專利名稱：燃料電池組的岐管和密封組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統，特別是涉及用于這種系統的燃料電池組的歧管組件。
背景技術：
在現代的燃料電池系統內，使用歧管向這種系統的燃料電池組供給氣體燃料和氧化劑氣體并從其中抽出氣體燃料和氧化劑氣體。在有些情況下，燃料電池組位于外殼內，而且所述外殼起輸送一種氣體的歧管的作用。在這種結構里，最少還要有3個歧管作系統的其他氣體的進出通道之用。在其他情況下，外殼不起歧管作用，則最少需要4個歧管。
在這種系統里，通常把各歧管緊壓于燃料電池組上。例如，2000年8月31日申請的轉讓予本受讓人的共同懸而未決的美國專利申請系列號09/651,921中就說明過一個這種燃料電池組緊壓系統的例子。在這種系統里，通常還為系統的外歧管安裝歧管密封組件。例如，美國專利4,467,018就披露了一個典型的密封組件。
圖1示出了一個典型的燃料電池組1，使用了4個歧管。如圖所示，燃料電池組1包括多個上下重疊的燃料電池組件11A和電解質基塊11B。這些元件安排成使得各反應氣體在燃料電池組1內交叉流動。更具體地說，氣體燃料和氧化劑氣體分別流入各自的陽極和陰極進氣歧管2A和3A，然后通過所述重疊的電池組件。接著，排出的氣體燃料和氧化劑氣體經過陽極和陰極排氣歧管2B和3B從電池組件抽出。還安裝了歧管密封組件4，在歧管2A、3A、2B、3B和電池組之間起密封作用。
更具體地說，如圖2所示，各個燃料電池組件11包括陰極12、陰極波狀集電器13、雙極板14、陽極波狀集電器15和陽極16。所述雙極板14包括各端的端折板14A，如美國專利5,773,161號、5,399,438號和4,514,475號所論述的那樣，這種端折板提供平的密封表面。
上述這些平表面加在一起結果形成燃料電池組1的垂直周邊平表面區1A，而端板6則為燃料電池組提供水平周邊平表面區1B。陽極和陰極歧管2A、2B、3A和3B就是靠在這些周邊平表面上密封的。各個歧管密封組件4都包括電池組側可壓縮密封墊板4A、絕緣框組件4B和歧管側可壓縮密封墊板4C，所有這些電池組側可壓縮密封墊板4A、絕緣框組件4B和歧管側可壓縮密封墊板4C都各自與一個歧管對接。這些部件不僅使得各密封組件可以提供密封還使之可以限制電解質從電池組頂部向底部移動，限制電解質從電池組通過絕緣框組件向歧管移動并允許在電池組與歧管間的相對移動。
更具體地說，各墊板4A提供燃料電池組件11的雙極板14與絕緣框組件4B之間的密封。墊板4A還適于限制電解質從電池組的正電端向負電端這種不需要的移動。如果不加檢查，電解質的這種移動會使電池組負電端的電池電解質滿溢而又使正電端電池的電解質排空。這樣采用墊板4A的方法，披露于美國專利4,591,538號、4,643,954號、4,761,348號和5,110,692號。這些方法雖然減少了電解質的移動，但并未完全消除這種移動，而且增加燃料電池組1的成本。
絕緣框組件4B對燃料電池組1與相關的金屬歧管之間提供電絕緣。如圖1內所示，典型的框組件包括水平構件5A和垂直構件5B所述水平構件和垂直構件5A、5B在接合部5C通過對準的槽5D、5E和鍵5F相連結。這種結構允許電池組與框組件之間的差別的移動(例如，見美國專利4,414,294號)。為了經受這種差別的移動引起的應力，框組件4B需要高密度陶瓷。正如2000年12月13日申請的轉讓予本受讓人的美國專利申請09/736,549號所說明的那樣，這種陶瓷還必須高度精加工以保證所需的電壓下的絕緣。可以理解，需要高密度、高度精加工的陶瓷也會增加燃料電池組1的總成本。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種能克服上面談到的現有組件的缺點的歧管和歧管密封組件。
本發明的另一目的是提供一種零件數目減少的歧管和歧管密封組件。
本發明的再一目的是提供一種能減少絕緣框組件的零件數量和墊板數量的歧管和歧管密封組件。
