專利名稱：具有改進的冷卻結(jié)構(gòu)的燃料電池堆體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，特別涉及一種具有改進的冷卻結(jié)構(gòu)的堆體和具有該堆體的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池是一種產(chǎn)生電力的系統(tǒng)，通過空氣中的氧與碳?xì)浠衔锶剂侠缂状肌⒁掖蓟蛱烊粴庵邪臍浒l(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，直接把化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化為電能。
最近開發(fā)出的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)具有優(yōu)異的輸出特性、低工作溫度和快速啟動和反應(yīng)特性。一個基本的PEMFC包括一個堆體、一個燃料箱和一個將燃料從燃料箱供應(yīng)到堆體的燃料泵。堆體是燃料電池的主體。PEMFC可以進一步包括一個重整器，用于重整碳?xì)浠衔锶剂弦援a(chǎn)生供應(yīng)給堆體的氫。
在PEMFC工作時，儲存在燃料箱中的燃料被燃料泵供應(yīng)給重整器。重整器重整燃料并產(chǎn)生氫。堆體通過氫與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。作為此過程的副產(chǎn)品，熱也產(chǎn)生了。
在上述燃料電池系統(tǒng)中，產(chǎn)生電能的堆體是由幾個到幾十個單元電池組成的，每一個都具有一個膜電極組件(MEA)和一個隔板。該領(lǐng)域中也將隔板稱為雙極板。
MEA具有附配在電解質(zhì)膜的兩個表面上的一個陽極和一個陰極。隔板作為通路，通過其將燃料電池反應(yīng)所用的氫和氧供應(yīng)給電解質(zhì)膜上的陽極和陰極。此外，隔板還作為導(dǎo)體，串聯(lián)連接MEA的陽極和陰極。
通過隔板，含氫燃料被供應(yīng)到陽極，且氧或含氧空氣被供應(yīng)到陰極。在此過程中，在陽極發(fā)生燃料的電化學(xué)氧化，且在陰極發(fā)生氧氣的電化學(xué)還原，引起電子的流動。從該電子流中可以獲得電、熱和水。
堆體必須保持在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟纫员ＷC電解質(zhì)膜的穩(wěn)定性，和阻止該電解質(zhì)膜性能的損害。因此，堆體具有冷卻管道。低溫冷卻劑例如水或空氣通過冷卻管道流動，可以冷卻發(fā)熱的堆體。冷卻依賴于冷卻管道與每個單元電池的MEA能夠有多少接觸，以及通過傳導(dǎo)能夠帶走多少熱量。用單元電池每單位面積上的冷卻管道的接觸面積來衡量冷卻管道與單元電池之間的接觸。
在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，在堆體中單元電池的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域存在溫度差，因為邊緣區(qū)域可以被鄰近的空氣冷卻。然而，單元電池每單位面積上的冷卻管道的接觸面積對單元電池的不同區(qū)域都保持相同。因為冷卻系統(tǒng)不能考慮單元電池不同區(qū)域之間的溫度差，所以堆體的冷卻效率降低，且堆體性能惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了一種燃料電池堆體，其具有能夠改善堆體的冷卻效率和性能的冷卻管道的提高的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個實施例中，一個燃料電池堆體包括至少一個通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電體。發(fā)電體包括一個MEA、位于MEA兩側(cè)面的隔板和沿MEA的預(yù)定方向安置的冷卻管道，其中冷卻劑通過冷卻管道流動，且其中沿與預(yù)定方向垂直的方向以不同的分布密度提供冷卻管道。
在本發(fā)明的變化中，冷卻管道的分布密度可以從MEA的邊緣區(qū)域到中心區(qū)域提高。
