專利名稱：具有改進(jìn)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)，更具體而言，涉及一種具有改進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)的堆體以及包括該堆體的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種通過(guò)氫氧之間的電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)反應(yīng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電系統(tǒng)。氫通常包含在比如甲醇、乙醇或天然氣的碳?xì)洳牧现?，氧可以?lái)自空氣或氧箱(oxygen tank)。
燃料電池在不燃燒的情形下通過(guò)燃料和氧化劑之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，同時(shí)還產(chǎn)生作為副產(chǎn)品的熱。
最近開(kāi)發(fā)的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)具有優(yōu)異的輸出特性、低的工作溫度以及快速的啟動(dòng)和響應(yīng)特性。PEMFC包括作為燃料電池主體的堆體、燃料箱、以及將燃料從燃料箱供應(yīng)到堆體的燃料泵。PEMFC還可以包括重整器，其用于將燃料重整來(lái)產(chǎn)生氫以及將氫供應(yīng)到堆體。
在PEMFC中，存儲(chǔ)在燃料箱中的燃料通過(guò)燃料泵供應(yīng)到重整器。重整器重整燃料并產(chǎn)生氫。堆體通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
在燃料電池系統(tǒng)中，產(chǎn)生電能的堆體是由幾個(gè)到幾十個(gè)單元電池構(gòu)成的，每個(gè)單元電池都具有膜電極組件(MEA)和隔板。在本領(lǐng)域中，隔板也稱為雙極板。單元電池是堆體的發(fā)電體(electricity generator)。
MEA具有附著到電解質(zhì)膜的表面的陽(yáng)極和陰極。隔板充當(dāng)通道，通過(guò)該通道電化學(xué)反應(yīng)所需的氫和氧被供應(yīng)至MEA的陽(yáng)極和陰極。此外，隔板充當(dāng)串聯(lián)耦合相鄰MEA的陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)體。
通過(guò)隔板，含氫燃料被供應(yīng)至陽(yáng)極，并且氧或含氧的空氣被供應(yīng)至陰極。在陽(yáng)極發(fā)生燃料氣體的電化學(xué)氧化，在陰極發(fā)生氧的電化學(xué)還原，這樣產(chǎn)生了電子流。從該電子流產(chǎn)生電、熱和水。
燃料電池系統(tǒng)中的堆體必須維持在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?，以確保電解質(zhì)膜的穩(wěn)定性并防止電解質(zhì)膜的性能惡化。為此，堆體具有冷卻通道(coolingchannel)。流過(guò)冷卻通道的諸如水或空氣的低溫冷卻劑可以冷卻變熱的堆體。
在傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)中，冷卻劑或冷卻通道與MEA之間的接觸面積有限。所以，從MEA傳遞到冷卻劑的熱有限，堆體的冷卻效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種燃料電池堆體，其通過(guò)冷卻通道改進(jìn)的結(jié)構(gòu)提高了冷卻效率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種燃料電池堆體，其包括至少一個(gè)用于通過(guò)氫氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電體，以及用于容納冷卻發(fā)電體的冷卻劑的冷卻通道，其中冷卻通道包括多個(gè)主通道；以及從至少一個(gè)主通道分出并將主通道耦合在一起的分支通道。
在一個(gè)實(shí)施例中，主通道可以彼此平行，分支通道可以垂直于主通道。
在另一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)電體可以包括MEA，以及位于MEA兩側(cè)的隔板，并且冷卻通道可以形成在隔板中。
由主通道和分支通道界定的突起可以具有矩形或三角形形狀，或者可以是比如菱形的平行四邊形的形狀，或者可以是這些形狀的組合。
