专利名称：位于壳体内的耐热应力燃料电池组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池组件，尤其涉及一种燃料电池组件的(单格)电池层叠(层积)结构。
背景技术：
如日本专利申请待审公开公报No.2002-124291中所公开的或者如图30和31所示，燃料电池组件，例如固体高分子电解质型燃料电池组件10由膜电极组件(MEA)和隔板18的层叠体形成。层叠方向并不局限于垂直方向，而可以是任意方向。
每个膜电极组件包括具有离子交换膜的电解质膜11、具有设置在电解质膜11的一个表面上的催化剂层12的电极(阳极或燃料极)14、以及具有设置在电解质膜11的另一表面上的催化剂层15的电极(阴极或空气极)17。阳极侧扩散层13和阴极侧扩散层16设置在膜电极组件和隔板18之间。
每个隔板18具有用于向阳极14提供燃料气体(氢)的燃料气体槽27，以及用于向阴极17提供氧化气体(氧，或通常情况下为空气)的氧化气体槽28。每个隔板还在与槽27、28相对的表面内具有用于通过冷却剂(通常情况下为冷却水)的冷却剂槽26。设置橡胶垫圈32和粘封体33以便密封槽26、27、28。
在每个电池的阳极侧发生反应，其中氢分解成氢离子(质子)和电子。氢离子穿过电解质膜迁移到阴极侧。在阴极侧，发生下文所述的反应，其中由氧、氢离子和电子生成水(即，在相邻的MEA的阳极上产生的电子穿过隔板到达阴极，或者在设置于电池层叠方向的一端的电池的阳极上产生的电子经由外部电路到达相对端的电池的阴极)，由此产生电流。
阳极侧阴极侧在常规层叠方法中，按以下方式保持模块。
将弹簧34沿电池层叠方向设置在电池层叠体的一端，将摆动部35和调整螺钉36设置在该处。层叠体23的模块在电池层叠方向上由提供恒定载荷的弹簧34的弹簧力保持，并且在垂直于电池层叠方向的方向上由弹簧力×摩擦系数得到的摩擦力保持。
在某些情况下，通过使用外部限制部件从电池层叠体的外部保持模块，以便在垂直于电池层叠方向的方向上进一步可靠地保持该模块。
常规的层叠方法具有以下问题。
1.当总质量为M的电池层叠体受到从几个重力加速度到大约20G(G为重力加速度)的加速度α的冲击时，在电池层叠体的端部附近发生Mα/2的剪切力。如果该剪切力大于弹簧力乘以摩擦系数，则在靠近电池层叠体的端部的模块之间会发生滑动，从而电池层叠体可能解体。
2.如果用外部限制部件从电池层叠体的外部保持模块，则存在以下危险由于电池组成部件，例如MEAs、扩散层等因弹簧力而蠕变(creep)，所以层叠体的端电池在相对于外部限制部件沿电池层叠方向移动时可能粘附在外部限制部件上。因此，存在损坏电池的危险。如果减小弹簧力以减少蠕变，则不可能获得必要的电池间接触面压力。
本发明将要解决的一个问题是，当邻近层叠体的端部的模块在垂直于电池层叠方向的方向上的加速度冲击下滑动时，电池层叠体发生解体(第一个问题)。
本发明将要解决的另一个问题是，电池层叠体在垂直于电池层叠方向的方向上的加速度冲击下解体，以及由于设置外部限制部件，从而在电池因电池组成部件的蠕变而移动时，靠近层叠体的端部的电池粘附在外部限制部件上而导致的对该电池的损坏(第二个问题)。
本发明的一个目的是提供一种燃料电池组件，该燃料电池组件能够通过防止靠近电池层叠体的端部的模块在垂直于电池层叠方向的方向上的加速度冲击下滑动来防止电池层叠体解体(第一个目的)。
本发明的另一目的是提供一种燃料电池组件，该燃料电池组件能够通过防止靠近电池层叠体的端部的模块在垂直于电池层叠方向的方向上的加速度冲击下滑动来防止电池层叠体解体，并且避免在设置有外部限制部件时靠近电池层叠体的端部的电池粘附在外部限制部件上(第二个目的)。
发明内容
上述目的可通过根据本发明的下述结构实现。
根据本发明的一个方面，燃料电池组件包括串联(直列)设置的多个多电池模块以及外侧部件。该多电池模块具有通过层叠多个电池形成的多电池组件，以及模块框架，该模块框架具有围绕该多电池组件并在该多电池组件的电池层叠方向上延伸的第一壁。该外侧部件在多个多电池模块的外部并在电池层叠方向上沿该多电池模块延伸。
根据本发明的这个方面，该外侧部件在多个多电池模块的外部并在电池层叠方向上沿所有多电池模块延伸。
根据本发明的这个方面，在多电池模块内，多电池模块的多电池组件在电池层叠方向上可以不被多电池模块的模块框架限制，以便释放电池在电池层叠方向上的热膨胀。
此外，在多电池模块内，多电池组件的电池可相互粘接。
此外，在多电池模块内，可在多电池模块的多电池组件的外表面和该多电池模块的模块框架的第一壁的内表面之间形成间隔或设置可变形的粘接件，以便释放电池在垂直于电池层叠方向的方向上的热膨胀。
在本发明的上述方面内，可在外侧部件的内表面和多电池模块的模块框架的第一壁的外表面之间设置外部限制部件。
该多个多电池模块可在电池层叠方向上串联设置，并且一弹簧箱可相对于该串联设置的多个多电池模块在电池层叠方向上串联设置，该弹簧箱的弹簧力可沿电池层叠方向施加到该多个多电池模块上。