此外，冷卻管道可以關(guān)于MEA的中心線對稱分布。冷卻管道可以由肋和凹槽構(gòu)成。根據(jù)一個實施例，凹槽可以具有固定寬度而肋具有至少兩個不同寬度。肋的寬度可以從MEA的邊緣區(qū)域向中心區(qū)域逐漸減小。根據(jù)另一實施例，肋可以具有固定寬度而凹槽具有至少兩個不同寬度。凹槽的寬度可以從MEA的邊緣區(qū)域向中心區(qū)域逐漸減小。冷卻管道可以具有直線形狀。冷卻管道可以具有曲線形狀，其中冷卻管道的曲線曲率從MEA的中心區(qū)域向邊緣區(qū)域逐漸增加。堆體可以包括多個發(fā)電體，其中通過組合相對的隔板形成冷卻管道。堆體可以包括多個發(fā)電體，其中在位于發(fā)電體之間的冷卻板內(nèi)形成冷卻管道。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，冷卻劑與同樣生熱的發(fā)電體的接觸面積在堆體的不同區(qū)域，根據(jù)堆體區(qū)與冷卻劑區(qū)的溫度差而變化，通過增加在熱沒有機會消散進空氣中的堆體中心區(qū)域內(nèi)冷卻劑與發(fā)電體的接觸面積，可以改善堆體的冷卻效率和性能。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性方框圖。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的堆體的分解透視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的冷卻管道的平面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的第一改進例的冷卻管道的平面圖。
圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的第二改進例的冷卻管道的平面圖。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的堆體的分解透視圖。
具體實施例方式
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的兩個實施例的燃料電池系統(tǒng)100的示意性方框圖。燃料電池系統(tǒng)100可以采用一個PEMFC用來產(chǎn)生氫，并用來使用所述的氫，通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能。
燃料電池系統(tǒng)100所采用的燃料可以包括液體或氣體的含氫燃料例如甲醇、乙醇或天然氣。為描述方便起見，下面描述中采用的燃料是液體燃料。此外，為了與燃料中所含的氫發(fā)生氧化反應(yīng)，燃料電池系統(tǒng)100可以使用儲存在附加的存儲設(shè)備中的純氧或可以使用來自空氣中的氧。在下面各個實施例的描述中，使用的是空氣中的氧。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100包括一個用于重整含氫燃料以產(chǎn)生氫的重整器18、一個通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的堆體16、一個將燃料供應(yīng)給重整器18的燃料供應(yīng)單元10、和一個將空氣供應(yīng)給堆體16的空氣供應(yīng)單元12。
燃料電池系統(tǒng)100也可以采用一個直接氧化燃料電池方案，通過直接向堆體16供應(yīng)含氫液體燃料產(chǎn)生電能。與PEMFC不同的是，直接氧化燃料電池具有一個除去了圖1中所示的重整器18的結(jié)構(gòu)。在下面的描述中，采用PEMFC方案的燃料電池系統(tǒng)100作為例子，但本發(fā)明并非如此受限，而可以包括相似的方案。
所述堆體16被耦合到重整器18及氧供應(yīng)單元12。所述堆體16分別接收來自重整器18的重整化的氣體和氧供應(yīng)單元12的空氣，并通過氫和包含在空氣中的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
燃料供應(yīng)單元10包括一個存儲燃料的燃料箱22，和一個耦合到燃料箱22以將存儲在燃料箱中的燃料輸出到重整器18的燃料泵24。
重整器18具有一個通用容器，其利用熱能，通過化學(xué)催化反應(yīng)從燃料產(chǎn)生重整化氣體，并減少包含在重整化氣體中的一氧化碳的濃度。重整器18通過催化反應(yīng)，例如蒸汽重整反應(yīng)、部分氧化反應(yīng)、或者自動熱反應(yīng)從燃料產(chǎn)生重整化氣體。此外，所述重整器通過催化反應(yīng)例如水煤氣轉(zhuǎn)換(WGS)或優(yōu)先氧化(PROX)，或者通過采用分離膜的氫純化來減少重整化氣體中一氧化碳的濃度。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的堆體的分解透視圖。燃料電池系統(tǒng)100中的堆體16包括作為產(chǎn)生電能的最小單元的發(fā)電體30，其中隔板34、34’被安置得與MEA32的兩個側(cè)面緊密接觸。本領(lǐng)域中也稱隔板為“雙極板”。通過依次堆疊多個發(fā)電體30而構(gòu)成所述堆體16。
