上述膜电极组件与气体扩散层和隔板的紧密接触，并提供有效的导通。
另一方面，由于中空状电池模块不含有隔板，所述隔板在平面型单电池中用作各电池彼此电连接的集电器，因此需要其它集电器。
发明内容
包含多个叠放的平面型单电池的叠层的所处状态是，将如上所述叠放的单电池通过相当大的压力压缩，然后密封得到。因此，例如在组成叠层的任一部件存在某些问题时，替换或修复组成叠层的部分组件并将它们重新安装是特别费力的。
本发明是在考虑上述因素完成的，并且本发明的目的在于提供一种易于部件更新和修复的燃料电池。
本发明的燃料电池包括容纳电池盒(cell cartridge)的外部容器，其中每个电池盒集合了两个或更多个电池模块，该电池模块包括中空电解质膜、一对置于中空电解质膜的孔侧和壳侧的电极以及分别与两电极接触的集电器，
其中电池盒是由两个或更多个电池模块、固定电池模块的固定部、将电池模块集电器电连接的模块连接部以及分别将连接的电池模块的阴极和阳极电集合(integrate)的阴极输出部和阳极输出部组成，
其中外部容器是由容纳两个或更多个电池盒的容纳部、对容纳的电池盒的阴极输出部和阳极输出部进行电连接的电池盒连接部、以及分别将连接的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电集合的阴极输出端和阳极输出端组成，并且
其中将两个或更多个电池盒容纳在外部容器的容纳部中。
作为本发明燃料电池的一个具体实施方案，上述燃料电池可如下设计：
也就是说，各电池盒具有扁平形状，其中在其窄宽度侧面的预定位置上设置阴极输出部和阳极输出部；并且，将两个或更多个电池盒放置在外部容器的容纳部中以使其大宽度的前面和后面相互面对；并且，通过规则设置在外部容器的预定位置上从而适应于阴极输出部和阳极输出部的位置的电池盒连接部将布置的各电池盒的阴极输出部和阳极输出部连接至相邻电池盒的异极或同极的输出部。
在本文中，作为具有上述扁平形状的一个具体实施例，可如下设计：
也就是说，电池盒具有的大宽度的前面和后面的至少之一是由平板制成的；并且，模块连接部是成对的，并分别设置于电池盒的具有窄宽度的一对上面和下面上；并且，固定部是由所述平板和所述一对模块连接部组成。
作为具有上述扁平形状的另一个具体实施例，可如下设计：
也就是说，电池盒具有由一对大宽度的前面和后面、一对窄宽度的侧面和一对窄宽度的上面和下面限定的扁平长方体形状；并且，模块连接部是由一对阴极模块连接部和阳极模块连接部组成的；并将该阴极模块连接部和阳极模块连接部分别设置于电池盒的上面和下面上，并提供有两个或更多个可将电池模块端部插入其中并以预定布置形成的孔；并且，阴极输出部连接至阴极模块连接部的沿长度方向的两端，并弯曲以将其分别设置于电池盒的一对侧面上；并且，阳极输出部连接至阳极模块连接部的沿长度方向的两端，并弯曲以将其分别设置于电池盒的一对侧面上；并且，将各电池模块布置成使其两端插入到分别设置于上面和下面的阴极和阳极连接部的孔中；并且，将电池模块的阴极集电器与阴极模块连接部连接并将电池模块的阳极集电器与阳极模块连接部连接。
在本文中，如果电池盒包括：
第一电池盒，其中将阳极模块连接部设置于上面，在该阳极模块连接部上形成的用于插入电池模块的孔是通孔，并将仅一端开口的电池模块的开口端插入到阳极模块连接部的通孔中，并将电池模块的阳极集电器连接到阳极模块连接部上；和，
第二电池盒，其中将阴极模块连接部设置于上面，并在阴极模块连接部上形成的用于插入电池模块的孔是通孔，并将仅一端开口的电池模块的开口端插入到阴极模块连接部的通孔中，并将电池模块的阴极集电器连接到阴极模块连接部上，
上述的第一和第二电池盒交替布置于外部容器的容纳部中从而串联连接。
在该容器中，将第一和第二电池盒的所有电池模块设置成开口端朝向电池盒的上面，并且其它末端封闭，因此形成的向电池模块的孔中供给燃料或氧化剂的气流通路与常规气流通路相比可以更为简单。
而且如果在本发明燃料电池中，各电池模块在中空电解质膜的壳侧设置有空气电极，并且电池盒和外部容器具有可允许外部空气自由流入的开放结构，则空气作为外部空气可通过外部容器和电池盒的开放结构部分自然供给至电池模块的壳侧，从而无需气体供给装置，因此是优选的。