除了第一壁之外，模块框架可具有在垂直于电池层叠方向的方向上延伸的第二壁。
在此结构中，可在第二壁内形成冷却剂通路。
在此结构中，第二壁的与电池接触的接触表面可由导电材料形成。
第二壁的与电池接触的接触表面的至少一部分可形成为可在电池层叠方向上移动。
在此结构中，可在第二壁内形成冷却剂通路，并且第二壁的可在电池层叠方向上移动的部分可因冷却剂通路的压力而移动。
在本发明的上述方面内，模块框架的外表面和外侧部件的内表面可以点接触方式相互接触。
此外，在本发明的上述方面内，模块框架可具有用于在多电池组件上安装将多电池组件电连接到外部设备的部件的开口。
此外，模块框架可包括至少两个相互分开的框架部件。
此外，模块框架的内表面可具有用于粘接剂的凹槽。
模块框架可具有从该模块框架朝向电池监控器的外表面延伸的电池监控器加压器。
此外，在本发明的上述方面内，模块框架的至少一部分可由非导电材料形成。
构成由树脂制成的模块框架的框架部件可设置在多电池模块的多电池组件的端电池的四个拐角位置。
模块框架可由弹性部件形成。
弹性部件的表面的摩擦系数可小于弹性部件本身的摩擦系数。
模块框架可连接到多电池模块的多电池组件的端电池上。
在模块框架内可嵌入线缆。
图1是本发明的实施例1中的燃料电池组件的电池层叠体的剖视图。
图2是本发明的实施例1中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图3是本发明的实施例1中的燃料电池组件的另一多电池模块的剖视图。
图4是图2中示出的多电池模块的模块框架的剖视图。
图5是本发明的实施例2中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架的剖视图。
图6是本发明的实施例3中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架的第二壁的剖视图。
图7是本发明的实施例4中的燃料电池组件的电池层叠体的剖视图。
图8是本发明的实施例4中的燃料电池组件的电池层叠体的横剖视图。
图9是本发明的实施例4中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图10是本发明的实施例5中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图11是本发明的实施例6中的燃料电池组件的多电池模块的透视图。
图12是本发明的实施例7中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图13是本发明的实施例7中的燃料电池组件的多电池模块内的用于连接多个框架体的结构的透视图。
图14是本发明的实施例7中的燃料电池组件的多电池模块内的用于连接多个框架体的结构的透视图，该结构与图13所示的结构不同。
图15是本发明的实施例7中的燃料电池组件的多电池模块内的用于连接多个框架体的结构的透视图，该结构与图13和14所示的结构不同。
图16是本发明的实施例8中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架(具有用于粘接剂的单个凹槽)的透视图。
图17是本发明的实施例8中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架(具有用于粘接剂的两个凹槽)的透视图。
图18是本发明的实施例9中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图19是本发明的实施例9中的燃料电池组件的多电池模块的一部分的放大剖视图。
图20是本发明的实施例10中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图21是本发明的实施例10中的燃料电池组件的多电池模块沿垂直于图20的剖视图方向的方向的剖视图。
图22是本发明的实施例11中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架(由橡胶整体地形成)的剖视图。
图23是本发明的实施例11中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架(由橡胶部分地形成)的剖视图。
图24是本发明的实施例12中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图25是本发明的实施例13中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架的剖视图。
图26是本发明的实施例13中的燃料电池组件的多电池模块的模块框架的剖视图(用于固定到端电池的部分的凸出和凹入模式与图25中所示的凸出和凹入模式相反)。
图27是图26中所示的模块框架的端电池固定部分的正视图。
图28是本发明的实施例14中的燃料电池组件的多电池模块的剖视图。