本發明還有一個目的是提供一種能使用簡化雙極板的歧管和歧管密封組件。
上述目的以及其他目的是根據本發明的原理使用包括若干個框組件和若干個歧管的歧管和歧管密封組件實現的。其中一個或一個以上的框組件是支承框組件，一個或一個以上的框組件是被支承框組件。每個支承框組件為其面對的燃料電池組面相鄰的面所面對的一個被支承框組件的一部分提供結構支承。而且根據本發明對緊靠支承框組件的歧管作了修改，使之適于與緊靠相關的被支承框組件的歧管區域密封接合。
在后面要說明的本發明的實施例里，每個支承框組件都包括與相關的燃料電池組面的垂直邊相鄰的垂直組件，所述相關的燃料電池組面在其上下兩端支承相關的被支承框組件的上、下水平構件。這兩個水平構件又與相關的燃料電池組面的上、下端相鄰。
而且，在此實施例中，每個位于支承框組件附近的歧管都有一個具有垂直邊的外圍凸緣，所述垂直邊有超出相關的燃料電池組面的垂直端之外的突出部分。此突出部分對位于被支承框附近的歧管的外圍凸緣垂直邊起密封件的作用。這個位于被支承框附近的歧管有一個延展超出相關燃料電池組面的垂直邊之外的中區，從而可以實施密封接合。
此外，在我們說明的實施例中，鄰接燃料電池組某個面的被支承框組件可以得到兩個支承框組件的支承。這兩個支承框組件緊靠與上述某個面的兩個相對的垂直邊相鄰的燃料電池組面。在我們說明的4個面的電池組中，有兩個支承框組件緊靠電池組的兩個相對的面并支承緊靠電池組另兩個相對的面的兩個被支承框組件。在本實施例中，每個支承框組件都包括兩個與相關的燃料電池組面的兩個相對的垂直邊相鄰的垂直構件，其中的一個支承緊靠相鄰的一個燃料電池組面的被支承框組件的上、下水平構件，另一個則支承緊靠另一個相鄰面的被支承框組件的上、下水平構件。
閱讀下面的帶附圖的詳細說明就可以更清楚地了解本發明的上述特點和其他特點，附圖中圖1示出使用現有歧管和歧管密封組件的燃料電池組；圖2示出使用于圖1的燃料電池組內的一個燃料電池組件；圖3示出使用根據本發明原理的歧管和歧管密封組件的燃料電池組；圖4示出圖3的歧管和歧管密封組件的框組件；圖5和圖6示意地示出圖3的歧管和歧管密封組件的拐角部分的示意圖；圖7示出圖1的歧管和歧管密封組件的拐角部分。
具體實施例方式
圖3示出使用根據本發明原理的歧管和歧管密封組件31的燃料電池組21。所述燃料電池組21包括多個疊置的燃料電池組件52，各對組件間設置一個燃料電池基塊53。端板54和55分別位于最上面的燃料電池組件之上和最下面的燃料電池組件之下。
在圖5中可以看到，各個燃料電池組件52，類似于圖2中所示的一般的燃料電池組件11A，并且包括陰極52A、陰極波狀集電器52B、雙極板52C、陽極波狀集電器52D和陽極52E。在所示的實施例中，這些部件是方形結構的的，因而燃料電池組件52也是方形結構的。
這些疊置的部件結果形成了具有21A、21B、21C和21D四個面的燃料電池組21。面21A和面21B相對，并且分別起接收和排出氣體燃料的作用。面21C和面21D也相對，并且分別起接收和排出氧化劑氣體的作用。
類似的陽極歧管31A和31B緊靠燃料電池組的面21A和21B，向這兩個面輸送并從這兩個面抽出陽極氣體。相同的陰極歧管31C和31D也緊靠燃料電池組的面21C和21D，向這兩個面輸送并從這兩個面抽出氧化劑氣體。位于各歧管與其燃料電池組各自的面之間的是電池組側墊板31E或31F，絕緣框組件41或42，以及歧管側墊板31G或31H。這些歧管、框組件和墊板一起形成燃料電池組21的歧管和歧管密封組件31。
根據本發明的原理，這種歧管和歧管密封組件適于在減少部件數量的情況下起歧管和密封作用。達到這一目的的方法是使用一種框組件(即支承框組件)與電池組的一個面相配合，為一個框組件(即與電池組一個相鄰面相配合的被支承框組件)的部件提供結構支承。達到這一目的的方法還包括使緊靠支承和被支承框組件的歧管適于在支承框組件支承被支承框組件的鄰近區域實現密封接合。