本发明的燃料电池设置有两个或更多个电池盒，各电池盒具有多个固定且电连接的电池模块，以及分别将连接的电池模块的阴极和阳极电集合的阴极输出部和阳极输出部，而且这些电池盒被容纳在外部容器中并电连接，因此电流输出是从将电池盒的阴极和阳极电集合的阴极输出端和阳极输出端输出的。
根据本发明的燃料电池，电池盒可以容易地容纳在外部容器中并易于从外部容器中取出，而且在容纳或取出电池盒时易于使电池盒相互连接或解除连接。因此，当容纳在外部容器中的电池盒部件存在问题时，可以容易地将仅出现该问题的电池盒取出以修复或替换并且易于重新安装在外部容器中。此外，如果外部容器出现任何问题，可以通过更新或修复外部容器长期使用电池盒。因此，本发明的燃料电池组装和拆卸并不复杂而且维护性优良。
此外，在使用其中空气电极被置于中空电解质膜的壳侧的电池模块及使用具有可允许外部空气自由流入的开放结构的电池盒时，并不是特别需要设置气体供应源以供给气体，可将空气作为外部空气由开放结构自然吸入并供给至电池模块的壳侧。因此，无需气体供给装置和安装它的空间，从而可以设计低成本和小型的燃料电池。
附图简要说明
图1是管状电池模块的截面图。
图2是表示本发明电池盒的一实施方案的示意图。
图3是图2所示电池盒的前(后)视图。
图4是图2所示电池盒的侧视图。
图5是有关图3电池盒的A-A截面图。
图6是表示本发明电池盒的一实施方案的截面放大图。
图7是图6所示区域X的放大图。
图8是图6所示区域Y的放大图。
图9是表示本发明电池盒的一实施方案的截面放大图。
图10是图9所示区域X’的放大图。
图11是图10所示区域Y’的放大图。
图12是表示本发明外部容器的一实施方案的视图。
图13是描述电池盒的电连接的示意图。
1.中空电解质膜(全氟化碳磺酸膜)；2.阳极；3.阴极；4.阳极集电器；5.阴极集电器；6.6A.6B.电池模块；7.阳极模块连接部；8.阴极模块连接部；9.10.平板；11.阳极输出部；12.阴极输出部；13.13A.13B.电池盒；14.容纳部；15.电池盒连接部；16.17.壁板；18.底部；19.侧壁；20.盖；21.外部容器；22.阴极输出端；23.阳极输出端
最佳实施方式
本发明的燃料电池包括容纳电池盒的外部容器，其中各电池盒集合了两个或更多个电池模块，该电池模块包括中空电解质膜、一对置于中空电解质膜的孔侧和壳侧的电极、以及分别与两电极接触的集电器，
其中电池盒是由两个或更多个电池模块，固定电池模块的固定部，将电池模块集电器电连接的模块连接部，以及分别将连接的电池模块的阴极和阳极电集合的阴极输出部和阳极输出部组成，
其中外部容器是由容纳两个或更多个电池盒的容纳部，电连接容纳的电池盒的阴极输出部和阳极输出部的电池盒连接部，以及分别将连接的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电集合的阴极输出端和阳极输出端组成，并且
其中将两个或更多个电池盒容纳在外部容器的容纳部中。
下面将参照图1至13对本发明燃料电池的一个实施方案加以说明。尽管下述实施方案主要基于使用氢气作燃料和空气(氧)作氧化剂的固体聚合物型燃料电池加以说明，但需说明的是本发明并不仅限于下述实施方案。
<电池模块>
图1是在该实施方案的燃料电池中所用管状电池模块的截面图。电池模块6具有管状固体聚合物电解质膜(全氟化碳磺酸膜)1，置于该固体聚合物电解质膜1孔侧的阳极(在该实施方案中为燃料电极)2和壳侧的阴极(在该实施方案中为空气电极)3，以及置于阳极2表面上作为阳极集电器4的弹簧钢丝和置于阴极3表面上作为阴极集电器5的弹簧钢丝。通常，阳极集电器4的输出端位于管状电池模块的一端，而阴极集电器5的输出端位于该电池模块的另一端。将氢气引入并与具有上述结构的电池模块的中空部内侧接触，并将空气引入与其外侧接触，从而将燃料和氧化剂分别供给至阳极和阴极(空气电极)以产生电能。
电池模块可处于中空部(管)一端封闭而另一端开口的状态，前提是反应气体可以充足供给至中空电解质膜的内部。特别是在该实施方案中，由于作为燃料气体的具有高氢分子扩散率和几乎不含任何非反应性物质的氢气可被供给至电池模块的中空内部并且可以完全用尽，因此尽管其一端封闭仍可以将反应气体充分供给至中空部。在本文中，集电器的任一阴极侧和阳极侧输出端可位于电池模块的开口端，并且可考虑电池盒的形状、电池盒间的连接、外部容器的形状等来决定集电器输出端的位置。作为封闭电池模块一端的方法，可以是将树脂等放入中空部的一端，但其方法并没有特别限制。
