防止端电池的劣化的燃料电池组的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种防止端电池的劣化的燃料电池组，其具有防止与封闭端板相邻的邻近电池的冷却的结构。为此，分别布置在燃料电池组的第一侧和第二侧上的开放端板和封闭端板，将多个工作电池固定在一起。更具体地，在封闭端板的内侧壁中形成中空的流动空间，从而在其中形成气穴。
【专利说明】防止端电池的劣化的燃料电池组
【技术领域】
[0001]本发明涉及防止端电池的劣化的燃料电池组。更具体地，本发明涉及防止端电池劣化的燃料电池组，其具有防止与封闭端板相邻的相邻电池的冷却的结构。
【背景技术】
[0002]燃料电池组是一种发生设备，其生成作为燃料电池车的主要能源的电力，并具有以下结构，即被供应以氢的阳极以及被供应以氧的阴极堆叠在一起，膜电极组件插在中间，从而含氧的空气以及外部供应的氢相互化学反应，产生电能。
[0003]通常而言，燃料电池组配置成数十到数百的单元电池堆叠的方式。燃料电池组的单元电池的配置将在下文描述。更具体地，膜电极组件(MEA)放置在单元电池的中心。膜电极组件包括能够运输氢离子(质子)的聚合物电解质膜、阴电极(催化剂)以及阳电极(催化剂)，两个电极堆叠在电解质膜的两侧，从而氢与氧相互反应。此外，气体扩散层(GDL)堆叠在各个阴电极和阳电极的外侧，且形成流场以供应燃料并排放由反应产生的水的隔板堆叠在气体扩散层的外侧。
[0004]另外，在堆叠数十到数百个单元电池后，用于支持并固定各个组件的端板如图1中所示般与两端最外侧连接，从而完成燃料电池组。此处，端板作为固定燃料电池组的支持物以及所产生电力的传送通道。端板通常由塑料和金属制成。
[0005]如图1所示，当堆叠燃料电池组10的数百个单元电池后，仿真电池(dummy cell)
14,而非发生发电反应的工作电池12,堆叠在相邻于封闭端板22的位置上。同时，供应歧管16在工作电池12和仿真电池14的堆叠方向上垂直地形成在一侧，且排放歧管18垂直地形成在另一侧。
[0006]具体而言，如图1所示，在一侧的端板配置成具有封闭结构的封闭端板22，且另一侧的端板配置成开放端板，其中用于引入氢、空气和冷却剂的进口通路26形成在顶端，用于排放未反应气体和冷却剂的出口通路28形成在底端。
[0007]通常而言，供应到燃料电池组的燃料(氢和空气)和冷却剂依次通过开放端板24、供应歧管16、工作电池12、排放歧管18、并再次通过开放端板24，然后排放到燃料电池组的外部。具体而言，氢经由开放端板24的进口通路26供应到阳极，空气(氧)供应到阴极，用于冷却的冷却剂也经由开放端板24的进口通路26而供应到隔板的冷却流场。
[0008]因此，在燃料电池组的阳极处，发生氢的氧化反应以生成氢离子(质子)和电子，所产生的氢离子和电子经由聚合物电解质膜和隔板传送到阴极。在阴极处，从阳极传送而来的氢离子和电子与含氧空气反应，从而产生水。同时，通过电子的流动而产生电能。
[0009]同时，应该湿润供应到燃料电池组的燃料(氢和空气)以维持膜的性能，因此，当供应到燃料电池组的湿润燃料经过供应歧管时，由于低的环境温度而产生冷凝水。此处，所产生的冷凝水沿着流场的壁与燃料一起引入燃料电池组中，结果，引入冷凝水的电池的性能和耐久性变差，这可能是催化剂周围的水的持续存在而引起的催化剂劣化而导致的。
[0010]此外，由于经由端板22和24通过外部环境的冷却，与端板22和24相邻的电池具有低于其他电池的温度。特别地，当燃料和冷却剂撞击封闭端板22的内壁时，相邻封闭端板22的电池进一步冷却，且由此具有低得多的温度。电池的低温将增加电池中冷凝水的产生，其造成燃料电池组的劣化。
[0011]通常而言，为解决该问题，如图1中所示，仿真电池14(8卩，不产生电力但作为冷凝水的排放通道的非反应电池)布置在与封闭端板22相邻的位置上，但是其收效甚微。结果是，耐久性性能的劣化持续发生在与封闭端板22相邻的电池中。因此，仿真电池还可布置在与封闭端板22相邻的位置上，以防止因电池冷却引起的耐久性性能的劣化，但是在这种情况下，由于仿真电池的额外应用，会产生多种问题，例如输出的减少、制造成本的上升、重量的增加等等。
[0012]以上在背景部分公开的信息仅用于加强对本发明背景的了解，因此，可包含不构成本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0013]本发明提供防止端电池的劣化的燃料电池组，其能够防止与封闭端板相邻的邻近电池的冷却，并通过形成流动空间，经由封闭端板内侧壁上的气穴(air pocket)来提供隔热效果，从而引起温度的上升。
[0014]一方面，本发明提供用于防止端电池劣化的燃料电池组，该燃料电池组包括开放端板和封闭端板，其布置在燃料电池组的一侧和另一侧从而固定多个工作电池。中空的流动空间形成在与仿真电池相邻的封闭端板的内壁上。
[0015]在示例性实施方式中，流动空间形成在面向与封闭端板相邻的供应歧管的端部的位置上。
[0016]在另一示例性实施方式中，封闭端板和工作电池经由插在中间的仿真电池而彼此相邻，且仿真电池中的副垫片(sub gasket)具有包括微孔的封闭板结构。