在本發明的示例性的實施例里，相同的支承框組件41安裝于靠近電池組面21A和21B的地方。這兩個框組件為安裝于鄰近電池組面21C和21D的相同的被支承框組件42提供支承。圖4更詳細地示出框組件41和42。每個支承框組件41都包括緊靠相關的電池組面的上、下邊緣的上、下水平框構件41A、41B。框組件41的垂直框構件41C和41D與相關的電池組面的垂直邊緣鄰接。
垂直框構件41C和41D各包括上部43和下部44。這兩部分的鄰接端有容納連結這兩部分的鍵45的鍵槽或槽43A和44A。上部43的擴大的端部46靠近電池組面的上邊緣，而下部44的擴大的端部47靠近電池組面的下邊緣。端部46有突出于電池組面之外的部分46A和沿電池組面延伸的部分46B。與此類似，端部47也有突出于電池組面之外的部分47A和沿電池組面延伸的部分47B。
所述部分46B在46C處切槽，此槽與上水平框構件41A相鄰的端部上的槽或鍵槽71對準。鍵72容納于這兩個相鄰的槽中并把這兩個構件聯在一起。與此類似，部分47B有一個槽或鍵槽47C，與下水平框構件41B的相鄰的端部的槽73對準。鍵74容納于這兩個槽中，并把這兩個構件連結在一起。
各被支承框組件42也有上、下水平構件48和49，靠近相關的電池組面的上、下邊緣。構件48和49各自在與相關的電池組面的垂直邊緣相鄰的端部有槽或鍵槽75和76。各個槽75與相鄰支承框組件41的垂直框構件的部分46A上相同方向的槽77對準。鍵78把這兩個構件連結在一起。各個槽76與支承框組件41的垂直框構件41C的部分47A上的相同方向槽79對準。鍵81把這兩個構件連結在一起。
可以理解，采用框組件41和42的這種結構，支承框組件41有垂直構件41C、41D，這兩個構件不僅支承本支承框組件的水平構件41A、41B，而且還支承相鄰的被支承框組件42的水平構件48、49。這樣，就減少了框組件的部件數量，從而簡化并大量降低歧管和歧管框組件31的成本。
為了容納支承和被支承框組件41和42的這種結構，對陽極歧管31A、31B和陰極歧管31C、31D作了修改以適于在支承框組件支承被支承框組件的區域進行密封接合。這種支承發生于電池組各個面的垂直邊緣區域，因此，歧管的垂直部分適于提供這種密封接合。
更具體地說，參看圖3、5和6，陽極歧管31A、31B各有中區81，與外國凸緣82相鄰。所述凸緣82的垂直部分還設有延伸部分82A，在水平方向上延伸超出相關的電池組面的垂直邊緣之外。
各個陰極歧管31C、31D也有中區83，突出于相關的電池組面的相對的垂直邊緣之外。這就使得各個歧管的外圍凸緣84所處的位置在所述凸緣84的垂直部分與相鄰歧管的垂直延伸部分82A相對的地方。
這樣，在歧管31A-31D與電池組面緊靠時，陽極歧管31A、31B的延伸部分82A就與陰極歧管31C、31D的凸緣84的垂直部分接合。這在圖5和圖6中顯示得更清楚，這兩張圖示出電池組21的拐角部分即陽極歧管31A與陰極歧管31C相交的部分。這種接合與圖7所繪的電池組1的拐角部分的接合是不同的。
框組件41、42和歧管31A-31D采用這種結構，陽極歧管31A、31B的歧管側墊板31H就在各歧管的整個外圍凸緣82的周圍延伸，但并不延伸到延伸部分82A。各個陰極歧管的歧管側墊板31G也延伸于歧管的整個外圍凸緣84的周圍，因而位于凸緣84的垂直部分與相鄰歧管的垂直延伸部分82A的端部之間。
在燃料電池組面21A、21B與各支承框組件41之間的電池組側墊板31F各延伸于與其相關的電池組面的整個平的外圍區域的周圍。這個外圍區域包括端板54、55形成的水平部分和雙極板52C的陽極側的折板區形成的垂直部分。因為框組件41有水平構件和垂直構件，所以水平部分和垂直部分都是需要的。
然而，燃料電池組面21C和21D之間的電池組側墊板31E只需水平延伸，以包容端板54、55形成的相關電池組面的平的外圍區域和框組件42的水平構件。因為框組件42沒有垂直構件，這些電池組面無需平的外圍垂直部分。因此，電池組的陰極側上的雙極板52C也無需有折板區。
可以理解，本發明的歧管和密封組件31與現有的歧管和密封組件相比，具有減少框組件41和42的零件數目的優點。對于圖3所示的具有4個面的燃料電池組21而言，如下面的表1所示零件數從65減少到36個。
