專利名稱：燃料電池系統(tǒng)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)，更具體地說是涉及一種燃料電池系統(tǒng)堆和堆的冷卻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池是一種產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，它借助于空氣中所包含的氧與諸如甲醇、乙醇和天然氣等含碳?xì)浠衔锏脑现兴臍渲g的化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。某些燃料電池也產(chǎn)生作為化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物的熱，熱能夠與電能同時(shí)使用。
這種燃料電池基于所用電解質(zhì)的不同種類被劃分為以下種類，包括工作溫度大約在150℃至200℃的磷酸鹽燃料電池，工作在大約600℃至700℃高溫的熔融碳酸鹽燃料電池，工作在1000℃以上高溫的固態(tài)氧化物燃料電池，以及工作在室溫或者100℃或更低溫度的高分子電解質(zhì)膜燃料電池和堿性燃料電池。所有的燃料電池其工作原理都基本相同，但彼此在燃料類型、工作溫度、催化劑和電解質(zhì)方面是不同的。
近年來發(fā)展起來的高分子電解質(zhì)膜燃料電池(polymer electrolytemembrane fuel cell，PEMFC)與其它燃料電池相比，具有優(yōu)越的輸出性能、更低的工作溫度、以及快速的啟動(dòng)和響應(yīng)特性。它采用重整甲醇、乙醇和天然氣等所獲得的氫作為燃料。因此，PEMFC具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如用于車輛的可移動(dòng)電源、家庭或者建筑物用的分布式電源，和電子設(shè)備用的小型電源。
上述高分子電解質(zhì)膜燃料電池需要一個(gè)稱為堆的燃料電池主體、一個(gè)燃料箱、和從燃料箱向堆提供燃料的一個(gè)燃料泵。這種高分子電解質(zhì)膜燃料電池還包括一個(gè)重整器，它將來自燃料箱的燃料轉(zhuǎn)化以生成氫氣，然后將氫氣提供給堆。儲(chǔ)存在燃料箱中的燃料通過燃料泵提供給重整器。隨后，重整器將燃料轉(zhuǎn)化并生成氫氣。堆中的氫氣和氧氣相互反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。
或者，這種燃料電池可采用一種直接的甲醇燃料電池(DMFC)方案，其向堆直接提供液態(tài)甲醇燃料。與高分子電解質(zhì)膜燃料電池不同，DMFC燃料電池不需要重整器。
在上述的燃料電池系統(tǒng)中，堆具有一個(gè)塔形結(jié)構(gòu)，其中有幾個(gè)或幾十個(gè)電能發(fā)生器，每個(gè)發(fā)生器具有一個(gè)膜電極組件(MEA)和隔板(或雙極板)。膜電極組件包括一個(gè)陽極(亦稱為“燃料電極”或者“氧化電極”)和一個(gè)陰極(亦稱為“空氣電極”或者“還原電極”)，兩者通過一個(gè)插入它們之間的電解質(zhì)膜相互連接。隔板同時(shí)起到通路的作用，通過它供應(yīng)燃料電池反應(yīng)所需的氧氣和氫氣，它還作為一個(gè)導(dǎo)體，連接串連的每個(gè)膜電極組件的陽極和陰極。通過隔板，含有氫的燃料氣體提供給陽極，含有氧的氧氣提供給陰極。通過這種相互作用，在陽極發(fā)生燃料氣體的氧化反應(yīng)，而在陰極發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)。由反應(yīng)所產(chǎn)生的電子運(yùn)動(dòng)還產(chǎn)生了副產(chǎn)物水和熱。
在這種燃料電池系統(tǒng)中，堆應(yīng)當(dāng)保持一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟龋苑€(wěn)定電解質(zhì)膜，并防止其性能惡化。為使堆的溫度適當(dāng)，傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)采用典型的空氣冷卻系統(tǒng)，其中在工作中由堆產(chǎn)生的熱量被溫度相對(duì)較低的空氣所冷卻；或者采用水冷系統(tǒng)，其中向堆提供冷卻水，以冷卻由堆產(chǎn)生的熱。
水冷系統(tǒng)需要一個(gè)使冷卻水流入堆的附加冷卻板，這就很難減小燃料電池系統(tǒng)的總體積。
在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)含有水分的未反應(yīng)空氣從堆中流出，并排放到溫度相對(duì)較低的大氣中時(shí)，水分與大氣接觸之后冷凝。這就必需提供一個(gè)用以儲(chǔ)存或者循環(huán)由未反應(yīng)的空氣冷凝所產(chǎn)生的水的附加裝置，但這樣就會(huì)更加難以減小燃料電池系統(tǒng)的總體積。另外，用于驅(qū)動(dòng)附加元件的熱負(fù)荷或電負(fù)荷進(jìn)一步惡化了整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率和性能。
進(jìn)而，傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)加熱了產(chǎn)生電能和通過重整器產(chǎn)生氫氣所需的液態(tài)燃料。由于加熱燃料進(jìn)一步增大了熱負(fù)荷，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率和性能就下降了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了上述的問題，并且本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種較小的燃料電池系統(tǒng)，在隔板的全部區(qū)域具有適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?，以提高性能，并有效地利用堆和重整器所產(chǎn)生的熱能。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種包括具有電能發(fā)生器的堆的燃料電池系統(tǒng)，其包括設(shè)置在膜電極組件兩面的隔板；一個(gè)重整器，轉(zhuǎn)換燃料以產(chǎn)生氫氣，并將氫氣提供給堆；燃料供應(yīng)單元，將燃料供應(yīng)給重整器；和一個(gè)空氣供應(yīng)單元，將空氣供應(yīng)給堆。另外，系統(tǒng)包括向堆供應(yīng)冷卻水的一個(gè)冷卻水供應(yīng)單元，和形成在隔板中的、來自冷卻水供應(yīng)單元的冷卻水從其流過的一個(gè)流動(dòng)通道部。
