专利名称：分裂的电池式燃料电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一分裂的电池式燃料电池组，其可作为一电源或一发电器用于不同的应用，例如户外的、娱乐的和家庭的应用，还可适用于商务机器以及类似的应用，且其制成为使用一无噪声的、轻型的及无污染的固体聚合物燃料电池组的薄型装置。
背景技术：
一般来说，燃料电池组用氢作为主要的燃料，并在该氢与氧发生化学反应过程中取得所产生的能量。有几种类型的燃料电池组，其中一种类型是一固体聚合物电解质燃料电池组。该固体聚合物电解质燃料电池组具有诸如工作温度低和输出密度高的特征。
在本申请的申请人较早提出的一专利申请-美国专利No.5,595,834或日本专利申请No.2001-66109中公开了这种传统的固体聚合物电解质燃料电池组的实例。在图3所示的这样一燃料电池组中，固体聚合物电解质膜12的两侧设置有一阳极(燃料电极)13a和一阴极(氧电极)13b，设置一氧流场板18毗邻氧电极13b，燃料电极13a和氧流场板18的两侧各设置有一分隔板34，将它们彼此组合一起而形成电池单元10。将多个电池单元10堆叠起来。这些具有输出产生的电力的终端的分隔板用作集流板35a和35b。设置由一亲水性套筒形成的燃料分配总管32，通过每一单元电池10内的一中心孔，且与每一单元电池的燃料电极13a连通，又在通过套筒的中心或轴线的连接螺栓26的两端部分别设置端板24，来将它们夹在连接螺栓26的两端之间，用螺母40和50经由垫圈和O形环36将这些燃料电池部件连接并固定在一起成为单一结构。这样的燃料电池组适用于低功率燃料电池组，因此其可以设计成尺寸小且重量轻的燃料电池组。
在该聚合物电解质燃料电池组中，燃料通过螺帽40的一中心部分供给燃料电极13a，且经由亲水性套筒型的燃料分配总管32分配。
然而，上述传统的固体聚合物电解质燃料电池组是作一小型设备或类似设备的电源，因此需要将其做成一较小、较薄型的设计而保持高电压及低电流特性的电池。
当它需要产生一高电压时，必须将许多电池堆叠在一起，因此难于实现燃料电池的薄型设计。为了使燃料电池能用作为商务机器或类似设备的电源，有必要在高电压下获得低电流，还有必要缩小电池部分的尺寸，而当其外形尺寸这样缩小时，由于燃料(即，氢)是从中心轴线部分提供的，所以燃料电池组的生产遇到困难。
发明内容
鉴于上述问题提出了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一小而轻型设计的分裂的电池型燃料电池组，以便解决生产中遇到的问题。
本发明另一目标是提供一薄型设计的分裂的电池型燃料电池组，以便适用于一高电压、低电流的小型设备。
为达到上述目的，按照本发明的第一方面，提供一分裂的电池型燃料电池组，其中，多个彼此电绝缘的电池块，通过一聚合物电解质膜的两侧分隔一电池部分而形成。
本发明的第一方面达到以下功能。
(1)多个电池块分别起单元电池(单个电池)的作用，因此每个电池块可起单元电池的作用，以获得一高电压和低电流的输出，该输出是以与传统的单个电池同样大小的电池获得，因此配置在同一平面内的单元电池的数量可以增加，由此电池部分的数量可以减少，从而燃料电池可形成薄型设计。
(2)为了提供一能产生一高电压和低电流输出的燃料电池组，迄今为止，在具有设置在中心部分的燃料分配总管以向其供给燃料的每个单元电池中，有必要缩减每一聚合物电解质膜、一燃料电极、一氧电极、分隔板等的面积，且也有必要提供许多单元电池。然而，在本发明中，多个单元电池设置在电池部分的共同平面内，这样，可解决生产中遇到的问题。
在本发明第二方面，多个电池块通过分隔燃料电极、氧电极、氧流场板和各分隔板而形成。
(3)在该第二方面中，除了聚合物电解质膜，燃料电极、氧电极、氧流场板和每个分隔板是分裂的，因此每个分裂的电池块起一单元电池的作用，因此通过将电池部分形成所需的规模，可容易地获得具有高电压和低电流性能的燃料电池。
在本发明第三方面中，燃料电极的互相分裂部分是由一电绝缘材料做的外密封件分隔的，而氧电极的互相分裂部分以及氧流场板的分分裂分是由一电绝缘材料做的内密封件分隔的。
