專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池。更具體地，本發(fā)明涉及在由包括多個(gè)堆疊體的 燃料電池在發(fā)電過程中的控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
對(duì)于由多個(gè)電池堆疊威層所組成的燃料電池堆疊體(燃料電池組)(在 本說明書中，簡(jiǎn)稱為"堆疊體，，)，存在一種趨勢(shì)，尤其在啟動(dòng)過程中， 即電池越靠近堆疊體的端部，溫度的升高越延遲。在這類情況中，由于缺 氧狀態(tài)在該部位發(fā)生等，因此存在堆疊體輸出整體上將降低的擔(dān)憂。為了 避免以這種方式減少輸出的情況，已經(jīng)提出了一種技術(shù)，其中，例如，在 啟動(dòng)等過程中，斷開位于端部的電池，并且以剩余電池進(jìn)行發(fā)電(例如，
參見日本專利申請(qǐng)公開2005-183047 )。
然而，如果提供多個(gè)這樣的堆疊體，為了將堆疊體的端部電池電連接 在一起，采用通過堆疊體的端部電池流通電流的方法，因此不能照原樣以 該結(jié)構(gòu)整體上消除堆疊體的輸出的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池，即使該燃料電池由多個(gè)連接的 堆疊體組成，該燃料電池也能夠通過在啟動(dòng)等過程中抑制燃料電池輸出的 降低而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。
本發(fā)明人進(jìn)行了各種調(diào)查，并且得到了無論堆疊體的狀態(tài)如何可用于 有效地抑制輸出的降低的技術(shù)知識(shí)。本發(fā)明的一方面為燃料電池，該燃料電池包括多個(gè)堆疊體，其中多 個(gè)使反應(yīng)氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電力的電池堆疊成層；以及導(dǎo)電元件， 其將所述堆疊體的端部電連接在一起使得該堆疊體構(gòu)成串聯(lián)電路；而且包 括第一繼電器，其將不是在堆疊體的端部的電池與另一堆疊體的電池電連 接在一起。
根據(jù)本發(fā)明的該方面， 一方面，當(dāng)輸出不降低時(shí)，堆疊體中的任一電 池沒有被排除，并且可以實(shí)現(xiàn)在所有電池均連接入串聯(lián)電路中的情況下產(chǎn) 生電力；但另一方面，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出已經(jīng)降低時(shí)，通過閉合第一繼電器可以 建立起將不是在一個(gè)堆疊體的端部的電池(以下稱為內(nèi)部電池)與另一堆 疊體的內(nèi)部電池連接在一起的狀態(tài)。因?yàn)?，?dāng)一個(gè)堆疊體的內(nèi)部電池與另
一堆疊體的內(nèi)部電池已經(jīng)如此連接在一起時(shí)，可能實(shí)現(xiàn)在排除，換句話說 是斷開(切斷)輸出已經(jīng)降低的電池的狀態(tài)下產(chǎn)生電力，這些電池位于比 那些連接起來的電池更靠近端部的位置，因此可以確保整體上堆疊體的輸出。
第一繼電器可以形成將電池電壓變得小于或等于預(yù)定值的那些電池從 燃料電池串聯(lián)電路斷開的旁路。如上所述閉合的第一繼電器可以形成在一 個(gè)堆疊體的內(nèi)部電池與另 一個(gè)堆疊體的內(nèi)部電池之間基本上沒有電阻的旁 路。當(dāng)形成這類旁路時(shí)，可以斷開位于比那些已經(jīng)連接起來的電池更靠近 堆疊體的端部位置的電池，以使得建立起這些電池不參與發(fā)電的狀態(tài)。
而且，可將多個(gè)這些第一繼電器并聯(lián)設(shè)置，以使得能夠改變從串聯(lián)電 路斷開的電池?cái)?shù)目。因?yàn)?，?dāng)閉合這多個(gè)并聯(lián)設(shè)置的繼電器中的更位于靠 近堆疊體中心的一個(gè)時(shí)，可以建立起更多電池^L斷開并且不參與發(fā)電的狀 態(tài)，因此，例如存在有利的方面，即，可以響應(yīng)于較大數(shù)目的電池的輸出 降低的情況。而且還存在有利的方面，即在多個(gè)電池的輸出依次恢復(fù)的情 況下，可以通過改變閉合的繼電器而依次將旁路改變，從而僅斷開那些輸 出還未恢復(fù)的電池。
導(dǎo)電元件可以構(gòu)成第二繼電器，其與第一繼電器分開設(shè)置。因?yàn)樵谶@ 種情況中，正如采用第一繼電器，可以用導(dǎo)電元件開啟和閉合電路，因此可以根據(jù)每個(gè)電池發(fā)電的狀態(tài)，或根據(jù)燃料電池的輸出改變第二繼電器， 并且因此使得堆疊體的每個(gè)端部導(dǎo)電，或斷開堆疊體的每個(gè)端部。