图29是本发明的实施例14中的燃料电池组件的多电池模块的正视图。
图30是燃料电池组件的电池的剖视图。
图31是现有技术的燃料电池组件的电池层叠体的剖视图。
具体实施例方式
下面将参照图1到29和图30说明根据本发明的燃料电池组件。图30中所示的电池结构类似于现有技术的电池结构。图1到4示出本发明的实施例1。图5示出本发明的实施例2。图6示出本发明的实施例3。图7到9示出本发明的实施例4。图10示出本发明的实施例5。图11示出本发明的实施例6。图12到15示出本发明的实施例7。图16和17示出本发明的实施例8。图18和19示出本发明的实施例9。图20和21示出本发明的实施例10。图22和23示出本发明的实施例11。图24示出本发明的实施例12。图25到27示出本发明的实施例13。图28和29示出本发明的实施例14。图27中所示的结构可应用于本发明的任何一个实施例。在本发明的实施例的全部说明中，由相同的参考标号表示本文中所公开的所有本发明的实施例中的相同或相似的部分。
首先，将参照例如图1到4和图9说明在所有公开的本发明的实施例中的相同或相似的部分。
根据本发明的燃料电池组件是低温型燃料电池组件，例如高分子电解质燃料电池组件10。燃料电池组件10被安装在例如燃料电池汽车内。但是，燃料电池组件10可用于除汽车之外的其它用途。
如图30中所示，高分子电解质燃料电池组件10由膜电极组件(MEA)和隔板18的层叠体形成。层叠方向并不局限于垂直或水平方向，而可以是任何方向。
每个膜电极组件包括具有离子交换膜的电解质膜11，具有设置在电解质膜11的一个表面上的催化剂层12的电极(阳极)14，以及具有设置在电解质膜11的另一表面上的催化剂层15的电极(阴极)17。阳极侧扩散层13和阴极侧扩散层16设置在膜电极组件和隔板18之间。
隔板18可以是碳隔板、金属隔板、导电树脂隔板、金属隔板和树脂框架的组合，以及前述隔板和框架的组合中的任何一种。
每个隔板18具有用于向阳极14和阴极17提供燃料气体(氢)和氧化气体(氧，或通常情况下为空气)的反应气体槽27、28(燃料气体槽27，氧化气体槽28)，并且在其背面中还具有用于通过冷却剂(通常情况下为冷却水)的冷却剂槽26。
冷却剂集管29、燃料气体集管30和氧化气体集管31延伸穿过隔板18。集管29、30和31由流体供应管提供相应的流体(冷却剂、燃料气体、氧化气体)。流体从集管29、30、31的进口侧流入电池槽26、27、28，并且流出电池槽26、27、28进入集管29、30、31的出口侧，然后从流体排放管排出。连接到层叠体23的流体供应管和流体排放管设置在层叠体23的沿电池层叠方向的端侧。
这些流体槽分别由密封件32、33密封以防止流体相互混合和泄漏到外部。在所示示例中，密封件32是橡胶垫圈32(可用作粘封体)，密封件33是粘封体(也称作密封粘接剂)。
通过将一个MEA夹在隔板18之间而形成单位电池19。将多个单位电池19(例如，至少5个电池，并且优选为10到30个电池)层叠并通过粘接剂(上述粘封体33)相互粘接在一起以形成多电池组件41。多电池组件41和模块框架42构成多电池模块40。多电池模块40沿电池层叠方向串联设置。沿电池层叠方向串联设置的多电池模块40的两个相对端中的每一个具有端子20、绝缘体21和端板22。沿电池层叠方向夹紧所有的串联设置的多个多电池模块40，并且通过带螺帽螺栓25和外侧部件24进行固定，该外侧部件24沿电池层叠方向在多电池模块40外部并在所有多电池模块40之上延伸。以这种方式形成燃料电池层叠体23。
外侧部件24是例如壳体，并且还可用作常规的张紧板24，因此用与张紧板相同的参考标号24表示。
因此，本发明的燃料电池组件10包括沿电池层叠方向串联设置的多个多电池模块40，以及外侧部件24。
多电池模块40包括多电池组件41以及具有第一壁43的模块框架42，每个多电池组件通过层叠多个电池形成，该第一壁围绕多电池组件41并沿多电池组件41的电池层叠方向延伸。
外侧部件24沿电池层叠方向在多电池模块40外部并在所有多电池模块40之上延伸。
对于将燃料电池层叠体23分成多电池模块40，如果一个多电池模块由20个电池形成而该层叠体具有200个电池，则层叠体23内的多电池模块40的数量是10。
在多电池模块40内，在电池层叠方向上该模块40的多电池组件41没有被模块框架42限制，从而可释放电池19沿电池层叠方向的热膨胀。
优选地，多电池模块40的电池19彼此粘接。彼此相邻的多电池模块40的电池19没有相互粘接。
但是，多电池模块40内的电池19不是必须相互粘接在一起。
如果多电池模块40的电池彼此粘接，则通过槽密封粘接剂33(图30)实现粘接，而不使用橡胶垫圈32(图30)。在这种情况下，由橡胶垫圈32实现的密封通过粘接剂33实现。
为了释放多电池模块40的电池19沿垂直于电池层叠方向的方向发生的热膨胀，在多电池模块40的多电池组件41的外表面和模块框架42的第一壁43的内表面之间形成间隔或设置可变形的粘接件45。
