專利名稱：位于殼體內(nèi)的耐熱應(yīng)力燃料電池組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池組件，尤其涉及一種燃料電池組件的(單格)電池層疊(層積)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
如日本專利申請待審公開公報No.2002-124291中所公開的或者如圖30和31所示，燃料電池組件，例如固體高分子電解質(zhì)型燃料電池組件10由膜電極組件(MEA)和隔板18的層疊體形成。層疊方向并不局限于垂直方向，而可以是任意方向。
每個膜電極組件包括具有離子交換膜的電解質(zhì)膜11、具有設(shè)置在電解質(zhì)膜11的一個表面上的催化劑層12的電極(陽極或燃料極)14、以及具有設(shè)置在電解質(zhì)膜11的另一表面上的催化劑層15的電極(陰極或空氣極)17。陽極側(cè)擴散層13和陰極側(cè)擴散層16設(shè)置在膜電極組件和隔板18之間。
每個隔板18具有用于向陽極14提供燃料氣體(氫)的燃料氣體槽27，以及用于向陰極17提供氧化氣體(氧，或通常情況下為空氣)的氧化氣體槽28。每個隔板還在與槽27、28相對的表面內(nèi)具有用于通過冷卻劑(通常情況下為冷卻水)的冷卻劑槽26。設(shè)置橡膠墊圈32和粘封體33以便密封槽26、27、28。
在每個電池的陽極側(cè)發(fā)生反應(yīng)，其中氫分解成氫離子(質(zhì)子)和電子。氫離子穿過電解質(zhì)膜遷移到陰極側(cè)。在陰極側(cè)，發(fā)生下文所述的反應(yīng)，其中由氧、氫離子和電子生成水(即，在相鄰的MEA的陽極上產(chǎn)生的電子穿過隔板到達(dá)陰極，或者在設(shè)置于電池層疊方向的一端的電池的陽極上產(chǎn)生的電子經(jīng)由外部電路到達(dá)相對端的電池的陰極)，由此產(chǎn)生電流。
陽極側(cè)陰極側(cè)在常規(guī)層疊方法中，按以下方式保持模塊。
將彈簧34沿電池層疊方向設(shè)置在電池層疊體的一端，將擺動部35和調(diào)整螺釘36設(shè)置在該處。層疊體23的模塊在電池層疊方向上由提供恒定載荷的彈簧34的彈簧力保持，并且在垂直于電池層疊方向的方向上由彈簧力×摩擦系數(shù)得到的摩擦力保持。
在某些情況下，通過使用外部限制部件從電池層疊體的外部保持模塊，以便在垂直于電池層疊方向的方向上進(jìn)一步可靠地保持該模塊。
常規(guī)的層疊方法具有以下問題。
1.當(dāng)總質(zhì)量為M的電池層疊體受到從幾個重力加速度到大約20G(G為重力加速度)的加速度α的沖擊時，在電池層疊體的端部附近發(fā)生Mα/2的剪切力。如果該剪切力大于彈簧力乘以摩擦系數(shù)，則在靠近電池層疊體的端部的模塊之間會發(fā)生滑動，從而電池層疊體可能解體。
2.如果用外部限制部件從電池層疊體的外部保持模塊，則存在以下危險由于電池組成部件，例如MEAs、擴散層等因彈簧力而蠕變(creep)，所以層疊體的端電池在相對于外部限制部件沿電池層疊方向移動時可能粘附在外部限制部件上。因此，存在損壞電池的危險。如果減小彈簧力以減少蠕變，則不可能獲得必要的電池間接觸面壓力。
本發(fā)明將要解決的一個問題是，當(dāng)鄰近層疊體的端部的模塊在垂直于電池層疊方向的方向上的加速度沖擊下滑動時，電池層疊體發(fā)生解體(第一個問題)。
本發(fā)明將要解決的另一個問題是，電池層疊體在垂直于電池層疊方向的方向上的加速度沖擊下解體，以及由于設(shè)置外部限制部件，從而在電池因電池組成部件的蠕變而移動時，靠近層疊體的端部的電池粘附在外部限制部件上而導(dǎo)致的對該電池的損壞(第二個問題)。
本發(fā)明的一個目的是提供一種燃料電池組件，該燃料電池組件能夠通過防止靠近電池層疊體的端部的模塊在垂直于電池層疊方向的方向上的加速度沖擊下滑動來防止電池層疊體解體(第一個目的)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種燃料電池組件，該燃料電池組件能夠通過防止靠近電池層疊體的端部的模塊在垂直于電池層疊方向的方向上的加速度沖擊下滑動來防止電池層疊體解體，并且避免在設(shè)置有外部限制部件時靠近電池層疊體的端部的電池粘附在外部限制部件上(第二個目的)。

發(fā)明內(nèi)容
上述目的可通過根據(jù)本發(fā)明的下述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，燃料電池組件包括串聯(lián)(直列)設(shè)置的多個多電池模塊以及外側(cè)部件。該多電池模塊具有通過層疊多個電池形成的多電池組件，以及模塊框架，該模塊框架具有圍繞該多電池組件并在該多電池組件的電池層疊方向上延伸的第一壁。該外側(cè)部件在多個多電池模塊的外部并在電池層疊方向上沿該多電池模塊延伸。
根據(jù)本發(fā)明的這個方面，該外側(cè)部件在多個多電池模塊的外部并在電池層疊方向上沿所有多電池模塊延伸。
根據(jù)本發(fā)明的這個方面，在多電池模塊內(nèi)，多電池模塊的多電池組件在電池層疊方向上可以不被多電池模塊的模塊框架限制，以便釋放電池在電池層疊方向上的熱膨脹。
此外，在多電池模塊內(nèi)，多電池組件的電池可相互粘接。
此外，在多電池模塊內(nèi)，可在多電池模塊的多電池組件的外表面和該多電池模塊的模塊框架的第一壁的內(nèi)表面之間形成間隔或設(shè)置可變形的粘接件，以便釋放電池在垂直于電池層疊方向的方向上的熱膨脹。
在本發(fā)明的上述方面內(nèi)，可在外側(cè)部件的內(nèi)表面和多電池模塊的模塊框架的第一壁的外表面之間設(shè)置外部限制部件。
