空气供氧的燃料电池组 【技术领域】
本发明涉及如固体聚合物燃料电池组之类的一种空气供氧的燃料电池组，它们可用作各种用途的电源或发电机，如它们可用于户外的、娱乐的以及家庭的应用，也可用于商用机器等，并且此种燃料电池组形成为薄形的、并且安静、重量轻且无污染。
背景技术
通常，燃料电池组以氢作为主要燃料，并且提取在氢与氧的化学反应中产生的能量。现有若干类燃料电池组，其中的一类是固态聚合物电解燃料电池组。这种固态聚合物电解电池组具有诸如低操作温度、高输出密度的特征。
在美国专利No.5,595,834或JP-A-2002-270212(由本发明的申请人早先提交的专利申请)中揭示了一种传统固态聚合物电解燃料电池组的实例。在如图7所示地此类燃料电池组中，一阳极(燃料电极)13a和一阴极(氧电极)13b设置在聚合物电解膜片12的两侧上，并且与设置在这些燃料和氧电极13a和13b的两侧上的一燃料流场板和一氧流场板18以及分别设置在这些流场板14、18两侧上的分隔板34通过使它们相互连成一体而形成了单元电池10。多个单元电池10堆叠在一起。具有用于输出产生的电力的端子的这些分隔板用作电流收集板35a和35b。由吸水的套筒32形成的燃料分配集管设置成通过每个单元电池10中的一个中间孔，并且与每个单元电池的燃料电极13a连通，端板24分别设置在通过套筒32的中间或轴线的连接螺栓26的两端部上，从而将它们夹在螺栓26的两端之间，并且这些燃料电池组件通过垫圈和O形圈36由螺母40、50紧固并固定在一起形成一整体结构。此类燃料电池组适用于低功率的燃料电池组，并且因此可设计成尺寸小、重量轻的燃料电池组。
在此种聚合物电解燃料电池组中，燃料通过螺母40的中间部分供给燃料电极13a，并且通过形成燃料分配集管32的吸水套管分配。
在上述传统的固态聚合物电解燃料电池中，氧仅从氧流场板18的外周边引入，因此，由于流动的阻力，氧不能充分地到达中间部分，这样，发电能力受到了限制。
【发明内容】
本发明是针对上述问题作出的。因此，本发明的目的在于提供空气供氧燃料电池组，在这些燃料电池组中，电池部分和空气之间的接触面积增加能够引入更大量的氧，从而提高发电能力。
本发明的另一个目的在于提供这样一种空气供氧燃料电池组，其中，单位容积的发电能量得到提高，由此减少了材料成本。
根据实现上述目的的本发明的第一个方面，提供了这样一种空气供氧燃料电池组，其中，一端板、一端垫片和一电流收集板具有一连通通道，该连通通道是向外敞开的、并且与电池部分的流场板相连通。
通过本发明的第一个方面可实现以下功能。
(1)在传统燃料电池组的相邻一氧电极设置的流场板中，空气仅从其外周边引入，由此向氧电极供氧。然而，在本发明中，可以通过端板、端垫片和电流收集板中形成的连通通道向流场板供给空气，这样，能够增加空气和流场板之间的接触面积，因此，可以将更多的氧供给到氧电极，可以促进通过聚合物电解膜片的氧和燃料(氢)之间的反应，由此来提高发电能力。
(2)仅通过在端板、端垫片和电流收集板中设置向外敞开的连通通道，而无须向这些组个添加任何特殊的零件，就可增加单位体积的发电能力，因此，可以减少材料成本。
本发明的第二个方向在于，形成在端板、端垫片和电流收集板中的连通通道是由多个通孔形成的，这些通孔的轴线与电池部分的轴线基本平行。
(3)在本发明的第二个方面中，连通通道孔的轴线与电池部分的轴线平行，因此，外部空气可以通过最短的路径供给到氧流场板，而流通阻力可最小，并且可以在氧电极的整个面积上均匀地供给氧，这样，可以提高发电效率。
本发明的第三个方面在于，电池部分包括一对对称的单元电池，以及(设置在所述电池部分的每个相对端部处的)端板、端垫片以及每个单元电池的电流收集板具有与相应的流动通道板连通的连通通道。
通过本发明的第三个方面可实现以下功能。
(4)电池部分具有分别设置在中间端垫片的两侧上的两个单元电池，在每个单元电池中，从中间端垫片起，电流收集板、一燃料电极、一聚合物电解膜片、氧电极、氧流通板以及电流收集板以这样的次序设置，并且端板分别设置在电池部分的两端处，而端垫片介于每个单元电池和相应的端板之间。因此，由于设置了从每个端板通向相应的氧流场板的流动通道，空气可以分别从两端板供给到两单元电池的氧流场板，并且因此，可以向两单元电池供给足量的氧，不仅发电能力并且发电容量都可得到提高。