(4)在该第三方面中，通过电绝缘密封件分隔诸电池块，因此由内部密封件的径向向外延伸部分和外部密封件的径向向内延伸部分将诸电池块相互隔开，每个密封件安装在相邻电池块间的对应边界区域，每个电池块可作为一单元电池有效地实施预定功能。
图1是一分裂的电池式燃料电池组在拆开情形下的的一分解的立体图，图2是一图表，其是一传统的燃料电池组的性能与本发明的分裂的电池式燃料电池组的性能的比较。该分裂的电池式燃料电池组称为使用诸如氢之类燃料的固体聚合物电解质燃料电池组。该燃料电池组包括一由一内密封件22分隔的电池部分10，其中电池部分1具有一固体聚合物电解质膜12，该膜是由全氟化碳磺酸聚合物材料制成，且具有0.05mm的厚度；在固体聚合物电解质膜12的相对侧分别设置的一燃料电极13a，其由薄板状碳材料制成且具有一0.5m的厚度、一15mm的内直径和一45mm的外直径，以及一氧电极13b，其由薄板状碳材料制成且具有一0.5mm的厚度、一19mm的内直径和一55mm的外直径；在氧电极13b的外侧设置的一氧流场板18，其由碳材料制成且具有一3.5mm的厚度、一19mm的内直径和一55mm的外直径；一具有一电绝缘的环状外密封件16，其密封燃料电极13a的一外周缘，该外密封件由诸如EPDM的合成橡胶制成且具有5mm的宽度；一内密封件22，其密封氧电极13b和氧流场板18的内周缘，该内密封件由诸如EPDM的合成橡胶制成且具有2mm宽度；以及在其间插入以上元件的诸分隔板34，每个分隔板由不锈钢制成且具有一0.3mm的厚度、一大于其它元件直径的直径。
在以上的燃料电池组中，在固体聚合物电解质膜12的两侧形成多个分裂部分，且在包括燃料电极13a的一侧，该燃料电极13a同分隔板34a均等分成四部分，与外密封件16一体形成的且从外密封件16延伸的四个密封件部分(电绝缘部分)分别地安装并固定在燃料电极13a的每一毗邻隔开部分间的边界区域，且也安装并固定在分隔板34a的每一毗邻隔开部分间的边界区域。另一方面，在包括氧电极13b的那一侧，氧电极13b、氧流场板18和分隔板34b均等分成四部分，而四个与内密封件22一体形成的且从内密封件22延伸的密封部分、即电绝缘部分分别地安装并固定在氧电极13b、氧流场板18和分隔板34b的每一毗邻隔开部分间的边界区域。这样，形成了多个分裂电池块。每个这样分隔成四个分裂电池块的分隔板34a、燃料电极13a、氧电极13b、氧流通道板18和分隔板34b配置在同一平面来形成电池部分10，分裂电池块分别地起单元电池(单个电池)的作用，且有高电压、低电流输出的性能。
在以上实施例中，燃料主要是氢，氧就是空气中的氧气，且由空气供给。固体聚合物电解质膜12装备有用于化学反应的催化剂。下文将描述燃料的供给，尽管可以利用螺帽40和50提供燃料，但燃料也可以由如图1所示的一连通孔直接地提供，该孔形成在沿其轴线的连接螺栓26的中心部分。
连接螺栓26具有一中心孔且其直径为6mm以及一合适的长度，连接螺栓用来将电池部分10的各元件夹到一起成为一单一结构，更具体地说，一由芳香族聚酰胺(KEVLAR)(商标名)制成的亲水的合成纤维纱线形成的燃料分配总管32安装在该连接螺栓26上并沿其轴线延伸，而该连接螺栓26贯穿电池部分10。将一由诸如EPDM的合成橡胶制成的端衬垫28a、28b夹在各个分隔板34a和34b(分别地设置在电池部分10的两侧)以及端板24a、24b之间，而不锈钢螺帽40和50分别地旋入带螺纹的部分，该螺纹部分各自形成在连接螺栓26的相对端部，且分别地面向端板24a和24b，该端板24a和24b各由环氧树脂制成且具有一10mm的厚度、15mm的内直径和55mm的外直径；通过上述做法，将电池部分10的元件夹到一起成为一单一结构。
如图3所示的传统的例子，用来将电池部分10的元件夹到一起的螺帽40具有一通过其中心部分形成的中空孔42，在该中空孔的内表面形成有一内螺纹部分46，其从螺帽40面对端板24a的一侧轴向地延伸到该内表面的中心部分，且连接螺栓26能旋入该内螺纹孔。内螺纹部分46的径向向外处设置至少两个燃料流动通道44，其与中空孔连通，用作为将燃料供给燃料分配总管的燃料供给入口。在螺帽40面对端板24a的一侧形成有一环形槽48，环形槽内装有一O形环36。