可以在啟動(dòng)過程中設(shè)置成斷開第二繼電器并連接第一繼電器。正常地 是，在啟動(dòng)過程中，電池的溫度未達(dá)到足夠高的溫度值，并且因?yàn)榇送膺€ 存在越靠近其堆疊體端部，電池的溫度升高越受到延遲的趨勢(shì)。如本發(fā)明 的該方面中在啟動(dòng)過程中通過閉合第一繼電器中預(yù)定的一個(gè)并且因此進(jìn)行 連接，可以通過以此方式斷開處于低溫狀態(tài)的電池而確保整體上堆疊體適 當(dāng)?shù)妮敵?。因此，可以?shí)現(xiàn)穩(wěn)定的啟動(dòng)。
還可以當(dāng)電池電壓已經(jīng)恢復(fù)至預(yù)定值時(shí)，設(shè)置成斷開第一繼電器，并 且連接第二繼電器。因?yàn)?，?dāng)?shù)谝焕^電器如此開啟并且斷開時(shí)，就建立起 一種情況，可以說，其中，已經(jīng)恢復(fù)的電池已經(jīng)返回電路，因此可以進(jìn)行 正常的運(yùn)行，即，在正常情況下運(yùn)行。
而且，在沿著與所述電池堆疊方向垂直的方向?qū)⑺龆鄠€(gè)堆疊體排列 成一排的同時(shí)，堆疊體中的正電極與負(fù)電極可交替地反向相對(duì)配置。如果，
如本發(fā)明的該方面中的，多個(gè)堆疊體成行(row)排列，而且，布置堆疊體中 的正電極與負(fù)電極，以使得沿相反方向交替定位，則可以將堆疊體之間進(jìn) 行連接的連接點(diǎn)布置在位于相鄰的位置，以使得緊湊的電路結(jié)構(gòu)成為可能。 根據(jù)本發(fā)明的該方面，即使在多個(gè)堆疊體形成連接結(jié)構(gòu)的情況下，也 可以通過抑制啟動(dòng)時(shí)輸出的降低，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。


參考附圖，從以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說明中，本申請(qǐng)的上述與進(jìn)一步的 目標(biāo)，特征以及優(yōu)勢(shì)將變得顯而易見，其中，相同的數(shù)字用于表示相同的 元件，其中
圖1為示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池結(jié)構(gòu)的圖2為示出構(gòu)成燃料電池的一個(gè)堆疊體的結(jié)構(gòu)的示例的透視圖；以及
圖3為示出了分解圖2中所示的燃料電池的單個(gè)電池的分解透視圖。
具體實(shí)施例方式
以下，將基于附圖所示的示例性實(shí)施例詳細(xì)"^兌明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。
圖1至圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的實(shí)施例。該實(shí)施例的燃料 電池1為包括多個(gè)燃料電池堆疊體3 (在本說明書中，簡(jiǎn)稱為"堆疊體") 的燃料電池。其結(jié)構(gòu)為，這些堆疊體3通過將堆疊體3的端部一個(gè)接一個(gè) 地電連接在一起，串聯(lián)連接成電路。而且，為該燃料電池l提供了用于將 一個(gè)堆疊體3的內(nèi)部電池2 (interior cells )與另一個(gè)堆疊體3的內(nèi)部電池 2連接在一起的繼電器4。
在該實(shí)施例的以下說明中，首先，將說明構(gòu)成燃料電池1的一個(gè)堆疊 體3的示意性結(jié)構(gòu)，并且隨后將說明由多個(gè)這些堆疊體3 (例如，兩個(gè)) 構(gòu)成的燃料電池l。
在圖2和3中，示出了該實(shí)施例的燃料電池l的示意性結(jié)構(gòu)。圖2示 出了通過將電池2層疊在一起而構(gòu)成的堆疊體3，以及圖3示出了這些電 池2中的一個(gè)。應(yīng)該知道的是，盡管由堆疊體3如此構(gòu)成的該燃料電池1 為可以用作例如燃料電池車輛(FCHV:燃料電池混合動(dòng)力車輛)的車載發(fā) 電系統(tǒng)，對(duì)其適用性沒有限制；其還可以用作安裝在各種類型的移動(dòng)設(shè)備 (例如船或飛機(jī)等)或機(jī)器人等能夠自驅(qū)動(dòng)的設(shè)備上的發(fā)電系統(tǒng)，或作為 固定的燃料電池。