每个电池19从其发电部分产生热量，但是第一壁43不产生热量而仅仅经由外侧部件24受环境温度影响。因此，在电池19和第一壁43之间出现热膨胀差异。通过在电池19和第一壁43之间设置间隔或在该间隔内设置可变形的粘接件来缓和这种热膨胀差异。应指出，相邻的多电池模块40在第一壁43之间以及粘接件45之间具有沿电池层叠方向延伸的中间间隔，从而粘接件45可沿电池层叠方向自由地热膨胀或者变形，并且可沿垂直于电池层叠方向的方向变形。
在外侧部件24的内表面和多电池模块40的第一壁43的外表面之间设置有外部限制部件46。希望外部限制部件46由可变形材料形成，以便吸收每个第一壁43的外表面和外侧部件24的内表面之间沿垂直于电池层叠方向的方向的热膨胀的差异。这种可变形材料的示例包括树脂、混合有玻璃的环氧材料等。外部限制部件46的材料并不局限于树脂或混合有玻璃的环氧部件。
由于在每个第一壁43的外表面和外侧部件24的内表面之间设置有外部限制部件46，所以可通过外侧部件24接收车辆碰撞等情况下作用在多电池模块40上的惯性力。外部限制部件46由可变形材料形成，从而可吸收每个第一壁43的外表面和外侧部件24的内表面之间沿垂直于电池层叠方向的方向的热膨胀的差异。
在电池层叠方向上相对于沿电池层叠方向串联设置的多个多电池模块40串联设置弹簧箱47。弹簧箱47的弹簧力(恒定载荷)沿电池层叠方向施加在每个多电池模块40上。弹簧箱47具有相互平行设置的多个螺钉48。弹簧箱47设置在层叠体23的一个端部内，该端部与供应管和排放管连接于其上的层叠体23的端部相对。弹簧箱47设置在绝缘体21和端板22之间。弹簧箱47的弹簧力可通过设置在弹簧箱47和端板22之间的调节螺钉49调节。弹簧箱47可省略。
除了沿电池层叠方向延伸的第一壁43之外，每个框架模块42还可具有第二壁44，该第二壁44沿垂直于电池层叠方向的方向延伸，并且在垂直于电池层叠方向的方向上具有刚性。第二壁44可省略。
如果多电池模块40的模块框架42具有第二壁44，则多电池模块40可具有如图2中所示的结构，其中两个多电池组件41沿电池层叠方向设置在第二壁44的相对侧上，或者可具有如图3中所示的结构，其中一个多电池组件41沿电池层叠方向设置在第二壁44的一侧上。
如果模块框架42具有第二壁44，则第二壁44需要具有导电性。至于第一壁43，导电性完全是可选的。
接下来，将说明本文中所公开的所有本发明的实施例中相同的部分的操作和优点。
在图30中所示的现有技术的燃料电池组件中，作用在电池层叠体上的横向力仅在其两个相对端被支承。在发生撞击时，如果总重量为M的电池层叠体受到横向加速度α，则横向力Mα作用在整个电池层叠体上，因此剪切力Mα/2作用在电池层叠体的两个相对端的模块上。
相反，在本发明的燃料电池组件10的情况下，层叠体23分成多个多电池模块40，并提供一种设置以便由外侧部件24沿垂直于电池层叠方向的方向接收作用在多电池模块40上的横向力。因此，多电池模块40受到Mα/n的横向力，其中M是电池层叠体的总重量，α是撞击时产生的横向加速度，而n是层叠体23中多电池模块的数量。如果该横向力在多电池模块的两个相对端被支承，则剪切力变为Mα/(2n)。因此，本发明的燃料电池组件10能够承受横向上的很大重力冲击。
与现有技术不同，沿电池层叠方向施加在多电池模块40上的弹簧力不需要与产生克服剪切力Mα/2的摩擦力的力一样大，而是可小至减小电接触阻力所需的力。因此，沿电池层叠方向施加的弹簧力可从现有技术的水平减小。结果，MEA和扩散层的蠕变量减小。
此外，由于层叠体23分为多个多电池模块40，所以与现有技术不同，由蠕变引起的MEA等沿电池层叠方向的位移量不会集中在设置于该层叠体的两个相对端的电池上，而是分散在多电池模块40中。因此，与现有技术相比，多电池模块40的电池19沿电池层叠方向的位移量大大减小。此外，由于由减小的弹簧力产生的蠕变量减小，所以多电池模块40的电池19的位移量也减小。因此，在每个模块框架42都具有第一壁43的情况下，多电池模块40相对于外部限制部件46沿电池层叠方向的位移量减小。因此，即使MEA等发生蠕变，多电池模块40的电池19也不会相对于外部限制部件46发生很大的位移，因此将不会发生由于该位移造成电池19粘附在外部限制部件16上从而导致损坏电池19的情况。
由于多电池模块40的多电池组件41在电池层叠方向上没有被模块框架42限制，所以多电池组件41和模块框架42之间沿电池层叠方向的热膨胀的差异不会导致损坏电池19。
如果模块框架42的第一壁43的两个相对端朝向多电池组件41一侧弯曲，从而第一壁43的弯曲部分限制了多电池组件41的沿电池层叠方向的相对端在电池层叠方向上移动，则第一壁43和多电池组件41之间沿电池层叠方向的热膨胀差异将导致第一壁的弯曲部分强烈地挤压电池19的碳隔板，这可导致损坏碳隔板。但是在本发明中，由于多电池模块40在电池层叠方向上没有被模块框架42限制，所以将不会损坏碳隔板。