燃料供應(yīng)單元可以包括一個(gè)燃料箱，與重整器連接，并儲(chǔ)存包含氫的液態(tài)燃料；和與燃料箱相連的一個(gè)燃料泵?？諝夤?yīng)單元可以包括與堆相連的一個(gè)空氣泵。冷卻水供應(yīng)單元可以包括一個(gè)冷卻水箱，與流動(dòng)通道部相連，并儲(chǔ)存冷卻水；和一個(gè)冷卻水泵，與冷卻水箱相連。
第一通道可形成在隔板的一個(gè)表面上，允許空氣流入膜電極組件；以及第二通道可形成在隔板的另一表面上，允許氫氣流入膜電極組件。
隔板可包括第一入口，向第一通道供應(yīng)空氣；第一出口，排放在通過第一通道時(shí)未反應(yīng)的空氣；第二入口，向第二通道供應(yīng)氫氣；和第二出口，排放在通過第二通道時(shí)未反應(yīng)的空氣。
流動(dòng)通道部可包括第一流動(dòng)通道，形成在隔板上，與氫氣和空氣供應(yīng)給第一通道和第二通道的區(qū)域相對(duì)應(yīng)；和第二流動(dòng)通道，形成在隔板上，與氫氣和空氣流入第一通道和第二通道的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
第一流動(dòng)通道可以具有流入冷卻水的第一通孔、冷卻水從其流出的第二通孔、和將第一通孔和第二通孔相互連接的第一凹槽。
第二流動(dòng)通道可以具有流入冷卻水的第三通孔、冷卻水從其流出的第四通孔、和將第三通孔和第四通孔相互連接的第二凹槽。
流動(dòng)通道部可以進(jìn)一步包括第三流動(dòng)通道，其形成在隔板上，與氫氣和空氣從第一和第二通道流出的區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
第三流動(dòng)通道可以具有第五通孔，流過第一和第二流動(dòng)通道的冷卻水流入該通孔；冷卻水從其流出的第六通孔；和將第五通孔和第六通孔相互連接的第三凹槽。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種包括由電能發(fā)生器組成的堆的燃料電池系統(tǒng)，其包括設(shè)置在膜電極組件兩面的隔板；一個(gè)重整器，轉(zhuǎn)換燃料以生成氫氣并將氫氣供應(yīng)給堆；一個(gè)燃料供應(yīng)單元，將燃料供應(yīng)給重整器；和一個(gè)空氣供應(yīng)單元，將空氣供應(yīng)給堆。它還包括一個(gè)冷卻水供應(yīng)單元，向堆供應(yīng)冷卻水；一個(gè)流動(dòng)通道部，形成在隔板上，流過來自冷卻水供應(yīng)單元的冷卻水；和一個(gè)第一熱交換器。該第一熱交換器與空氣供應(yīng)單元和堆連接，并設(shè)置在二者之間，該堆還與冷卻水供應(yīng)單元和流動(dòng)通道部相連接。
第一熱交換器可包括第一供應(yīng)管，與空氣供應(yīng)單元和隔板連接，并向隔板供應(yīng)空氣；和至少一個(gè)第二供應(yīng)管，與冷卻水供應(yīng)單元以及第一和第二流動(dòng)通道連接，并與第一供應(yīng)管相接觸。
本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種包括具有電能發(fā)生器的堆的燃料電池系統(tǒng)，其包括設(shè)置在膜電極組件兩面的隔板；一個(gè)重整器，轉(zhuǎn)換燃料以生成氫氣并將氫氣供應(yīng)給堆；一個(gè)燃料供應(yīng)單元，將燃料供應(yīng)給重整器；和一個(gè)空氣供應(yīng)單元，將空氣供應(yīng)給堆。另外，它包括一個(gè)冷卻水供應(yīng)單元，向堆供應(yīng)冷卻水；和一個(gè)流動(dòng)通道部，形成在隔板上，流過來自冷卻水供應(yīng)單元的冷卻水。這種系統(tǒng)還可包括一個(gè)第一熱交換器，與空氣供應(yīng)單元和堆連接，并設(shè)置在二者之間，第一熱交換器還與冷卻水供應(yīng)單元和流動(dòng)通道部相連接；和第二熱交換器，與重整器和堆連接，并設(shè)置在二者之間，還與流動(dòng)通道部相連接。
第二熱交換器可包括一個(gè)第三供應(yīng)管，與重整器和隔板相連接，其向隔板供應(yīng)氫氣；和至少一個(gè)第四供應(yīng)管，與第一、第二和第三流動(dòng)通道相連接，并與第三供應(yīng)管相接觸。
燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步可包括一個(gè)第三熱交換器，與燃料供應(yīng)單元和重整器相連接，并設(shè)置在二者之間，還與流動(dòng)通道部相連接。第三熱交換器可包括一個(gè)第五供應(yīng)管，其與燃料供應(yīng)單元和重整器相連接，并向重整器供應(yīng)燃料；和至少一個(gè)第六供應(yīng)管，與第三流動(dòng)通道相連接，并與第五供應(yīng)管相接觸。
燃料電池系統(tǒng)可采用一種高分子電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)的方案。


本發(fā)明的上述和其它特性及優(yōu)點(diǎn)，將通過參照附圖對(duì)其示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，而變得更清楚。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的整體構(gòu)造的示意圖；圖2是表示圖1所示的堆的構(gòu)造的分解透視圖；圖3是表示圖2所示的隔板的構(gòu)造的透視圖；
