專利名稱：燃料電池堆疊及燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，更具體地，涉及堆疊的均勻冷卻的可靠性被改善的燃
料電池堆疊和燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是利用從外部持續(xù)供應(yīng)的燃料(例如，氫氣或者重整氣)和氧化劑(例 如，氧氣或空氣)而電化學(xué)地產(chǎn)生電力的裝置。通過電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池直接將燃料和氧 化劑轉(zhuǎn)化成電能。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，燃料電池堆疊提供了被均勻冷卻的燃料電池堆疊結(jié)構(gòu)。 在另一個方面，燃料電池系統(tǒng)包括具有均勻冷卻結(jié)構(gòu)的燃料電池堆疊。 在另一個方面，燃料電池堆疊包括發(fā)電單元和設(shè)置在燃料電池堆疊的至少一部分
上的調(diào)節(jié)構(gòu)件。在一些實施例中，發(fā)電單元包括設(shè)置在兩個隔板層之間的膜電極組件并且
發(fā)電單元構(gòu)造為引起燃料和氧化劑的氧化還原反應(yīng)。 在另一個方面，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆疊；連接到燃料電池堆疊的 燃料供應(yīng)裝置(fuel supplier);連接到燃料電池堆疊的氧化劑供應(yīng)裝置(oxidizer su卯lier);設(shè)置在燃料電池堆疊的至少一部分上調(diào)節(jié)構(gòu)件(regulation member);以及發(fā) 電單元。在一些實施例中，發(fā)電單元包括設(shè)置在至少兩個隔板層之間的膜電極組件。
在一些實施例中，兩個隔板層中的至少一個構(gòu)造為經(jīng)由其供應(yīng)氫氣。在一些實施 例中，通道構(gòu)件包括導(dǎo)熱材料。在一些實施例中，導(dǎo)熱材料從由鋁、銅和鋼構(gòu)成的組中選擇。 在一些實施例中，導(dǎo)熱粘結(jié)層設(shè)置在通道構(gòu)件層和兩個隔板層中的至少一個之間。在一些 實施例中，在至少兩個隔板層的相對表面上的凹槽組合以形成冷卻通道。在一些實施例中， 通道構(gòu)件層和發(fā)電單元設(shè)置在兩個端板之間。 一些實施例還包括設(shè)置在燃料電池堆疊的至 少一部分上的調(diào)節(jié)構(gòu)件。在一些實施例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件包括多孔材料，該多孔材料構(gòu)造為使在 形成于燃料電池堆疊中的冷卻通道中流動的冷卻劑分散開。 在一些實施例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件設(shè)置為與冷卻通道相鄰，并與冷卻通道的入口端流體 連通(in fluid communication)。在一些實施例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件包括多孔陶瓷材料和/或多 孔聚合物材料。在一些實施例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件包括厚層部分、過渡層部分和薄層部分。在一些 實施例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件包括在厚度上逐漸減小(taper)到薄層部分的厚層部分。在一些實施 例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件包括高密度部分和低密度部分，其中該高密度部分包括的孔比該低密度部 分多。 在一些實施例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件包括具有第一孔的第一部分和具有第二孔的第二部 分，其中第一孔的直徑大于第二孔的直徑。在一些實施例中，調(diào)節(jié)構(gòu)件包括多個堆疊層。在 一些實施例中，在多個層中的最上面的第一層中的孔暴露下面的第二層。在一些實施例中， 第二層中的孔暴露第三層。在一些實施例中，孔是圓形的、橢圓形的或者多邊形的。 一些實施例還包括鼓風(fēng)機(blower)，該鼓風(fēng)機設(shè)置為與冷卻通道相鄰并構(gòu)造為從冷卻通道抽取冷 卻劑。在一些實施例中，鼓風(fēng)機設(shè)置在燃料電池堆疊上且與調(diào)節(jié)構(gòu)件相對。在一些實施例 中，調(diào)節(jié)構(gòu)件由多孔材料制成，該多孔材料被構(gòu)造為使流動于燃料電池堆疊的冷卻通道中 的冷卻劑分散開。


根據(jù)所述一些實施例的裝置可以具有幾個方面，其中的任何一個都不一定能獨立
地承擔(dān)裝置所期望的屬性。在考慮該討論之后，尤其是在閱讀標(biāo)題為"具體發(fā)明實施例的詳 細(xì)描述"的部分之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的特征如何提供包括制作和使用燃料 電池堆疊及采用該燃料電池堆疊的燃料電池系統(tǒng)的能力的優(yōu)點。 圖1是示出根據(jù)本公開第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的整個構(gòu)造的示意圖；