在该实施方案中，电池盒13A和电池盒13B相互结合使用，其中如图6至图8所示，电池盒13A仅设置有第一电池模块6A，其中第一电池模块6A仅一端开口且阳极集电器的输出端(在这种情况下，它是从中空电池模块的孔侧延伸出的)位于开口端，并且其中如图9至11所示，电池盒13B仅设置有第二电池模块6B，其中第二电池模块6B仅有一端开口并且阴极集电器的输出端(在这种情况下，它是从中空电池模块的壳侧延伸出的)位于开口端。
尽管对管状固体聚合物电解质膜1的内径、外径、长度等没有特别限制，但管状电解质膜的外径优选为0.01至10mm，更优选0.1至1mm，进一步更优选0.1至0.5mm。外径小于0.01mm的管状电解质膜目前因技术问题难以制造。另一方面，外径大于10mm的管状电解质膜并未增加所占体积的表面积，因而所得电池模块不能提供足够的单位体积输出。
尽管从提高质子传导性的角度看优选薄的全氟化碳磺酸膜，但太薄的膜降低了隔离气体的功能并增加了非质子氢的渗透量。但是，通过聚集大量中空型电池模块制造的燃料电池与层叠燃料电池用平面型单电池的常规燃料电池相比具有大的电极面积，因而即使使用相当厚的膜也能够提供足量的输出。为此，全氟化碳磺酸膜的厚度优选为10至100μm，更优选50至60μm，进一步更优选50至55μm。
此外，鉴于上述外径和膜厚度的优选范围，内径的优选范围为0.01至10mm，更优选0.1至1mm，进一步更优选0.1至0.5mm。
在图1中，该实施方案的电池模块具有管状电解质膜。但本发明的中空电解质膜并不限于管状，其可以是具有中空部并能够向中空部流入燃料或氧化剂、从而向置于中空部孔侧的电极提供电化学反应所需活性物质的电解质膜。
由于本发明的燃料电池具有中空型电池模块，因此与具有平面型单电池的燃料电池相比具有更大的单位体积电极面积。因此，即使使用质子传导性不如全氟化碳磺酸膜的固体聚合物电解质膜，也能得到具有高的单位体积功率密度的燃料电池。对于除全氟化碳磺酸膜外的固体聚合物电解质膜，可以使用用于固体聚合物型燃料电池的电解质膜所用的材料，并且聚合物电解质的实例包括：除全氟化碳磺酸外的氟碳基离子交换树脂；聚苯乙烯基阳离子交换膜等，即基于烃骨架如“聚烯烃基”并具有至少一种选自磺酸基、膦酸基、磷酸基等的质子交换基团的树脂；包括碱性聚合物与强酸的络合物的固体聚合物电解质，例如在特开平(Tokuhyou)JP11-503262等中公开的那些，即通过向碱性聚合物如聚苯并咪唑、聚嘧啶、聚苯并唑等中添加强酸制备的那些。利用上述电解质的固体聚合物电解质膜可通过结合使用原纤维状、纺布状、无纺布状、多孔片状等的全氟化碳聚合物得到增强，或者也可以通过用无机氧化物或金属涂覆膜表面而得到增强。此外，全氟化碳磺酸膜也可以是从市场上购买的，例如Du Pont(美国)的商品Nafion，Asahi grass Co.，Ltd.的商品Flemion等。
尽管该实施方案的电解质膜是基于全氟化碳磺酸膜进行解释的，其中全氟化碳磺酸膜是作为质子传导性膜的固体聚合物电解质膜中的一种，但本发明燃料电池所用的电解质膜并没有特别限制，其可以是具有质子传导性的电解质膜或者是具有其他离子传导性如氢氧离子、氧离子(O2-)等传导性的电解质膜。具有质子传导性的电解质膜并不限于上述的固体聚合物电解质膜，可以使用：用磷酸水溶液浸透的多孔电解质板；包括多孔玻璃的质子传导性材料；水凝胶化后的磷酸盐玻璃；通过向具有纳米孔的多孔玻璃的表面和孔内引入具有质子传导性的官能团制备的有机-无机混合的质子传导性膜；使用无机金属纤维增强的电解质聚合物；等。具有其他离子如氢氧离子、氧离子(O2-)等传导性的电解质的实例包括含陶瓷材料。
