专利名称：层叠式燃料电池及其维护方法
技术领域：
本发明涉及一种层叠式燃料电池及其维护方法。
背景技术：
层叠式燃料电池具有如图9所示的结构，包含交替层叠的多个电池薄膜111和多个隔离板112，电池薄膜111分别包含夹在电极薄膜之间的固态聚合物电解质薄膜，隔离板112都具有导电性，且具有在其一个表面上形成的燃料气体通道和在其另一表面上形成的氧化剂气体通道；且所形成的叠层外围通过端板114由螺纹轴115a和螺母115b夹紧。这种层叠式燃料电池这样设计，即通过端板114和隔离板112上形成的歧管供应燃料气体，比如氢气，以及氧化剂气体，比如空气，且供应这些气体时，燃料气体经隔离板112一个表面上形成的燃料气体通道输送到电池薄膜111的一个表面上，同时氧化剂气体经隔离板112另一表面上的氧化剂气体通道输送到电池薄膜111的另一表面上，从而燃料气体和氧化剂气体发生电化学反应，向外输出电力。
如果在具有上述结构的层叠式燃料电池中任一电池薄膜111由于某种原因损坏，而需要更换，则拆下螺纹轴115a和螺母115b，用新的电池薄膜111更换损坏的电池薄膜111，此后通过端板114由螺纹轴115a和隔离板112重新夹紧电池薄膜111和隔离板112。这样，进行维护和管理。
然而，所述层叠式燃料电池具有其外围通过端板114由螺纹轴115a和螺母115b夹紧的上述结构。所以，如
图10a所示，处于压力下的层叠式燃料电池弯曲成凸透镜形状，且从电极薄膜111b外围边缘突出的固态聚合物电解质薄膜111a的外围边缘部分密切接触密封材料113。当夹紧过程解除时，密切接触密封材料113的固态聚合物电解质薄膜111a在恢复力下受拉，结果可能新出现损坏点d，比如断裂，如图10b所示。
为防止在夹紧过程中出现凸透镜形式的弯曲，密封材料13可以是厚壁的。即使在这种情况下，当夹紧过程解除时，层叠式燃料电池也弯曲成凸透镜形状，如图10c所示。结果，出现与上述相同的危险。即，与密封材料113密切接触的固态聚合物电解质薄膜111a受拉，从而可能新出现损坏点d，比如断裂。
因此，如图11所示，在隔离板123的外围边缘处形成啮合部分123a，且通过弹簧129与另一隔离板123上形成的啮合部分123a连接，从而可以仅解除损坏的电池薄膜121等附近的一部分夹紧。通过这种方式，试图避免损坏其他正常的电池薄膜121等(例如参见美国专利US5686200和日本未审查的专利公报No.1996-29592)。
然而，从化学稳定性和电学性能的观点出发，石墨用于隔离板112或123。因此，如果隔离板的外围边缘连接在一起，则可能出现破裂。而且，很多隔离板123必须通过多个弹簧129连接在一起。因此，安装的部件数目非常大，且安装操作繁重。而且，弹簧129位于隔离板123的外围边缘。因此，整个结构的尺寸太大，以致易于产生死区。
发明内容
本发明已经针对上述情况而完成。本发明的目的是提供一种层叠式燃料电池及其维护方法，它不仅能防止隔离板破裂或出现死区，而且能以较少的部件数目顺利地运行。
为实现上述目的，本发明的第一方面的层叠式燃料电池，是这样一种层叠式燃料电池，该电池包含交替层叠的多个电池薄膜和多个隔离板，所述电池薄膜分别包含夹在电极薄膜之间的固态聚合物电解质薄膜，所述隔离板都是导电的，且分别具有在其一个表面上形成的燃料气体通道，和在其另一表面上形成的氧化剂气体通道，其特征在于沿层叠方向以预定的间隔插入多个分隔板，所述分隔板都是导电的，且都具有穿透部分，线形或带形紧固件沿垂直于层叠方向的方向经过所述穿透部分。
本发明的第二方面的层叠式燃料电池是一种如本发明的第一方面所述的层叠式燃料电池，其特征在于在分隔板的与电极薄膜接触的表面上形成气体通道。