在MEA12的一個側(cè)面上形成一個陽極，并在MEA12的另一個側(cè)面形成一個陰極。MEA12在陽極和陰極之間具有一個電解質(zhì)膜。陽極通過隔板34接收重整化氣體。該陽極由將重整化氣體分解為電子和氫離子的催化劑層和促進電子和重整化氣體運動的氣體擴散層構(gòu)成。陰極通過隔板34’接收空氣。該陰極由催化劑層構(gòu)成，該催化劑層用于電子、氫離子和包含在空氣中產(chǎn)生水的氧之間的反應(yīng)。陰極還包括一個促進氧流動的氣體擴散層。
電解質(zhì)膜由50μm到200μm厚的固體聚合物電解質(zhì)制成。該電解質(zhì)膜具有將陽極催化劑層產(chǎn)生的氫離子移動到陰極催化劑層的離子交換功能。
緊貼近MEA32安置的隔板34、34’將來自重整器18的重整化氣體和由空氣泵26供應(yīng)的空氣供應(yīng)給MEA32、陽極和陰極。此外，隔板34、34’還用作串聯(lián)連接陽極和陰極的導(dǎo)體。
在燃料電池系統(tǒng)100工作期間，通過還原反應(yīng)從發(fā)電體30產(chǎn)生熱能。因為熱能使MEA32干燥，所以熱能是損害所述堆體性能的一個因素。因此，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100具有一個制冷結(jié)構(gòu)，用于在堆體16中循環(huán)冷卻劑以冷卻加熱的發(fā)電體30。
燃料電池系統(tǒng)100包括一個供應(yīng)冷卻劑到堆體16內(nèi)部的冷卻劑供應(yīng)單元14(圖1)。堆體16包括供給發(fā)電體30的冷卻管道36，允許冷卻劑供應(yīng)單元14所提供的冷卻劑流過發(fā)電體30。
冷卻劑供應(yīng)單元14包括一個冷卻劑泵28，以預(yù)定泵壓抽取并供應(yīng)冷卻劑。該冷卻劑泵28與堆體16的冷卻管道36耦合，以將冷卻劑供應(yīng)給發(fā)電體30。在本發(fā)明中，所述冷卻劑可以是冷卻水或冷卻氣體。在所述的實施例中，用空氣作為冷卻劑，因為空氣容易獲得，且大氣的溫度通常比運行中的堆體16的內(nèi)部溫度低。
具有冷卻劑泵28的冷卻劑供應(yīng)單元14用于將冷卻劑強制供應(yīng)給堆體16。作為另一種選擇，沒有任何冷卻劑供應(yīng)單元14時，可以通過自然的對流將冷卻空氣供應(yīng)給冷卻管道36。
冷卻管道36中的每一個都是冷卻劑的一個流通管道，由冷卻劑供應(yīng)單元14供應(yīng)給發(fā)電體30以冷卻熱的發(fā)電體30。冷卻管道36可以具有各種形狀，而且可以位于堆體16的各種位置。在圖2所示的堆體16中，冷卻管道36是在隔板34、34’中形成的。
冷卻管道36是通過組合位于隔板34的一個表面上的一個管道36a和位于相對的隔板34’的一個表面上的另一個管道36b而形成的。MEA32被附于所述組合的隔板34、34’的一個形成冷卻管道的側(cè)面上，使得所述MEA32的整個表面，包括有效區(qū)32a和無效區(qū)32b，都能被冷卻。
在所示的實施例中，多個冷卻管道36被安置在隔板34、34’的不同間隙中，沿MEA32的一個側(cè)面即例如圖2中的Y方向延伸。冷卻管道36由凹槽36a、36b和位于凹槽36a、36b之間的肋36c、36d構(gòu)成。
圖3是在隔板34、34’之一中的冷卻管道36的平面圖。沿隔板34的垂直方向(圖中的Y方向)彼此平行地安置多個冷卻管道36。沿垂直于冷卻管道36的方向(圖中的X方向)上，冷卻管道36的分布密度不同。在所示實施例中，從MEA32或隔板34的邊緣區(qū)到中心區(qū)，冷卻管道36的分布密度增加。
冷卻管道36由具有固定寬度w1的凹槽36a和具有至少兩個不同寬度的肋36c構(gòu)成。圖3中示出的實施例包括五個不同的肋寬度w2、w3、w4、w5和w6。肋36c的寬度在從MEA32的邊緣區(qū)到中心區(qū)的方向上逐漸減小，因此w2＜w3＜w4＜w5＜w6。
在圖3中示出的實施例中，冷卻管道36是直線。在冷卻管道36的一端，形成了一個入口，冷卻劑供應(yīng)單元14供應(yīng)的冷卻劑通過該入口注入。在冷卻管道36的另一端，形成了一個出口，冷卻劑通過該出口從冷卻管道36中排出。
通過組合兩個隔板34、34’而形成冷卻管道36。在隔板34、34’的一端形成凹槽，該凹槽形成用于注入冷卻劑的入口。且在隔板34、34’的另一端形成凹槽，該凹槽形成用于排出冷卻劑的出口。將兩個隔板34、34’組合在一起，在兩個隔板34、34’之間凹槽相接處形成管道。
冷卻管道36不局限于上述布局。例如，冷卻管道36可以具有這樣的形狀，其中在隔板34、34’上以任意間隙安置直線，且直線的末端交替地彼此耦合，在一個入口和一個出口之間形成一個連續(xù)的通路。在此例中，可以分別在第一條和最后一條直線的末端形成冷卻管道36的入口和出口。