圖4是表示圖3所示的隔板的正視圖；圖5是表示圖3所示的隔板的后視圖；圖6是圖1所示的第一熱交換器的剖面示意圖；圖7是圖1所示的第二熱交換器的剖面示意圖；圖8是圖1所示的第三熱交換器的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠容易地將實(shí)施例付諸實(shí)施。但是，由于本發(fā)明可實(shí)施為各種形式，因此本發(fā)明并不局限于下文所述的實(shí)施例。
圖1是一個(gè)示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的整體構(gòu)造。
參見圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)燃料電池系統(tǒng)100采用高分子電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)，其中碳?xì)淙剂?，例如甲醇、乙醇、天然氣等，被轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生富含氫的氣體。氫和外界空氣之間的反應(yīng)產(chǎn)生了電流。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100主要包括一個(gè)堆10，它將通過氫氣和空氣之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而發(fā)電。它還包括一個(gè)重整器20，其將包含氫的燃料轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生氫氣，并將氫氣供應(yīng)給堆10；一個(gè)燃料供應(yīng)單元30，將燃料供應(yīng)給重整器20；和一個(gè)空氣供應(yīng)單元40，將外界空氣供應(yīng)給堆10。
本發(fā)明可實(shí)施為一個(gè)直接的甲醇燃料電池(DMFC)系統(tǒng)，其中液態(tài)燃料可直接供應(yīng)給堆10以產(chǎn)生電。在這種直接的甲醇燃料電池系統(tǒng)中，與PEMFC系統(tǒng)不同，不需要重整器20。
下文中，將參考PEMFC系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。
燃料供應(yīng)單元30包括一個(gè)燃料箱31，用于存儲(chǔ)液態(tài)燃料；和一個(gè)燃料泵33，與燃料箱31連接，以排出存儲(chǔ)在燃料箱31中的燃料。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100中，燃料可包括含碳?xì)涞幕衔铮缂状?、乙醇、天然氣等，還可包括一些添加的水。
空氣供應(yīng)單元40包括一個(gè)以預(yù)定壓力吸入外界空氣的空氣泵41。
上述重整器20具有傳統(tǒng)重整器的構(gòu)造。它從氫氣中去除有害材料，例如一氧化碳，還通過重整反應(yīng)將自燃料供應(yīng)單元30供應(yīng)的燃料轉(zhuǎn)化為氫氣。
也就是說，重整器20具有重整燃料的一個(gè)重整部，和一個(gè)用來去除一氧化碳的一氧化碳去除部。重整部通過一個(gè)催化反應(yīng)，例如蒸汽重整、部分氧化或自然反應(yīng)等，將燃料轉(zhuǎn)化為富含氫的被重整氣體。一氧化碳去除部利用催化反應(yīng)，例如水氣轉(zhuǎn)化、選擇氧化、或采用分隔膜的氫提純等，從被重整氣體中去除一氧化碳。
重整器20包括一個(gè)主體25，其具有一個(gè)入口21和一個(gè)出口23。主體25具有重整部和一氧化碳去除部。結(jié)果，來自燃料供應(yīng)單元30的燃料通過入口21流入主體25，經(jīng)重整部和一氧化碳去除部被重整的氫氣通過出口23排放。
參見圖1至5，根據(jù)本發(fā)明的堆10包括至少一個(gè)電能發(fā)生器11，其被供應(yīng)了由重整器20轉(zhuǎn)化的氫氣和由空氣供應(yīng)單元40吸入的外界空氣。這個(gè)堆通過其間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
電能發(fā)生器11是產(chǎn)生電能的單元電池，包括一個(gè)膜電極組件(MEA)，其氧化還原氫氣和外界空氣；和隔板13，其向膜電極組件12供應(yīng)氫氣和空氣。在電能發(fā)生器11中，隔板13設(shè)置在膜電極組件12的兩側(cè)。在堆10中，多個(gè)電能發(fā)生器11連續(xù)設(shè)置，從而形成一個(gè)燃料電池。
膜電極組件12具有傳統(tǒng)膜電極組件的構(gòu)造，其中電解質(zhì)膜插在構(gòu)成其兩面的陽極和陰極之間。通過隔板13向陽極供應(yīng)氫氣，陽極包括通過氧化反應(yīng)將氫氣轉(zhuǎn)化為電子和氫離子的一個(gè)催化劑層。陽極還具有允許電子和氫離子平穩(wěn)移動(dòng)的一個(gè)氣體擴(kuò)散層(GDL)。通過隔板13向陰極供應(yīng)空氣，陰極包括通過還原反應(yīng)和GDL將氧轉(zhuǎn)化為電子和氧離子的一個(gè)催化劑層。電解質(zhì)膜是一種固態(tài)高分子電解質(zhì)，厚度為50至200μm，并具有一種將由陽極的催化劑層產(chǎn)生的氫離子移動(dòng)到陰極的催化劑層的離子交換功能。
隔板13的第一表面與膜電極組件12的陰極緊密接觸，而另一表面，第二表面與膜電極組件12的陽極緊密接觸。這樣，隔板13起到電導(dǎo)體的功能，串連陽極和陰極。隔板13還起到通道的作用，分別向陽極和陰極供應(yīng)膜電極組件12的氧化和還原反應(yīng)所需的氫氣和空氣。
根據(jù)本實(shí)施例，向膜電極組件12的陰極供應(yīng)空氣的第一通道14形成在隔板13的第一表面13a上(見圖4)；向膜電極組件12的陽極供應(yīng)氫氣的第二通道15形成在隔板13的第二表面13b上(見圖5)。
與膜電極組件12的陽極或陰極緊密接觸的端板(未圖示)可分別設(shè)置在堆10的最外側(cè)。在與膜電極組件12緊密接觸的接觸面上，可形成一個(gè)向陰極供應(yīng)空氣的通道和一個(gè)向陽極供應(yīng)氫氣的通道。
在隔板13中形成有向第一通道14供應(yīng)空氣的第一入口16，通過第一通道14排放未反應(yīng)的空氣的第一出口17，向第二通道15供應(yīng)重整器20產(chǎn)生的氫氣的第二入口18，以及通過第二通道15排放未反應(yīng)的氫氣的第二出口19。第一入口16和第二入口18、以及第一出口17和第二出口19嵌在隔板13中。