如果多电池模块40中的电池19在其电池表面处相互粘接，则冲击例如车辆碰撞等的横向力作用在多电池模块40上时产生的电池间剪切力的至少一部分也被粘合强度承受。此外在本发明中，如上所述该剪切力较小，因此比较容易应付很大重力的横向冲击。此外，在其中电池在其外表面对齐(没有突出部或凹陷部)的情况下相互粘接的结构中，如果由于MEA等的蠕变使得电池外表面沿电池层叠方向相对于粘接件45(即，设置在电池外表面和模块框架42的第一壁43之间的粘接件45)发生相对位移，电池19也不会粘接到粘接件45上并且电池19不会损坏。
在其中在多电池模块40的多电池组件41的外表面和多电池模块40的模块框架42的第一壁43的内表面之间形成间隔或设置有可变形粘接件45的情况下，可释放电池19在垂直于电池层叠方向的方向上相对于模块框架42和粘接件45的蠕变位移和热膨胀，而不会导致电池19和模块框架42或粘接件45相互粘接在一起(或者如果电池19粘接在模块框架42或粘接件45上时，通过粘接件45的变形来释放〔该蠕变位移和热膨胀〕)。
由于外部限制部件46设置在外侧部件24的内表面和多电池模块40的模块框架42的第一壁43的外表面之间，所以作用在多电池模块40上的冲击的横向力可由外侧部件24可靠地承受。外侧部件24的温度受环境温度影响，并且多电池模块40的温度受电池19发电期间产生的热量影响。因此，在它们之间存在温差，从而它们之间的热膨胀存在差异。但是，可通过外部限制部件46的变形缓和外侧部件24和多电池模块40之间的热膨胀的差异。
在其中多电池模块40沿电池层叠方向串联设置并且弹簧箱47相对于串联设置的多电池模块40沿电池层叠方向串联设置的情况下，如果层叠体23分为多个多电池模块40，则会使弹簧箱47的弹簧力的恒定载荷作用在层叠体23的所有多电池模块40上。此外，由于弹簧48被用于沿电池层叠方向在多电池模块40上施加恒定载荷，所以多电池模块40的热膨胀或蠕变变形—如果发生的话—可被弹簧48吸收，而恒定载荷基本上没有变化。
接下来将说明本发明的各个实施例所特有的部分。
在本发明的实施例1中，如图1到4所示，每个模块框架42具有沿电池层叠方向延伸的第一壁43，以及沿垂直于电池层叠方向的方向延伸的第二壁44。第二壁44由具有导电性的材料，例如金属材料如SUS等形成。第一壁43可由导电材料或非导电材料形成。例如，第一壁43可由树脂或金属材料如SUS等形成。第二壁44的外周面和第一壁43的内周面相连接在一起，或一体地形成。
每个模块框架42的第二壁44被流体集管如冷却剂集管29、燃料气体集管30、氧化气体集管31等穿过。
多电池组件41的与第二壁44相邻的隔板可通过密封粘接剂粘接在相邻的第二壁44上，或者可经由O型环50用第二壁44进行密封而不粘接到第二壁44上。
下面将说明本发明的实施例1的操作和优点。在多电池组件41上发生的冲击的横向力的至少一部分经由第二壁44传递到第一壁43，并且经由外部限制部件46被外侧部件24从第一壁43接收。在粘接件45存在于多电池组件41的外表面和第一壁43的内表面之间的情况下，在多电池组件41上发生的冲击的横向力的一部分经由粘接件45传递到第一壁43。
如果横向力来自外部，则来自外侧部件24的横向力经由外部限制部件46进入第一壁43。由于此载荷被第二壁44承受，所以基本上没有外部载荷进入多电池组件41。此外，由于第一壁43分散来自外部的载荷，并因此减小电池19上的表面压力，所以即使在设置有粘接件45的情况下仍可防止电池19沿电池层叠方向粘接到粘接件45上。
在本发明的实施例2内，如图5中所示，在每个模块框架42的第二壁44内形成冷却剂通路51。冷却剂通路51与冷却剂集管29连通。每个第二壁44的电池接触表面由导电材料形成。
通过在形成第二壁44的两个板之一内形成冷却剂槽并将该板接合到另一个板，可容易地形成冷却剂通路51。通过在与第二壁44接触的电池隔板中的需要强冷却的部分内形成密集布置的通路而在需要弱冷却的部分内形成稀疏布置的通路，可在该隔板上实现强冷却部分和弱冷却部分的预期分布。
关于本发明的实施例2的操作和优点每个模块框架的第二壁的电池接触表面由导电材料形成，从而电流可在多电池模块之间穿过。此外，通过使冷却剂流过冷却剂通路51，可对多电池模块40中与第二壁44相邻的端电池执行冷却控制(温度控制)。
在本发明的实施例3中，如图6中所示，在每个模块框架42的第二壁44内形成冷却剂通路51。冷却剂通路51与冷却剂集管29连通。第二壁44的电池接触表面由导电材料形成。第二壁44的每个电池接触表面的至少一部分形成为可沿电池层叠方向移动。该可移动结构通过例如波状部分52形成，该波状部分52围绕第二壁44的需要沿电池层叠方向移动的部分形成。
关于本发明的实施例3的操作和优点每个电池接触表面的至少一部分形成为可沿电池层叠方向移动，从而可控制沿电池层叠方向的电池表面压力。此外，可利用冷却剂的压力沿电池层叠方向在电池19上施加载荷。因此，可省略提供恒定载荷的弹簧(弹簧箱47的弹簧48)。在这种情况下，层叠体23的尺寸可减小与弹簧箱47的厚度相对应的量。