[0017]在另一个示例性实施方式中，微孔分别形成在面向与封闭端板相邻的供应歧管的端部以及排放歧管的端部的位置上。
[0018]本发明的其他方面和示例性实施方式在下文中讨论。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]现在将参考在附图中图示的示例性实施方式对本发明的以上和其它特征进行详细说明，这些实施方式仅以示例说明的方式在下文给出，因此不限制本发明，其中:
[0020]图1是示出传统燃料电池组的结构的示意性横截面图；
[0021]图2是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池组结构的示意性横截面图；
[0022]图3是图2中“A”的放大图，示出在封闭端板的流动空间中形成的气穴；
[0023]图4是分别示出在根据本发明示例性实施方式的燃料电池组中，应用于工作电池和仿真电池的副垫片的结构的视图；以及
[0024]图5是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池组以及传统燃料电池组的温度分布的分析结果的图表。
[0025]附图中示出的附图标记包括对以下将进一步讨论的元件的引用:
[0026]10:燃料电池组12:工作电池[0027]14:仿真电池 16:供应歧管
[0028]18:排放歧管 20:用于仿真电池的副垫片
[0029]22:封闭端板 24:开放端板
[0030]26:进口通路 28:出口通路
[0031]30:流动空间 32:微孔
[0032]应当理解，所附的附图并非必然成比例，而只是呈现说明本发明基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
[0033]在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
【具体实施方式】
[0034]应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
[0035]本文使用的术语仅仅是为了说明【具体实施方式】，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括、包含、含有”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
[0036]在下文中，将详细参考本发明的多种实施方式，这些实施方式中的实施例在附图中示出并在下文中描述。尽管本发明将结合示例性实施方式进行描述，应该理解，本说明书并不意在将本发明限制到那些示例性实施方式。相反，本发明意在不仅涵盖示例性实施方式，而且涵盖包含在由所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的多种替代、修改、等同物和其他实施方式。
[0037]本发明提供防止端电池劣化的燃料电池组，其中流动空间形成在封闭端板的内侧壁，以在经由供应歧管引入的燃料以及冷却剂与封闭端板的内侧壁接触时防止燃料和冷却剂的冷却，且没有歧管流动孔的副垫片还应用到与封闭端板相邻的仿真电池，以保持形成于流动空间中的气穴，即便在燃料流动存在变化的情况下。
[0038]在图2中，图示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池组的横截面结构。如图2所示，在多个工作电池12 (其中发生发电反应)堆叠在燃料电池组10中的状态下，具有封闭结构的封闭端板22固定到一侧，开放端板24固定到另一侧，尽管没有在图中示出，封闭端板22和开放端板24通过分别弯曲或夹持手段(例如，夹具、或其他固定结构)而进行固定，从而向工作电池12提供并维持固定表面压。
[0039]此处，在开放端板24中，在顶端形成用于引入燃料和冷却剂的进口通路26，在底端形成用于从工作电池排放未反应气体和冷却剂的出口通路28。分别形成于工作电池12的顶部和底部的供应歧管16和排放歧管18是指经由副垫片而堆叠在一起的隔板的歧管，且分别包括用于空气、氢和冷却剂的供应歧管和排放歧管。
[0040]在本发明的示例性实施方式中，中空流动空间30形成在封闭端板22上，以在经由供应歧管16引入到燃料电池组10的燃料和冷却剂与封闭端板22的内侧壁接触时，防止燃料和冷却剂的冷却。
[0041]如图2所示，封闭端板22包括在与仿真电池14相邻的内侧壁上形成预定深度的流动空间30，流动空间30布置在进口通路26的相对侧，即在面向供应歧管16的端部的位置上。换言之，流动空间30是供应歧管16的延长线。当经由开放端板24的进口通路26引入的燃料和冷却剂与封闭端板22的内侧壁形成接触时，流动空间30用来防止燃料和冷却剂的冷却，从而防止与封闭端板22接近的工作电池12 (即包括端电池的相邻电池)的冷却，从而引起电池温度的上升。此处，从燃料电池组10中燃料流速分布的分析可发现，几乎没有检测到流速的气穴形成在流动空间30中。