置于电解质膜(全氟化碳磺酸膜)孔侧和壳侧上的各电极可以利用用于固体聚合物型燃料电池的电极材料来制造。所用电极通常是通过在电解质膜一侧顺序铺设催化剂层和气体扩散层构成的。催化剂层含有催化剂粒子，并且还可含有质子传导性材料以提高催化剂粒子的利用效率。作为电解质膜所用的材料也可用作质子传导性材料。对于催化剂粒子，优选使用催化剂物质负载在导电材料如碳质粒子或碳质纤维等碳质材料上的催化剂粒子。由于本发明的燃料电池具有中空型电池模块，因此其与具有平面型单电池的燃料电池相比具有大的单位体积电极面积。因此，即使所用催化剂是催化活性不如铂高的催化剂，也可以获得单位体积具有高功率密度的燃料电池。对于催化剂物质并没有特别限制，前提是它对阳极上氢的氧化反应或阴极上氧的还原反应具有有效的催化活性。例如，催化剂可选自金属如铂、钌、铱、铑、钯、锇、钨、铅、铁、铬、钴、镍、锰、钒、钼、镓、铝；或基于上述金属的合金。优选是Pt和含Pt及另一金属如Ru的合金。对于气体扩散层，可以使用含碳质材料如碳质粒子和/或碳质纤维作主要成分的导电材料。碳质粒子和碳质纤维的尺寸可以考虑在制造气体扩散层的溶液中的分散性、所得气体扩散层的排水能力等优化选择。至于结构和电极材料，置于电解质膜孔侧和壳侧的各个电极相互之间可相同或不同。为改进对例如所产生的水的排水能力，优选对气体扩散层按照如下方法进行斥水处理：用任意材料如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、全氟化碳烷氧基烷烃、乙烯-四氟乙烯聚合物或基于它们的混合物等浸透气体扩散层；或者使用上述材料形成斥水层。
对其中将一对电极置于管状电解质膜的孔侧和壳侧上的电池模块，其制造方法并没有特别限制。例如，方法如下：首先提供管状电解质膜；将含电解质和催化剂粒子的溶液涂覆到电解质膜的孔侧和壳侧并干燥以形成催化剂层；将含碳质粒子和/或碳质纤维的溶液涂覆到两催化剂层上并干燥以形成气体扩散层。在该方法中，所形成的催化剂层和气体扩散层使得在电解质膜孔侧上形成的气体扩散层的内侧存在中空部。
或者，方法也可如下：首先使用含碳质材料如碳质粒子和/或碳质纤维并形成管状的元件(管状碳质材料)作为第一电极(阳极)的气体扩散层；将含电解质和催化剂粒子的溶液涂覆到气体扩散层的壳侧并干燥形成催化剂层，从而制造出第一电极；接着，将含电解质的溶液涂覆到催化剂层的壳侧并干燥以形成电解质层；再在电解质层的壳侧上形成第二电极(阴极)的催化剂层；将含碳质材料的溶液涂覆到催化剂层的壳侧上并干燥形成气体扩散层。
制造管状电解质膜的方法没有特别限制，并且也可使用管状电解质膜的商品。也可用下述方法得到管状碳质材料：将碳质材料如碳质粒子和环氧基和/或苯酚基树脂分散于溶剂中；将其成型为管状并热硬化；然后烘焙。
用于形成电解质膜、催化剂层和气体扩散层的溶剂可以根据所要分散和/或溶解的材料适当地选择。此外，形成各层的涂覆方法也可以从诸如喷涂法、刷涂法等的各种方法中适当地选择。
在本发明燃料电池中所用的管状电池模块并不限于上述结构，并且其可设置有除催化剂层和气体扩散层外的任意层以改进电池模块的功能。尽管该实施方案的中空电解质膜设置有孔侧上的阳极和壳侧上的阴极，但是它还可设置有在孔侧上的阴极和壳侧上的阳极。
阳极集电器4和阴极集电器5可通过例如将金属线绕成弹簧状来制造。优选使用的金属可以是选自Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm、In等的至少一种金属，或者是基于上述金属的合金如不锈钢。其表面可进一步用Au、Pt、导电树脂等涂覆。从优良的耐腐蚀性来考虑，其中优选不锈钢或钛。金属线的规格或弹簧的绕数没有特别限制。
在制造阳极集电器4时，优选使弹簧的外径稍大于管状固体聚合物电解质膜1的内径。使置于固体聚合物电解质膜1的中空部内且稍大的阳极集电器4在负载些许压力下与阳极接触，并因此使阳极集电器4和阳极之间的电连接处于良好状态。
此外，在制造阴极集电器5时，优选使弹簧的内径稍小于管状固体聚合物电解质膜1的外径。使置于固体聚合物电解质膜1的壳侧且稍小的阴极集电器5在负载些许压力下与阴极接触，并因此使阴极集电器5和阴极之间的电连接处于良好状态。
尽管该实施方案使用了上述弹簧钢丝状集电器4、5，但其形状并不仅限于弹簧钢丝状，并且形状是任选的，前提是它是由导电材料制成的。因此，它可以是线状或圆柱状，并且可使用例如由线状金属丝或片状材料如金属箔、金属片或碳片形成的集电器。将上述集电器根据需要通过导电粘合剂如碳基粘合剂、银浆等固定在电极上。
<电池盒>
本发明的燃料电池设置有两个或更多个电池盒，其中各电池盒是由两个或更多个上述电池模块、固定电池模块的固定部、将电池模块的集电器电连接的模块连接部、以及分别将连接的电池模块的阴极和阳极电集合的阴极输出部和阳极输出部组成。