燃料電池1包括堆疊體3，其中多個(gè)電池2堆疊成層，并且它們具有 這樣的結(jié)構(gòu)，在位于每個(gè)堆疊體3的兩端的各個(gè)電池2的外側(cè)順序布置附 帶有輸出端5的集電板6，絕緣板7，以及端板8。而且，燃料電池l保持 一種狀態(tài)，其中通過例如壓板(圖中未示出)沿電池2的堆疊方向施加預(yù) 定的壓力，該壓板設(shè)置成在兩個(gè)端板8， 8之間建立橋接(架橋)，該壓板通 過螺栓等固定至端板8， 8。
而且，為了監(jiān)測(cè)與控制燃料電池l的運(yùn)行狀態(tài)，為堆疊體3設(shè)置電池 監(jiān)控器(圖中未示出)，用于測(cè)量電池2的電壓?；谠撾妷簻y(cè)量結(jié)果，進(jìn)行對(duì)燃料電池l的輸出等的控制。應(yīng)該知道的是，雖然通過圖2中的示 例示出了附有輸出端5的兩個(gè)集電板6，進(jìn)一步，為了通過這類電池監(jiān)控 器進(jìn)行電壓監(jiān)控，也可以將其他輸出端(以及集電板)預(yù)先設(shè)置在沿電池 堆疊方向的預(yù)定的多個(gè)位置上，也可以布置得在監(jiān)控電池電壓的同時(shí)在這 些其他輸出端之間對(duì)調(diào)位置。
電池2包括膜電極組件ll (以下稱為"MEA，，-膜電極組件)，以及 一對(duì)隔板12a, 12b，它們將MEA11夾在中間(參見圖3) 。 MEA 11與 隔板12a， 12b以大致矩形板形狀成型。而且，形成MEAll,以使得其外 形略小于隔板12a， 12b的外形。而且，MEAll與隔板12a， 12b由成型 樹脂隨同第一密封元件13a, 13b成型，第一密封元件13a， 13b位于MEA 11與隔板12a, 12b的周邊部分之間。
MEA11由電解質(zhì)膜21以及一對(duì)電極22a, 22b (陰極與陽極)組成， 其中，電解質(zhì)膜21由構(gòu)成離子交換層的高分子材料構(gòu)成，電極22a， 22b 將電解質(zhì)膜21在其兩個(gè)表面上夾在中間，其中，形成電解質(zhì)膜21，以使 得略微大于電極22a， 22b。例如通過熱壓方法將電極22a， 22b連接至該 電解質(zhì)膜21,使其周邊部分24保留突出。
構(gòu)成MEA 11的電極22a， 22b例如由多孔碳材料(擴(kuò)散層)制成， 其承載粘著于其表面的例如鉑等的催化劑。將例如空氣的氧化氣體或氧化 劑等提供給這些電極中的一個(gè)電極22a (陰極)，同時(shí)將氫氣作為燃料氣 體提供給這些電極中的另一電極22b (陽極)；并且，由于這些類型的氣 體，在MEAll中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，以使得從電池2獲得電動(dòng)勢(shì)。
隔板12a， 12b由不透氣的導(dǎo)電材料制成。作為這種導(dǎo)電材料，除了碳 或?qū)щ姷挠矘渲?，可以列舉例如鋁或不銹鋼等的材料。該實(shí)施例的隔板 12a, 12b的基體材料由金屬板構(gòu)成，并且在該基體材料的電極側(cè)面上形成 具有優(yōu)異抗腐蝕能力的層(例如由鍍金制成的表面層)。
而且，在隔板12a， 12b的兩個(gè)表面上，均形成槽狀流道，其由多個(gè)凹 部組成。在例如基體材料是由金屬板構(gòu)成的該實(shí)施例的隔板12a， 12b的情 況下，這些流道可以通過壓制成形而形成。如此形成的槽狀流道構(gòu)成氧化氣體的氣體流道31a,氫氣的氣體流道31b，或冷卻水流道32?，F(xiàn)對(duì)其以 更具體的術(shù)語進(jìn)行說明，在將成為電極22a的一側(cè)的隔板12a的內(nèi)部表面 上，形成多個(gè)為直線形狀的氧化氣體的氣體流道31a,并且在其后表面(其 外側(cè)的表面)，形成多個(gè)為直線形狀的冷卻水流道32 (參見圖3)。以相 同的方式，在將成為電極22b的一側(cè)的隔板12b的內(nèi)部表面上，形成多個(gè) 為直線形狀的氫氣的氣體流道31b，并且在其后表面(其外側(cè)的表面)， 以同樣的方式，形成多個(gè)為直線形狀的冷卻水流道32 (參見圖3)。例如， 在該實(shí)施例的情況下，形成電池2的這些氣體流道31a與氣體流道31b, 以使得其相互平行。而且，在該實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)為，對(duì)于相鄰的兩個(gè)電 池2, 2，當(dāng)一個(gè)電池2中的隔板12a的外表面以及與"M目鄰的電池2的隔 板12b結(jié)合到一起時(shí)，它們的冷卻水流道32成為一體，并且形成例如具有 矩形橫截面的流道。應(yīng)該知道的是，布置成由成型樹脂成型相鄰電池2， 2 的隔板12a與隔板12b之間的周邊部分。而且，應(yīng)該知道的是，雖然，在 以上的說明中，將直線形狀的導(dǎo)管作為一個(gè)示例說明，但也可以以迂回 (serpentine)形狀構(gòu)成這些氣體流道等。