如图3所示，另一螺帽50内形成有一内螺纹部分56，同螺帽40一样，其轴向地延伸到螺帽的中心部分，因而连接螺栓26的螺纹端部可以旋入该内螺纹部分56，该内螺纹部分56的径向向外处形成有用来与燃料分配总管连通的连通孔54。一不锈钢的放气阀52，其在操作开始的时候用一触操作清除剩余的空气实现燃料的充入，该放气阀安装在螺帽50沿轴线方向背离内螺纹部分56的那一侧，燃料可以通过连通孔54充入及排出燃料分配总管32和燃料电极13a以便协助燃料的注入。一环形槽58形成在螺帽50面对端板24b的那一侧，且环形槽内充装有一O形环。
设置燃料分配总管32来供给燃料，以及吸收和容纳产生的水，该燃料分配总管32这样构成在凸缘上保持亲水的合成纤维纱线，且分别地形成在管状外套的两端，这些亲水的纤维纱线环绕圆筒形外壳的表面设置，并在两凸缘之间沿其轴线延伸。
以上结构的分裂的电池式燃料电池组可按下列方法装配。
首先，一螺帽40预先装到一连接螺栓26的一端部，较佳地在连接螺栓26垂直竖立的情形下，一燃料分配总管32安装在连接螺栓26上。安装有燃料分配总管32的连接螺栓26形成燃料电池的一中心轴。
最外的端板24a和端衬垫28a依次在它们中心孔处安装在这中心轴上，然后为了形成一电池部分10，组装一分隔成四块的分隔板34a，一沿燃料电极13a径向向外设置的外密封件16，其具有分别安装在每一毗邻隔开部分间的边界区域的径向向内延伸的密封件部分16’，分隔成四份的燃料电极13a，一固体聚合物电解质膜12，一分隔成四份的氧电极13b，一内密封件22，其具有分别安装在每一毗邻隔开部分间的边界区域的密封件部分22’(从氧电极13b的内圆周径向向外地延伸)，一分隔成四块的氧流场板18和一分隔成四块的分隔板34b，以使每一分隔成四份元件的分裂部分装配在一起，然后，上述元件相继地在它们的中心孔处安装在中心轴上，并堆叠在一起，由此装配成电池部分。在这种情形下，分别配置在毗邻端衬垫28a和28b的分隔板分别用作集流板35a和35b。
每个分隔板34a和34b如同燃料电极13a、氧电极13b和氧流场板18一样被分裂，且在装配的情形下，分隔板34a的诸分裂部分34a’分别地相对燃料电极13a的诸分裂部分13a’配置，而分隔板34b的诸分裂部分34b’分别地相对立于氧流场板18的诸分裂部分18’配置。
此后，如有必要，为了形成下一电池部分10，在前一的电池部分10的分隔板34b的后面，沿燃料电极13a径向向外配置的一外密封件16，燃料电极13a，一固体聚合物电解质膜12，一氧电极13b，一内密封件22，一氧流通道板18和一分隔板34依次地在它们中心孔处安装在中心轴上，如同前面描述的电池部分，每个分隔元件的诸分裂部分配置在一个平面内，以上元件以这种方法装配在一起。按照分裂的电池型燃料电池所要求的输出，重复该电池部分的装配操作，以将所需数量的电池部分10堆叠并装配在一起。
最后，一端板24b在其中心孔处装在中心轴上，且堆叠在最外的电池部分10的分隔板34上，用一端衬垫28b夹在其间。该堆叠电池部分10在一预定的压力下(例如，大约1.5Mpa)夹持在一起。在此情形下，连有一放气阀52的另一螺帽50，旋在形成中心轴的连接螺栓26的螺纹端部，且该堆叠电池部分由一预定的转矩(例如，6.8Nm)旋紧并紧固。
为了使这样装配的燃料电池可用作为一分裂的电池型燃料电池，一管或诸如此类的连接件连接到螺帽40，以便从一氢发生设备或类似的设备供给其燃料。诸如氢的燃料经螺帽40内的用作燃料供给孔的中空孔42和燃料流动通道44供给燃料分配总管32，且其经沿连接螺栓26延伸的燃料分配总管32供给电池部分10的燃料电极13a的四个分裂部分的内部圆周边缘。燃料电极13a由一分隔的薄板状碳材料件组成以形成诸部分，因此，不需要提供任何燃料流动通道板，燃料可通过这种多孔材料的气孔从燃料电极13a的内部圆周边缘径向向外地供给，由于燃料电极13a的外部周缘和它们的分裂部分由外密封件16和径向向内地延伸的密封件部分密封，所以，可向固体聚合物电解质膜12提供燃料。在固体聚合物电解质膜12的相对侧设置氧电极13b和氧流场板18，以使氧电极13b的分裂部分分别地相对氧流场板18的分裂部分，因此通过由多孔材料制成的氧流场板18的气孔提供外面的空气，空气中的氧气提供给氧电极13b的分裂部分。
