专利名称：燃料电池组的岐管和密封组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，特别是涉及用于这种系统的燃料电池组的歧管组件。
背景技术：
在现代的燃料电池系统内，使用歧管向这种系统的燃料电池组供给气体燃料和氧化剂气体并从其中抽出气体燃料和氧化剂气体。在有些情况下，燃料电池组位于外壳内，而且所述外壳起输送一种气体的歧管的作用。在这种结构里，最少还要有3个歧管作系统的其他气体的进出通道之用。在其他情况下，外壳不起歧管作用，则最少需要4个歧管。
在这种系统里，通常把各歧管紧压于燃料电池组上。例如，2000年8月31日申请的转让予本受让人的共同悬而未决的美国专利申请系列号09/651,921中就说明过一个这种燃料电池组紧压系统的例子。在这种系统里，通常还为系统的外歧管安装歧管密封组件。例如，美国专利4,467,018就披露了一个典型的密封组件。
图1示出了一个典型的燃料电池组1，使用了4个歧管。如图所示，燃料电池组1包括多个上下重叠的燃料电池组件11A和电解质基块11B。这些元件安排成使得各反应气体在燃料电池组1内交叉流动。更具体地说，气体燃料和氧化剂气体分别流入各自的阳极和阴极进气歧管2A和3A，然后通过所述重叠的电池组件。接着，排出的气体燃料和氧化剂气体经过阳极和阴极排气歧管2B和3B从电池组件抽出。还安装了歧管密封组件4，在歧管2A、3A、2B、3B和电池组之间起密封作用。
更具体地说，如图2所示，各个燃料电池组件11包括阴极12、阴极波状集电器13、双极板14、阳极波状集电器15和阳极16。所述双极板14包括各端的端折板14A，如美国专利5,773,161号、5,399,438号和4,514,475号所论述的那样，这种端折板提供平的密封表面。
上述这些平表面加在一起结果形成燃料电池组1的垂直周边平表面区1A，而端板6则为燃料电池组提供水平周边平表面区1B。阳极和阴极歧管2A、2B、3A和3B就是靠在这些周边平表面上密封的。各个歧管密封组件4都包括电池组侧可压缩密封垫板4A、绝缘框组件4B和歧管侧可压缩密封垫板4C，所有这些电池组侧可压缩密封垫板4A、绝缘框组件4B和歧管侧可压缩密封垫板4C都各自与一个歧管对接。这些部件不仅使得各密封组件可以提供密封还使之可以限制电解质从电池组顶部向底部移动，限制电解质从电池组通过绝缘框组件向歧管移动并允许在电池组与歧管间的相对移动。
更具体地说，各垫板4A提供燃料电池组件11的双极板14与绝缘框组件4B之间的密封。垫板4A还适于限制电解质从电池组的正电端向负电端这种不需要的移动。如果不加检查，电解质的这种移动会使电池组负电端的电池电解质满溢而又使正电端电池的电解质排空。这样采用垫板4A的方法，披露于美国专利4,591,538号、4,643,954号、4,761,348号和5,110,692号。这些方法虽然减少了电解质的移动，但并未完全消除这种移动，而且增加燃料电池组1的成本。
绝缘框组件4B对燃料电池组1与相关的金属歧管之间提供电绝缘。如图1内所示，典型的框组件包括水平构件5A和垂直构件5B所述水平构件和垂直构件5A、5B在接合部5C通过对准的槽5D、5E和键5F相连结。这种结构允许电池组与框组件之间的差别的移动(例如，见美国专利4,414,294号)。为了经受这种差别的移动引起的应力，框组件4B需要高密度陶瓷。正如2000年12月13日申请的转让予本受让人的美国专利申请09/736,549号所说明的那样，这种陶瓷还必须高度精加工以保证所需的电压下的绝缘。可以理解，需要高密度、高度精加工的陶瓷也会增加燃料电池组1的总成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能克服上面谈到的现有组件的缺点的歧管和歧管密封组件。
本发明的另一目的是提供一种零件数目减少的歧管和歧管密封组件。
本发明的再一目的是提供一种能减少绝缘框组件的零件数量和垫板数量的歧管和歧管密封组件。