本发明具有的第四个方面在于，形成在端板中的连通通道是由凹槽形成的，这些凹槽形成在面向电池部分的端板侧面中，并且它们垂直于电池部分的轴线向外敞开。
(5)在本发明的第四个方面中，形成在端板中的连通通道由多个凹槽形成，这些凹槽以与氧流场板相对的关系形成在面向电池部分的端板侧面中，并且径向向外敞开，因此，藉助形成通过电流收集板的通孔，外部空气可以从氧流场板的外周边引入，并且可以在其广阔的面积上均匀地向氧流场板供给氧，这样，发电效率可以提高。
(6)在第四个方面中，当多个具有相同配置的组件的单元电池堆叠在一起时，以置于相邻的单元电池之间的上述端板，可以从氧流场板的外周边向氧流场板供给外部空气，并且还可通过凹槽在氧流场板的广阔的面积上直接向氧流场板径向向外供给空气，因此，发电能力比传统结构的大。
【附图说明】
图1为根据本发明一较佳实施例的空气供氧燃料电池组的截面图。
图2A和2B示出了图1的空气供氧燃料电池组的一端板，图2A为沿图2B的线2B-2B截取的截面图，而图2B为其的正视图。
图3为本发明的空气供氧燃料电池组另一实施例的截面图。
图4为本发明的空气供氧燃料电池组又一实施例的截面图。
图5A和5B示出了图4的空气供氧燃料电池组的一端板，图5A为沿图5B的线5a-5a截取的截面图，而图5B为其正视图。
图6为示出了本发明的空气供氧燃料电池组的输出特性的图表。
图7为分解状态的一种传统的聚合物电解电池组的纵向截面图。
【具体实施方式】
以下，将参照附图详细描述本发明的较佳实施例。
图1为分处于分解状态的本发明的空气供氧燃料电池组的一较佳实施例的截面图；而图2A和2B示出了此种空气供氧燃料电池组中使用的一端板，图2a为沿图2B的线2a-2a截取的截面图，而图2B为其平面图。这种空气供氧燃料电池组被称为使用诸如氢为燃料的固体聚合物燃料电池组。这种燃料电池组包括一单元电池10，该单元电池10包括：一固体聚合物电解膜片12，该膜片由全氟化碳磺酸聚合物材料制成，其厚度为0.05mm；一电极13a以及一氧电极13b，其中电极13a由片状碳材料制成，其厚度为0.5mm，内径为15mm而外径为45mm，该氧电极13b由片状碳材料制成，其厚度为0.5mm，内径为19mm，而外径为55mm，它们分别设置在聚合物电解膜片12的两侧上；一氧流场板18，该氧流场由碳材料制成，其厚度为3.5mm、内径为19mm而外径为55mm，它设置在氧电极13b的外侧上；一环形的外密封件16，它由诸如EPDM(三元乙丙橡胶)之类的合成橡胶制成，其宽度为5mm，它密封着燃料电极13a的外周边；一内密封件22，它由诸如EPDM之类的合成橡胶制成，其宽度为2mm，它密封着氧电极13b和氧流场板18的内周边；以及电流收集板34a和34b，它们均由不锈钢板制成，其厚度为0.3mm，其直径比其间插入上述组件的其它组件的直径大。在以下将要描述的本发明的实施例中，燃料主要为氢，氧为空气中的氧并且是随着空气进给的。固体聚合物电解膜片12设有用于化学反应的催化剂。
在图3示出的本发明的一空气供氧燃料电池组的另一实施例中，相对于一个单元电池10，另一个单元电池10′的构件堆叠次序颠倒，更具体地说，从一个单元电池10的端垫片28a起，另一个单元电池10′的一电流收集板、一燃料电极、一聚合物电解膜片、一氧电极、一氧流场板以及一电流收集板以这样一种次序堆叠，这些组件通过一端垫片28b由端板24b保持，从而形成了另一个单元电池10′，如在上述实施例中，诸燃料电池组件通过分别位于连接螺栓26的两端部上的螺母40和50夹在一起形成一整体的结构。
通过这样将两个单元电池10和10′结合在一起，对于一个单元电池10的氧电极13b，外部空气可以通过端板24a中的连通孔、端垫片28c中以及电流收集板-34d和氧流场板18b中的通孔供给到氧电极13d。由于两个同等的单元电池10和10′可以结合在一起，因此，发电性能可通过供给足量的氧而得以提高，另外，发电容量也可得到增加。