该电池盒可以从外部容器中取出和安装在外部容器中，同时避免电池盒中的电池模块破损并保持电池盒中各电池模块之间的电连接状态。
电池盒的具体结构和形状等没有特别限制，并且其一实例可如下所示：该电池盒具有扁平形状，其阴极输出部和阳极输出部位于窄宽度侧面上的预定位置处；并使其布置成具有大宽度的前后面朝向相邻各电池盒的前后面。在本文中，扁平形状并不限于矩形平行六边形，而且下述可布置并容纳在外部容器中的形状是可接受的。需要说明的是，本发明并不排除使用除扁平形状外的任意形状的电池盒，例如立方体状等。
下文参照图2至11对本发明的电池盒加以详细说明。图2是表示图1所示带有电池模块的电池盒的示意性透视图。图3是对图2所示电池盒13从与具有较大宽度并成对的前后面之一相对的一侧观察到的视图。图4是对电池盒13从与具有较小宽度并成对的侧面之一相对的一侧观察到的视图。图5是图3中的A-A截面从上面观察到的视图。
对于该实施方案中的电池盒13，电池盒13A和电池盒13B相互结合使用，其中如图6至8所示，电池盒13A仅设置有第一电池模块6A，其中第一电池模块6A仅一端开口且阳极集电器的输出端(在这种情况下，从中空电池模块的孔侧取出)位于开口端，并且其中如图9至11所示，电池盒13B仅设置有第二电池模块6B，其中第二电池模块6B仅一端开口且阴极集电器的输出端(在这种情况下，从中空电池模块的壳侧取出)位于开口端。电池模块6A和6B相互间的区别仅在于开口端是位于阳极集电器的输出端放置的一侧还是阴极集电器的输出端放置的一侧，而其他的结构则是相同的。因此，本文主要对使用电池模块6A作电池模块的第一电池盒13A加以说明。
电池盒13A具有一对由平板9和10构成的大宽度的前后面、和一对由阳极模块连接部7及阴极模块连接部8构成的窄宽度的上下面，并限定了扁平状的矩形平行六边形。将多个管状电池模块6A通过平板9和10以及阳极模块连接部7和阴极模块连接部8进行固定，并且阳极集电器4与阳极模块连接部7电连接，另一方面，阴极集电器5与阴极模块连接部8电连接。成对的各个侧面设置有阳极输出部11和阴极输出部12，其中阳极输出部11与阳极模块连接部7沿长度方向的两末端相连，而阴极输出部12与阴极模块连接部8沿长度方向的两末端相连。电池盒13A在窄宽度的各成对侧面上设置的阳极输出部11的下端和阴极输出部12的上端之间设有开孔，并因此具有可使外部空气自由流入电池盒内部空间的开放结构。
对于阳极模块连接部7和阴极模块连接部8而言，按照预定的布置形成可将电池模块6A的端部插入其中的孔(通孔)7a和8a。电池模块6A通过将其两端插入到通孔7a和8a进行固定和布置，并进一步用平板9和10固定以保持该矩形沿长度方向的构造。电池模块6A的端部可插入其中的孔通常是通孔，但是假如要插入其中的电池模块的端部是封闭的，则它可以是非穿透孔如凹口。
在该实施方案中，电池盒13A具有大宽度的一对前后面是由两平板构成的，但仅具有一块平板也是可以接受的，前提是电池模块可受到保护并固定。作为固定部的平板是由能够保护和固定电池模块并使相邻电池盒相互绝缘的材料制成的。对于该材料，可使用绝缘材料如聚碳酸酯，环氧玻璃，尼龙，聚醚砜(PES)等。尽管在该实施方案中模块连接部7、8与用作电池模块固定部的平板9、10联合，但是可以提供不含模块连接部且与平板不同的固定部。
图6是电池盒13A的放大的纵向截面图，其进一步示出电池模块6A的孔侧空间。图7和8是图6的区域X和区域Y的放大图。下文基于上述附图描述阳极模块连接部7和阳极集电器4之间的电连接，以及阴极模块连接部8和阴极集电器5之间的电连接。
如图7所示，在开口端(上端)，电池模块6a的阳极集电器4的输出端4a插入到阳极模块连接部7的通孔7a中，且从中空部的内部延伸出的阳极集电器4的输出端4a与阳极模块连接部7的由导电材料制成的导电层7b电连接。在该实施方案中，将绝缘层7c设置于阳极模块连接部7的电池模块侧，以避免因阳极集电器4、阳极2与阴极集电器5、阴极3的接触而短路。但是，不可能提供依赖于电池盒设计的绝缘层7c。插入到阳极模块连接部7的通孔7a中的电池模块6A的开口端插入并与阳极模块连接部7相连，其连接状态使得可通过通孔7a向中空电解质膜的中空部分提供氢气。