而且，在隔板12a, 12b的端部的附近(在該實(shí)施例的情況下，沿縱向 靠近隔板端部的隔板部分)，形成氧化氣體的入口側(cè)歧管41,氫氣的入口 側(cè)歧管42，以及冷卻水的入口側(cè)歧管43。例如，在該實(shí)施例的情況下，這 些歧管41， 42, 43形成為設(shè)置在隔板12a， 12b中的大致矩形的通孔(參 見圖3)。而且，在隔板12a， 12b的相對(duì)側(cè)的端部，形成氧化氣體的出口 側(cè)歧管51,氫氣的出口側(cè)歧管52,以及冷卻水的出口側(cè)歧管53。在該實(shí) 施例的情況下，這些歧管51， 52， 53也形成為大致矩形的通孔(參見圖3)。
在上述這些歧管中，隔板12a中的用于氧化氣體的歧管41與歧管51， 分別經(jīng)由在隔板12a中形成槽狀的入口側(cè)連通通道61與出口側(cè)連通通道 62，與氧化氣體的氣體流道31a相連通(參見圖3)。以相同的方式，隔 板12b中的氫氣的歧管42與歧管52分別經(jīng)由入口側(cè)連通通道63與出口側(cè) 連通通道64與氫氣的氣體流道31b相連通，該連通通道63, 64在隔板12b 中形成槽狀(參見圖3)。而且，隔板12a， 12b中的冷卻水的歧管43與歧管53分別經(jīng)由入口側(cè)連通通道65與出口側(cè)連通流道66與冷卻水流道 32相連通，該連通通道65， 66在隔板12a， 12b中形成槽狀。采用以上^兌 明的隔板12a， 12b的結(jié)構(gòu)，使得將氧化氣體，氫氣，以及冷卻7jC提供至電 池2成為可能。為了列舉這種具體的示例，例如，氧化氣體從隔板12a的 歧管41穿過連通通道61而流入氣體流道31a，并且，在用于通過MEA 11 的發(fā)電后，穿過連通通道62而流出到歧管51中。
第一密封元件13a， 13b為均以相同框架形狀形成的元件(參見圖3)。 其中，第一密封元件13a為設(shè)置在MEAll與隔板12a之間的元件；更具 體地，設(shè)置13a，以使得其插入到電解質(zhì)膜21的周圍邊緣部分24與隔板 12a上的氣體流道31a的周圍的部分之間。而且，另一第一密封元件13b 為設(shè)置在MEA 11與隔板12b之間的元件；更具體地，設(shè)置13b，以使得 其插入到電解質(zhì)膜21的周圍邊緣部分24與隔板12b上的氣體流道31b的 周圍的部分之間。
而且，在相鄰的電池2， 2的兩個(gè)隔板12a, 12b之間，設(shè)置了框架形 狀的第二密封元件13c (參見圖3)。第二密封元件13c為這樣一種元件， 其設(shè)置成插入到隔板12a的冷卻水流道32的周圍的部分與隔板12b的冷卻 水流道32的周圍的部分之間，以在它們之間密封。在這方面，在該實(shí)施例 的電池2中，在隔板12a， 12b中用于液流的各種通道31a， 31b， 32， 41 至43, 51至53，以及61至66中，各種用于液流的歧管，即，入口側(cè)歧 管41至43以及出口側(cè)歧管51至53，構(gòu)成位于第一密封元件13a， 13b與 第二密封元件13c的外側(cè)上的通道(參見圖3 )。
接下來，將對(duì)通過將兩個(gè)上述類型的堆疊體3連接在一起而構(gòu)建的該 實(shí)施例的燃料電池1進(jìn)行說明(參見圖1)。
如圖l所示，以兩個(gè)堆疊體3沿與電池堆疊方向垂直的方向的排列構(gòu) 建該實(shí)施例的燃料電池；換句話說，具有這種結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)堆疊體3， 可以說，排列成水平行。在這方面，此處所示的堆疊體3的布置僅是合適 的布置中的一個(gè)示例，并且，當(dāng)然，其還可以使用一些其他形式；但是， 如果將它們布置成如該實(shí)施例中的水平并列，那么就會(huì)存在使燃料電池1變得更緊湊成為可能的有利方面。
如此以水平行布置的兩個(gè)堆疊體3具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中它們各自的 端部，更具體地，在它們一端部的輸出端5 (然而，這些在圖1中省略了) 通過例如導(dǎo)電板等連接在一起而電連接在一起。而且，在與該導(dǎo)電元件9 相對(duì)置的一側(cè)的端部處，設(shè)置各個(gè)輸出端，并從而整體上限定出用于該燃 料電池1的輸出部分10。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，作為從一個(gè)堆疊體的輸出部分10 至另一堆疊體的輸出部分IO,以曲柄形狀連接的結(jié)果，電氣地構(gòu)成串聯(lián)電 路(參見圖1)。