第一入口16嵌在隔板13的一側(cè)，以連通第一通道14的起始端。第二入口18嵌在隔板13的另一側(cè)，以連通第二通道15的起始端。第一出口17嵌在隔板13的另一側(cè)，以連通第一通道14的末端。第二出口19嵌在隔板13的另一側(cè)，以連通第二通道15的末端。
換句話說，在隔板13第一表面13a上的第一入口16與第一通道14連通，而第二入口18則不與第一通道14連通。相反地，在隔板13第二表面13b上的第二入口18與第二通道15連通，但第一入口16則不與第二通道15相連通。
另外，在隔板13的第一表面13a上，第一出口17連通第一通道14，但第二出口19則不與第一通道14相連通。相反地，在隔板13的第二表面13b上，第二出口19連通第二通道15，但第一出口17不與第二通道15相連通。
具有上述構(gòu)造的電能發(fā)生器11通過下面的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和水。
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)總反應(yīng)依照上述化學(xué)反應(yīng)，氫氣通過隔板13供應(yīng)給膜電極組件12的陽極，而空氣通過隔板13供應(yīng)給陰極。當(dāng)氫氣流入陽極時(shí)，氫在催化劑層中分解為電子和質(zhì)子(氫離子)。當(dāng)質(zhì)子通過電解質(zhì)膜的時(shí)候，在催化劑的幫助下，電子、氧離子和質(zhì)子結(jié)合生成水。由陽極產(chǎn)生的電子不經(jīng)過電解質(zhì)膜，但通過外電路移向陰極。
當(dāng)運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100時(shí)，堆10的電能發(fā)生器11還產(chǎn)生了作為副產(chǎn)物的熱。熱量使得膜電極組件12變干燥，從而引起堆10的性能惡化。堆10將包含大量水分的未反應(yīng)的空氣從電能發(fā)生器11中排出。
將來自冷卻水供應(yīng)單元50的冷卻水循環(huán)至隔板13以便為隔板13的全部區(qū)域提供適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?，根?jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)能夠防止膜電極組件12被熱量干燥，還能夠冷凝未反應(yīng)空氣中的水分。
為了完成這個(gè)目的，在隔板13中形成允許來自冷卻水供應(yīng)單元50的冷卻水通過的至少一個(gè)流動(dòng)通道。冷卻水供應(yīng)單元50可包括用于存儲(chǔ)例如水或者其它冷卻劑的一個(gè)冷卻水箱51；和一個(gè)冷卻水泵53，其與冷卻水箱51相連接，以預(yù)定泵供液量排出存儲(chǔ)在冷卻水箱51中的水。
根據(jù)本實(shí)施例的流動(dòng)通道部包括一個(gè)第一流動(dòng)通道61，其形成在第一和第二通道14和15的各自的外側(cè)，對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣流入第一和第二通道14和15的區(qū)域。它還包括第二流動(dòng)通道62，形成在第一和第二通道14和15的外側(cè)，對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣沿第一和第二通道14和15流動(dòng)的區(qū)域。進(jìn)而，第三流動(dòng)通道63形成在第一和第二通道14和15的外側(cè)，對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣相對(duì)于第一和第二通道14和15流出的區(qū)域。
這里，第一流動(dòng)通道61形成在第一和第二入口16和18側(cè)的邊緣，對(duì)應(yīng)于圖中的x方向。第二流動(dòng)通道62形成在關(guān)于第一和第二入口16和18的、第一和第二通道14和15的外邊緣，對(duì)應(yīng)于圖中的y方向。第三流動(dòng)通道63形成在第一和第二出口17和19的邊緣，對(duì)應(yīng)于圖中的x方向。這里，“邊緣”是指隔板13上沒有形成第一和第二通道14和15、第一和第二入口16和18、以及第一和第二出口17和19的部位。
第一流動(dòng)通道61具有第一通孔61a，來自冷卻水供應(yīng)單元50的冷卻水可流入該通孔；第二通孔61b，冷卻水可充分地從其流過；以及第一凹槽61c，將第一通孔61a和第二通孔61b相互連接。這里，第一凹槽61c相對(duì)于隔板13的第一表面13a來說，將第一通孔61a和第二通孔61b相互連接，并相對(duì)于第二表面13b來說，將第一通孔61a和第二通孔61b相互連接。
第二流動(dòng)通道62具有第三通孔62a，來自冷卻水供應(yīng)單元50的冷卻水流入該通孔；第四通孔62b，冷卻水可充分地從其流過；以及第二凹槽62c，將第三通孔62a和第四通孔62b相互連接。這里，第二凹槽62c相對(duì)于隔板13的第一表面13a來說，將第三通孔62a和第四通孔62b相互連接，并相對(duì)于第二表面13b來說，將第三通孔62a和第四通孔62b相互連接。
第三流動(dòng)通道63具有第五通孔63a，流過第一和第二流動(dòng)通道61和62的冷卻水可流入該通孔；第六通孔62b，大部分可充分地從其流過；以及第三凹槽63c，將第五通孔63a和第六通孔63b相互連接。這里，第三凹槽63c相對(duì)于隔板13的第一表面13a來說，將第五通孔63a和第六通孔63b相互連接，并相對(duì)于第二表面13b來說，將第五通孔63a和第六通孔63b相互連接。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100還可包括第一熱交換器70，其通過與來自空氣供應(yīng)單元40的空氣接觸可將來自冷卻水供應(yīng)單元50的冷卻水進(jìn)一步冷卻。第一熱交換器還可向第一和第二流動(dòng)通道61和62供應(yīng)冷卻水，并可充分地冷卻作用于隔板13的熱。