該多個多電池模塊可在電池層疊方向上串聯(lián)設(shè)置，并且一彈簧箱可相對于該串聯(lián)設(shè)置的多個多電池模塊在電池層疊方向上串聯(lián)設(shè)置，該彈簧箱的彈簧力可沿電池層疊方向施加到該多個多電池模塊上。
除了第一壁之外，模塊框架可具有在垂直于電池層疊方向的方向上延伸的第二壁。
在此結(jié)構(gòu)中，可在第二壁內(nèi)形成冷卻劑通路。
在此結(jié)構(gòu)中，第二壁的與電池接觸的接觸表面可由導(dǎo)電材料形成。
第二壁的與電池接觸的接觸表面的至少一部分可形成為可在電池層疊方向上移動。
在此結(jié)構(gòu)中，可在第二壁內(nèi)形成冷卻劑通路，并且第二壁的可在電池層疊方向上移動的部分可因冷卻劑通路的壓力而移動。
在本發(fā)明的上述方面內(nèi)，模塊框架的外表面和外側(cè)部件的內(nèi)表面可以點接觸方式相互接觸。
此外，在本發(fā)明的上述方面內(nèi)，模塊框架可具有用于在多電池組件上安裝將多電池組件電連接到外部設(shè)備的部件的開口。
此外，模塊框架可包括至少兩個相互分開的框架部件。
此外，模塊框架的內(nèi)表面可具有用于粘接劑的凹槽。
模塊框架可具有從該模塊框架朝向電池監(jiān)控器的外表面延伸的電池監(jiān)控器加壓器。
此外，在本發(fā)明的上述方面內(nèi)，模塊框架的至少一部分可由非導(dǎo)電材料形成。
構(gòu)成由樹脂制成的模塊框架的框架部件可設(shè)置在多電池模塊的多電池組件的端電池的四個拐角位置。
模塊框架可由彈性部件形成。
彈性部件的表面的摩擦系數(shù)可小于彈性部件本身的摩擦系數(shù)。
模塊框架可連接到多電池模塊的多電池組件的端電池上。
在模塊框架內(nèi)可嵌入線纜。


圖1是本發(fā)明的實施例1中的燃料電池組件的電池層疊體的剖視圖。
圖2是本發(fā)明的實施例1中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖3是本發(fā)明的實施例1中的燃料電池組件的另一多電池模塊的剖視圖。
圖4是圖2中示出的多電池模塊的模塊框架的剖視圖。
圖5是本發(fā)明的實施例2中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架的剖視圖。
圖6是本發(fā)明的實施例3中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架的第二壁的剖視圖。
圖7是本發(fā)明的實施例4中的燃料電池組件的電池層疊體的剖視圖。
圖8是本發(fā)明的實施例4中的燃料電池組件的電池層疊體的橫剖視圖。
圖9是本發(fā)明的實施例4中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖10是本發(fā)明的實施例5中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖11是本發(fā)明的實施例6中的燃料電池組件的多電池模塊的透視圖。
圖12是本發(fā)明的實施例7中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖13是本發(fā)明的實施例7中的燃料電池組件的多電池模塊內(nèi)的用于連接多個框架體的結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖14是本發(fā)明的實施例7中的燃料電池組件的多電池模塊內(nèi)的用于連接多個框架體的結(jié)構(gòu)的透視圖，該結(jié)構(gòu)與圖13所示的結(jié)構(gòu)不同。
圖15是本發(fā)明的實施例7中的燃料電池組件的多電池模塊內(nèi)的用于連接多個框架體的結(jié)構(gòu)的透視圖，該結(jié)構(gòu)與圖13和14所示的結(jié)構(gòu)不同。
圖16是本發(fā)明的實施例8中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架(具有用于粘接劑的單個凹槽)的透視圖。
圖17是本發(fā)明的實施例8中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架(具有用于粘接劑的兩個凹槽)的透視圖。
圖18是本發(fā)明的實施例9中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖19是本發(fā)明的實施例9中的燃料電池組件的多電池模塊的一部分的放大剖視圖。
圖20是本發(fā)明的實施例10中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖21是本發(fā)明的實施例10中的燃料電池組件的多電池模塊沿垂直于圖20的剖視圖方向的方向的剖視圖。
圖22是本發(fā)明的實施例11中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架(由橡膠整體地形成)的剖視圖。
圖23是本發(fā)明的實施例11中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架(由橡膠部分地形成)的剖視圖。
圖24是本發(fā)明的實施例12中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖25是本發(fā)明的實施例13中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架的剖視圖。
圖26是本發(fā)明的實施例13中的燃料電池組件的多電池模塊的模塊框架的剖視圖(用于固定到端電池的部分的凸出和凹入模式與圖25中所示的凸出和凹入模式相反)。
圖27是圖26中所示的模塊框架的端電池固定部分的正視圖。