在图4、5A和5B示出的本发明的另一实施例中，在(靠近氧电极13e设置的)端板24c的一侧(面)中形成有朝着氧电极13e定向的多个凹槽24c′，这些凹槽垂直于单元电池的轴线延伸，并且如图5B所示，使这些凹槽24c′相互连接的一圆形凹槽24c″形成在端板24c的该侧(面)中。与端板24c中的凹槽24c′相应的通孔28d′形成在端垫片28d中，另外，与端板24c中的凹槽24′相应的通孔34e′形成在电流收集板34e中。以这种结构，外部空气可通过径向凹槽24c′和通孔28d′和34e′供给到氧流通板18d上。因此，在本实施例，也能够有足量的氧供给到氧电极13e上。
比较传统的燃料电流组，上述实施例的空气供氧燃料电流组具有如图6所示的发电性能，尽管在高压和低压输出的情况中两者没有很大区域，但随着电压的下降，本发明的实施例可获得传统电池不能达到的高电流的输出量，本发明的燃料电池适用于大范围的用途。
可以根据所需的输出量将所需数量的本发明的单元电池10堆叠在一起(参见图7，图7中传统聚合物电解燃料电池的截面图)，直径为6mm、长度为100mm的连接螺栓被用来将诸单元电池夹在一起形成一整体结构，更具体地说，由芳族聚酰胺(KEVLAR，商标名)制成的吸水性的合成纤维纱线形成的燃料分配集管32安装在此连接螺栓26上，并且沿着螺栓的轴线延伸，而该连接螺栓26延伸通过单元电池10。由诸如EPDM之类的合成橡胶制成的端垫片28夹在用作相对最外部的单元电池10的每一个的分隔板的电流收集板34和端板24a、24b之间，而不锈钢螺母40和50分别螺纹连接在分别在连接螺栓16的相对端部上形成的螺纹部分上，分别与端板24a和24b成面对面的关系，其中端板24a和24b由环氧树脂制成，其厚度为10mm，内径为15mm，外径为55mm，这样做，可以将单元电池10的诸组件夹在一起形成一个整体结构，并且，也可将多个单元电池10夹在一起形成一个整体结构。
在图1中，连通孔24b′通过靠近氧流场板18设置的端板24b形成，并且与通过端垫片28b形成的通孔28b′以及通过电流收集板34b形成的通孔34b′对齐。这些连通孔24b′如图2A和2B所示设置，并且与氧流场板18连通。空气可以从氧流场板18的外周边引入氧流场板18中，另外，空气可以从连通孔24b′引入氧流场板18中。
如图7所示，用于将单元电池10夹在一起的螺母40具有通过其中间部分形成的一中空孔，并且一个内螺纹部分形成在这中空孔的内表面上，并且从面向端板24a的螺母40的那侧向这内表面的中间部分轴向延伸，而连接螺栓26可以螺纹连接到此内螺纹孔中。内螺纹部分至少径向向外地设有两个燃料流动通道，并且这两个通道与中空孔连通，并且它们用于向燃料分配集管32供给燃料的燃料供给孔。其中配合有一O形圈的一圆形凹槽形成在面向端板24a的螺母40的一侧上。
如图7所示，在另一个螺母50中形成有一内螺纹部分56，并且该部分在螺母40中朝着中间部分轴向延伸，这样，连接螺栓26的螺纹端部可以螺纹连接到此内螺纹部分56中，而用于与燃料分配集管32连通的这内螺纹部分56的连通孔径向向外地形成。一个能用单触式操作加燃料的不锈钢的排气阀安装在沿轴向方向背离内螺纹部分56的螺母50的一侧上，这样，燃料可以通过连通孔相对于燃料分配集管32和燃料电极13a加入和排出，从而协助加入燃料。一圆形凹槽形成在面对端板24b的螺母50的一侧上，而一O形圈安装在此圆形凹槽内。
燃料分配集管32设置用于供给燃料以及用于吸收和保持产生的水，此燃料分配管集32是以这样一种方式通过分别在管状壳体的相对端部上形成的凸缘上保持吸水的合成纤维纱线而形成的，即这些合成纤维纱线围绕管状壳体设置，并且沿轴线在两凸缘之间延伸。
上述结构的空气供氧燃料电池可以按下列方式装配。
首先，预先将一螺母40连接到连接螺栓26的一端部上，并且较佳地在连接螺栓26的垂直竖立的情况下，燃料分配集管32安装到连接螺栓26上。由此，其上安装有燃料分配集管32的连接螺栓26形成了燃料电池的中心轴。
最外部的端板24和端垫片28以这样一种次序被安装在此中间轴上的它们的中间孔处，而后，为了形成一单元电池10、一分隔板34、一燃料电极13a、一外密封件16(安装在此燃料电极13a的外周边上)、一固体聚合物电解膜片12、一内密封件22和氧电极13b和氧流场板18(安装在内密封件22的外周边上)以及一分隔板34在它们的中心孔处依次配合到中间轴上，并且堆叠在一起，由此装配单元电池。