在其它實(shí)施例中，堆體可以包括多個(gè)發(fā)電體，其中冷卻通道是通過(guò)組合相對(duì)的隔板而形成的。MEA可以附著在形成了冷卻通道的被組合的相對(duì)隔板的一側(cè)上。堆體可以包括多個(gè)發(fā)電體，其中冷卻通道形成在位于發(fā)電體之間的冷卻板中。
由主通道和分支通道界定的立柱可以具有矩形、平行四邊形、三角形，或者是這些形狀的組合的形狀。
在又一實(shí)施例中，給出了一種在燃料電池系統(tǒng)中使用的堆體，所述堆體包括膜電極組件；在相鄰的膜電極組件之間成對(duì)相對(duì)設(shè)置的隔板；主通道，其在成對(duì)的相對(duì)隔板之間沿第一方向形成；分支通道，其在成對(duì)的相對(duì)隔板之間沿與第一方向相交的第二方向形成，并且將主通道連接在一起；入口，其形成在每一對(duì)相對(duì)的隔板中并連接到在成對(duì)的相對(duì)隔板之間形成的主通道；出口，其形成在每一對(duì)相對(duì)的隔板中并連接到在成對(duì)的相對(duì)隔板之間形成的主通道；其中，每一對(duì)相對(duì)的隔板的主通道和分支通道用于接收冷卻流體，該冷卻流體經(jīng)入口注入并流出出口。主通道和分支通道相交形成通道網(wǎng)格，在其間具有實(shí)心的突起，并且該突起的形狀選自矩形、三角形、平行四邊形、圓形或其組合構(gòu)成的組。
一個(gè)實(shí)施例給出了在燃料電池系統(tǒng)中使用的堆體，該堆體包括單元電池，每個(gè)單元電池具有位于兩個(gè)隔板之間的膜電極組件，這兩個(gè)隔板在兩側(cè)與膜電極組件接觸；冷卻板，位于相鄰單元電池之間；主通道，在冷卻板中沿第一方向形成；分支通道，在冷卻板中沿與第一方向相交的第二方向形成并將主通道連接在一起；入口，形成在一個(gè)冷卻板中并連接到形成在該冷卻板中的主通道；出口，形成在每個(gè)冷卻板中并連接到形成在該冷卻板中的主通道；其中，每個(gè)冷卻板的主通道和分支通道用于接收冷卻流體，該冷卻流體經(jīng)入口注入并流出出口。主通道和分支通道相交形成通道網(wǎng)格，在其間具有實(shí)心的立柱，并且該立柱的形狀選自矩形、三角形、平行四邊形、圓形或其組合構(gòu)成的組。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，網(wǎng)格狀的冷卻通道形成在燃料電池堆體的隔板或冷卻板中，從而增大了冷卻劑與隔板或冷卻板之間的接觸面積。這些冷卻通道改善了冷卻劑的熱傳輸效率和堆體的冷卻效率。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的堆體的分解透視圖；圖3示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的第一改進(jìn)實(shí)例；圖4示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的第二改進(jìn)實(shí)例；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的堆體的分解透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的冷卻板的平面視圖；圖7示出了本發(fā)明第二實(shí)施例的第一改進(jìn)實(shí)例；圖8示出了本發(fā)明第二實(shí)施例的第二改進(jìn)實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100的框圖。燃料電池系統(tǒng)100可以應(yīng)用PEMFC，產(chǎn)生氫并且通過(guò)所產(chǎn)生的氫與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。
用于燃料電池系統(tǒng)100的燃料可以包括液態(tài)或氣態(tài)的含氫燃料，比如甲醇、乙醇或天然氣。為方便說(shuō)明，在下面的描述中所使用的燃料是液態(tài)燃料。對(duì)于與氫反應(yīng)所用的氧化劑，燃料電池系統(tǒng)100可以利用含氧的空氣或存儲(chǔ)在附加存儲(chǔ)裝置中的純氧。在下面的描述中，使用空氣作為氧化劑。
圖1的燃料電池系統(tǒng)100包括重整器18，其用于重整含氫燃料來(lái)產(chǎn)生氫；堆體16，其通過(guò)氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供應(yīng)單元10，其將燃料供應(yīng)到重整器18；以及空氣供應(yīng)單元12，其將空氣供應(yīng)到堆體16。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100還可以應(yīng)用直接氧化燃料電池配置，以通過(guò)將含氫液態(tài)燃料直接供應(yīng)至堆體16來(lái)產(chǎn)生電能。與PEMFC不同，直接氧化燃料電池不包括重整器18。盡管本發(fā)明可以包括直接氧化配置和PEMFC配置，但是下面所述的燃料電池系統(tǒng)100使用的是PEMFC配置。