而且，對(duì)該燃料電池1設(shè)置繼電器4。該繼電器4為用于將一個(gè)堆疊 體的內(nèi)部電池2連接至另一堆疊體的內(nèi)部電池2的裝置，并且該繼電器4 為這樣一種裝置，通過將其閉合，產(chǎn)生旁路，以使得將電池電壓值變得低 于或等于預(yù)定值的電池2從該燃料電池1的串聯(lián)電路斷開。當(dāng)如此閉合繼 電器4并且產(chǎn)生旁路時(shí)，可以將比通過該旁路連接的電池更靠近堆疊體端 部的電池?cái)嚅_，以使得建立起這些電池不參與發(fā)電的狀態(tài)。
還可以將該類繼電器4以適合燃料電池1的輸出降低現(xiàn)象的數(shù)目布置。 換句話說，因?yàn)椋趩?dòng)等過程中，延遲了更加靠近堆疊體3的端部的電 池2的溫度升高，并且發(fā)生電壓降低，因此可以通過有效地將存在這樣發(fā) 生電壓降低擔(dān)憂的電池2斷開而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的運(yùn)行。在該實(shí)施例中，該點(diǎn) 為，例如^L置兩個(gè)繼電器4 (在圖1中，從堆疊體中心的一個(gè)開始依次以 4a， 4b表示)以使得其與導(dǎo)電元件9并聯(lián)，并且其布置得可以從閉合這些 繼電器4a， 4b中的一個(gè)的狀態(tài)或?qū)蓚€(gè)繼電器一起打開的狀態(tài)中選擇(參 見圖1)。
而且，如果^:置繼電器4，該繼電器可以選擇性地以該方式產(chǎn)生旁路，
那么還可以賦予每個(gè)輸出部分10相同的功能。換句話說，因?yàn)槎询B體3 的電池電壓降低示出了幾乎相同的在堆疊體3的兩個(gè)端部的對(duì)稱變化，因 此可以以相同的方式在兩個(gè)端部進(jìn)行電池2的斷開。例如，在該實(shí)施例中， 對(duì)輸出部分IO設(shè)置多個(gè)(例如，三個(gè)，總共六個(gè))并聯(lián)的繼電器14， 15 (在圖1中，這些分別由14a至14c以及15a至15c表示)，并且其布置得可以對(duì)應(yīng)于輸出狀態(tài)從并聯(lián)形成的多個(gè)(在該情況中有三個(gè))電流路徑 中選擇最優(yōu)的。
應(yīng)該知道的是，在該情況中，其中設(shè)置繼電器14c (15c)的電流路徑 為在正常的發(fā)電過程中使用的電流路徑，這些電流路徑連接至堆疊體3的 端部(例如連接至堆疊體的輸出端)。雖然繼電器14a(15a)與14b(15b) 的布置不特別地受到限制，因?yàn)椋缟纤?，在電池電壓降低過程中，對(duì) 稱變化發(fā)生在堆疊體3的兩端，還可以將這些繼電器14a， 14b(15a， 15b ) 與用于產(chǎn)生上述旁路的繼電器4a， 4b對(duì)稱布置。通過這樣做，當(dāng)電池電壓 降低時(shí)，可以在兩個(gè)端部中的每一端處依次斷開相同數(shù)目(相同數(shù)量)的 電池2，并且可以在已經(jīng)斷開的電池2的每一端處返回相同數(shù)目(相同數(shù) 量)。在該實(shí)施例中，將繼電器14a (15a)與繼電器4a對(duì)稱布置，并且 將繼電器14b (15b)與繼電器4b對(duì)稱布置(參見圖1)。
在該類燃料電池l的情況中， 一旦輸出降低，可以進(jìn)行以下或?qū)?yīng)處 理。在圖1中，示出了一個(gè)示例，雖然其可能不同于實(shí)際發(fā)生的，但其易 于理解。例如考慮圖1中的上部堆疊體3，在例如當(dāng)從連接繼電器14c的 端部至連接繼電器14a的部分的區(qū)域中的電池電壓，以及從連接導(dǎo)電元件 9的端部至連接繼電器4b的部分的區(qū)域中的電池電壓降低，并且降到預(yù)定 值之下時(shí)的情況中，建立起同時(shí)閉合繼電器4b與繼電器14a的狀態(tài)(參見 圖1)。當(dāng)已經(jīng)做了這些時(shí)，因?yàn)榻⑵疬@樣的狀態(tài)，其中將電池電壓降 低至預(yù)定值之下的在堆疊體的兩個(gè)端部附近的電池2從用于產(chǎn)生電壓的部 分?jǐn)嚅_，因此即使發(fā)生該類輸出的降低也可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的運(yùn)行。