圖28是本發(fā)明的實施例14中的燃料電池組件的多電池模塊的剖視圖。
圖29是本發(fā)明的實施例14中的燃料電池組件的多電池模塊的正視圖。
圖30是燃料電池組件的電池的剖視圖。
圖31是現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池組件的電池層疊體的剖視圖。
具體實施例方式
下面將參照圖1到29和圖30說明根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件。圖30中所示的電池結(jié)構(gòu)類似于現(xiàn)有技術(shù)的電池結(jié)構(gòu)。圖1到4示出本發(fā)明的實施例1。圖5示出本發(fā)明的實施例2。圖6示出本發(fā)明的實施例3。圖7到9示出本發(fā)明的實施例4。圖10示出本發(fā)明的實施例5。圖11示出本發(fā)明的實施例6。圖12到15示出本發(fā)明的實施例7。圖16和17示出本發(fā)明的實施例8。圖18和19示出本發(fā)明的實施例9。圖20和21示出本發(fā)明的實施例10。圖22和23示出本發(fā)明的實施例11。圖24示出本發(fā)明的實施例12。圖25到27示出本發(fā)明的實施例13。圖28和29示出本發(fā)明的實施例14。圖27中所示的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于本發(fā)明的任何一個實施例。在本發(fā)明的實施例的全部說明中，由相同的參考標(biāo)號表示本文中所公開的所有本發(fā)明的實施例中的相同或相似的部分。
首先，將參照例如圖1到4和圖9說明在所有公開的本發(fā)明的實施例中的相同或相似的部分。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件是低溫型燃料電池組件，例如高分子電解質(zhì)燃料電池組件10。燃料電池組件10被安裝在例如燃料電池汽車內(nèi)。但是，燃料電池組件10可用于除汽車之外的其它用途。
如圖30中所示，高分子電解質(zhì)燃料電池組件10由膜電極組件(MEA)和隔板18的層疊體形成。層疊方向并不局限于垂直或水平方向，而可以是任何方向。
每個膜電極組件包括具有離子交換膜的電解質(zhì)膜11，具有設(shè)置在電解質(zhì)膜11的一個表面上的催化劑層12的電極(陽極)14，以及具有設(shè)置在電解質(zhì)膜11的另一表面上的催化劑層15的電極(陰極)17。陽極側(cè)擴散層13和陰極側(cè)擴散層16設(shè)置在膜電極組件和隔板18之間。
隔板18可以是碳隔板、金屬隔板、導(dǎo)電樹脂隔板、金屬隔板和樹脂框架的組合，以及前述隔板和框架的組合中的任何一種。
每個隔板18具有用于向陽極14和陰極17提供燃料氣體(氫)和氧化氣體(氧，或通常情況下為空氣)的反應(yīng)氣體槽27、28(燃料氣體槽27，氧化氣體槽28)，并且在其背面中還具有用于通過冷卻劑(通常情況下為冷卻水)的冷卻劑槽26。
冷卻劑集管29、燃料氣體集管30和氧化氣體集管31延伸穿過隔板18。集管29、30和31由流體供應(yīng)管提供相應(yīng)的流體(冷卻劑、燃料氣體、氧化氣體)。流體從集管29、30、31的進(jìn)口側(cè)流入電池槽26、27、28，并且流出電池槽26、27、28進(jìn)入集管29、30、31的出口側(cè)，然后從流體排放管排出。連接到層疊體23的流體供應(yīng)管和流體排放管設(shè)置在層疊體23的沿電池層疊方向的端側(cè)。
這些流體槽分別由密封件32、33密封以防止流體相互混合和泄漏到外部。在所示示例中，密封件32是橡膠墊圈32(可用作粘封體)，密封件33是粘封體(也稱作密封粘接劑)。
通過將一個MEA夾在隔板18之間而形成單位電池19。將多個單位電池19(例如，至少5個電池，并且優(yōu)選為10到30個電池)層疊并通過粘接劑(上述粘封體33)相互粘接在一起以形成多電池組件41。多電池組件41和模塊框架42構(gòu)成多電池模塊40。多電池模塊40沿電池層疊方向串聯(lián)設(shè)置。沿電池層疊方向串聯(lián)設(shè)置的多電池模塊40的兩個相對端中的每一個具有端子20、絕緣體21和端板22。沿電池層疊方向夾緊所有的串聯(lián)設(shè)置的多個多電池模塊40，并且通過帶螺帽螺栓25和外側(cè)部件24進(jìn)行固定，該外側(cè)部件24沿電池層疊方向在多電池模塊40外部并在所有多電池模塊40之上延伸。以這種方式形成燃料電池層疊體23。
外側(cè)部件24是例如殼體，并且還可用作常規(guī)的張緊板24，因此用與張緊板相同的參考標(biāo)號24表示。
因此，本發(fā)明的燃料電池組件10包括沿電池層疊方向串聯(lián)設(shè)置的多個多電池模塊40，以及外側(cè)部件24。
多電池模塊40包括多電池組件41以及具有第一壁43的模塊框架42，每個多電池組件通過層疊多個電池形成，該第一壁圍繞多電池組件41并沿多電池組件41的電池層疊方向延伸。
外側(cè)部件24沿電池層疊方向在多電池模塊40外部并在所有多電池模塊40之上延伸。
對于將燃料電池層疊體23分成多電池模塊40，如果一個多電池模塊由20個電池形成而該層疊體具有200個電池，則層疊體23內(nèi)的多電池模塊40的數(shù)量是10。
在多電池模塊40內(nèi)，在電池層疊方向上該模塊40的多電池組件41沒有被模塊框架42限制，從而可釋放電池19沿電池層疊方向的熱膨脹。
優(yōu)選地，多電池模塊40的電池19彼此粘接。彼此相鄰的多電池模塊40的電池19沒有相互粘接。
但是，多電池模塊40內(nèi)的電池19不是必須相互粘接在一起。
如果多電池模塊40的電池彼此粘接，則通過槽密封粘接劑33(圖30)實現(xiàn)粘接，而不使用橡膠墊圈32(圖30)。在這種情況下，由橡膠墊圈32實現(xiàn)的密封通過粘接劑33實現(xiàn)。