堆體16耦合至重整器18和氧供應(yīng)單元12。堆體16接收來(lái)自重整器18的被重整的氣體和來(lái)自氧供應(yīng)單元12的空氣，并且通過(guò)氫與空氣中所含的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。
燃料供應(yīng)單元10包括存儲(chǔ)燃料的燃料箱22以及耦合到燃料箱22的燃料泵24，燃料泵24將存儲(chǔ)在燃料箱中的燃料排出到重整器18。氧供應(yīng)單元12包括吸取空氣并將空氣供應(yīng)到堆體16的空氣泵26。
重整器18通過(guò)使用熱能的化學(xué)催化反應(yīng)從燃料產(chǎn)生重整氣體，并降低包含在重整氣體中的一氧化碳的濃度。重整器18用來(lái)從燃料產(chǎn)生重整氣體的催化反應(yīng)可以是蒸汽重整反應(yīng)、部分氧化反應(yīng)或自熱反應(yīng)(auto-thermalreaction)。重整器1 8通過(guò)水煤氣轉(zhuǎn)換(WGS)反應(yīng)、優(yōu)先氧化(PROX)反應(yīng)或使用分離膜的氫的提純反應(yīng)(purification reaction)來(lái)降低包含在重整氣體中的一氧化碳的濃度。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的堆體16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。在每個(gè)發(fā)電體30中，隔板34、34’設(shè)置為與MEA 32的兩個(gè)表面緊密接觸。堆體16通過(guò)依次堆疊多個(gè)發(fā)電體30來(lái)構(gòu)建。
陽(yáng)極位于MEA 32的一側(cè)，陰極位于MEA 32的另一側(cè)。MEA 32在陽(yáng)極和陰極之間具有電解質(zhì)膜。
陽(yáng)極通過(guò)隔板34接收重整氣體。陽(yáng)極是由催化劑層和氣體擴(kuò)散層構(gòu)建的，催化劑層用于將重整氣體分解為電子和氫離子，而氣體擴(kuò)散層則用于促進(jìn)電子和重整氣體的移動(dòng)。
陰極通過(guò)隔板34’接收空氣。陰極是用催化劑層構(gòu)建的，該催化劑層用于在電子、氫離子和空氣中所含的氧之間產(chǎn)生反應(yīng)以產(chǎn)生水。陰極還包括氣體擴(kuò)散層，其用于促進(jìn)氧的移動(dòng)。
電解質(zhì)膜是由厚度為50μm到200μm的固態(tài)聚合物電解質(zhì)制成的。該電解質(zhì)膜具有離子交換功能，以將陽(yáng)極的催化劑層所產(chǎn)生的氫離子移動(dòng)到陰極的催化劑層。
靠近MEA 32兩側(cè)設(shè)置的隔板34、34’將重整氣體和空氣供應(yīng)到MEA 32、陽(yáng)極和陰極。此外，隔板34、34’充當(dāng)串聯(lián)耦合堆體16中的多個(gè)MEA 32的陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)體。
在燃料電池系統(tǒng)100的工作期間，在發(fā)電體30中所發(fā)生的還原反應(yīng)產(chǎn)生熱能。因?yàn)闊崮苁筂EA 32變干，所以使堆體16的性能劣化。因此，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100包括冷卻結(jié)構(gòu)，以在堆體16內(nèi)循環(huán)冷卻劑以冷卻變熱的發(fā)電體30。
燃料電池系統(tǒng)100包括冷卻劑供應(yīng)單元14(圖1)，以將冷卻劑供應(yīng)到堆體16內(nèi)部。堆體16包括在發(fā)電體30中的冷卻通道36，以允許自冷卻劑供應(yīng)單元14供應(yīng)的冷卻劑流經(jīng)發(fā)電體30。
冷卻劑供應(yīng)單元14包括冷卻劑泵28，以汲取并將冷卻劑供應(yīng)至堆體16。冷卻劑泵28耦合至堆體16中的冷卻通道36，以將冷卻劑供應(yīng)至發(fā)電體30。在本發(fā)明中，冷卻劑可以是冷卻水或冷卻氣體。但是，因?yàn)榭諝庖子讷@得且空氣的溫度通常低于工作時(shí)堆體16的內(nèi)部溫度，所以下面的描述假定空氣作為冷卻劑。
在所示出的實(shí)施例中，具有冷卻劑泵28的冷卻劑供應(yīng)單元14用于將冷卻劑供應(yīng)至堆體16?？蛇x擇地，通過(guò)自然對(duì)流且無(wú)需任何冷卻劑供應(yīng)單元14來(lái)將冷卻空氣供應(yīng)至冷卻通道36。
每個(gè)冷卻通道36是一通路，用于使從冷卻劑供應(yīng)單元14供應(yīng)的冷卻劑流到發(fā)電體30以冷卻變熱的發(fā)電體30。冷卻通道36可以具有各種形狀，并且可以位于堆體16中的各個(gè)位置。在圖2所示的堆體16中，冷卻通道36形成在隔板34、34’中。