在本发明的实施例4内，如图7到9中所示，每个模块框架42不具有第二壁44，而仅具有第一壁43。
多电池模块40具有包括多个电池的多电池组件41。多电池组件41设置在被模块框架42的第一壁43围绕的空间内。在此情况下，如图8和9所示，希望参照第一壁43的两个表面将多电池组件41限定在模块框架42内的适当位置。希望将多电池组件41的电池19相互粘接在一起。但是，多电池组件41的电池19可以不粘接在一起。希望在多电池组件41的外表面和模块框架42的第一壁43的内表面之间设置粘接件45。相邻的多电池模块在第一壁43之间和粘接件45之间具有沿电池层叠方向延伸的间隔。
关于本发明的实施例4的操作和优点作用在多电池模块40上的冲击的横向力(多电池组件41的惯性力的横向分量)经由每个模块框架42的第一壁43和外部限制部件46而被外侧部件24承受。因此，剪切力不会集中在设置于层叠体端部的电池上。
本发明适用于燃料电池的层叠结构。
在本发明的实施例5中，如图10所示，每个模块框架42的外表面和外部限制部件46的内表面在沿轴线方向的视图内以点接触方式相互接触。在该轴向方向的点接触中，外部限制部件46和每个模块框架42-即图10中的每个模块框架42-中的至少一个在其轴向方向的中心部分内具有向外突出的突出部60。突出部60的顶点在模块框架42的外表面与外部限制部件46的内表面之间提供接触。如图10所示，突出部60可具有带尖顶的大致三角形的剖面形状，或者还可具有带尖顶的弓形或圆形剖面形状。
前文所述的“在沿轴线方向的视图内以点接触方式”包括这样的点接触情况，其中该接触是沿垂直于轴线方向的方向的线接触。可以是每个模块框架42的外表面和外部限制部件46的内表面中的一个具有突出部60，或者两者都具有突出部60。
本发明的实施例5的操作和优点如下。
在层叠多电池模块40的情况下，模块框架42的总长度L随着对应的多电池模块40内设置的电池数量的增加而增加。当层叠多电池模块40时，相邻多电池模块40的端电池表面B相接。尽管希望每个模块框架42的外表面A垂直于表面B，但实际情况是，由于装配误差等而使表面A和B之间的角度存在某些偏差。为了虑及此偏差，必须在每个模块框架42的外表面和外部限制部件46的内表面之间设置间隙C。间隙C需要随着模块框架42的总长度的增大而增大。增大的间隙C会引起这样的问题，即，在冲击下多电池模块40在垂直于电池层叠方向的方向上沿表面B移动的可能性增大。相反，减小的间隙C会导致这样的问题，即，相邻多电池模块40的端电池表面B不精确地接合并且层叠方式出现偏差。
在本发明的实施例5中，由于提供了突出部60以用于每个模块框架42的外表面和外部限制部件46的内表面之间的点接触，所以可以实现以下两者，即，在外部限制部件46和模块框架42之间的间隔内始自突出部60的远端的间隙C最小，并且层叠多电池模块时的偏差减小。因此，可制备这样的层叠体，其中在冲击下多电池模块40沿垂直于电池层叠方向的方向移动的可能性很小，并且相邻的多电池模块40在端电池表面B上精确地接合。
在本发明的实施例6中，如图11所示，模块框架42具有用于在多电池组件41上安装电连接多电池组件41和外部设备的部件—即电池监控器和配线—的开口61。该开口61可以是孔或切口。电池监控器经由开口61安装在多电池组件41的电池上。此外，连接到电池监控器的配线通过开口61引出。
本发明的实施例6的操作和优点由于模块框架42具有用于在多电池组件41上安装将多电池组件41电连接到外部设备的部件的开口61，所以即使多电池组件41被模块框架42覆盖，仍可实现电池监控器的接线。
在本发明的实施例7中，如图12到15所示，模块框架42由相互分开的或者在其一定部位相互连接的至少两个框架部件42a、42b形成。在框架部件42a、42b之间形成间隔。
如图13所示，框架部件42a、42b在端电池的位置处相互连接。此外，如图14所示，框架部件42a、42b可在多电池组件41的电池层叠方向上的中间位置处相互连接。如图15所示，框架部件42a、42b可通过使用粘接剂45粘接到多电池组件41的电池上，而不是相互连接。
本发明的实施例7的操作和优点在框架部件42a、42b之间存在间隔，从而可经由此间隔将电池监控器安装到多电池组件41的电池上，并且可经由此间隔引出连接到电池监控器的配线。
在本发明的实施例8中，如图16和17所示，模块框架42的内表面具有用于粘接剂的凹槽62。凹槽62的数量可以是一个或多于一个。凹槽62沿垂直于电池层叠方向的方向延伸。
本发明的实施例8的操作和优点模块框架42的内表面具有用于粘接剂的凹槽62，从而粘接剂可进入凹槽62，由此大大防止了粘接剂泄漏。因此可实现稳定的粘接。
在本发明的实施例9中，如图18和19所示，模块框架42具有从模块框架42延伸到电池监控器63的外表面附近的电池监控器加压器64。电池监控器加压器64与模块框架42一体地形成。在电池监控器加压器64和电池监控器63之间设置有很小的间隙，例如大约0.5mm的间隙。