為了釋放多電池模塊40的電池19沿垂直于電池層疊方向的方向發(fā)生的熱膨脹，在多電池模塊40的多電池組件41的外表面和模塊框架42的第一壁43的內(nèi)表面之間形成間隔或設(shè)置可變形的粘接件45。
每個電池19從其發(fā)電部分產(chǎn)生熱量，但是第一壁43不產(chǎn)生熱量而僅僅經(jīng)由外側(cè)部件24受環(huán)境溫度影響。因此，在電池19和第一壁43之間出現(xiàn)熱膨脹差異。通過在電池19和第一壁43之間設(shè)置間隔或在該間隔內(nèi)設(shè)置可變形的粘接件來緩和這種熱膨脹差異。應(yīng)指出，相鄰的多電池模塊40在第一壁43之間以及粘接件45之間具有沿電池層疊方向延伸的中間間隔，從而粘接件45可沿電池層疊方向自由地?zé)崤蛎浕蛘咦冃危⑶铱裳卮怪庇陔姵貙盈B方向的方向變形。
在外側(cè)部件24的內(nèi)表面和多電池模塊40的第一壁43的外表面之間設(shè)置有外部限制部件46。希望外部限制部件46由可變形材料形成，以便吸收每個第一壁43的外表面和外側(cè)部件24的內(nèi)表面之間沿垂直于電池層疊方向的方向的熱膨脹的差異。這種可變形材料的示例包括樹脂、混合有玻璃的環(huán)氧材料等。外部限制部件46的材料并不局限于樹脂或混合有玻璃的環(huán)氧部件。
由于在每個第一壁43的外表面和外側(cè)部件24的內(nèi)表面之間設(shè)置有外部限制部件46，所以可通過外側(cè)部件24接收車輛碰撞等情況下作用在多電池模塊40上的慣性力。外部限制部件46由可變形材料形成，從而可吸收每個第一壁43的外表面和外側(cè)部件24的內(nèi)表面之間沿垂直于電池層疊方向的方向的熱膨脹的差異。
在電池層疊方向上相對于沿電池層疊方向串聯(lián)設(shè)置的多個多電池模塊40串聯(lián)設(shè)置彈簧箱47。彈簧箱47的彈簧力(恒定載荷)沿電池層疊方向施加在每個多電池模塊40上。彈簧箱47具有相互平行設(shè)置的多個螺釘48。彈簧箱47設(shè)置在層疊體23的一個端部內(nèi)，該端部與供應(yīng)管和排放管連接于其上的層疊體23的端部相對。彈簧箱47設(shè)置在絕緣體21和端板22之間。彈簧箱47的彈簧力可通過設(shè)置在彈簧箱47和端板22之間的調(diào)節(jié)螺釘49調(diào)節(jié)。彈簧箱47可省略。
除了沿電池層疊方向延伸的第一壁43之外，每個框架模塊42還可具有第二壁44，該第二壁44沿垂直于電池層疊方向的方向延伸，并且在垂直于電池層疊方向的方向上具有剛性。第二壁44可省略。
如果多電池模塊40的模塊框架42具有第二壁44，則多電池模塊40可具有如圖2中所示的結(jié)構(gòu)，其中兩個多電池組件41沿電池層疊方向設(shè)置在第二壁44的相對側(cè)上，或者可具有如圖3中所示的結(jié)構(gòu)，其中一個多電池組件41沿電池層疊方向設(shè)置在第二壁44的一側(cè)上。
如果模塊框架42具有第二壁44，則第二壁44需要具有導(dǎo)電性。至于第一壁43，導(dǎo)電性完全是可選的。
接下來，將說明本文中所公開的所有本發(fā)明的實施例中相同的部分的操作和優(yōu)點。
在圖30中所示的現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池組件中，作用在電池層疊體上的橫向力僅在其兩個相對端被支承。在發(fā)生撞擊時，如果總重量為M的電池層疊體受到橫向加速度α，則橫向力Mα作用在整個電池層疊體上，因此剪切力Mα/2作用在電池層疊體的兩個相對端的模塊上。
相反，在本發(fā)明的燃料電池組件10的情況下，層疊體23分成多個多電池模塊40，并提供一種設(shè)置以便由外側(cè)部件24沿垂直于電池層疊方向的方向接收作用在多電池模塊40上的橫向力。因此，多電池模塊40受到Mα/n的橫向力，其中M是電池層疊體的總重量，α是撞擊時產(chǎn)生的橫向加速度，而n是層疊體23中多電池模塊的數(shù)量。如果該橫向力在多電池模塊的兩個相對端被支承，則剪切力變?yōu)镸α/(2n)。因此，本發(fā)明的燃料電池組件10能夠承受橫向上的很大重力沖擊。
與現(xiàn)有技術(shù)不同，沿電池層疊方向施加在多電池模塊40上的彈簧力不需要與產(chǎn)生克服剪切力Mα/2的摩擦力的力一樣大，而是可小至減小電接觸阻力所需的力。因此，沿電池層疊方向施加的彈簧力可從現(xiàn)有技術(shù)的水平減小。結(jié)果，MEA和擴散層的蠕變量減小。
此外，由于層疊體23分為多個多電池模塊40，所以與現(xiàn)有技術(shù)不同，由蠕變引起的MEA等沿電池層疊方向的位移量不會集中在設(shè)置于該層疊體的兩個相對端的電池上，而是分散在多電池模塊40中。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，多電池模塊40的電池19沿電池層疊方向的位移量大大減小。此外，由于由減小的彈簧力產(chǎn)生的蠕變量減小，所以多電池模塊40的電池19的位移量也減小。因此，在每個模塊框架42都具有第一壁43的情況下，多電池模塊40相對于外部限制部件46沿電池層疊方向的位移量減小。因此，即使MEA等發(fā)生蠕變，多電池模塊40的電池19也不會相對于外部限制部件46發(fā)生很大的位移，因此將不會發(fā)生由于該位移造成電池19粘附在外部限制部件16上從而導(dǎo)致?lián)p壞電池19的情況。
由于多電池模塊40的多電池組件41在電池層疊方向上沒有被模塊框架42限制，所以多電池組件41和模塊框架42之間沿電池層疊方向的熱膨脹的差異不會導(dǎo)致?lián)p壞電池19。