本发明的第三方面的层叠式燃料电池是一种如本发明的第二方面所述的层叠式燃料电池，其特征在于所述分隔板包含其上形成气体通道的端部隔离板，和其上形成穿透部分的端子板。
本发明的第四方面的层叠式燃料电池是一种如本发明的第一至第三方面任一所述的层叠式燃料电池，其特征在于经过所述分隔板的穿透部分且固定电池薄膜和隔离板的紧固件介于所述分隔板之间。
为实现上述目的，根据本发明的第五方面，用于维护所述层叠式燃料电池的方法是一种用于维护如本发明的第一至第三方面任一所述的层叠式燃料电池的方法，其特征在于为了使除在目标电池薄膜或隔离板介于其间的分隔板之间的电池薄膜和隔离板之外，其余的电池薄膜和隔离板由紧固件固定，所述紧固件经过所述分隔板上的穿透部分，且用于紧固，此后，拆下目标电池薄膜或隔离板介于其间的分隔板之间的电池薄膜和隔离板。
根据本发明的第六方面，用于维护层叠式燃料电池的方法是一种如本发明的第五方面所述的用于维护层叠式燃料电池的方法，其特征在于为了使在目标电池薄膜或隔离板介于其间的分隔板之间的电池薄膜和隔离板由紧固件固定，所述紧固件经过所述分隔板上的穿透部分，且用于紧固，此后，拆下在目标电池薄膜或隔离板介于其间的分隔板之间的电池薄膜和隔离板。
附图简要说明从下面通过示例给出且不限制本发明的详细描述和附图，可以更充分地理解本发明，其中图1是本发明的层叠式燃料电池第一实施例的结构示意图；图2a和2b是图1的部分放大图；图3是用于维护图1的层叠式燃料电池的方法的说明图；图4a和4b是图3的局部放大图；图5是本发明的层叠式燃料电池第二实施例的结构示意图；图6是图5的局部放大图；图7a和7b是本发明的层叠式燃料电池另一实施例的主要部件放大图；图8是本发明的层叠式燃料电池另一实施例的主要部件放大图；图9是普通层叠式燃料电池示例的结构示意图；图10a、10b和10c是图9的层叠式燃料电池存在的问题的说明图；图11是普通层叠式燃料电池另一示例的主要部件放大图。
详细描述现在将参照附图详细描述本发明的层叠式燃料电池的优选实施例及其维护方法，但决不限制本发明。
第一实施例现在将参照图1至4a、4b描述本发明的层叠式燃料电池的第一实施例及其维护方法。图1是层叠式燃料电池的结构示意图。图2a和2b是图1的局部放大。图3是用于维护层叠式燃料电池的方法的说明图。图4a和4b是图3的局部放大图。
如图1至图4a和4b所示，本发明的层叠式燃料电池包含交替层叠的多个电池薄膜11和多个隔离板12。电池薄膜11分别包含夹在石墨制成的电极薄膜之间的固态聚合物电解质薄膜，而隔离板12是导电的石墨隔离板，且分别具有在其一个表面上形成的燃料气体通道，和在其另一表面上形成的氧化剂气体通道。在层叠式燃料电池中，多个分隔板18沿层叠方向以预定的间隔插入。分隔板18分别具有导电的石墨端子板16，和导电的石墨端部隔离板17，所述端子板具有成为穿透部分的槽16a，由树脂(例如聚丙烯)制成的带形紧固件19沿垂直于层叠方向的方向穿过所述穿透部分，所述端部隔离板具有在其与电池薄膜11接触的表面上形成的气体通道。
分隔板18成对插入，从而使端子板16互相邻接，且相邻端子板16的相邻表面上形成槽16a(在本实施例中有两个槽16a)，而使带形紧固件19可以插入并穿过所述槽16a。
在图1和3中，数字13表示石墨制成的集电器，数字14表示金属端板。在层叠式燃料电池中，密封材料(未示出)插入上述部件11至14，16和17的外围边缘部分之间，且成对的端板14外围边缘之间的区域通过多个螺纹轴和多个螺母(均未示出)夹紧，所述螺纹轴穿过这一区域。
在该层叠式燃料电池中，通过端板14、集电器13、隔离板12和分隔板18上形成的歧管，供应燃料气体，比如氢气，以及氧化剂气体，比如空气。在供应这些气体时，燃料气体经隔离板12和分隔板18的端部隔离板17上形成的燃料气体通道输送到电池薄膜11的一个表面上，而氧化剂气体经隔离板12和分隔板18的端部隔离板17上形成的氧化剂气体通道输送到电池薄膜11的另一表面上，从而燃料气体和氧化剂气体发生电化学反应，向外输出电力。