本发明还有一个目的是提供一种能使用简化双极板的歧管和歧管密封组件。
上述目的以及其他目的是根据本发明的原理使用包括若干个框组件和若干个歧管的歧管和歧管密封组件实现的。其中一个或一个以上的框组件是支承框组件，一个或一个以上的框组件是被支承框组件。每个支承框组件为其面对的燃料电池组面相邻的面所面对的一个被支承框组件的一部分提供结构支承。而且根据本发明对紧靠支承框组件的歧管作了修改，使之适于与紧靠相关的被支承框组件的歧管区域密封接合。
在后面要说明的本发明的实施例里，每个支承框组件都包括与相关的燃料电池组面的垂直边相邻的垂直组件，所述相关的燃料电池组面在其上下两端支承相关的被支承框组件的上、下水平构件。这两个水平构件又与相关的燃料电池组面的上、下端相邻。
而且，在此实施例中，每个位于支承框组件附近的歧管都有一个具有垂直边的外围凸缘，所述垂直边有超出相关的燃料电池组面的垂直端之外的突出部分。此突出部分对位于被支承框附近的歧管的外围凸缘垂直边起密封件的作用。这个位于被支承框附近的歧管有一个延展超出相关燃料电池组面的垂直边之外的中区，从而可以实施密封接合。
此外，在我们说明的实施例中，邻接燃料电池组某个面的被支承框组件可以得到两个支承框组件的支承。这两个支承框组件紧靠与上述某个面的两个相对的垂直边相邻的燃料电池组面。在我们说明的4个面的电池组中，有两个支承框组件紧靠电池组的两个相对的面并支承紧靠电池组另两个相对的面的两个被支承框组件。在本实施例中，每个支承框组件都包括两个与相关的燃料电池组面的两个相对的垂直边相邻的垂直构件，其中的一个支承紧靠相邻的一个燃料电池组面的被支承框组件的上、下水平构件，另一个则支承紧靠另一个相邻面的被支承框组件的上、下水平构件。
阅读下面的带附图的详细说明就可以更清楚地了解本发明的上述特点和其他特点，附图中图1示出使用现有歧管和歧管密封组件的燃料电池组；图2示出使用于图1的燃料电池组内的一个燃料电池组件；图3示出使用根据本发明原理的歧管和歧管密封组件的燃料电池组；图4示出图3的歧管和歧管密封组件的框组件；图5和图6示意地示出图3的歧管和歧管密封组件的拐角部分的示意图；图7示出图1的歧管和歧管密封组件的拐角部分。
具体实施例方式
图3示出使用根据本发明原理的歧管和歧管密封组件31的燃料电池组21。所述燃料电池组21包括多个叠置的燃料电池组件52，各对组件间设置一个燃料电池基块53。端板54和55分别位于最上面的燃料电池组件之上和最下面的燃料电池组件之下。
在图5中可以看到，各个燃料电池组件52，类似于图2中所示的一般的燃料电池组件11A，并且包括阴极52A、阴极波状集电器52B、双极板52C、阳极波状集电器52D和阳极52E。在所示的实施例中，这些部件是方形结构的的，因而燃料电池组件52也是方形结构的。
这些叠置的部件结果形成了具有21A、21B、21C和21D四个面的燃料电池组21。面21A和面21B相对，并且分别起接收和排出气体燃料的作用。面21C和面21D也相对，并且分别起接收和排出氧化剂气体的作用。
类似的阳极歧管31A和31B紧靠燃料电池组的面21A和21B，向这两个面输送并从这两个面抽出阳极气体。相同的阴极歧管31C和31D也紧靠燃料电池组的面21C和21D，向这两个面输送并从这两个面抽出氧化剂气体。位于各歧管与其燃料电池组各自的面之间的是电池组侧垫板31E或31F，绝缘框组件41或42，以及歧管侧垫板31G或31H。这些歧管、框组件和垫板一起形成燃料电池组21的歧管和歧管密封组件31。
根据本发明的原理，这种歧管和歧管密封组件适于在减少部件数量的情况下起歧管和密封作用。达到这一目的的方法是使用一种框组件(即支承框组件)与电池组的一个面相配合，为一个框组件(即与电池组一个相邻面相配合的被支承框组件)的部件提供结构支承。达到这一目的的方法还包括使紧靠支承和被支承框组件的歧管适于在支承框组件支承被支承框组件的邻近区域实现密封接合。