如果模塊框架42的第一壁43的兩個相對端朝向多電池組件41一側(cè)彎曲，從而第一壁43的彎曲部分限制了多電池組件41的沿電池層疊方向的相對端在電池層疊方向上移動，則第一壁43和多電池組件41之間沿電池層疊方向的熱膨脹差異將導(dǎo)致第一壁的彎曲部分強烈地擠壓電池19的碳隔板，這可導(dǎo)致?lián)p壞碳隔板。但是在本發(fā)明中，由于多電池模塊40在電池層疊方向上沒有被模塊框架42限制，所以將不會損壞碳隔板。
如果多電池模塊40中的電池19在其電池表面處相互粘接，則沖擊例如車輛碰撞等的橫向力作用在多電池模塊40上時產(chǎn)生的電池間剪切力的至少一部分也被粘合強度承受。此外在本發(fā)明中，如上所述該剪切力較小，因此比較容易應(yīng)付很大重力的橫向沖擊。此外，在其中電池在其外表面對齊(沒有突出部或凹陷部)的情況下相互粘接的結(jié)構(gòu)中，如果由于MEA等的蠕變使得電池外表面沿電池層疊方向相對于粘接件45(即，設(shè)置在電池外表面和模塊框架42的第一壁43之間的粘接件45)發(fā)生相對位移，電池19也不會粘接到粘接件45上并且電池19不會損壞。
在其中在多電池模塊40的多電池組件41的外表面和多電池模塊40的模塊框架42的第一壁43的內(nèi)表面之間形成間隔或設(shè)置有可變形粘接件45的情況下，可釋放電池19在垂直于電池層疊方向的方向上相對于模塊框架42和粘接件45的蠕變位移和熱膨脹，而不會導(dǎo)致電池19和模塊框架42或粘接件45相互粘接在一起(或者如果電池19粘接在模塊框架42或粘接件45上時，通過粘接件45的變形來釋放〔該蠕變位移和熱膨脹〕)。
由于外部限制部件46設(shè)置在外側(cè)部件24的內(nèi)表面和多電池模塊40的模塊框架42的第一壁43的外表面之間，所以作用在多電池模塊40上的沖擊的橫向力可由外側(cè)部件24可靠地承受。外側(cè)部件24的溫度受環(huán)境溫度影響，并且多電池模塊40的溫度受電池19發(fā)電期間產(chǎn)生的熱量影響。因此，在它們之間存在溫差，從而它們之間的熱膨脹存在差異。但是，可通過外部限制部件46的變形緩和外側(cè)部件24和多電池模塊40之間的熱膨脹的差異。
在其中多電池模塊40沿電池層疊方向串聯(lián)設(shè)置并且彈簧箱47相對于串聯(lián)設(shè)置的多電池模塊40沿電池層疊方向串聯(lián)設(shè)置的情況下，如果層疊體23分為多個多電池模塊40，則會使彈簧箱47的彈簧力的恒定載荷作用在層疊體23的所有多電池模塊40上。此外，由于彈簧48被用于沿電池層疊方向在多電池模塊40上施加恒定載荷，所以多電池模塊40的熱膨脹或蠕變變形—如果發(fā)生的話—可被彈簧48吸收，而恒定載荷基本上沒有變化。
接下來將說明本發(fā)明的各個實施例所特有的部分。
在本發(fā)明的實施例1中，如圖1到4所示，每個模塊框架42具有沿電池層疊方向延伸的第一壁43，以及沿垂直于電池層疊方向的方向延伸的第二壁44。第二壁44由具有導(dǎo)電性的材料，例如金屬材料如SUS等形成。第一壁43可由導(dǎo)電材料或非導(dǎo)電材料形成。例如，第一壁43可由樹脂或金屬材料如SUS等形成。第二壁44的外周面和第一壁43的內(nèi)周面相連接在一起，或一體地形成。
每個模塊框架42的第二壁44被流體集管如冷卻劑集管29、燃料氣體集管30、氧化氣體集管31等穿過。
多電池組件41的與第二壁44相鄰的隔板可通過密封粘接劑粘接在相鄰的第二壁44上，或者可經(jīng)由O型環(huán)50用第二壁44進(jìn)行密封而不粘接到第二壁44上。
下面將說明本發(fā)明的實施例1的操作和優(yōu)點。在多電池組件41上發(fā)生的沖擊的橫向力的至少一部分經(jīng)由第二壁44傳遞到第一壁43，并且經(jīng)由外部限制部件46被外側(cè)部件24從第一壁43接收。在粘接件45存在于多電池組件41的外表面和第一壁43的內(nèi)表面之間的情況下，在多電池組件41上發(fā)生的沖擊的橫向力的一部分經(jīng)由粘接件45傳遞到第一壁43。
如果橫向力來自外部，則來自外側(cè)部件24的橫向力經(jīng)由外部限制部件46進(jìn)入第一壁43。由于此載荷被第二壁44承受，所以基本上沒有外部載荷進(jìn)入多電池組件41。此外，由于第一壁43分散來自外部的載荷，并因此減小電池19上的表面壓力，所以即使在設(shè)置有粘接件45的情況下仍可防止電池19沿電池層疊方向粘接到粘接件45上。
在本發(fā)明的實施例2內(nèi)，如圖5中所示，在每個模塊框架42的第二壁44內(nèi)形成冷卻劑通路51。冷卻劑通路51與冷卻劑集管29連通。每個第二壁44的電池接觸表面由導(dǎo)電材料形成。
通過在形成第二壁44的兩個板之一內(nèi)形成冷卻劑槽并將該板接合到另一個板，可容易地形成冷卻劑通路51。通過在與第二壁44接觸的電池隔板中的需要強冷卻的部分內(nèi)形成密集布置的通路而在需要弱冷卻的部分內(nèi)形成稀疏布置的通路，可在該隔板上實現(xiàn)強冷卻部分和弱冷卻部分的預(yù)期分布。
關(guān)于本發(fā)明的實施例2的操作和優(yōu)點每個模塊框架的第二壁的電池接觸表面由導(dǎo)電材料形成，從而電流可在多電池模塊之間穿過。此外，通過使冷卻劑流過冷卻劑通路51，可對多電池模塊40中與第二壁44相鄰的端電池執(zhí)行冷卻控制(溫度控制)。
在本發(fā)明的實施例3中，如圖6中所示，在每個模塊框架42的第二壁44內(nèi)形成冷卻劑通路51。冷卻劑通路51與冷卻劑集管29連通。第二壁44的電池接觸表面由導(dǎo)電材料形成。第二壁44的每個電池接觸表面的至少一部分形成為可沿電池層疊方向移動。該可移動結(jié)構(gòu)通過例如波狀部分52形成，該波狀部分52圍繞第二壁44的需要沿電池層疊方向移動的部分形成。