此后，为了形成下一个单元电池10，相对于前一个单元电池10的后分隔板34，一燃料电极13a、一外密封件16(安装在此燃料电极13a的外周边上)、一固体聚合物电解膜片12、一内密封件22和氧电极13b和氧流场板18(安装在内密封件22的外周边上)以及一分隔板34在它们的中心孔处依次配合到中间轴上，并且如上述前一个单元电池那样，装配在一起。重复进行单元电池的装配操作，这样可以将与空气供氧燃料电池的所需输出量相应的所需数量的单元电池10可以堆叠并装配在一起。
最后，一端板24的中心孔配合到中心轴上，并且堆叠到最外部的单元电池10的分隔板34上，并且在其间保持一端垫片28。该组单元电池10以一预定压力保持在一起，例如约1.5MPa。在这种情况下，具有与之相连的排气阀52的另一个螺母50螺纹连接到形成中间轴的连接螺栓26的螺纹端部上，并且以预定的扭矩(例如6.8Nm)固定并紧固该电池组。
为了使如此装配的燃料电池能够作用一空气供氧燃料电池，将一管子之类的物件连接到螺母40上，从而从氢发生装置之类的设备向其供给燃料。诸如氢之类的燃料通过螺母40中的中空孔42(作用燃料供给孔)以及燃料流动通道44供给燃料分配集管32中，并且通过沿连接螺栓26延伸的燃料分配集管32供给到各个单元电池10的燃料电极13a的内周边缘处。燃料电极13a由片状的碳材料构件形成，并且由此，无须设置任何燃料流场板，燃料便可以从燃料电极13a的内周边缘通过这多孔材料中的孔径向向外供给，并且由于，燃料电极13a的外周边被外密封件16密封，因此，燃料可以被供给到固体聚合物电解膜片12。氧电极13b和氧流场板18设置在此固体聚合物电解膜片12的相对侧上，并且由此，外部空气可通过由多孔材料制成的氧流场板18中的孔供给，这样，空气中的氧可以供给到氧电极13b。
这样，分别供给到固体聚合物电解膜片12两侧的燃料和氧在膜片12处相互起化学反应，燃料电极用作一阴极，而氧电极用作一阳极，这样，可以实现发电操作。此时，尽管由于水合作用而有水和热量产生，但产生的水由燃料分配集管32的吸水合成纤维纱线吸收，这样，产生的水平不会残留在燃料分配集管32中，由此，不会阻碍燃料供给到燃料电极13a。另外，水由于产生的热量而蒸发，并且被扩散到大气中。分隔板34的半径比其它组件大，因此，径向向外突出超出其它组件的各分隔板34的那部分可用作辐射所产生的热量的散热片。
上述实施例的燃料电池组件的尺寸不限于示出的值，这仅是作为一实例给出的，它们可以根据选定的应用所需的输出量来决定。
具有上述结构的本发明的空气供氧燃料电池可实现下列有益效果。
在上述空气供氧燃料电池中，端板、端垫片和电流收集板具有向外敞开的连通通道，并且它们与电池部分的流场板连通，因此，外部空气可以通过最短的路径供给到氧流场板，即，通过端板、端垫片以及电流收集板，从而向氧电极供给氧(空气)，这样，可以供给足量的氧，同时使流通阻力最小，由此实现发电性能提高的优点。
电池部分包括成对对称的单元电池，并且每个单元电池的端板、端垫片(设置在电池部分的相对端部的每一个端部处)以及每个电流收集板具有与相应的流场板连连通的连通通道。因此，为了向两个单元电池供给空气，外部空气可以通过端板中的连通通道、并进一步通过端垫片和电流收集板中的通孔供给到每个单元电池的氧流场板，这样实现的一个优点在于，不仅每个单元电池的发电性能得到改善，而且，由于设置了两个具有基本相同的发电性能的单元电池，因此发电容量得到得高。
形成在端板、端垫片和电流收集板中的连通通道由多个通孔形成，这些通孔的轴线与电池部分的轴线平行，因此，外部空气可引入背离氧电极的氧流场板一侧，并可基本均匀地分布在其整个区域上，因此，可以在整个氧流场板的整个区域上均匀地供给氧，由此可实现的优点在于，通过供给足量的氧，发电性能得到改善。
形成在端板中的连通通道是由若干凹槽形成的，这些凹槽形成在面向电池部分的端板的一侧面中，并且它们垂直于电池部分的轴线向外敞开。因此，即使在多个单元电池堆叠在一起的一类燃料电池中，即，氧流场板设置在远离电池部分的外侧的中间位置中，当此类的端板与端垫片一起保持在相邻的单元电池之间时，也可以通过诸凹槽将足量的空气供给到每个单元电池的氧流场板，因此，实现的一个优点在于，即使在由多个单元电池构成的一类燃料电池中，整体的电池性能可得到改善。