在本发明的示例性的实施例里，相同的支承框组件41安装于靠近电池组面21A和21B的地方。这两个框组件为安装于邻近电池组面21C和21D的相同的被支承框组件42提供支承。图4更详细地示出框组件41和42。每个支承框组件41都包括紧靠相关的电池组面的上、下边缘的上、下水平框构件41A、41B。框组件41的垂直框构件41C和41D与相关的电池组面的垂直边缘邻接。
垂直框构件41C和41D各包括上部43和下部44。这两部分的邻接端有容纳连结这两部分的键45的键槽或槽43A和44A。上部43的扩大的端部46靠近电池组面的上边缘，而下部44的扩大的端部47靠近电池组面的下边缘。端部46有突出于电池组面之外的部分46A和沿电池组面延伸的部分46B。与此类似，端部47也有突出于电池组面之外的部分47A和沿电池组面延伸的部分47B。
所述部分46B在46C处切槽，此槽与上水平框构件41A相邻的端部上的槽或键槽71对准。键72容纳于这两个相邻的槽中并把这两个构件联在一起。与此类似，部分47B有一个槽或键槽47C，与下水平框构件41B的相邻的端部的槽73对准。键74容纳于这两个槽中，并把这两个构件连结在一起。
各被支承框组件42也有上、下水平构件48和49，靠近相关的电池组面的上、下边缘。构件48和49各自在与相关的电池组面的垂直边缘相邻的端部有槽或键槽75和76。各个槽75与相邻支承框组件41的垂直框构件的部分46A上相同方向的槽77对准。键78把这两个构件连结在一起。各个槽76与支承框组件41的垂直框构件41C的部分47A上的相同方向槽79对准。键81把这两个构件连结在一起。
可以理解，采用框组件41和42的这种结构，支承框组件41有垂直构件41C、41D，这两个构件不仅支承本支承框组件的水平构件41A、41B，而且还支承相邻的被支承框组件42的水平构件48、49。这样，就减少了框组件的部件数量，从而简化并大量降低歧管和歧管框组件31的成本。
为了容纳支承和被支承框组件41和42的这种结构，对阳极歧管31A、31B和阴极歧管31C、31D作了修改以适于在支承框组件支承被支承框组件的区域进行密封接合。这种支承发生于电池组各个面的垂直边缘区域，因此，歧管的垂直部分适于提供这种密封接合。
更具体地说，参看图3、5和6，阳极歧管31A、31B各有中区81，与外国凸缘82相邻。所述凸缘82的垂直部分还设有延伸部分82A，在水平方向上延伸超出相关的电池组面的垂直边缘之外。
各个阴极歧管31C、31D也有中区83，突出于相关的电池组面的相对的垂直边缘之外。这就使得各个歧管的外围凸缘84所处的位置在所述凸缘84的垂直部分与相邻歧管的垂直延伸部分82A相对的地方。
这样，在歧管31A-31D与电池组面紧靠时，阳极歧管31A、31B的延伸部分82A就与阴极歧管31C、31D的凸缘84的垂直部分接合。这在图5和图6中显示得更清楚，这两张图示出电池组21的拐角部分即阳极歧管31A与阴极歧管31C相交的部分。这种接合与图7所绘的电池组1的拐角部分的接合是不同的。
框组件41、42和歧管31A-31D采用这种结构，阳极歧管31A、31B的歧管侧垫板31H就在各歧管的整个外围凸缘82的周围延伸，但并不延伸到延伸部分82A。各个阴极歧管的歧管侧垫板31G也延伸于歧管的整个外围凸缘84的周围，因而位于凸缘84的垂直部分与相邻歧管的垂直延伸部分82A的端部之间。
在燃料电池组面21A、21B与各支承框组件41之间的电池组侧垫板31F各延伸于与其相关的电池组面的整个平的外围区域的周围。这个外围区域包括端板54、55形成的水平部分和双极板52C的阳极侧的折板区形成的垂直部分。因为框组件41有水平构件和垂直构件，所以水平部分和垂直部分都是需要的。
然而，燃料电池组面21C和21D之间的电池组侧垫板31E只需水平延伸，以包容端板54、55形成的相关电池组面的平的外围区域和框组件42的水平构件。因为框组件42没有垂直构件，这些电池组面无需平的外围垂直部分。因此，电池组的阴极侧上的双极板52C也无需有折板区。
可以理解，本发明的歧管和密封组件31与现有的歧管和密封组件相比，具有减少框组件41和42的零件数目的优点。对于图3所示的具有4个面的燃料电池组21而言，如下面的表1所示零件数从65减少到36个。