而且，例如考慮圖1中的下側(cè)堆疊體3，在例如當(dāng)從連接繼電器15c 的端部至連接繼電器15b的部分的區(qū)域中的電池電壓，以及從連接導(dǎo)電元 件9的端部至連接繼電器4b的部分的區(qū)域中的電池電壓降低，并且降到預(yù) 定值之下時(shí)的情況中，建立起同時(shí)閉合繼電器4b與繼電器15b的狀態(tài)(參 見圖1)。當(dāng)已經(jīng)做了這些時(shí)，建立起這樣的狀態(tài)，其中以與上勤目同的 方式，將電池電壓降低至預(yù)定值之下的在堆疊體的兩個(gè)端部附近的電池2 從用于產(chǎn)生電壓的部分?jǐn)嚅_。應(yīng)該知道的是，在上述示例的情況中的電流路徑變成圖1中的下側(cè) 輸出端10 —繼電器15b—電壓大于或等于預(yù)定值的下側(cè)堆疊體的內(nèi)部電池 2中的那些—繼電器4b—電壓大于或等于預(yù)定值的上側(cè)堆疊體3的內(nèi)部電 池2中的那些—繼電器14a —上側(cè)輸出部分IO。換句話說，在該時(shí)刻，從 繼電器15b的連接部分至繼電器14b的連接部分，以及從繼電器4b的連 接部分至繼電器14a的連接部分的電池作為用于實(shí)際發(fā)電的電池使用。
而且，當(dāng)在上述狀態(tài)中繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，隨著時(shí)間流逝，可以說電池電壓 恢復(fù)，從而上升到預(yù)定值。當(dāng)遠(yuǎn)離中心電池的電池2逐漸如此恢復(fù)時(shí)，系 統(tǒng)從將恢復(fù)的這些電池2被斷開的狀態(tài)返回至將恢復(fù)的這些電池2返回至 最初電路，并且可以將電池返回至它們用于發(fā)電的狀態(tài)。作為示例，在緊 接啟動(dòng)后的時(shí)間點(diǎn)，例如，閉合繼電器4a，并且系統(tǒng)與電池電壓的恢復(fù)狀 態(tài)一致地切換至繼電器4b (換句話說，將繼電器4a置于開啟狀態(tài)，繼電 器4b置于閉合狀態(tài))，并且，當(dāng)繼續(xù)進(jìn)一步恢復(fù)時(shí)，最終繼電器4b開啟， 并且可以建立起其中系統(tǒng)切換至導(dǎo)電元件9的正常發(fā)電的狀態(tài)；換句話說， 可以依次切換至其中使用全部電池2進(jìn)行發(fā)電的狀態(tài)。
如以上il明的，具有上述結(jié)構(gòu)的該實(shí)施例中的燃料電池1， 一方面， 如果不存在輸出降低，就沒有堆疊體3中的電池2被排除，并且布置得在 其中電池全部串聯(lián)連接入電路的狀態(tài)中進(jìn)行發(fā)電；但是，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸出降低 時(shí)，可以建立起這種狀態(tài)，其中通過閉合繼電器4 (以及14， 15)將一個(gè) 堆疊體3的內(nèi)部電池2與另一堆疊體3的內(nèi)部電池2通過旁路進(jìn)行連接。 當(dāng)通過旁路如此連接沿電路的中間部分(途中)時(shí)，可以在這樣的狀態(tài)中 進(jìn)行發(fā)電，其中，已經(jīng)斷開了比相互連接的電池2更靠近端部的電池2; 或者，采用不同的語言對(duì)此進(jìn)行表述，可以停止通過端部附近的電池2發(fā) 電。如果溫度未升到足夠高的電池2保持原樣，那么不久之后將發(fā)生冷凝， 并且由于該冷凝水阻礙了燃料的供給，因此存在誘發(fā)電壓降低的擔(dān)憂。然 而，根據(jù)該實(shí)施例中的燃料電池，其中可以僅將預(yù)定的幾個(gè)電池2斷開預(yù) 定的時(shí)間周期，所以可以抑制由于這類原因的輸出的降低，從而使得可以 實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)該知道的是，雖然上述實(shí)施例是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)合適地示例，但 并不將其作為本發(fā)明的限制；假若不脫離本發(fā)明的主旨，可以實(shí)現(xiàn)各種變形。例如，盡管在上述實(shí)施例中，根據(jù)其中提供多個(gè)(2或3)繼電器4(14, 15)的這種情況提供說明，這僅是一個(gè)示例；不用說，如果提供比這個(gè)數(shù) 目更多的繼電器，可以在更多細(xì)孩i限定的部分或區(qū)域一個(gè)接一個(gè)地?cái)嚅_電 池2。如果這樣做了，可以使得系統(tǒng)更敏感地響應(yīng)于溫度狀況或發(fā)電狀況。 雖然，在這種情況下，存在各種模式或形式，這些模式或形式應(yīng)以根據(jù)燃 料電池l的規(guī)格或輸出的具體形式而實(shí)現(xiàn)，列舉一個(gè)具體示例，如果布置 得為以相同的間隔，每?jī)蓚€(gè)或三個(gè)堆疊體設(shè)置繼電器4 (14， 15)，則可 以每次兩個(gè)或三個(gè)斷開這些電池2,并且可重新連接它們，將它們恢復(fù)工 作，從而良好的切換變成可能，同時(shí)防止了繼電器的數(shù)目變得過大。