圖6是概略表示圖1所示的第一熱交換器70的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
參見圖1至6，根據(jù)本實(shí)施例的第一熱交換器70包括第一供應(yīng)管73，其與空氣供應(yīng)單元40和隔板13相連接；和至少一個(gè)第二供應(yīng)管75，其分別與冷卻水供應(yīng)單元50以及第一和第二流動(dòng)通道61和62相連接。
第一供應(yīng)管73向第一通道14供應(yīng)電能發(fā)生器11中產(chǎn)生電所需的空氣。第一供應(yīng)管73具有管狀外形，分別與空氣供應(yīng)單元40的空氣泵41和隔板13的第一入口16相連接。第一供應(yīng)管73設(shè)置在第一管71的內(nèi)部，第一管71的內(nèi)徑大于第一供應(yīng)管73的外徑。
第二供應(yīng)管75向第一和第二流動(dòng)通道61和62供應(yīng)來自冷卻水供應(yīng)單元50的冷卻水。第二供應(yīng)管75具有管狀外形，分別與冷卻水供應(yīng)單元50的冷卻水箱51以及第一和第二流動(dòng)通道61和62相連接。第二供應(yīng)管75分別與第一流動(dòng)通道61的第一通孔61a和第二流動(dòng)通道62的第三通孔62a相連接。在本實(shí)施例中，第二供應(yīng)管75設(shè)置在第一管71的內(nèi)部。也就是說，多個(gè)第二供應(yīng)管75設(shè)置在第一供應(yīng)管73的外圓周表面和第一管71的內(nèi)圓周表面之間，并與第一供應(yīng)管73的外圓周表面接觸。
當(dāng)冷卻水通過在來自冷卻水供應(yīng)單元50經(jīng)由第二供應(yīng)管75供應(yīng)的冷卻水和經(jīng)由第一供應(yīng)管供應(yīng)的空氣之間的熱交換被進(jìn)一步冷卻時(shí)，冷卻水被供應(yīng)給第一和第二流動(dòng)通道61和62。結(jié)果，流過第一和第二流動(dòng)通道61和62時(shí)，具有相對(duì)較低溫度的冷卻水緩和了隔板13中氫氣和空氣流入?yún)^(qū)域的溫升，并且維持了從隔板13的近似中間部位前進(jìn)區(qū)域處恒定的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100還可包括第二熱交換器80，其在流過第一和第二流動(dòng)通道61和62時(shí)被第一熱交換器70加熱的冷卻水與由重整器20排放的相對(duì)高溫的氫氣之間傳遞熱量，其向第三流動(dòng)通道63供應(yīng)進(jìn)一步被加熱的冷卻水以加熱隔板13的第一出口17側(cè)，從而使從第一出口17排放的未反應(yīng)的空氣蒸發(fā)。
圖7是概略表示圖1所示的第二熱交換器80的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
參見圖1至7，根據(jù)本實(shí)施例的第二熱交換器80包括第三供應(yīng)管83，與重整器20和堆10相連接；和至少一個(gè)第四供應(yīng)管85，分別與隔板13的第一、第二和第三流動(dòng)通道61、62和63相連接。
第三供應(yīng)管83向第二通道15供應(yīng)由重整器20產(chǎn)生的氫氣。第三供應(yīng)管83具有管狀外形，并與重整器20的出口23和隔板13的第二入口18相連接。第三供應(yīng)管83設(shè)置在第二管81的內(nèi)部，第二管81的內(nèi)徑大于第三供應(yīng)管83的外徑。
第四供應(yīng)管85抽回在流過第一和第二流動(dòng)通道61和62時(shí)被加熱至預(yù)定溫度的冷卻水，通過與重整器20所產(chǎn)生的氫氣的熱交換來進(jìn)一步加熱冷卻水，然后向第三流動(dòng)通道63供應(yīng)加熱后的冷卻水。第四供應(yīng)管85具有管狀外形，其一端封閉而另一端開放，開放端分別與第一、第二和第三流動(dòng)通道61、62和63相連接。第四供應(yīng)管85分別與第一流動(dòng)通道61的第二通孔61b、第二流動(dòng)通道62的第四通孔62b、以及第三流動(dòng)通道63的第五通孔63a相連接。第四供應(yīng)管85設(shè)置在第二管81的內(nèi)部。也就是說，多個(gè)第四供應(yīng)管85設(shè)置在第三供應(yīng)管83的外圓周面和第二管81的內(nèi)圓周面之間，并與第三供應(yīng)管83的外圓周面相接觸。
因此，在流經(jīng)第一和第二流動(dòng)通道61和62時(shí)被第一熱交換器70加熱的冷卻水經(jīng)由第四供應(yīng)管85流出，通過與來自重整器20經(jīng)由第三供應(yīng)管83供應(yīng)的相對(duì)高溫的氫氣的熱交換被進(jìn)一步加熱，并然后供應(yīng)給第三流動(dòng)通道63，從而將經(jīng)由隔板13的第一出口17排放的未反應(yīng)空氣中的水分蒸發(fā)。也就是說，被加熱的冷卻水冷卻了以預(yù)定溫度排放的未反應(yīng)空氣流過的隔板13，從而將經(jīng)由隔板13的第一出口17排放的未反應(yīng)空氣中的水分蒸發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100還可包括通過在第二熱交換器80中具有相對(duì)高溫的冷卻水(已經(jīng)蒸發(fā)掉從隔板13的第一出口17排放出的未反應(yīng)空氣中的水分的冷卻水)和從燃料供應(yīng)單元30供應(yīng)給重整器20的燃料之間的熱交換來預(yù)加熱燃料的第三熱交換器90。
圖8是概略表示圖1所示的第三熱交換器90的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
參見圖1至8，根據(jù)本實(shí)施例的第三熱交換器90包括第五供應(yīng)管93，與燃料供應(yīng)單元30和重整器20相連接；和至少一個(gè)第六供應(yīng)管95，與隔板13的第三流動(dòng)通道63相連接。
第五供應(yīng)管93向重整器20供應(yīng)從燃料供應(yīng)單元30排放的燃料。第五供應(yīng)管93具有管狀外形，并與燃料供應(yīng)單元30的燃料箱31和重整器20的入口21相連接。第五供應(yīng)管93設(shè)置在第三管91的內(nèi)部，第三管91的內(nèi)徑大于第五供應(yīng)管93的外徑。