表1
表1还显示根据本发明的3歧管系统与一般的3歧管系统相比零件数的减少(零件数从48减少到30)。
另外，用了根据本发明的歧管和歧管密封组件31，与电池组面接触的垫板零件的数量会减少，而且电解质的移动也会减少。另外，工作区阳极的气泄漏体现在是漏入阴极室。这种渗漏通道的压差比使用已有的歧管和歧管密封组件时小。而且，因为不再使用阴极侧的双极板折板，双极板拐角部分的结构也简化了。
在一切情况下，都可以理解上面说明的这些结构只是说明体现运用本发明的许多可能的具体的实施例而已。可以不脱离本发明精神的范围根据本发明的原理很容易地想出许多不同的其他结构。
权利要求
1.一种用于具有多个面的燃料电池组的歧管和歧管密封组件，所述的歧管和歧管密封组件包括多个各邻接所述燃料电池组一个面的框组件；多个各邻接框组件的歧管；一个或一个以上的所述框组件是支承框组件，一个或一个以上的所述框组件是被支承框组件，每个支承框组件都支承其面对的所述电池组面相邻的面所面对的被支承框组件的一部分。
2.根据权利要求1的歧管和歧管密封组件，其特征在于所述邻接支承框组件的歧管和邻接所述被支承框组件的歧管适于在所述支承区域密封接合。
3.根据权利要求2的歧管和歧管密封组件，其特征在于各支承框组件包括一个或一个以上的垂直构件，而各垂直构件邻接所述电池组的相关面的垂直边并支承所述支承框组件所支承的被支承框组件的一部分。
4.根据权利要求3的歧管和歧管密封组件，其特征在于各被支承框组件有邻接所述燃料电池组相关面上、下端的上、下水平构件；支承框组件的各所述垂直构件有上、下端，支承所述支承框组件所支承的被支承框组件的上、下水平构件。
5.根据权利要求4的歧管和歧管密封组件，其特征在于各支承框组件有上、下水平构件，邻接所述燃料电池组相关面的上、下端；各支承框组件的垂直构件的上、下端分别支承所述支承框组件的上、下水平构件。
6.根据权利要求5的歧管和歧管密封组件，其特征在于，各个所述垂直构件的上、下端有第一部分，所述第一部分沿所述电池组的相关面延伸，并有一部分超出所述电池组相关面的垂直边，各个所述第一部分支承包括所述第一部分的支承框组件的水平构件，各个所述第二部分支承为包括所述第二部分的支承框组件所支承的被支承框组件的水平构件。
7.根据权利要求6的歧管和歧管密封组件，其特征在于各个所述第一部分和第二部分都有一个槽；各个上、下水平构件都在其端部有一个槽，各个上、下水平构件上的槽与支承所述水平构件的第一、第二部分中的一个上的槽对准；所述歧管和歧管密封组件还包括分别嵌于一对对准的槽中的键。
8.根据权利要求7的歧管和歧管密封组件，其特征在于各个所述垂直构件都包括分别具有上、下端的上部和下部。
9.根据权利要求8的歧管和歧管密封组件，其特征在于所述上部和下部有相邻的端部，这两个相邻的端部上有用于对准的槽；所述歧管和歧管密封组件还包括分别嵌入所述上部和下部对准的槽中的键。
10.根据权利要求9的歧管和歧管密封组件，其特征在于第一和第二支承框组件都各支承第三被支承框组件的一部分。
11.根据权利要求10的歧管和歧管密封组件，其特征在于所述第一和第二支承框组件面对所述燃料电池组的相对的面。
12.根据权利要求11的歧管和歧管密封组件，其特征在于所述第一和第二支承框组件有第一和第二垂直构件，所述的第一和第二垂直构件位于所述电池组相关面的相对的垂直边的附近。
13.根据权利要求10的歧管和歧管密封组件，其特征在于所述第一和第二框组件各支承第四被支承框组件的一部分。
14.根据权利要求12的歧管和歧管密封组件，其特征在于所述第一和第二被支承框组件面对所述电池组的相对的第一面和第二面；所述第三和第四被支承框组件面对所述电池组的相对的第三面和第四面。
15.根据权利要求13的歧管和歧管密封组件，其特征在于所述第一和第二支承框组件各有第一和第二垂直构件，所述的第一和第二垂直构件位于所述电池组相关面的两个相对的垂直边的附近。