而且， 可以不必將距離堆疊體端部的距離(堆疊體中的數(shù)字)相同的電池2連接 在一起；或者可以根據(jù)堆疊體3的狀態(tài)，將一個(gè)堆疊體3的端部與不在另 一個(gè)堆疊體3的端部的電池2連接在一起；或者可以在那些距離端部距離 (堆疊體中的數(shù)字)不同的電池2之間進(jìn)行連接。而且，雖然在該說明書中使用表述"繼電器(4， 14， 15)，，，該表述 "繼電器"可以說用于廣義；例如，它還包括用于進(jìn)行切換的開關(guān)。重要 的在于，在該說明書中，能夠以各種類型的裝置作為繼電器使用，其可以 在電流路徑沿著中途斷開的狀態(tài)與被導(dǎo)通的狀態(tài)之間根據(jù)需要而改變。而且，雖然，在該實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)是通過導(dǎo)電元件9 (例如，如導(dǎo)電 板的元件)將兩個(gè)堆疊體3的端部連接在一起，可以替代這種的是，應(yīng)該 可以利用這樣的結(jié)構(gòu)，即通過使用第一繼電器4作為替代元件(第二繼電 器)將它們連接在一起，其中第一繼電器也用在其他位置。在這種情況下， 當(dāng)例如同時(shí)開啟上述的繼電器4a與4b時(shí)，通過閉合該替代的繼電器(第 二繼電器)而形成電流路徑。而且，雖然，在該實(shí)施例中，根據(jù)這樣一種系統(tǒng)進(jìn)行了說明，在該系 統(tǒng)中，當(dāng)一部分的電池電壓低于或等于預(yù)定值時(shí)，應(yīng)用本發(fā)明，作為更加 具體的應(yīng)用方案，還可以將本發(fā)明應(yīng)用于這種情況中，其中例如，在燃料電池l的啟動(dòng)過程中，僅繼電器4閉合。例如，在燃料電池l的啟動(dòng)過程 中，通常電池2的溫度達(dá)不到足夠水平，而且，具有電池2越靠近堆疊體 的端部則其溫度升高越被延遲的趨勢(shì)。如果本發(fā)明應(yīng)用于該類型的方案， 則其可以以該方式斷開處于溫度較^f氐的狀態(tài)中的電池2而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、定的啟動(dòng)。而且，如果如上所述的導(dǎo)電元件9構(gòu)建成第二繼電器，在燃料電池1 的啟動(dòng)過程中，可以建立起這樣一種連接狀態(tài)，其中，開啟并斷開該第二 繼電器，閉合并連接上述繼電器(第一繼電器)4。在該類型情況下，在啟 動(dòng)過程中將靠近堆疊體3端部定位的電池2斷開，因此容易確保整體上堆 疊體的輸出。而且，當(dāng)電池電壓恢復(fù)至預(yù)定值時(shí)，通過依次斷開第一繼電 器4，并且通過最終建立起連接第二繼電器的狀態(tài)，可以進(jìn)入切換至正常 發(fā)電狀態(tài)，換句話說，進(jìn)入在使用全部電池2的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電的狀態(tài)。而 且，如果以該方式在開啟第二繼電器(導(dǎo)電元件)的狀態(tài)中實(shí)現(xiàn)燃料電池 的運(yùn)行，則因?yàn)榭梢越⑵疬@樣的狀態(tài)，其中，靠近堆疊體3的端部定位 的電池2 (輸出降低的電池)從其他電池2電氣地?cái)嚅_，因此，還存在有 利的方面，即可以等待靠近堆疊體端部的電池2的恢復(fù)，同時(shí)保持效率良 好的發(fā)電狀態(tài)。另一方面，例如，在燃料電池l的啟動(dòng)過程中，可以在閉合以上類型 的第二繼電器(導(dǎo)電元件)的狀態(tài)下保持該狀態(tài)地進(jìn)行。在該類型的情況 下，盡管電力的生成效率變得低于第二繼電器處于開啟狀態(tài)中的狀態(tài)時(shí)， 但溫度上升的速度變得快于第二繼電器不導(dǎo)電的情況，這是因?yàn)榭梢詫⒖?近堆疊體3端部的電池2 (輸出降低的電池)置入發(fā)電的狀態(tài)。因此，存 在有利的方面，即通過升高這些輸出降低的電池2的溫度，更加迅速地實(shí) 現(xiàn)正常的發(fā)電狀態(tài)。該情況還與例如使用導(dǎo)電板的上述實(shí)施例中的導(dǎo)電元 件9的情況相同，。而且，可以^^用加熱器(加熱裝置)用于升高堆疊體3端部的電池2 (輸出降低的電池)的溫度。如果布置得使用該類型的外部加熱器加熱堆 疊體3端部的電池2 (輸出降低的電池)，存在有利的方面，即由于從啟動(dòng)燃料電池l開始，溫度升高的速度變快，可以更加迅速地實(shí)現(xiàn)正常發(fā)電 狀態(tài)。而且，在該情況中，因?yàn)榧词乖谌缜八鲩_啟第二繼電器(導(dǎo)電元 件)的狀態(tài)中繼續(xù)發(fā)電，這不需要伴隨溫度升高時(shí)間的很長(zhǎng)延遲，因此， 還有有利的方面，即可能在迅速實(shí)現(xiàn)(返回)正常發(fā)電狀態(tài)與保持效率良 好的發(fā)電狀態(tài)之間的兼容性。