關(guān)于本發(fā)明的實施例3的操作和優(yōu)點每個電池接觸表面的至少一部分形成為可沿電池層疊方向移動，從而可控制沿電池層疊方向的電池表面壓力。此外，可利用冷卻劑的壓力沿電池層疊方向在電池19上施加載荷。因此，可省略提供恒定載荷的彈簧(彈簧箱47的彈簧48)。在這種情況下，層疊體23的尺寸可減小與彈簧箱47的厚度相對應(yīng)的量。
在本發(fā)明的實施例4內(nèi)，如圖7到9中所示，每個模塊框架42不具有第二壁44，而僅具有第一壁43。
多電池模塊40具有包括多個電池的多電池組件41。多電池組件41設(shè)置在被模塊框架42的第一壁43圍繞的空間內(nèi)。在此情況下，如圖8和9所示，希望參照第一壁43的兩個表面將多電池組件41限定在模塊框架42內(nèi)的適當(dāng)位置。希望將多電池組件41的電池19相互粘接在一起。但是，多電池組件41的電池19可以不粘接在一起。希望在多電池組件41的外表面和模塊框架42的第一壁43的內(nèi)表面之間設(shè)置粘接件45。相鄰的多電池模塊在第一壁43之間和粘接件45之間具有沿電池層疊方向延伸的間隔。
關(guān)于本發(fā)明的實施例4的操作和優(yōu)點作用在多電池模塊40上的沖擊的橫向力(多電池組件41的慣性力的橫向分量)經(jīng)由每個模塊框架42的第一壁43和外部限制部件46而被外側(cè)部件24承受。因此，剪切力不會集中在設(shè)置于層疊體端部的電池上。
本發(fā)明適用于燃料電池的層疊結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的實施例5中，如圖10所示，每個模塊框架42的外表面和外部限制部件46的內(nèi)表面在沿軸線方向的視圖內(nèi)以點接觸方式相互接觸。在該軸向方向的點接觸中，外部限制部件46和每個模塊框架42-即圖10中的每個模塊框架42-中的至少一個在其軸向方向的中心部分內(nèi)具有向外突出的突出部60。突出部60的頂點在模塊框架42的外表面與外部限制部件46的內(nèi)表面之間提供接觸。如圖10所示，突出部60可具有帶尖頂?shù)拇笾氯切蔚钠拭嫘螤?，或者還可具有帶尖頂?shù)墓位驁A形剖面形狀。
前文所述的“在沿軸線方向的視圖內(nèi)以點接觸方式”包括這樣的點接觸情況，其中該接觸是沿垂直于軸線方向的方向的線接觸?？梢允敲總€模塊框架42的外表面和外部限制部件46的內(nèi)表面中的一個具有突出部60，或者兩者都具有突出部60。
本發(fā)明的實施例5的操作和優(yōu)點如下。
在層疊多電池模塊40的情況下，模塊框架42的總長度L隨著對應(yīng)的多電池模塊40內(nèi)設(shè)置的電池數(shù)量的增加而增加。當(dāng)層疊多電池模塊40時，相鄰多電池模塊40的端電池表面B相接。盡管希望每個模塊框架42的外表面A垂直于表面B，但實際情況是，由于裝配誤差等而使表面A和B之間的角度存在某些偏差。為了慮及此偏差，必須在每個模塊框架42的外表面和外部限制部件46的內(nèi)表面之間設(shè)置間隙C。間隙C需要隨著模塊框架42的總長度的增大而增大。增大的間隙C會引起這樣的問題，即，在沖擊下多電池模塊40在垂直于電池層疊方向的方向上沿表面B移動的可能性增大。相反，減小的間隙C會導(dǎo)致這樣的問題，即，相鄰多電池模塊40的端電池表面B不精確地接合并且層疊方式出現(xiàn)偏差。
在本發(fā)明的實施例5中，由于提供了突出部60以用于每個模塊框架42的外表面和外部限制部件46的內(nèi)表面之間的點接觸，所以可以實現(xiàn)以下兩者，即，在外部限制部件46和模塊框架42之間的間隔內(nèi)始自突出部60的遠(yuǎn)端的間隙C最小，并且層疊多電池模塊時的偏差減小。因此，可制備這樣的層疊體，其中在沖擊下多電池模塊40沿垂直于電池層疊方向的方向移動的可能性很小，并且相鄰的多電池模塊40在端電池表面B上精確地接合。
在本發(fā)明的實施例6中，如圖11所示，模塊框架42具有用于在多電池組件41上安裝電連接多電池組件41和外部設(shè)備的部件—即電池監(jiān)控器和配線—的開口61。該開口61可以是孔或切口。電池監(jiān)控器經(jīng)由開口61安裝在多電池組件41的電池上。此外，連接到電池監(jiān)控器的配線通過開口61引出。
本發(fā)明的實施例6的操作和優(yōu)點由于模塊框架42具有用于在多電池組件41上安裝將多電池組件41電連接到外部設(shè)備的部件的開口61，所以即使多電池組件41被模塊框架42覆蓋，仍可實現(xiàn)電池監(jiān)控器的接線。
在本發(fā)明的實施例7中，如圖12到15所示，模塊框架42由相互分開的或者在其一定部位相互連接的至少兩個框架部件42a、42b形成。在框架部件42a、42b之間形成間隔。
如圖13所示，框架部件42a、42b在端電池的位置處相互連接。此外，如圖14所示，框架部件42a、42b可在多電池組件41的電池層疊方向上的中間位置處相互連接。如圖15所示，框架部件42a、42b可通過使用粘接劑45粘接到多電池組件41的電池上，而不是相互連接。
本發(fā)明的實施例7的操作和優(yōu)點在框架部件42a、42b之間存在間隔，從而可經(jīng)由此間隔將電池監(jiān)控器安裝到多電池組件41的電池上，并且可經(jīng)由此間隔引出連接到電池監(jiān)控器的配線。
在本發(fā)明的實施例8中，如圖16和17所示，模塊框架42的內(nèi)表面具有用于粘接劑的凹槽62。凹槽62的數(shù)量可以是一個或多于一個。凹槽62沿垂直于電池層疊方向的方向延伸。
本發(fā)明的實施例8的操作和優(yōu)點模塊框架42的內(nèi)表面具有用于粘接劑的凹槽62，從而粘接劑可進(jìn)入凹槽62，由此大大防止了粘接劑泄漏。因此可實現(xiàn)穩(wěn)定的粘接。