16.根据权利要求6的歧管和歧管密封组件，其特征在于，各个紧靠支承框组件的歧管包括一个中区；和一个凸缘区，所述凸缘区包括沿靠近相关支承框组件垂直构件的各个垂直边延伸的垂直延伸部分，所述垂直延伸部分超出了所述电池组相关面的相应的垂直边；各个紧靠被支承框的歧管包括一个中区和一个凸缘区，所述中区延伸超出了所述燃料电池组相关面的边，从而所述凸缘区的垂直部分紧靠邻接支承框组件的歧管的垂直延伸部分。
17.根据权利要求3的歧管和歧管密封组件，其特征在于各个邻接支承框组件的歧管包括一个中区，一个凸缘区，所述凸缘区包括沿靠近相关支承框组件垂直构件的各个垂直边延伸的垂直延伸部分，所述垂直延伸部分超出了所述电池组相关面的相应的垂直边；各个邻接被支承框的歧管包括一个中区和一个凸缘区，所述中区延伸超出了所述燃料电池组相关面的边，从而所述凸缘区的垂直部分紧靠邻接支承框组件的歧管的垂直延伸部分。
18.根据权利要求17的歧管和歧管密封组件，它还包括多块第一垫板，各第一垫板位于框组件与所述电池组的相关面之间；多块第二垫板，各第二垫板位于框组件与相关的歧管之间。
19.根据权利要求18的歧管和歧管密封组件，其特征在于位于被支承框组件与相关的歧管之间的各第二垫板还在所述歧管的凸缘区的垂直延伸部分与相关的支承歧管的邻接垂直延伸部分之间延伸。
20.一种用于与面对燃料电池组的一个面并支承一个或一个以上面对所述燃料电池组相邻面的被支承框组件的支承框组件邻接的歧管，所述歧管包括一个中区；一个凸缘区，所述凸缘区从所述中区延伸出并有一个延伸部分超出所述燃料电池组相关面的垂直边，用于分别与面对被支承框组件的歧管接合。
21.根据权利要求20的歧管，其特征在于所述支承框组件支承第一和第二被支承框组件；所述凸缘区有超出所述相关面的相对的垂直边的延伸部分，用于分别与面对所述第一和第二被支承框组件的第一和第二歧管接合。
22.一种用于与面对燃料电池组的一个面并为面对所述电池组相邻面的一个或一个以上的支承框组件所支承的被支承框组件邻接的歧管，所述歧管包括一个中区；一个从所述凸缘区延伸出的凸缘区；所述中区延伸超出所述电池组相关面的垂直边之外从而使所述凸缘区与面对支承框组件的歧管的一个延伸部分接合。
23.根据权利要求22的歧管，其特征在于所述被支承框组件为第一和第二支承框组件所支承；所述中区延伸超出所述电池组相关面的两个相对的垂直边，从而使所述凸缘区与分别面对所述第一和第二支承框组件的第一和第二歧管的突出部分接合。
24.一种燃料电池系统，它包括具有多个面的燃料电池组；用于所述燃料电池组的歧管和密封组件，所述的岐管和密封组件包括多个各邻接所述燃料电池组一个面的框组件；多个各邻接于一个框组件的歧管；一个或一个以上的所述框组件是支承框组件，一个或一个以上的所述框组件是被支承框组件，各个支承框组件支承其面对的所述电池组的面的相邻面面对的被支承框组件的一部分。
25.根据权利要求24的燃料电池系统，其特征在于所述邻接支承框组件的歧管和邻接为所述支承框组件所支承的被支承框组件的歧管都适于在所述支承区域互相密封接合。
26.根据权利要求25的燃料电池系统，其特征在于所述燃料电池组包括多个具有双极板的燃料电池组件，所述双极板在其限定面对所述支承框组件的所述燃料电池组的面的部分有折板区，而在其限定面对所述被支承框组件的所述燃料电池组的面的部分没有折板区。
全文摘要
一种用于具有多个面的燃料电池组的歧管和歧管密封组件，其中所述的组件包括多个支承框组件(41)，多个被支承框组件(42)，和多个岐管(81，83)，和至少一个邻接燃料电池组的一个面的支承框组件提供对邻接支承邻接支承被支承框组件的支承框组件的一个面电池组的一个面的被支承框组件的支承。另外，邻接支承框组件的歧管和邻接被支承框组件的歧管适于相互密封地接合。
文档编号H01M8/02GK1615556SQ02805816
公开日2005年5月11日 申请日期2002年2月26日 优先权日2001年3月1日
发明者达纳·A·凯利, 理查德·P·海斯 申请人:燃料电池能有限公司