此外，在所示實施例中，雖然冷卻管道36是彼此平行安置且沿隔板34的垂直方向延伸的，但作為另一種選擇，冷卻管道可以沿隔板的水平方向延伸。
通過調(diào)整肋36c之間的距離，冷卻管道36可以在隔板34、34’的中心區(qū)具有較高密度而在隔板34、34’的邊緣區(qū)具有較低密度。在堆體16中發(fā)電體30的中心區(qū)和邊緣區(qū)存在溫度差，且中心區(qū)通常要求更多的冷卻。邊緣區(qū)可能更冷因為其被圍繞于堆體16的空氣所冷卻。為了有效地冷卻堆體16，將溫度差納入考慮。
下面描述了燃料電池系統(tǒng)100的運行。在堆體16產(chǎn)生電能的過程中，從發(fā)電體30也產(chǎn)生了熱能。此熱能傳送給發(fā)電體30的隔板34、34’。堆體16的邊緣區(qū)被圍繞于堆體16的空氣所冷卻。結(jié)果，在堆體的中心區(qū)和邊緣區(qū)形成溫度差。
冷卻劑從冷卻劑供應(yīng)單元14供應(yīng)給冷卻管道36。沿冷卻管道36流動的冷卻劑冷卻熱的隔板34、34’。因為冷卻管道36在隔板34、34’的不同區(qū)域以不同的密度分布，所以冷卻劑與隔板34、34’之間的接觸面積不同。在隔板34、34’中心區(qū)域中沿冷卻管道36流動的冷卻劑與隔板34、34’之間具有更大的接觸面積。且在隔板34、34’邊緣區(qū)域中沿冷卻管道36流動的冷卻劑與隔板34、34’之間具有更小的接觸面積。
因此，堆體16中，在有更多熱能積聚的隔板34、34’的中心區(qū)，產(chǎn)生熱能的發(fā)電體30的中心區(qū)與沿冷卻管道36流動的冷卻劑之間的熱交換更大。在有較少熱能積聚的隔板34、34’的邊緣區(qū)，產(chǎn)生熱能的發(fā)電體30的邊緣區(qū)與沿冷卻管道36流動的冷卻劑之間的熱交換更小。結(jié)果，根據(jù)發(fā)電體30的不同區(qū)域的溫度特性，堆體16可以得到冷卻。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的第一改進例的冷卻管道36A的平面圖。與圖3中所示的冷卻管道36不同，冷卻管道36A由具有固定寬度w7的肋36c’和具有不同寬度w8、w9、w10和w11的凹槽36a’構(gòu)成。
在圖4所示的第一改進例中，冷卻管道36A的凹槽36a’的寬度在隔板34A的中心區(qū)比在隔板34A的邊緣區(qū)大。因此，隔板34A每單位面積冷卻劑的接觸面積從中心區(qū)向邊緣區(qū)減小。
第一改進例中的冷卻管道36A的構(gòu)成與第一實施例中的冷卻管道36相似，且運行也相似。因此，省略了第一改進例詳細(xì)的構(gòu)成和運行。
圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的第二改進例的冷卻管道36B的平面圖。與第一實施例中的冷卻管道36及第一實施例的第一改進例中的冷卻管道36A相似，冷卻管道36B由凹槽36a”和肋36b”構(gòu)成。然而，與前面直線型的冷卻管道36、36A不同，第二改進例中的冷卻管道36B是曲線。形成冷卻管道36B的曲線的曲率在從隔板34B的中心區(qū)向邊緣區(qū)方向上逐漸增加。換言之，在隔板34B中心區(qū)中或靠近隔板34B中心區(qū)的冷卻管道36B幾乎是直的，而在邊緣區(qū)中或靠近邊緣區(qū)的冷卻管道36B具有最高的曲率。
圖5A中所示的冷卻管道36B是關(guān)于隔板34B的中心線凸出的。圖5B中所示的冷卻管道36B是關(guān)于隔板34B的中心線凹進的。
在第二改進例中，冷卻管道36B的形狀是變化的，允許冷卻管道36B的分布密度依照隔板34B的區(qū)域而變化。此結(jié)構(gòu)進一步提高了堆體16的冷卻效率。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的堆體16’的分解透視圖。與圖2中所示的第一實施例的堆體16相比，圖6所示的堆體16進一步包括冷卻板38。冷卻板38插入在相鄰的發(fā)電體30’之間，且更具體地，在兩個相鄰發(fā)電體30’的隔板37和37’之間。冷卻板38起熱釋放板的作用，用于將發(fā)電體30’運行期間從隔板37和37’傳送來的熱能釋放。
因為冷卻板38冷卻整個MEA32’，所以改善了冷卻效率。冷卻板38可以由導(dǎo)熱材料例如鋁、銅、鐵和這些元素的任何合金制成。
多個冷卻管道36’形成于冷卻板38內(nèi)，且沿冷卻板38的一個側(cè)邊例如圖6中的X方向延伸。第二實施例中的冷卻管道36’接收來自圖1所示的冷卻劑供應(yīng)單元14的冷卻劑，并冷卻堆體16’。這些冷卻管道36’與先前論述過的冷卻管道36、36A、36B的運行相似。因此，省略了結(jié)構(gòu)和運行的詳細(xì)描述。