另一方面，如图8所示，在封闭端(下端)，阴极集电器5的输出端5a插入到阴极模块连接部8的通孔8a中，并且从电池模块的壳侧延伸出的阴极集电器5的输出端5a与由导电材料制成的阴极模块连接部8电连接。尽管如图8所示的阴极模块连接部8在阳极侧和阴极侧之间具有绝缘态，并因此没有设置绝缘层，但可根据需要在阴极模块连接部8中设置绝缘层。插入到阴极模块连接部8的通孔8a中的电池模块6A的一端预先用树脂密封。
形成阳极模块连接部7的导电层7b和阴极模块连接部8的导电材料并没有特别限制，并且优选使用的导电材料可以是选自Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm、In等的至少一种金属，或者是基于上述金属的合金如不锈钢。作为在阳极模块连接部7中设置的导电层7b，还可以使用绝缘材料如聚碳酸酯、环氧玻璃、尼龙、PES等。连接导电层和集电器的具体方法可以从常规方法中适当地选择，并且其实例包括焊接、堵缝等。
与电池盒13A相连的所有电池模块6A是并连的，其中如上所述，阳极集电器4与阳极模块连接部7相连，阴极集电器5与阴极模块连接部8相连。但是，在同一电池盒内电池模块间的连接形式并不受上述所有电池模块均并连的形式限制，它可以是其中所有电池模块均串连的形式，或是其中利用电池模块6A和6B并连与串连共存的形式。
与各电池模块的阳极集电器4相连的阳极模块连接部7是与阳极输出部11相连的，而与各电池模块的阴极集电器5相连的阴极模块连接部8是与阴极输出部12相连的，从而使各电池模块的阳极和阴极电集合，并使电池盒的电流从阳极输出部11和阴极输出部12输出。在图6所示的电池盒中，阳极模块连接部7沿长度方向的两端延伸并弯曲形成弯曲的端部作为阳极输出部11，并对阴极模块连接部8沿长度方向的两端以相同方法加工以形成阴极输出部12。
如图9至11所示，除下列外使用第二电池模块6B的第二电池盒13B具有与第一电池盒13A相同的结构：用电池模块6B代替电池模块6A；将阴极模块连接部8置于上面；并将阳极模块连接部7置于下面。在本文中，图10和图11是图9中区域X’和区域Y’的放大图。
<外部容器>
本发明燃料电池的特征在于将上述两个或更多个电池盒容纳在外部容器中，其中该外部容器由容纳两个或更多个电池盒的容纳部、使容纳的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电连接的电池盒连接部、以及分别将连接的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电集合的阴极输出端和阳极输出端组成。
下文参照图12对外部容器加以说明。图12是可容纳电池盒13(电池盒13A和13B)的外部容器21。外部容器21具有可容纳两个或更多个电池盒13、并使电池盒较大宽度的前后面分别与相邻电池盒的前后面相对布置的容纳部。
容纳部14是如下限定的：设置有电池盒连接部15的一对前后壁板16和17，底部18和侧壁19，并且它是包围以上述方式布置和容纳的电池盒的主体部。容纳在容纳部14中的电池盒13可各自从容纳部中取出或放入。容纳部14并不限于图12所示的主体部，只要它能够容纳两个或更多个电池盒即可，它可以是具有能够负载电池盒13的支架结构或类似浅盘结构的部件。在该实施方案中，壁板16和17除环绕其周边的框架外具有网眼状的开放结构，从而使外部空气能够自由流入外部容器中。
在该实施方案中，如图6所示，第一电池盒13A的阳极输出部11位于上面附近而阴极输出部12位于下面附近。相反，如图9所示，第二电池盒13B的阴极输出部12位于上面附近而阳极输出部11位于下面附近，并且第一和第二电池盒交替布置并容纳在外部容器的容纳部中。因此，它们是串连的。在本文中，两电池盒所具有的电池模块的每个开口端均朝向上表面并开孔。
将电池盒连接部15以一定间隔设置在壁板16和17内侧的预定位置上，使其适应于阳极输出部11和阴极输出部12的位置，其中阳极输出部11和阴极输出部12被设置在容纳的电池盒13的两侧面的上下面上。当将电池盒13容纳在容纳部中的预定位置时，阳极输出部11和阴极输出部12与电池盒连接部15自然接触形成连接。