如果在本实施例的层叠式燃料电池中任一电池薄膜11或隔离板12由于某种原因损坏，而需要更换，那么进行如图3和4a、4b所示的下述程序为了使除在目标电池薄膜11或隔离板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12之外，其余的正常电池薄膜11和隔离板12由紧固件19固定，所述紧固件19穿过所述分隔板18的端子板16的槽16a，且用于紧固。而且，为了使在目标电池薄膜11或隔离板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12由紧固件19固定，所述紧固件19穿过所述分隔板18的端子板16的槽16a，且用于紧固。
然后，拆下螺纹轴和螺母。而且，拆下通过紧固件19固定、且作为目标的损坏电池薄膜11或隔离板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12，用新的电池薄膜11等更换损坏的电池薄膜11等。然后，新的电池薄膜11等再次插入拆卸的电池薄膜11和隔离板12之间，然后通过端板14由螺纹轴和螺母使其再次夹紧。这样，可以进行维护和管理。
所以，根据本实施例，可以获得下述效果
(1)因为带形紧固件19用于紧固，所以可以进行维护和管理，而不导致出现损坏，比如破裂，即使包括隔离板12的各部件12、13、18由石墨制成。
(2)通过仅以预定的间隔层叠分隔板18，并与电池薄膜11和隔离板12结合，可以组装层叠式燃料电池。而且，必须的校正步骤仅是将作为目标的损坏电池薄膜11或隔离板2介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12固定在一起，且将位于那些已固定的分隔板一侧和另一侧上的其他分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12固定在一起。因此，可以明显减少组装的部件数目，且可以明显减少维护工作的时间和劳动。
(3)因为带形紧固件19用于紧固，所以整个结构的规模可以减小，且可以避免出现死区。
第二实施例现在将参照图5和6描述本发明的层叠式燃料电池及其维护方法的第二实施例。图5是层叠式燃料电池的结构示意图，图6是图5的局部放大图。对于与上述第一实施例中相同的部分，通过使用与第一实施例中的解释内容中相同的标记，将省略与第一实施例中相同的解释。
如图5和6所示，该实施例的层叠式燃料电池包含交替层叠的多个电池薄膜11和多个隔离板12。在所述层叠式燃料电池中，多个分隔板28沿层叠方向以预定的间隔插入。分隔板28分别具有导电的石墨端子板26，所述端子板具有形成穿透部分的槽26a，紧固件19沿垂直于所述层叠方向的方向经过所述穿透部分，且导电的石墨端部隔离板17分别在其与电池薄膜11接触的表面上形成气体通道。
分隔板28以预定的间隔插入，而使端子板26夹在一对端部隔离板17之间，且槽26a(在该实施例中有两个槽26a)在端子板26的与端部隔离板17之一相邻的表面上形成，从而使两个带形紧固件19可以插入经过槽26a。
即，上述第一实施例中的分隔板18的定位使两个端子板16和两个端部隔离板17插入，其中端子板16互相相邻。另一方面，在该实施例中分隔板28的定位使单个端子板26夹在两个端部隔离板17之间。
在该实施例的层叠式燃料电池中，可以以与上述第一实施例中相同的方式进行维护和管理。
所以，根据该实施例，不必说可以获得与第一实施例中相同的效果。此外，与第一实施例相比，组装的部件数目可以进一步减少，且整个结构的规模可以进一步缩减。