表1
表1還顯示根據本發明的3歧管系統與一般的3歧管系統相比零件數的減少(零件數從48減少到30)。
另外，用了根據本發明的歧管和歧管密封組件31，與電池組面接觸的墊板零件的數量會減少，而且電解質的移動也會減少。另外，工作區陽極的氣泄漏體現在是漏入陰極室。這種滲漏通道的壓差比使用已有的歧管和歧管密封組件時小。而且，因為不再使用陰極側的雙極板折板，雙極板拐角部分的結構也簡化了。
在一切情況下，都可以理解上面說明的這些結構只是說明體現運用本發明的許多可能的具體的實施例而已。可以不脫離本發明精神的范圍根據本發明的原理很容易地想出許多不同的其他結構。
權利要求
1.一種用于具有多個面的燃料電池組的歧管和歧管密封組件，所述的歧管和歧管密封組件包括多個各鄰接所述燃料電池組一個面的框組件；多個各鄰接框組件的歧管；一個或一個以上的所述框組件是支承框組件，一個或一個以上的所述框組件是被支承框組件，每個支承框組件都支承其面對的所述電池組面相鄰的面所面對的被支承框組件的一部分。
2.根據權利要求1的歧管和歧管密封組件，其特征在于所述鄰接支承框組件的歧管和鄰接所述被支承框組件的歧管適于在所述支承區域密封接合。
3.根據權利要求2的歧管和歧管密封組件，其特征在于各支承框組件包括一個或一個以上的垂直構件，而各垂直構件鄰接所述電池組的相關面的垂直邊并支承所述支承框組件所支承的被支承框組件的一部分。
4.根據權利要求3的歧管和歧管密封組件，其特征在于各被支承框組件有鄰接所述燃料電池組相關面上、下端的上、下水平構件；支承框組件的各所述垂直構件有上、下端，支承所述支承框組件所支承的被支承框組件的上、下水平構件。
5.根據權利要求4的歧管和歧管密封組件，其特征在于各支承框組件有上、下水平構件，鄰接所述燃料電池組相關面的上、下端；各支承框組件的垂直構件的上、下端分別支承所述支承框組件的上、下水平構件。
6.根據權利要求5的歧管和歧管密封組件，其特征在于，各個所述垂直構件的上、下端有第一部分，所述第一部分沿所述電池組的相關面延伸，并有一部分超出所述電池組相關面的垂直邊，各個所述第一部分支承包括所述第一部分的支承框組件的水平構件，各個所述第二部分支承為包括所述第二部分的支承框組件所支承的被支承框組件的水平構件。
7.根據權利要求6的歧管和歧管密封組件，其特征在于各個所述第一部分和第二部分都有一個槽；各個上、下水平構件都在其端部有一個槽，各個上、下水平構件上的槽與支承所述水平構件的第一、第二部分中的一個上的槽對準；所述歧管和歧管密封組件還包括分別嵌于一對對準的槽中的鍵。
8.根據權利要求7的歧管和歧管密封組件，其特征在于各個所述垂直構件都包括分別具有上、下端的上部和下部。
9.根據權利要求8的歧管和歧管密封組件，其特征在于所述上部和下部有相鄰的端部，這兩個相鄰的端部上有用于對準的槽；所述歧管和歧管密封組件還包括分別嵌入所述上部和下部對準的槽中的鍵。
10.根據權利要求9的歧管和歧管密封組件，其特征在于第一和第二支承框組件都各支承第三被支承框組件的一部分。
11.根據權利要求10的歧管和歧管密封組件，其特征在于所述第一和第二支承框組件面對所述燃料電池組的相對的面。
12.根據權利要求11的歧管和歧管密封組件，其特征在于所述第一和第二支承框組件有第一和第二垂直構件，所述的第一和第二垂直構件位于所述電池組相關面的相對的垂直邊的附近。
13.根據權利要求10的歧管和歧管密封組件，其特征在于所述第一和第二框組件各支承第四被支承框組件的一部分。
14.根據權利要求12的歧管和歧管密封組件，其特征在于所述第一和第二被支承框組件面對所述電池組的相對的第一面和第二面；所述第三和第四被支承框組件面對所述電池組的相對的第三面和第四面。
15.根據權利要求13的歧管和歧管密封組件，其特征在于所述第一和第二支承框組件各有第一和第二垂直構件，所述的第一和第二垂直構件位于所述電池組相關面的兩個相對的垂直邊的附近。