[0042]图3是图2中“A”的放大图，示出燃料和冷却剂在封闭端板22的流动空间30中的流动。如图3所示，流体在封闭端板22的封闭空间30中产生旋转流，且流体几乎以零速率流进流动空间30，以形成气穴，由此经由以上述方式形成的气穴来获得隔热效果。因此，可以提高包括与封闭端板22相邻的端电池的相邻电池的隔热性能。如此，由于流动空间30中的气穴，可以弓I起与封闭端板22相邻的工作电池12的温度上升，因此可以通过减少电池中产生的冷凝水的含量来防止泛溢，并改善燃料电池组的耐久性和劣化，由此提高耐久性性能和输出性能。
[0043]同时，仿真电池14堆叠在封闭端板22与工作电池12之间的单层中。封闭电池14可以是不产生电力的非反应电池，且在工作电池12的端电池的后端处与封闭端板22的内侧壁直接接触，展现出隔热的功能。在本发明中，具有封闭板结构而没有歧管流孔的副垫片20被应用到仿真电池14上，以维持形成在封闭端板22的流动空间30中的气穴，即便在供应到燃料电池组10的燃料流动存在变化时。换言之，因为消除常规歧管流孔的副垫片20用作仿真电池14的副垫片，可以维持在流动空间30中形成的气穴，不管经由开放端板24的进口通路26引入的燃料流是否存在变化。
[0044]相反，的确包括歧管流孔的副垫片可用在燃料电池组10的其他单元电池中，即工作电池12，副垫片的歧管流孔将形成供应歧管16和排放歧管18的一部分。
[0045]在图4中，分别示出用在本发明示例性实施方式的工作电池12以及仿真电池14中的副垫片的结构。参照图4，用于工作电池12的副垫片包括歧管流孔，而用于仿真电池14的副垫片20包括微孔32而非歧管流孔。微孔32的直径显著小于标准歧管流孔，因此具有完全不同的流动特性。即，为在燃料电池组的燃料流动存在变化时维持流动空间30的气穴，微孔32通过形成在仿真电池14中而不是将歧管流孔整合到副垫中而消除副垫片前侧与和后侧之间的压差。
[0046]更具体地，当从仿真电池14用的副垫片20上消除歧管流孔时，在副垫片的前侧与后侧之间造成压差，如图4所示，形成在副垫片20中的微孔32而非歧管流孔，能够消除在副垫片的前侧和后侧之间形成的压差。正如歧管流孔，微孔32 (即小于5mm的孔)形成在副垫片20中以位于供应歧管16和排放歧管18的直线上,如图2所不,位于面向供应歧管16和排放歧管18的端部的位置上。因此，微孔32位于封闭端板22的流动空间30与供应歧管16的端部之间。[0047]图5是示出根据本发明示例性实施方式的燃料电池组以及传统燃料电池组的温度分布分析的结果的图表。如图5中所示，可以看出，在本发明中，与封闭端板相邻的工作电池(即端电池)的温度高于传统电池,且与传统电池相比，与封闭端板相邻的除端电池之外的工作电池的温度也提高。换言之，大部分工作电池(构成燃料电池组)的温度高于传统电池。特别地，最大的温差出现在与封闭端板相邻的端电池中，且从端电池到第一个电池，温差逐渐减小，但是大部分工作电池的温度仍高于传统电池的温度。
[0048]如上所述，本发明提供以下效果。
[0049]1.因为作为用于防止与封闭端板相邻的相邻电池冷却的结构的流动空间形成在封闭端板的内侧壁，由于流动空间引起的气穴，造成相邻电池的温度上升，这可以通过减少电池中所生成的冷凝水量来防止泛溢，并改善燃料电池组的耐久性和劣化，从而提高耐久性性能和输出性能。
[0050]2.可任意地防止与封闭端板相邻的电池的冷却而无需仿真电池的额外使用，因此，由于仿真电池的额外使用，可以解决例如输出下降、制造成本上升、重量增加等的问题。
[0051]3.没有必要使用隔热材料或电热丝来提高电池的温度，因此，不会增加制造成本
和重量。
[0052]本发明已经参考示例性实施方式做了详细描述。然而，本领域技术人员应当意识至IJ，可以在这些实施方式中做出改变而不偏离本发明的原理和精神，本发明的范围由所附权利要求以及等同方式限定。
【权利要求】
1.一种防止端电池的劣化的燃料电池组，所述燃料电池组包括: 开放端板，布置在所述燃料电池组的第一侧；以及 封闭端板，布置在所述燃料电池组的第二侧，所述开放端板和所述封闭端板共同将多个工作电池固定在一起，其中，中空的流动空间形成在与所述工作电池相邻的所述封闭端板的内侧壁上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中， 所述流动空间形成在面向与所述封闭端板相邻的供应歧管的端部的位置上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中， 所述封闭端板与所述工作电池经由插在中间的仿真电池而彼此相邻，用于所述仿真电池的副垫片具有包括微孔的封闭板结构。
4.根据权利要求3所述的燃料电池组，其中， 所述微孔分别在面向与所述封闭端板相邻的所述供应歧管的端部以及所述排放歧管的端部的位置上形成。
【文档编号】H01M8/02GK103915635SQ201310197143
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年5月24日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】金钟圣, 高载准, 徐正焘 申请人:现代自动车株式会社