在本發(fā)明的實施例9中，如圖18和19所示，模塊框架42具有從模塊框架42延伸到電池監(jiān)控器63的外表面附近的電池監(jiān)控器加壓器64。電池監(jiān)控器加壓器64與模塊框架42一體地形成。在電池監(jiān)控器加壓器64和電池監(jiān)控器63之間設(shè)置有很小的間隙，例如大約0.5mm的間隙。
本發(fā)明的實施例9的操作和優(yōu)點模塊框架42具有從模塊框架42延伸到電池監(jiān)控器63的外表面附近的電池監(jiān)控器加壓器64，從而可防止電池監(jiān)控器63從電池脫離。
在本發(fā)明的實施例10中，如圖20和21所示，模塊框架42的至少一部分由非導(dǎo)電材料例如樹脂、橡膠等形成。
此外，多電池模塊40的每個多電池組件41的每個矩形端電池19A(位于沿層疊方向的端部的電池)在其四個拐角位置具有形成樹脂制造的模塊框架42的框架部件42c?？蚣懿考?2c與端電池19A成一體?？蚣懿考?2c與除了端電池以外的其它電池分開，因此即使多電池組件41沿電池層疊方向熱膨脹或收縮，仍可相對移動。在這兩個端電池之一的框架部件42c和另一個端電池的框架部件42c之間具有間隔a。因此，可使多電池組件41在電池層疊方向上緊湊。
本發(fā)明的實施例10的操作和優(yōu)點模塊框架42的至少一部分由非導(dǎo)電材料形成，從而可以使各個電池的隔板可靠地相互電絕緣，同時可吸收沖擊。
此外，形成樹脂制造的模塊框架42的框架部件42c設(shè)置在多電池模塊40的每個多電池組件41的每個端電池19A的四個拐角位置處，并與端電池19A成一體，從而可減小模塊框架42的尺寸和重量，并使其緊湊。此外，如果作為預(yù)先形成的組件提供端電池19A和框架部件42c，則將改善模塊框架組裝的效率。
在本發(fā)明的實施例11中，如圖22和23所示，模塊框架42的至少一部分由彈性部件例如橡膠形成。圖22示出其中模塊框架42由橡膠整體地形成的示例。圖23示出其中模塊框架42的一部分例如模塊框架42的四個拐角部分由橡膠形成而其余部分由樹脂形成的示例。
本發(fā)明的實施例11的操作和優(yōu)點如下。即，如果彈性模塊框架42形成為使得處于自由狀態(tài)的彈性模塊框架42的內(nèi)部尺寸比多電池組件41的外部尺寸小一定量，則當(dāng)將模塊框架42附裝到多電池組件41上時模塊框架42將產(chǎn)生張力T。因此，可以不必使用粘接劑將框架模塊42粘接到多電池組件41上。不使用粘接劑避免了對粘接劑涂覆裝置的需要，并使裝配過程時間縮短了對應(yīng)于粘接劑硬化時間的量。此外，橡膠的彈性能夠減震。
在本發(fā)明的實施例12中，如圖24所示，模塊框架42由彈性部件例如橡膠形成，并且將該彈性部件的表面的摩擦系數(shù)制成小于彈性部件本身的摩擦系數(shù)。通過利用焊接或裝入配合(fitting-in)等將高度光滑的樹脂板65例如聚四氟乙烯板等粘附到模塊框架42的彈性部件的外表面上，或通過涂覆樹脂，來減小該彈性部件的表面的摩擦系數(shù)。
本發(fā)明的實施例12的操作和優(yōu)點如下。橡膠制成的模塊框架42和樹脂制成的外部限制部件46具有很大的摩擦系數(shù)，因此不易于在彼此之上滑動。但是，彈性部件的表面的摩擦系數(shù)被制成小于彈性部件本身的摩擦系數(shù)，則橡膠制成的模塊框架42可容易地在樹脂制成的外部限制部件46上滑動，從而防止不易滑動時可能發(fā)生的MEA等的載荷脫離。
在本發(fā)明的實施例13中，如圖25、26和27所示，模塊框架42由彈性部件例如橡膠形成，由該彈性部件形成的模塊框架42連接到多電池模塊40的多電池組件41的端電池19A上。例如，可如圖25所示通過在每個端電池19A的電池層疊方向上的外表面內(nèi)形成凹槽66，并將設(shè)在模塊框架42上的突出部67裝配在凹槽66內(nèi)，或者如圖26和27所示通過在每個端電池19A的電池層疊方向的外表面上設(shè)置圓柱形突出部68，并將突出部68裝配在模塊框架42中形成的孔69內(nèi)，以實現(xiàn)模塊框架42和端電池19A之間的連接。
本發(fā)明的實施例13的操作和優(yōu)點模塊框架42可穩(wěn)定地固定在端電池19A上。因此，可充分防止模塊框架42脫離多電池組件41，并且可沿電池層疊方向向模塊框架42穩(wěn)定地施加張力。
在本發(fā)明的實施例14中，如圖28和29所示，模塊框架42由彈性部件例如橡膠形成，線纜70嵌入由彈性部件形成的模塊框架42內(nèi)。優(yōu)選地，線纜70是可膨脹和可收縮的線纜，并且由例如橡膠、彈簧等形成。連接到多電池組件41的模塊框架42在該多電池組件41的上部和下部的每一個內(nèi)具有在多電池組件41的所有電池上延伸的凹槽71。當(dāng)要將模塊框架42附裝到多電池組件41時，在將模塊框架42裝配到多電池組件41上時拉動線纜70。此后，除去線纜70的張力，以便模塊框架42的線纜嵌入部分與凹槽71適配。
本發(fā)明的實施例14的操作和優(yōu)點可通過以下簡單操作將模塊框架42裝配到多電池組件41上，即，擴展線纜嵌入部分以將模塊框架42的嵌入有線纜70的部分裝配到凹槽71內(nèi)。由于其中模塊框架42的線纜嵌入部分裝配在凹槽71內(nèi)的結(jié)構(gòu)，模塊框架42在裝配后不易脫離多電池組件41。因此，可以不必使用粘接劑將模塊框架42粘接到多電池組件41上。不使用粘接劑消除了對粘接劑涂覆裝置的需要，并使裝配過程時間縮短了對應(yīng)于粘接劑硬化時間的量。此外，橡膠的彈性能夠減震。