第六供應(yīng)管95向第五供應(yīng)管93供應(yīng)第二熱交換器80中的冷卻水，該冷卻水具有相對(duì)高溫并且在流過第三流動(dòng)通道63時(shí)將從隔板13的第一出口17排放出的未反應(yīng)空氣中的水分蒸發(fā)掉。第六供應(yīng)管95具有管狀外形，其一端閉合而另一端開放，且開放端與第三流動(dòng)通道63的第六通孔63b相連接。第六供應(yīng)管95設(shè)置在第三管91的內(nèi)部。也就是說，多個(gè)第六供應(yīng)管95設(shè)置在第五供應(yīng)管93的外圓周面和第三管91的內(nèi)圓周面之間，且與第五供應(yīng)管93的外圓周面相接觸。
因此，第二熱交換器80中具有相對(duì)高溫并在流過第三流動(dòng)通道63的過程中將經(jīng)由隔板13的第一出口17排放出的未反應(yīng)空氣中的水分蒸發(fā)掉的冷卻水經(jīng)由第六供應(yīng)管95流出，該冷卻水通過與來自燃料供應(yīng)單元30經(jīng)由第五供應(yīng)管93供應(yīng)的、具有相對(duì)低溫的燃料熱交換來預(yù)加熱燃料。
下面將詳細(xì)描述具有上述構(gòu)造的根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行。
首先，在燃料電池系統(tǒng)100的初始驅(qū)動(dòng)模式中，燃料供應(yīng)單元30的燃料泵33被啟動(dòng)，存儲(chǔ)在燃料箱31中的液態(tài)燃料經(jīng)由第五供應(yīng)管93供應(yīng)給重整器20。然后，重整器20轉(zhuǎn)化燃料并產(chǎn)生氫氣。隨后，氫氣經(jīng)由第三供應(yīng)管83被供應(yīng)給隔板13的第二入口18?？諝夤?yīng)單元40的空氣泵41被啟動(dòng)，從而經(jīng)由第一供應(yīng)管73向隔板13的第一入口16供應(yīng)外界空氣。
然后，空氣經(jīng)由隔板13的第一通道14被供應(yīng)給膜電極組件12的陰極，氫氣則經(jīng)由隔板13的第二通道15供應(yīng)給膜電極組件12的陽極電極。這里，燃料和氫氣可經(jīng)由通道被燃料泵33抽吸。
當(dāng)氫氣和空氣被供應(yīng)給電能發(fā)生器11時(shí)，它通過氫氣和空氣之間的反應(yīng)產(chǎn)生了電和水以及一定的熱量。為了減小過熱對(duì)系統(tǒng)造成的損害，冷卻水泵53被啟動(dòng)，來自冷卻水箱51的冷卻水經(jīng)由第二供應(yīng)管75排放。同時(shí)，空氣供應(yīng)單元40啟動(dòng)了空氣泵41，并經(jīng)由第一供應(yīng)管73向隔板13的第一入口16供應(yīng)外界空氣。由于冷卻水與經(jīng)由第一供應(yīng)管73供應(yīng)的空氣經(jīng)過了熱交換，則冷卻水較其起始狀態(tài)可保持更低的溫度。
隨后，冷卻水經(jīng)由第二供應(yīng)管75供應(yīng)給第一和第二流動(dòng)通道61和62，在流經(jīng)第一和第二流動(dòng)通道61和62時(shí)，其減輕了氫氣和空氣流入隔板13的區(qū)域處的溫升，并且保持了隔板13的外圍區(qū)域的恒定溫度。這里，冷卻水可通過冷卻水泵53的泵供液量流過流動(dòng)通道部。
隨后，流經(jīng)第一和第二流動(dòng)通道61和62的冷卻水經(jīng)由第四供應(yīng)管85排放。這時(shí)，重整器20正在重整來自燃料供應(yīng)單元30的燃料以產(chǎn)生具有相對(duì)高溫的氫氣，并正在經(jīng)由第三供應(yīng)管83將氫氣供應(yīng)給隔板13的第二入口18。
所以，由于經(jīng)由第四供應(yīng)管85從第一和第二流動(dòng)通道61和62排放的冷卻水經(jīng)過了與來自第三供應(yīng)管83的氫氣的熱交換，排放的冷卻水通過與氫氣的熱交換保持繼續(xù)被加熱。被加熱的冷卻水經(jīng)由第四供應(yīng)管85被供應(yīng)給第三流動(dòng)通道63。這時(shí)，堆10經(jīng)由隔板13的第一出口17排放出含有水分的未反應(yīng)的空氣。即，由于與氫氣的熱交換而具有相對(duì)高溫的冷卻水當(dāng)流經(jīng)第三流動(dòng)通道63時(shí)加熱了未反應(yīng)的空氣的排放區(qū)域，使得由隔板13的第一出口17排放出的未反應(yīng)空氣中的水分能夠被蒸發(fā)而不會(huì)被冷凝，與傳統(tǒng)情形不同。
接著，流經(jīng)第三流動(dòng)通道63的冷卻水經(jīng)由第六供應(yīng)管95被排放。這時(shí)，燃料供應(yīng)單元30正在經(jīng)由第五供應(yīng)管93向重整器20供應(yīng)液態(tài)燃料。
也就是說，經(jīng)由第六供應(yīng)管95從第三流動(dòng)通道63排放出的冷卻水通過與燃料的熱交換預(yù)加熱經(jīng)由第五供應(yīng)管93供應(yīng)的燃料。這時(shí)，冷卻水可經(jīng)由一個(gè)特別通道被再次供應(yīng)給冷卻水箱51。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，通過為隔板的全部區(qū)域提供一個(gè)預(yù)定溫度梯度，就能夠防止膜電極組件由于產(chǎn)生電能時(shí)帶來的熱量對(duì)其造成損害。另外，通過將堆中排放出的未反應(yīng)的空氣中的水分冷凝，堆和重整器中產(chǎn)生的熱量可用作驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)所需的能源。所以，就能夠進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和熱效率。
由于省略了傳統(tǒng)的冷卻板，而且冷卻水流經(jīng)的流動(dòng)通道部位于隔板本身中，還可以減小整個(gè)系統(tǒng)的體積。
雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的示范性實(shí)施例，但本發(fā)明并不局限于這些示范性的實(shí)施例，而是可以做出各種形式的修改，而不脫離所附權(quán)利要求、本發(fā)明的詳細(xì)說明和附圖的范圍。所以，這樣的修改就自然屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括一堆，具有電能發(fā)生器；一重整器，將燃料轉(zhuǎn)化以產(chǎn)生氫氣；一燃料供應(yīng)單元，向所述重整器供應(yīng)所述燃料；一空氣供應(yīng)單元，向所述堆供應(yīng)空氣；一冷卻水供應(yīng)單元，向所述堆供應(yīng)冷卻水；和一流動(dòng)通道部，其形成在所述隔板中并且從所述冷卻水供應(yīng)單元供應(yīng)的冷卻水通過所述流動(dòng)通道部，其中所述電能發(fā)生器包括設(shè)置在膜電極組件的兩面的隔板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料供應(yīng)單元包括一燃料箱，與所述重整器連接并存儲(chǔ)含有氫的液態(tài)燃料；和一燃料泵，與所述燃料箱相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述空氣供應(yīng)單元包括與所述堆連接的一空氣泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述冷卻水供應(yīng)單元包括一冷卻水箱，與所述流動(dòng)通道部相連接并存儲(chǔ)冷卻水；和與所述冷卻水箱相連接的一冷卻水泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中允許所述空氣流入所述膜電極組件的第一通道被形成在所述隔板的一個(gè)表面上，以及允許所述氫氣流入所述膜電極組件的第二通道被形成在所述隔板的另一個(gè)表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述隔板包括第一入口，向所述第一通道供應(yīng)所述空氣；第一出口，排放出流經(jīng)所述第一通道時(shí)未反應(yīng)的空氣；第二入口，向所述第二通道供應(yīng)所述氫氣；以及第二出口，排放出流經(jīng)所述第二通道時(shí)未反應(yīng)的空氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)通道部包括第一流動(dòng)通道，形成在所述隔板上，對(duì)應(yīng)于所述氫氣和所述空氣供應(yīng)給所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域；和第二流動(dòng)通道，形成在所述隔板上，對(duì)應(yīng)于所述氫氣和所述空氣流入所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一流動(dòng)通道包括第一通孔，冷卻水流入該第一通孔；第二通孔，冷卻水從所述第二通孔流出；和第一凹槽，將所述第一通孔和所述第二通孔相互連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第二流動(dòng)通道包括第三通孔，冷卻水流入該第三通孔；第四通孔，冷卻水從所述第四通孔流出；和第二凹槽，將所述第三通孔和所述第四通孔相互連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)通道部進(jìn)一步包括第三流動(dòng)通道，形成在所述隔板上，對(duì)應(yīng)于所述氫氣和所述空氣從所述第一通道和所述第二通道流出的區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第三流動(dòng)通道包括第五通孔，流經(jīng)所述第一和第二流動(dòng)通道的冷卻水流入該第五通孔；第六通孔，冷卻水從該第六通孔流出；和第三凹槽，將所述第五通孔和所述第六通孔相互連接。
12.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有電能發(fā)生器的堆；轉(zhuǎn)化燃料以產(chǎn)生氫氣的重整器；向所述重整器供應(yīng)所述燃料的燃料供應(yīng)單元；向所述堆供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)單元；向所述堆供應(yīng)冷卻水的冷卻水供應(yīng)單元；流動(dòng)通道部，形成在所述隔板上，從所述冷卻水供應(yīng)單元供應(yīng)的冷卻水通過該流動(dòng)通道部；和第一熱交換器，與所述空氣供應(yīng)單元和所述堆相連接，還與所述冷卻水單供應(yīng)單元和所述流動(dòng)通道部相連接，其中所述電能發(fā)生器包括設(shè)置在所述膜電極組件的兩個(gè)表面的隔板。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中允許空氣流入所述膜電極組件的第一通道形成在所述隔板的一個(gè)表面上，以及其中允許氫氣流入所述膜電極組件的第二通道形成在所述隔板的另一個(gè)表面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)通道部包括形成在所述隔板上、對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣被供應(yīng)給所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域的第一流動(dòng)通道，和其中形成在所述隔板上、對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣流入所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域的第二流動(dòng)通道。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一熱交換器包括第一供應(yīng)管，與所述空氣供應(yīng)單元和所述隔板相連接并且向所述隔板供應(yīng)空氣；以及至少一個(gè)第二供應(yīng)管，與所述冷卻水供應(yīng)單元以及與所述第一供應(yīng)管接觸的所述第一和第二流動(dòng)通道相連接。