而且，雖然，在該實(shí)施例中，通過具有這樣結(jié)構(gòu)(參見圖1)的示例示出了燃料電池l，在該結(jié)構(gòu)中，可以說，兩個(gè)堆疊體3以水平行布置， 這也僅中通過示例列舉，堆疊體3的數(shù)量并不限于例子中的兩個(gè)，并且這 些堆疊體3的布置也不限于例子中的它們以水平行布置。重要的在于，燃 料電池由多個(gè)堆疊體3組成；并且，應(yīng)該知道的是，可以將本發(fā)明應(yīng)用于 燃料電池l具有這種結(jié)構(gòu)的任意情況中，在該結(jié)構(gòu)中，多個(gè)堆疊體3通過 電連接它們的端部而串連連接在電路中。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池，包括多個(gè)堆疊體，其中多個(gè)使反應(yīng)氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電力的電池 堆疊成層；以及導(dǎo)電元件，其將所述堆疊體的端部電連接在一起使得所述堆疊體構(gòu)成 串聯(lián)電路；其特征在于，包括第一繼電器，其將不是在堆疊體的端部的電池與 另 一堆疊體的電池電連接在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 所述第一繼電器構(gòu)成將位于所述堆疊體的端部的電池從該燃料電池的串聯(lián)電路斷開的旁路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其特征在于， 所述第一繼電器構(gòu)成將電池電壓值低于或等于預(yù)定值的電池從該燃料電池的串聯(lián)電路斷開的旁路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池，其特征在于， 多個(gè)所述第一繼電器并聯(lián)布置，使得能夠改變從所述串聯(lián)電路斷開的電池的數(shù)量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其特征在于， 所述導(dǎo)電元件包括與所述第 一繼電器分開設(shè)置的第二繼電器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池，其特征在于， 在燃料電池啟動(dòng)期間，斷開所述第二繼電器，連接所述第一繼電器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的燃料電池，其特征在于， 當(dāng)所述電池電壓恢復(fù)到預(yù)定值時(shí)，斷開所述第一繼電器，連接所述第二繼電器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其特征在于， 在沿著與所述電池堆疊方向垂直的方向?qū)⑺龆鄠€(gè)堆疊體排列成一排的同時(shí)，所述堆疊體的正電極與負(fù)電極交替地反向相對(duì)配置。
9. 一種燃料電池，包括多個(gè)堆疊體，其中多個(gè)橫義應(yīng)氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電力的電池堆疊成層；導(dǎo)電元件，其將所述堆疊體的端部電連接在一起使得所述堆疊體構(gòu)成 串聯(lián)電路；以及第一繼電器，其將不是在堆疊體的端部的電池與另一堆疊體的電池電 連接在一起。
全文摘要
一種燃料電池，包括多個(gè)堆疊體(3)和導(dǎo)電元件(9)中，在多個(gè)堆疊體(3)中，多個(gè)使反應(yīng)氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電力的電池(2)堆疊成層；導(dǎo)電元件(9)將堆疊體(3)的端部電連接在一起使得堆疊體(3)構(gòu)成串聯(lián)電路，該燃料電池還設(shè)置了第一繼電器(4)，其將不是在堆疊體(3)的端部的一些電池(2)與另一堆疊體(3)的電池(2)電連接在一起。該第一繼電器(4)可以構(gòu)成將電池電壓值低于或等于預(yù)定值的電池(2)從該燃料電池的串聯(lián)電路斷開的旁路。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101313430SQ200680043262
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者藤田信雄 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社