本发明的实施例9的操作和优点模块框架42具有从模块框架42延伸到电池监控器63的外表面附近的电池监控器加压器64，从而可防止电池监控器63从电池脱离。
在本发明的实施例10中，如图20和21所示，模块框架42的至少一部分由非导电材料例如树脂、橡胶等形成。
此外，多电池模块40的每个多电池组件41的每个矩形端电池19A(位于沿层叠方向的端部的电池)在其四个拐角位置具有形成树脂制造的模块框架42的框架部件42c。框架部件42c与端电池19A成一体。框架部件42c与除了端电池以外的其它电池分开，因此即使多电池组件41沿电池层叠方向热膨胀或收缩，仍可相对移动。在这两个端电池之一的框架部件42c和另一个端电池的框架部件42c之间具有间隔a。因此，可使多电池组件41在电池层叠方向上紧凑。
本发明的实施例10的操作和优点模块框架42的至少一部分由非导电材料形成，从而可以使各个电池的隔板可靠地相互电绝缘，同时可吸收冲击。
此外，形成树脂制造的模块框架42的框架部件42c设置在多电池模块40的每个多电池组件41的每个端电池19A的四个拐角位置处，并与端电池19A成一体，从而可减小模块框架42的尺寸和重量，并使其紧凑。此外，如果作为预先形成的组件提供端电池19A和框架部件42c，则将改善模块框架组装的效率。
在本发明的实施例11中，如图22和23所示，模块框架42的至少一部分由弹性部件例如橡胶形成。图22示出其中模块框架42由橡胶整体地形成的示例。图23示出其中模块框架42的一部分例如模块框架42的四个拐角部分由橡胶形成而其余部分由树脂形成的示例。
本发明的实施例11的操作和优点如下。即，如果弹性模块框架42形成为使得处于自由状态的弹性模块框架42的内部尺寸比多电池组件41的外部尺寸小一定量，则当将模块框架42附装到多电池组件41上时模块框架42将产生张力T。因此，可以不必使用粘接剂将框架模块42粘接到多电池组件41上。不使用粘接剂避免了对粘接剂涂覆装置的需要，并使装配过程时间缩短了对应于粘接剂硬化时间的量。此外，橡胶的弹性能够减震。
在本发明的实施例12中，如图24所示，模块框架42由弹性部件例如橡胶形成，并且将该弹性部件的表面的摩擦系数制成小于弹性部件本身的摩擦系数。通过利用焊接或装入配合(fitting-in)等将高度光滑的树脂板65例如聚四氟乙烯板等粘附到模块框架42的弹性部件的外表面上，或通过涂覆树脂，来减小该弹性部件的表面的摩擦系数。
本发明的实施例12的操作和优点如下。橡胶制成的模块框架42和树脂制成的外部限制部件46具有很大的摩擦系数，因此不易于在彼此之上滑动。但是，弹性部件的表面的摩擦系数被制成小于弹性部件本身的摩擦系数，则橡胶制成的模块框架42可容易地在树脂制成的外部限制部件46上滑动，从而防止不易滑动时可能发生的MEA等的载荷脱离。
在本发明的实施例13中，如图25、26和27所示，模块框架42由弹性部件例如橡胶形成，由该弹性部件形成的模块框架42连接到多电池模块40的多电池组件41的端电池19A上。例如，可如图25所示通过在每个端电池19A的电池层叠方向上的外表面内形成凹槽66，并将设在模块框架42上的突出部67装配在凹槽66内，或者如图26和27所示通过在每个端电池19A的电池层叠方向的外表面上设置圆柱形突出部68，并将突出部68装配在模块框架42中形成的孔69内，以实现模块框架42和端电池19A之间的连接。
本发明的实施例13的操作和优点模块框架42可稳定地固定在端电池19A上。因此，可充分防止模块框架42脱离多电池组件41，并且可沿电池层叠方向向模块框架42稳定地施加张力。
在本发明的实施例14中，如图28和29所示，模块框架42由弹性部件例如橡胶形成，线缆70嵌入由弹性部件形成的模块框架42内。优选地，线缆70是可膨胀和可收缩的线缆，并且由例如橡胶、弹簧等形成。连接到多电池组件41的模块框架42在该多电池组件41的上部和下部的每一个内具有在多电池组件41的所有电池上延伸的凹槽71。当要将模块框架42附装到多电池组件41时，在将模块框架42装配到多电池组件41上时拉动线缆70。此后，除去线缆70的张力，以便模块框架42的线缆嵌入部分与凹槽71适配。
本发明的实施例14的操作和优点可通过以下简单操作将模块框架42装配到多电池组件41上，即，扩展线缆嵌入部分以将模块框架42的嵌入有线缆70的部分装配到凹槽71内。由于其中模块框架42的线缆嵌入部分装配在凹槽71内的结构，模块框架42在装配后不易脱离多电池组件41。因此，可以不必使用粘接剂将模块框架42粘接到多电池组件41上。不使用粘接剂消除了对粘接剂涂覆装置的需要，并使装配过程时间缩短了对应于粘接剂硬化时间的量。此外，橡胶的弹性能够减震。
权利要求
1.一种燃料电池组件，包括串联设置的多个多电池模块；以及外侧部件，其中，该多电池模块具有通过层叠多个电池形成的多电池组件，以及模块框架，该模块框架具有围绕该多电池组件并在该多电池组件的电池层叠方向上延伸的第一壁，以及其中，该外侧部件在该多个多电池模块的外部并在电池层叠方向上沿该多电池模块延伸。