16.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有電能發(fā)生器的堆；轉(zhuǎn)化燃料以產(chǎn)生氫氣的重整器；向所述重整器供應(yīng)所述燃料的燃料供應(yīng)單元；向所述堆供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)單元；向所述堆供應(yīng)冷卻水的冷卻水供應(yīng)單元；流動(dòng)通道部，形成在所述隔板中，從所述冷卻水供應(yīng)單元供應(yīng)的冷卻水通過該流動(dòng)通道部；第一熱交換器，與所述空氣供應(yīng)單元和所述堆相連接，還與所述冷卻水單供應(yīng)單元和所述流動(dòng)通道部相連接；以及第二熱交換器，與所述重整器和所述堆連接，還與所述流動(dòng)通道部相連接，其中所述電能發(fā)生器包括設(shè)置在所述膜電極組件的兩個(gè)表面的隔板。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中允許空氣流入所述膜電極組件的第一通道形成在所述隔板的一個(gè)表面上，以及其中允許氫氣流入所述膜電極組件的第二通道形成在所述隔板的另一個(gè)表面上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流動(dòng)通道部包括形成在所述隔板上、對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣供應(yīng)給所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域的第一流動(dòng)通道，其中形成在所述隔板上、對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣流入所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域的第二流動(dòng)通道，和其中形成在所述隔板上、對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣從所述第一通道和所述第二通道流出的區(qū)域的第三流動(dòng)通道。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第二熱交換器包括第三供應(yīng)管，與所述重整器和所述隔板相連接，并且向所述隔板供應(yīng)氫氣，其中至少一個(gè)第四供應(yīng)管與所述第一、第二和第三流動(dòng)通道相連接并與所述第三供應(yīng)管接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步還包括第三熱交換器，與所述燃料供應(yīng)單元和所述重整器連接，還與所述流動(dòng)通道部相連接。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第三熱交換器包括第五供應(yīng)管，與所述燃料供應(yīng)單元和所述重整器相連接，并向所述重整器供應(yīng)燃料；以及至少一個(gè)第六供應(yīng)管，與所述第三流動(dòng)通道相連接并與所述第五供應(yīng)管接觸。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堆包括一高分子電解質(zhì)膜。
23.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堆包括一高分子電解質(zhì)膜。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述堆包括一高分子電解質(zhì)膜。
25.一種堆，包括一電能發(fā)生器，包括設(shè)置在所述膜電極組件的兩個(gè)表面的隔板，其中用于向所述膜電極組件供應(yīng)空氣的第一通道形成在所述隔板的一個(gè)表面上，其中用于向所述膜電極組件供應(yīng)氫氣的第二通道形成在所述隔板的另一個(gè)表面上，以及其中流過冷卻水的流動(dòng)通道部形成在所述隔板中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的堆，其中所述流動(dòng)通道部包括第一流動(dòng)通道，形成在所述隔板上，對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣供應(yīng)給所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域；以及第二流動(dòng)通道，形成在所述隔板上，對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣流入所述第一通道和所述第二通道的區(qū)域。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的堆，其中所述流動(dòng)通道部進(jìn)一步包括第三流動(dòng)通道，形成在所述隔板上，對(duì)應(yīng)于氫氣和空氣從所述第一和第二通道排出的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括具有電能發(fā)生器的堆的燃料電池系統(tǒng)，其包括設(shè)置在膜電極組件兩個(gè)表面的隔板，轉(zhuǎn)化燃料以產(chǎn)生氫氣并向堆供應(yīng)氫氣的重整器，向重整器供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)單元，向堆供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)單元，向堆供應(yīng)冷卻水的冷卻水供應(yīng)單元，以及形成在隔板上、并且流過來自冷卻水供應(yīng)單元的冷卻水的流動(dòng)通道部。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1658421SQ20051005424
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月30日
發(fā)明者李東勛, 權(quán)鎬真, 金周龍 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社