16.根據權利要求6的歧管和歧管密封組件，其特征在于，各個緊靠支承框組件的歧管包括一個中區；和一個凸緣區，所述凸緣區包括沿靠近相關支承框組件垂直構件的各個垂直邊延伸的垂直延伸部分，所述垂直延伸部分超出了所述電池組相關面的相應的垂直邊；各個緊靠被支承框的歧管包括一個中區和一個凸緣區，所述中區延伸超出了所述燃料電池組相關面的邊，從而所述凸緣區的垂直部分緊靠鄰接支承框組件的歧管的垂直延伸部分。
17.根據權利要求3的歧管和歧管密封組件，其特征在于各個鄰接支承框組件的歧管包括一個中區，一個凸緣區，所述凸緣區包括沿靠近相關支承框組件垂直構件的各個垂直邊延伸的垂直延伸部分，所述垂直延伸部分超出了所述電池組相關面的相應的垂直邊；各個鄰接被支承框的歧管包括一個中區和一個凸緣區，所述中區延伸超出了所述燃料電池組相關面的邊，從而所述凸緣區的垂直部分緊靠鄰接支承框組件的歧管的垂直延伸部分。
18.根據權利要求17的歧管和歧管密封組件，它還包括多塊第一墊板，各第一墊板位于框組件與所述電池組的相關面之間；多塊第二墊板，各第二墊板位于框組件與相關的歧管之間。
19.根據權利要求18的歧管和歧管密封組件，其特征在于位于被支承框組件與相關的歧管之間的各第二墊板還在所述歧管的凸緣區的垂直延伸部分與相關的支承歧管的鄰接垂直延伸部分之間延伸。
20.一種用于與面對燃料電池組的一個面并支承一個或一個以上面對所述燃料電池組相鄰面的被支承框組件的支承框組件鄰接的歧管，所述歧管包括一個中區；一個凸緣區，所述凸緣區從所述中區延伸出并有一個延伸部分超出所述燃料電池組相關面的垂直邊，用于分別與面對被支承框組件的歧管接合。
21.根據權利要求20的歧管，其特征在于所述支承框組件支承第一和第二被支承框組件；所述凸緣區有超出所述相關面的相對的垂直邊的延伸部分，用于分別與面對所述第一和第二被支承框組件的第一和第二歧管接合。
22.一種用于與面對燃料電池組的一個面并為面對所述電池組相鄰面的一個或一個以上的支承框組件所支承的被支承框組件鄰接的歧管，所述歧管包括一個中區；一個從所述凸緣區延伸出的凸緣區；所述中區延伸超出所述電池組相關面的垂直邊之外從而使所述凸緣區與面對支承框組件的歧管的一個延伸部分接合。
23.根據權利要求22的歧管，其特征在于所述被支承框組件為第一和第二支承框組件所支承；所述中區延伸超出所述電池組相關面的兩個相對的垂直邊，從而使所述凸緣區與分別面對所述第一和第二支承框組件的第一和第二歧管的突出部分接合。
24.一種燃料電池系統，它包括具有多個面的燃料電池組；用于所述燃料電池組的歧管和密封組件，所述的岐管和密封組件包括多個各鄰接所述燃料電池組一個面的框組件；多個各鄰接于一個框組件的歧管；一個或一個以上的所述框組件是支承框組件，一個或一個以上的所述框組件是被支承框組件，各個支承框組件支承其面對的所述電池組的面的相鄰面面對的被支承框組件的一部分。
25.根據權利要求24的燃料電池系統，其特征在于所述鄰接支承框組件的歧管和鄰接為所述支承框組件所支承的被支承框組件的歧管都適于在所述支承區域互相密封接合。
26.根據權利要求25的燃料電池系統，其特征在于所述燃料電池組包括多個具有雙極板的燃料電池組件，所述雙極板在其限定面對所述支承框組件的所述燃料電池組的面的部分有折板區，而在其限定面對所述被支承框組件的所述燃料電池組的面的部分沒有折板區。
全文摘要
一種用于具有多個面的燃料電池組的歧管和歧管密封組件，其中所述的組件包括多個支承框組件(41)，多個被支承框組件(42)，和多個岐管(81，83)，和至少一個鄰接燃料電池組的一個面的支承框組件提供對鄰接支承鄰接支承被支承框組件的支承框組件的一個面電池組的一個面的被支承框組件的支承。另外，鄰接支承框組件的歧管和鄰接被支承框組件的歧管適于相互密封地接合。
文檔編號H01M8/02GK1615556SQ02805816
公開日2005年5月11日 申請日期2002年2月26日 優先權日2001年3月1日
發明者達納·A·凱利, 理查德·P·海斯 申請人:燃料電池能有限公司