其他实施例在上述第一和第二实施例中，成对的端板13外围边缘之间的区域被多个螺纹轴和多个螺母(均未示出)夹紧，所述螺纹轴穿过所述区域。然而，端板13之间的区域可以通过缠绕金属带夹紧，取代螺纹轴和螺母。
而且，在上述第一实施例中，解释了具有端子板16和端部隔离板17的分隔板18的应用。然而，如图7a所示，包括整合的端子板和端部隔离板的分隔板38的应用，与第二实施例相比，不仅可以获得与第一实施例中相同的效果，而且可以进一步减少组装的部件数目，且进一步缩减整个结构的规模。
而且，在上述第二实施例中，解释了包含一个夹在两个端部隔离板17之间的端子板26的分隔板28的应用。然而，如图7b所示，分隔板38的应用，与第二实施例相比，不仅可以获得与第一实施例中相同的效果，而且可以进一步减少组装的部件数目，且进一步缩减整个结构的规模，其中端子板46包含整合到端子板的端部隔离板之一且因此仅有一个端部隔离板17。
在上述第一实施例中，使用了具有端子板16的分隔板18，其中所述端子板在其上形成槽16a。然而，如图8所示，可以使用具有前述端部隔离板17和导电的石墨端子板56的分隔板58，所述端子板具有形成穿透部分的孔56a(在该实施例中为3个孔56a)，线形紧固件，比如绳索，沿垂直于层叠方向的方向穿过所述穿透部分。当然，在上述第二实施例和上述其他实施例中可以采用上述的孔，代替前述的槽26a、36a或46a。
在上述第一和第二实施例以及上述其他实施例中，解释了槽16a、26a、36a和46a中每两个的成形。然而，这不限制本发明，且这种槽的数目可以是一个或三个或更多。类似地，在上述其他实施例中形成了三个孔56a。然而，在本发明中这并非限制性的，可以采用一个或两个或四个或更多的孔。
在上述第一和第二实施例中，为了使除在作为目标的损坏电池薄膜11或隔离板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12之外，其余的正常电池薄膜11和隔离板12由紧固件19固定，紧固件19穿过分隔板18的端子板16的槽16a，且用于紧固。而且，为了使在作为目标的损坏电池薄膜11或隔离板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12由紧固件19固定，紧固件19穿过这些分隔板18的端子板16的槽16a，且用于紧固。然后，拆下在通过紧固件19固定、且作为目标的损坏电池薄膜11或分隔板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和分隔板12。然而，例如可以拆下作为目标的损坏电池薄膜11或隔离板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和分隔板12，，且不用紧固件19固定在作为目标的损坏电池薄膜11或隔离板12介于其间的分隔板18之间的电池薄膜11和隔离板12。
在局部修理拆下的电池薄膜11或隔离板12时，推荐采取上述的前一步骤。在修理(大修)或抛弃拆卸的电池薄膜11或隔离板12的整个过程中，推荐采取上述的后一步骤。
在上述第一和第二实施例中，紧固件19用于在进行维护操作时紧固。然而对于每一电池薄膜11和隔离板12的组合来说，通过用紧固件19紧固，介于分隔板18或28之间的电池薄膜11和隔离板12可以预先组装。然后，在进行维护操作时，可以拆下分隔板18或28之间的电池薄膜11和隔离板12，所述隔离板已经通过紧固件19固定，且作为目标的损坏电池薄膜11或隔离板12介于其间。
本发明的第一方面的层叠式燃料电池可以防止隔离板破裂和出现死区，且也可以以较小的部件数目顺利地进行维护操作。