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組件，包括串聯(lián)設(shè)置的多個多電池模塊；以及外側(cè)部件，其中，該多電池模塊具有通過層疊多個電池形成的多電池組件，以及模塊框架，該模塊框架具有圍繞該多電池組件并在該多電池組件的電池層疊方向上延伸的第一壁，以及其中，該外側(cè)部件在該多個多電池模塊的外部并在電池層疊方向上沿該多電池模塊延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池組件，其特征在于，該外側(cè)部件在該多個多電池模塊的外部并在電池層疊方向上沿所有多電池模塊延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，在該多電池模塊內(nèi)，多電池模塊的多電池組件在電池層疊方向上不被多電池模塊的模塊框架限制，以便釋放電池在電池層疊方向上的熱膨脹。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，在該多電池模塊內(nèi)，多電池組件的電池彼此粘接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，在該多電池模塊內(nèi)，在多電池模塊的多電池組件的外表面和該多電池模塊的模塊框架的第一壁的內(nèi)表面之間形成間隔或設(shè)置有可變形的粘接件，以釋放電池在垂直于電池層疊方向的方向上的熱膨脹。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，在該外側(cè)部件的內(nèi)表面和多電池模塊的模塊框架的第一壁的外表面之間設(shè)置有外部限制部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該多個多電池模塊在電池層疊方向上串聯(lián)設(shè)置，并且一彈簧箱相對于該串聯(lián)設(shè)置的多個多電池模塊在電池層疊方向上串聯(lián)設(shè)置，該彈簧箱的彈簧力沿電池層疊方向施加到該多個多電池模塊上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，除了該第一壁之外，該模塊框架具有在垂直于電池層疊方向的方向上延伸的第二壁。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池組件，其特征在于，在該第二壁內(nèi)形成有冷卻劑通路。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池組件，其特征在于，第二壁的與電池接觸的接觸表面由導(dǎo)電材料形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池組件，其特征在于，第二壁的與電池接觸的接觸表面的至少一部分形成為可在電池層疊方向上移動。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池組件，其特征在于，在該第二壁內(nèi)形成有冷卻劑通路，并且第二壁的可在電池層疊方向上移動的部分由冷卻劑通路的壓力移動。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架的外表面和外側(cè)部件的內(nèi)表面以點接觸方式相互接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架具有用于在多電池組件上安裝將多電池組件與外部設(shè)備電連接的部件的開口。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架包括至少兩個相互分開的框架部件。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架的內(nèi)表面具有用于粘接劑的凹槽。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架具有從模塊框架朝向電池監(jiān)控器的外表面延伸的電池監(jiān)控器加壓器。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架的至少一部分由非導(dǎo)電材料形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，構(gòu)成由樹脂制成的模塊框架的框架部件設(shè)置在該多電池模塊的多電池組件的端電池的四個拐角位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架由彈性部件形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池組件，其特征在于，該彈性部件的表面的摩擦系數(shù)小于彈性部件本身的摩擦系數(shù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池組件，其特征在于，該模塊框架連接到多電池模塊的多電池組件的端電池上。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池組件，其特征在于，在該模塊框架內(nèi)嵌入有線纜。
全文摘要
本發(fā)明公開了燃料電池組件(10)。燃料電池組件(10)包括串聯(lián)設(shè)置的多電池模塊(40)以及外側(cè)部件(24)。該多電池模塊具有通過層疊電池形成的多電池組件，以及模塊框架(42)，該模塊框架具有圍繞所述多電池組件的第一壁(43)。為了釋放多電池模塊(40)在垂直于層疊方向的方向上的熱膨脹，在多電池模塊(40)的外表面和模塊框架(42)的第一壁(43)的內(nèi)表面之間形成間隙或設(shè)置可變形的粘接件(45)。
文檔編號H01M8/02GK1826705SQ200480020941
公開日2006年8月30日 申請日期2004年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月22日
發(fā)明者稻垣敏幸 申請人:豐田自動車株式會社