2.根据权利要求1的燃料电池组件，其特征在于，该外侧部件在该多个多电池模块的外部并在电池层叠方向上沿所有多电池模块延伸。
3.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，在该多电池模块内，多电池模块的多电池组件在电池层叠方向上不被多电池模块的模块框架限制，以便释放电池在电池层叠方向上的热膨胀。
4.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，在该多电池模块内，多电池组件的电池彼此粘接。
5.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，在该多电池模块内，在多电池模块的多电池组件的外表面和该多电池模块的模块框架的第一壁的内表面之间形成间隔或设置有可变形的粘接件，以释放电池在垂直于电池层叠方向的方向上的热膨胀。
6.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，在该外侧部件的内表面和多电池模块的模块框架的第一壁的外表面之间设置有外部限制部件。
7.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该多个多电池模块在电池层叠方向上串联设置，并且一弹簧箱相对于该串联设置的多个多电池模块在电池层叠方向上串联设置，该弹簧箱的弹簧力沿电池层叠方向施加到该多个多电池模块上。
8.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，除了该第一壁之外，该模块框架具有在垂直于电池层叠方向的方向上延伸的第二壁。
9.根据权利要求8的燃料电池组件，其特征在于，在该第二壁内形成有冷却剂通路。
10.根据权利要求9的燃料电池组件，其特征在于，第二壁的与电池接触的接触表面由导电材料形成。
11.根据权利要求8的燃料电池组件，其特征在于，第二壁的与电池接触的接触表面的至少一部分形成为可在电池层叠方向上移动。
12.根据权利要求11的燃料电池组件，其特征在于，在该第二壁内形成有冷却剂通路，并且第二壁的可在电池层叠方向上移动的部分由冷却剂通路的压力移动。
13.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架的外表面和外侧部件的内表面以点接触方式相互接触。
14.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架具有用于在多电池组件上安装将多电池组件与外部设备电连接的部件的开口。
15.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架包括至少两个相互分开的框架部件。
16.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架的内表面具有用于粘接剂的凹槽。
17.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架具有从模块框架朝向电池监控器的外表面延伸的电池监控器加压器。
18.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架的至少一部分由非导电材料形成。
19.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，构成由树脂制成的模块框架的框架部件设置在该多电池模块的多电池组件的端电池的四个拐角位置。
20.根据权利要求1或2的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架由弹性部件形成。
21.根据权利要求20的燃料电池组件，其特征在于，该弹性部件的表面的摩擦系数小于弹性部件本身的摩擦系数。
22.根据权利要求20的燃料电池组件，其特征在于，该模块框架连接到多电池模块的多电池组件的端电池上。
23.根据权利要求20的燃料电池组件，其特征在于，在该模块框架内嵌入有线缆。
全文摘要
本发明公开了燃料电池组件(10)。燃料电池组件(10)包括串联设置的多电池模块(40)以及外侧部件(24)。该多电池模块具有通过层叠电池形成的多电池组件，以及模块框架(42)，该模块框架具有围绕所述多电池组件的第一壁(43)。为了释放多电池模块(40)在垂直于层叠方向的方向上的热膨胀，在多电池模块(40)的外表面和模块框架(42)的第一壁(43)的内表面之间形成间隙或设置可变形的粘接件(45)。
文档编号H01M8/02GK1826705SQ200480020941
公开日2006年8月30日 申请日期2004年7月19日 优先权日2003年7月22日
发明者稻垣敏幸 申请人:丰田自动车株式会社