在本发明的第二方面的层叠式燃料电池中，接触分隔板的电池薄膜也可以产生电力。
本发明的第三方面的层叠式燃料电池可以有利于分隔板的生产。
本发明的第四方面的层叠式燃料电池具有下述优点维护工作仅需要拆卸和更换由紧固件固定、同时目标电池薄膜或隔离板介于其间的分隔板之间的电池薄膜和隔离板。因此，可以进一步有利于维护工作。
本发明的第五方面的层叠式燃料电池的维护方法可以防止隔离板破裂和出现死区，且还可以以较少的部件数目顺利地进行维护操作。
本发明的第六方面的层叠式燃料电池的维护方法可以进一步有利于维护工作。
虽然以前述形式描述了本发明，但可以理解，本发明不限于此，而可以以多种其他的方式变化。这些变化都不认为脱离本发明的主旨和范围，且对于本领域的技术人员来说显而易见的这些改进都包括在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种层叠式燃料电池，包含交替层叠的多个电池薄膜和多个隔离板，所述电池薄膜分别包含夹在电极薄膜之间的固态聚合物电解质薄膜，所述隔离板都是导电的，且分别具有在其一个表面上形成的燃料气体通道，和在其另一表面上形成的氧化剂气体通道，其特征在于沿层叠方向以预定的间隔插入多个分隔板，所述分隔板都是导电的且分别具有穿透部分，线形或带形紧固件沿垂直于所述层叠方向的方向穿过该穿透部分。
2.如权利要求1所述的层叠式燃料电池，其特征在于在所述分隔板的接触所述电极薄膜的表面上形成气体通道。
3.如权利要求2所述的层叠式燃料电池，其特征在于所述分隔板包含其上形成所述气体通道的端部隔离板，和其上形成所述穿透部分的端子板。
4.如权利要求1至3任一所述的层叠式燃料电池，其特征在于所述紧固件穿过所述分隔板的所述穿透部分，且紧固介于在所述分隔板之间的所述电池薄膜和所述隔离板。
5.一种用于维护如权利要求1至3任一所述的层叠式燃料电池的方法，其特征在于为了使除在所述目标电池薄膜或隔离板介于其间的所述分隔板之间的所述电池薄膜和所述隔离板之外，其余的所述电池薄膜和隔离板由所述紧固件固定，所述紧固件穿过所述分隔板的穿透部分，且用于紧固，此后拆下所述目标电池薄膜或隔离板介于其间的所述分隔板之间的所述电池薄膜和所述隔离板。
6.如权利要求5所述的用于维护层叠式燃料电池的方法，其特征在于为了使所述目标电池薄膜或隔离板介于其间的所述分隔板之间的所述电池薄膜和所述隔离板由所述紧固件固定，所述紧固件穿过所述分隔板的所述穿透部分，且用于紧固，此后拆下所述目标电池薄膜或隔离板介于其之间的所述分隔板之间的所述电池薄膜和所述隔离板。
全文摘要
一种层叠式燃料电池，包含交替层叠的多个电池薄膜(11)和多个隔离板(12)。电池薄膜(11)分别包含夹在石墨制成的电极薄膜之间的固态聚合物电解质薄膜，而隔离板(12)是导电的石墨隔离板，且分别具有在其一个表面上形成的燃料气体通道，和在其另一表面上形成的氧化剂气体通道。在层叠式燃料电池中，多个分隔板(18)沿层叠方向以预定的间隔插入。分隔板(18)分别具有导电的石墨端子板(16)，和导电的石墨端部隔离板(17)，所述端子板具有成为穿透部分的槽(16a)，由树脂(例如聚丙烯)制成的带形紧固件(19)沿垂直于层叠方向的方向穿过所述穿透部分，所述端部隔离板具有在其与电池薄膜(11)接触的表面上形成的气体通道。所述层叠式燃料电池及其维护方法不仅能防止隔离板(12)的破裂和出现死区，而且可以以较少的部件数目顺利地操作。
文档编号H01M8/02GK1518148SQ200310118660
公开日2004年8月4日 申请日期2003年11月27日 优先权日2003年1月8日
发明者小林敏郎, 也, 森贺卓也, 伊藤荣基, 基, 幸, 梶原友幸, 山田保 申请人:三菱重工业株式会社