本文参照图13对电池盒输出部与电池盒连接部的电连接进行详细说明。图13表示在将第一电池盒13A和第二电池盒13B交替布置并容纳在图12的外部容器21中时，电池盒13A和13B相对于电池盒连接部15的布置状态，并且它是从外部容器的内部观察壁板16的视图。在图13中，电池盒13A和13B是用点线表示的。此外，在图13中，为方便起见阴极输出端22是用虚线表示的。但是，阴极输出端22被置于壁板17的外侧上。此外，当使壁板16与其相对时壁板17在对称位置上具有电池盒连接部，并且它们与置于壁板16上的电池盒连接部匹配。
首先，对于图13中在外部容器21最右边位置容纳的电池盒(13A-1)而言，其阳极输出部11与电池盒连接部(15-1)连接，其中电池盒连接部(15-1)与在壁板16外侧设置的阳极输出端23相连，且其阴极输出部12与电池盒连接部(15-2)连接。其次，对于邻近电池盒(13A-1)容纳的电池盒(13B-1)而言，其阳极输出部11与电池盒连接部(15-2)连接，且其阴极输出部12与电池盒连接部(15-3)连接。再次，对于邻近电池盒(13B-1)容纳的电池盒(13A-2)来说，其阳极输出部11与电池盒连接部(15-3)连接，且其阴极输出部12与电池盒连接部(15-4)连接。如上所述，在外部容器21中容纳的电池盒13A和13B处于交替布置的状态，并且它们的阳极输出部11或阴极输出部12通过电池盒连接部15与相邻电池盒的异极输出部相连，并因此形成串连。
对于图13中在外部容器21最左边位置容纳的电池盒(13B-n)而言，其阳极输出部11与电池盒连接部(15-2n)连接，且其阴极输出部12与电池盒连接部(15-2n+1)连接，其中电池盒连接部(15-2n+1)与设置在壁板17外侧的阴极输出端22相连。其中n个电池盒13A和n个电池盒13B串连的该燃料电池的电力是从设置在外部容器外侧上的阴极输出端22和阳极输出端23输出的。对于电池盒连接部、阳极输出端和阴极输出端的材料，可以使用与上述模块连接部的导电层类似的材料。
尽管在本文中描述了电池盒的串连，但连接外部容器中电池盒的方法并不限于串连。例如，可仅利用电池盒13A或电池盒13B进行并联，或可将并联的电池盒13A组和并联的电池盒13B组进行串连。电池盒连接部的形式并不限于图12所示的形式，它可以根据所要连接的电池盒输出部的形状、电池盒的连接方式等适当地设计。
其中使用连接多个电池模块的电池盒、并将两个或更多个电池盒容纳在外部容器中且电连接的本发明燃料电池，通过向连接至电池盒的电池模块的孔侧(阳极，该实施方案中具体是燃料电极)和壳侧(阴极，该实施方案中具体是空气电极)提供氢和空气来发生电化学反应，从而进行发电。在该方法中，将氢气供给至电池模块的孔侧，并将空气供给至同一电池模块的壳侧。
尽管在附图中没有表示出来，但在外部容器的盖20中形成氢气通道，其从氢入口20a经由顶板20b的内侧并在顶板下面开口。氢气经由该通道到达设置在各电池盒上面的阳极模块连接部7或阴极模块连接部8，然后流入到插入模块连接部的通孔中的开口端，从而供给至中空部。对于从氢供应源经由各电池盒的模块连接部的通孔流入电池模块中空部的氢气通道而言，保持其气体密闭性以防止氢气泄漏。例如，在盖20的顶板20b的下面设置的开口部与设置在各电池盒上面的模块连接部之间的连接部通过O形环等处于气密状态。在该实施方案中，电池模块的开口端位于上面一侧，并且氢气是从上面一侧供给至电池模块中的，但是开口端也可以位于下面一侧，以从下面一侧供给氢气。
另一方面，空气通过外部容器的开放结构(壁板16、17的网眼结构)流入外部容器中，再通过各电池盒的开放结构(在阴极输出部12和阳极输出部11之间的开口部)流入电池盒，从而供给至电池模块的壳侧。在该实施方案中，由于外部容器和电池盒均具有能使外部空气自由流入的开放结构，因此并不特别需要设置供应空气的空气供应源，而且作为外部空气的空气可被开放结构自然吸收并供给至设置在电池模块壳侧的空气电极。因此，无需空气供应装置和安装它的空间，从而可以设计低成本和小型的燃料电池。
在本发明的燃料电池中，外部容器和电池盒可不具有上述的开放结构。例如，可接受的是将不具有开放结构的外部容器和具有开放结构的电池盒相互组合，或者使用均不具有开放结构的外部容器和电池盒。但是，在上述情况下，需要设置空气供应源并提供从空气供应源通至电池模块壳侧的气流通道。