这样分别供给固体聚合物电解质膜12的两侧的燃料和氧，彼此在膜12处进行化学反应，燃料电极作为阴极而氧电极作为阳极，集流板35a’和35b’通过金属线电气地联结在一起，实现发电作业从而获得电输出。在这种情形中，燃料电极13a同氧电极13b一样，分裂成四块，因此，可获得按照作为一单元电池(单个电池)的每片的面积所决定的电池的输出，所以该提供高电压和低电流输出的燃料电池可合适地应用于一使用半导体的电子设备。图2清晰地示出该电池的性能，图2的图表示出本发明的每个具有四个分裂电池块的3片电池的输出性能以及一传统实例的每片无分裂电池块的3片电池的输出性能。
尽管由于水合作用产生了水和热量，但产生的水被燃料分配总管的亲水的合成纤维纱线吸收，因此产生的水不会驻在燃料分配总管内，由此不会阻止对燃料电极的燃料供给。除此之外，产生的热量使水蒸发并消失在大气中。分隔板34的半径比其它元件的半径大，因此径向向外地伸出于其它元件的每个分隔板34的那部分用作为一散热片来散发产生的热量。
上述实施例的燃料电池元件的尺寸以及分裂电池块的数量不受所述值的限制，而仅仅只是作为例子给出，且可依照一选定的应用所需的输出来决定。对电池部分10的燃料(氢)的供给可经由螺帽40(图3所示)实现，或者可以经由图1所示的连接螺栓26实现。
如上所述，具有上述结构的本发明的分裂的电池式燃料电池达到以下有利结果。
在上述分裂的电池式燃料电池组，在聚合物电解质膜的相对侧将燃料电极和氧电极连同分隔板分隔成许多块，因此，由于分裂电池块(单元电池)的性能，获得高电压和低电流输出的燃料电池，还实现了一极好的优点可提供薄的燃料电池用作适用于一小型商务机器或类似机器的电源。
通过分隔传统的氧电极、燃料电极等，单元电池部分的数量减少，除此之外，获得燃料和氧之间的反应的部分，因此实现诸优点具有高电压和低电流性能的燃料电池生产容易，且不需要堆叠许多单元电池而可获得薄的燃料电池。
权利要求
1.一分裂的电池型燃料电池组，包括端板；设置在所述端板之间的电池部分；一燃料分配总管，其设置在所述电池部分的中心部分来对其供给燃料；一单个连接螺栓，其贯穿所述燃料分配总管的中心部分和所述电池部分的中心部分，以便将所述燃料电池部分夹在一起成为一单一结构；以及诸固定螺栓，它们分别地旋在所述连接螺栓的两端部，通过各O形环将所述端板间的所述电池部分夹住；其中，所述电池部分包括一聚合物电解质膜；一氧电极和一燃料电极，它们分别地配置在所述聚合物电解质膜的彼此相对的两侧；毗邻所述氧电极配置的一流场板；以及分别地配置在所述流场板的外侧和所述燃料电极的外侧的分隔板；且其中，所述电池部分有许多彼此间电气绝缘的电池块，且形成在所述聚合物电解质膜附近。
2.如权利要求1所述的分裂的电池型燃料电池组，其特征在于，所述燃料电极和所述氧电极用电气绝缘材料制成的外密封件或内密封件与每个所述的电池块隔开。
3.如权利要求1所述的分裂的电池型燃料电池组，其特征在于，所述多个电池块由分隔所述燃料电极、所述氧电极、所述氧流场板和所述分隔板而形成。
4.如权利要求3所述的分裂的电池型燃料电池组，其特征在于，所述燃料电极和所述氧电极用电气绝缘材料制成的外密封件或内密封件与每个所述电池块隔开。
全文摘要
提供一分裂的电池式燃料电池组，其具有一薄的设计和高电压及低电流输出性能。该燃料电池组包括端板，设置在端板间的一单元电池，设置在单元电池的一中心部分来对其供给燃料的一燃料分配总管，贯穿燃料分配总管的中心部分和单元电池的中心部分以将燃料电池诸元件夹到一起成为一单一结构的一单个连接螺栓，以及分别地旋在连接螺栓的两端部以夹住单元电池的固定螺栓。电池部分包括一聚合物电解质膜，一氧电极和一燃料电极，一流场板，一对分隔板分别地接触流场板的外侧和燃料电极的外侧。每个燃料电极和分隔板配置在聚合物电解质膜的一侧，每个氧电极、氧流场板和分隔板配置在聚合物电解质膜的另一侧，且被分裂成彼此间电气绝缘的部分。
文档编号H01M8/02GK1447469SQ0310749
公开日2003年10月8日 申请日期2003年3月21日 优先权日2002年3月22日
发明者成濑幸夫, 大胁昇, 名和昭司, 井户康夫 申请人:大同金属工业株式会社