本發(fā)明不局限于所述的示范性實施例，而是可以在不脫離所述具體描述、附圖、權(quán)利要求及其等同物的范圍的情況下可以以各種形式進行修改。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆體，包括至少一個發(fā)電體，通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，所述發(fā)電體包括薄膜電極組件；隔板，位于所述薄膜電極組件的兩個側(cè)面上；和冷卻管道，沿第一方向延伸且在垂直于所述第一方向的方向上具有不同分布密度。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道的分布密度從薄膜電極組件的邊緣區(qū)到中心區(qū)增加。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道關(guān)于薄膜電極組件的中心線對稱分布。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道由肋和凹槽形成。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池堆體，其中所述凹槽具有固定寬度，且其中所述肋具有至少兩個不同寬度。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池堆體，其中所述肋的寬度從薄膜電極組件的邊緣區(qū)向中心區(qū)逐漸減小。
7.如權(quán)利要求4所述的燃料電池堆體，其中所述肋具有固定寬度，且其中所述凹槽具有至少兩個不同寬度。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池堆體，其中所述凹槽的寬度從薄膜電極組件的邊緣區(qū)向中心區(qū)逐漸增加。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中每一個冷卻管道都具有直線型。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道形成為曲線，且其中所述冷卻管道曲線的曲率從薄膜電極組件的中心區(qū)向邊緣區(qū)逐漸增加。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道的曲線關(guān)于薄膜電極組件的中心線凸出。
12.如權(quán)利要求10所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道的曲線關(guān)于薄膜電極組件的中心線凹進。
13.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道在隔板中形成。
14.如權(quán)利要求13所述的燃料電池堆體，其中所述燃料電池堆體包括多個發(fā)電體，且其中所述冷卻管道通過組合鄰近發(fā)電體相對的隔板而形成。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池堆體，其中每一個薄膜電極組都耦合到組合相對隔板的一個側(cè)面上，形成冷卻管道。
16.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中所述堆體包括多個發(fā)電體，所述燃料電池堆體還包括冷卻板，位于在鄰近的發(fā)電體之間，其中在所述冷卻板中形成冷卻管道。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道通過所述冷卻板形成。
18.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆體，其中所述冷卻管道包括多個入口和多個出口。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料電池堆體，其中所述入口和出口被交替連接以形成每個發(fā)電體的冷卻管道的一個入口和一個出口。
全文摘要
提供了一種燃料電池堆體，包括至少一個通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電體和一個冷卻系統(tǒng)。該發(fā)電體包括一個薄膜電極組件、在該薄膜電極組件兩個側(cè)面上的隔板、和大致平行安置在薄膜電極組的第一方向上的冷卻管道，冷卻劑通過該冷卻管道流動，且該冷卻管道在垂直于薄膜電極組件第一方向的方向上具有不同的分布密度。
文檔編號H01M8/04GK1744362SQ20051008797
公開日2006年3月8日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月30日
發(fā)明者徐東明 申請人:三星Sdi株式會社