如上所述，本发明使多个电池模块的集电器相互连接并电集合的电池盒具有能够容纳在外部容器中或从中取出并同时防止电池模块破损和保持各电池模块电连接的结构。该电池盒还具有能累积多个电池模块的电力并易于取出的结构。另一方面，本发明的外部容器具有仅通过将上述电池盒容纳在容纳部中的预定位置从而使多个电池盒相互电连接的结构。也就是说，根据本发明的燃料电池，电池盒可易于容纳在外部容器中并易于从外部容器中取出，而且在容纳或取出电池盒时易于使电池盒相互连接或解除连接。因此，如果容纳在外部容器中的多个电池盒中的部分电池盒存在问题时，可容易地将仅存在该问题的电池盒取出。如此取出的电池盒可修复或替换以方便地重新安装在外部容器中。此外，如果外部容器发生任何问题，可通过更新或修复外部容器长久使用电池盒。因此，本发明的燃料电池在组装和拆卸方面并不复杂而且维护性优良。
Claims (6)
1.一种燃料电池，其包括容纳电池盒的外部容器，每个电池盒集合了两个或更多个电池模块，电池模块包括中空电解质膜、一对设置于中空电解质膜的孔侧和壳侧的电极、以及分别与该对电极接触的集电器，
其中所述电池盒由两个或更多个电池模块、固定该电池模块的固定部、将电池模块集电器电连接的模块连接部、以及分别将连接的电池模块的阴极和阳极电集合的阴极输出部和阳极输出部构成，
其中所述外部容器由容纳两个或更多个电池盒的容纳部、将容纳的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电连接的电池盒连接部、以及分别将连接的电池盒的阴极输出部和阳极输出部电集合的阴极输出端和阳极输出端构成，并且
其中将两个或更多个电池盒容纳在外部容器的容纳部中。
2.根据权利要求1的燃料电池，其中各电池盒具有扁平形状，其阴极输出部和阳极输出部设置在其窄宽度侧面的预定位置上，并且将两个或更多个电池盒布置在外部容器的容纳部中以使其大宽度的前面和后面彼此相对，通过规则设置在外部容器的预定位置上从而适应于阴极输出部和阳极输出部的位置的电池盒连接部将布置的各电池盒的阴极输出部和阳极输出部连接至相邻电池盒具有的异极或同极的输出部。
3.根据权利要求2的燃料电池，其中具有扁平形状的电池盒的一对大宽度的前面和后面的至少之一是由平板制成的，所述模块连接部分别成对设置于电池盒的一对窄宽度的上面和下面上，并且固定部由所述平板和所述一对模块连接部构成。
4.根据权利要求2或3的燃料电池，其中所述电池盒具有由一对大宽度的前面和后面、一对窄宽度的侧面和一对窄宽度的上面和下面限定的扁平长方体形状，而且所述模块连接部由一对阴极模块连接部和阳极模块连接部构成，并且该阴极模块连接部和阳极模块连接部被分别设置于电池盒的上面和下面上且设置有两个或更多个能将电池模块端部插入其中并以预定布置形成的孔，而且所述阴极输出部与所述阴极模块连接部的沿长度方向的两端连接并弯曲从而分别设置于电池盒的一对侧面上，并且所述阳极输出部与所述阳极模块连接部的沿长度方向的两端连接并弯曲从而分别设置于电池盒的一对侧面上，而且各电池模块被布置成其两端插入到分别在上面和下面设置的阴极和阳极连接部的孔中，并且电池模块的阴极集电器与阴极模块连接部连接、电池模块的阳极集电器与阳极模块连接部连接。
5.根据权利要求4的燃料电池，其中所述电池盒包括第一电池盒，其中将阳极模块连接部设置于上面，并且在该阳极模块连接部上形成的用于插入电池模块的孔是通孔，并将仅一端开口的电池模块的开口端插入到阳极模块连接部的通孔中，并将电池模块的阳极集电器连接到阳极模块连接部上；和第二电池盒，其中将阴极模块连接部设置于上面，并且在该阴极模块连接部上形成的用于插入电池模块的孔是通孔，并将仅一端开口的电池模块的开口端插入到阴极模块连接部的通孔中，并将电池模块的阴极集电器连接到阴极模块连接部上，并且该第一和第二电池盒交替布置于外部容器的容纳部中从而串联连接。
6.根据权利要求1至5任一项的燃料电池，其中
各电池模块在中空电解质膜的壳侧上设置有空气电极，而且所述电池盒和所述外部容器具有能使外部空气自由流入的开放结构。
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