通過(guò)將位于隔板34表面上的一個(gè)通道36a與位于相對(duì)的隔板34’表面上的另一個(gè)通道36b組合來(lái)形成冷卻通道36。MEA 32附著在形成冷卻通道36的組合隔板34、34’的一側(cè)，使得包括活性區(qū)域(active regions)32a和非活性區(qū)域(inactive regions)32b的MEA 32的整個(gè)表面得以冷卻。
根據(jù)第一實(shí)施例，冷卻通道36包括多個(gè)主通道37和至少一個(gè)分支通道39。如圖2所示，主通道37沿著隔板34、34’的豎直方向延伸(圖中的Y方向)。分支通道39從至少一個(gè)主通道37分出，并將主通道37耦合在一起。
主通道37彼此平行設(shè)置，并且可以沿著隔板34的豎直方向延伸。在主通道37之間的間隔可以變化。從冷卻劑供應(yīng)單元14供應(yīng)的冷卻劑被注入到主通道37的一端中，然后從主通道的另一端排出。
分支通道39沿著垂直于主通道37的方向延伸。每個(gè)分支通道39的兩端都耦合至主通道37。于是，第一實(shí)施例的冷卻通道36呈網(wǎng)格狀，主通道37和分支通道39相交叉構(gòu)成了網(wǎng)格。此外，由主通道37和分支通道39限定的突起40呈矩形。
雖然在圖2所示的實(shí)施例中，主通道37沿著豎直(Y)方向彼此平行延伸，分支通道39沿著水平(X)方向彼此平行延伸，但是本發(fā)明的冷卻通道36并不限于此?？蛇x擇地，主通道37可以沿著水平(X)方向延伸，分支通道39可以沿著豎直(Y)方向延伸。在第一實(shí)施例中，主通道37和分支通道39只需要相互垂直以形成網(wǎng)格。而且，在矩形堆體中，主通道37和分支通道39沿著矩形MEA 32的邊延伸。另外，主通道37和分支通道39的路徑是可互換的。
在堆體16的工作期間，在發(fā)電體30中作為電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)品所產(chǎn)生的熱能傳遞到隔板34、34’，加熱了隔板34、34’。從冷卻劑供應(yīng)單元14供應(yīng)的冷卻劑流經(jīng)冷卻通道36，使得已變熱的隔板34、34’被冷卻劑冷卻。冷卻劑在網(wǎng)格狀冷卻通道36中從主通道37分散到分支通道39中。于是，冷卻劑和隔板34、34’之間的接觸面積增加，并且冷卻劑和隔板34、34’之間的熱交換速率得以改善。
圖3和圖4示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的第一和第二改進(jìn)實(shí)例。在圖3所示的第一改進(jìn)實(shí)例中，由主通道41和分支通道43界定的突起35具有平行四邊形形狀。在圖4所示的第二改進(jìn)實(shí)例中，由主通道41和分支通道43界定的突起42具有三角形形狀。
在第一實(shí)施例的第一和第二改進(jìn)實(shí)例中，冷卻通道36通過(guò)主通道41和分支通道43形成，但是由主通道和分支通道界定的突起35、42卻不限于所示出的形狀。該突起可以具有各種形狀。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的堆體16’的分解透視圖。根據(jù)第二實(shí)施例的堆體16’包括位于相鄰發(fā)電體30’之間的附加冷卻板38。在冷卻板38中形成冷卻通道36’。位于相鄰發(fā)電體30’的隔板31、31’之間的冷卻板38起到熱釋放板的功能，用于釋放在發(fā)電體30’的工作期間從隔板31、31’傳送的熱能。冷卻板38還提高了冷卻MEA 32的冷卻效率。冷卻板38可以由諸如鋁、銅或鐵的導(dǎo)熱材料制成。
冷卻通道36’由多個(gè)位于冷卻板38內(nèi)的通道構(gòu)建而成。冷卻通道36’可以沿著冷卻板38的一個(gè)方向延伸(在圖中是X方向)。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的冷卻板38的平面視圖。第二實(shí)施例的冷卻通道36’也是由位于冷卻板38中的主通道45和分支通道47組合來(lái)形成的。因?yàn)槔鋮s通道36’的構(gòu)成和操作類似于第一實(shí)施例的冷卻通道36，因此對(duì)它們的詳細(xì)說(shuō)明就此省略了。
圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例的第一改進(jìn)實(shí)例，而圖8是第二改進(jìn)實(shí)例。在第二實(shí)施例的第一和第二改進(jìn)實(shí)例中，由主通道45和分支通道47界定的立柱49可以是矩形或平行四邊形的(圖7)，或者是三角形的(圖8)。本發(fā)明的立柱也可以是圓形的，或具有其它各種形狀。
本發(fā)明不限于所述的示例性實(shí)施例和改進(jìn)實(shí)例。相反，本發(fā)明包括各種形式和改進(jìn)，并且它們不背離本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明、附圖和所附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆體，該堆體具有至少一個(gè)用于通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電體以及用于容納冷卻所述發(fā)電體的冷卻劑的冷卻通道，所述冷卻通道包括多個(gè)主通道；以及從至少一個(gè)所述主通道分出并將所述主通道耦合在一起的至少一個(gè)分支通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆體，其中，所述主通道彼此平行設(shè)置，所述至少一個(gè)分支通道垂直于所述主通道設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆體，其中，所述發(fā)電體包括具有兩個(gè)側(cè)面的膜電極組件；以及位于所述膜電極組件兩側(cè)的隔板，其中，所述冷卻通道形成于所述隔板中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池堆體，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了矩形形狀的突起。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池堆體，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了平行四邊形形狀的突起。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池堆體，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了三角形形狀的突起。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池堆體，其中，所述堆體包括多個(gè)所述發(fā)電體，其中，在兩個(gè)相鄰膜電極組件之間的所述隔板彼此相對(duì)設(shè)置，并且其中，所述冷卻通道是通過(guò)組合所述相對(duì)的隔板而形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池堆體，其中，所述膜電極組件附著在所述被組合的相對(duì)隔板的一側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池堆體，其中，所述堆體包括多個(gè)所述發(fā)電體，其中，所述堆體還包括位于所述發(fā)電體之間的冷卻板，并且其中所述冷卻通道形成于所述冷卻板中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池堆體，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了矩形形狀的立柱。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池堆體，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了平行四邊形形狀的立柱。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池堆體，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了三角形形狀的立柱。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃料電池堆體的冷卻系統(tǒng)。該燃料電池堆體包括通過(guò)氫氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電體以及在發(fā)電體之間的隔板。在發(fā)電體之間也可以包含有冷卻板。在隔板或冷卻板中形成冷卻通道，冷卻通道包括主通道和將主通道耦合在一起的分支通道。主通道和分支通道相交形成了網(wǎng)格狀區(qū)域，在其間具有呈矩形、三角形、圓形、類似平行四邊形的形狀、或形成為這些形狀的組合的立柱。冷卻通道增大了冷卻劑與隔板或冷卻板之間的接觸面積，因此改善了堆體的冷卻效率。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1744363SQ20051009961
公開(kāi)日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月30日
發(fā)明者徐東明, 權(quán)鎬真 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社