圖2是示出圖1所示的燃料電池堆疊的一部分的分解透視圖； 圖3是示出根據(jù)本公開第一示范性實施例的修改的燃料電池堆疊的分解透視圖； 圖4是示出根據(jù)本公開第一示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖； 圖5是示出根據(jù)本公開第二示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖； 圖6是示出根據(jù)本公開第三示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖； 圖7是示出根據(jù)本公開第四示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖； 圖8是示出根據(jù)本公開第五示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖； 圖9是示出根據(jù)本公開第六示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖； 圖10A是示出從常規(guī)燃料電池堆疊測量的溫度的圖線； 圖10B是示出從包括多孔調(diào)節(jié)構(gòu)件的燃料電池堆疊測量的溫度的圖線。
具體實施例方式
在下文，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實施例，使本領(lǐng)域技術(shù)人員可以易 于實施。然而，本發(fā)明可以以各種不同的方式來實現(xiàn)，而不限于如下描述的示范性實施例。
如上所述，燃料電池是利用從外部持續(xù)供應(yīng)的燃料(例如，氫氣或者重整氣)和氧 化劑(例如，氧氣或空氣)而電化學(xué)地產(chǎn)生電力的裝置。通過電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池直接將 燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化成電能。 純氧氣或者富氧空氣(例如，包含大量氧氣的空氣)可以用作燃料電池的氧化劑。 純氫氣或者富氫燃料(例如，包含大量氫的燃料)可以用作燃料。富氫燃料可以是通過重 整碳?xì)浠衔锶剂?例如，液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)和CH30H)而產(chǎn)生的燃料。
例如，燃料電池分為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池 (DMFC)，在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中，氧氣與從燃料重整得到的富氫重整氣反應(yīng)；在直接 甲醇燃料電池中，氧氣與燃料直接反應(yīng)。 燃料電池系統(tǒng)包括用于發(fā)電的燃料電池堆疊。燃料電池堆疊可以包括串聯(lián)(in serial order)布置的多個單元電池(unit cell)。有時燃料電池堆疊可以具有串聯(lián)布置 的許多個單元電池。在一些實施例中，單元電池包括膜電極組件(MEA)和隔板，其或者被稱 為雙極板。隔板可以包括氫氣通道和氧氣通道。氫氣通道和氧氣通道可以向MEA提供燃料 電池中的反應(yīng)所需的氫氣和氧氣。
由于氫氣和氧氣的氧化還原反應(yīng)，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生一定溫度的熱量。燃料電池 堆疊應(yīng)當(dāng)保持在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟葍?nèi)，以確保電解質(zhì)膜的穩(wěn)定性并防止性能退化。因此，燃料 電池堆疊在其內(nèi)部可以具有冷卻通道。從而，通過使低溫空氣或者冷卻劑經(jīng)由冷卻通道流 動，從燃料電池堆疊內(nèi)部產(chǎn)生的熱可以被冷卻下來。 由于不能在多個單元電池中均勻地供應(yīng)空氣，所以常規(guī)燃料電池系統(tǒng)會具有由非 均勻的燃料電池堆疊溫度而引起的問題。當(dāng)堆疊的溫度不均勻時，僅堆疊的某些部分可以 發(fā)生顯著的損耗，從而使整個輸出功率退化。 然而，即使當(dāng)空氣均勻地供應(yīng)到燃料電池堆疊時，也會在堆疊內(nèi)部形成溫度梯度， 這是由于堆疊內(nèi)產(chǎn)生的熱量的不均勻性。換句話說，取決于結(jié)構(gòu)和堆疊的堆疊構(gòu)造，較多的 熱量會產(chǎn)生在燃料電池堆疊的不同部分中(例如，在燃料電池堆疊的中央或者各側(cè))。這 樣，如果在堆疊內(nèi)形成溫度梯度，僅堆疊的某些部分發(fā)生損耗，從而使燃料電池系統(tǒng)的性能 退化。 圖1是根據(jù)第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的整個構(gòu)造的示意圖。參照圖l，根 據(jù)第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)100是直接氧化燃料電池(D0FC)，其通過液體或氣體 燃料與氧氣的直接反應(yīng)來產(chǎn)生電能。 然而，第一實施例不限于以上所述，可以采用例如聚合物電解質(zhì)膜燃料電池 (PEMFC)，其通過重整燃料產(chǎn)生氫氣然后通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
用于燃料電池系統(tǒng)100的燃料可以涵蓋液態(tài)或氣態(tài)的碳?xì)淙剂?，例如甲醇、乙?或天然氣、液化石油氣(LPG)、汽油以及丁烷氣體。燃料電池系統(tǒng)100可以采用空氣或者可 以采用存儲在分離的存儲裝置的氧氣，以作為與氫氣反應(yīng)的氧化劑。燃料電池系統(tǒng)100包 括燃料電池堆疊150，利用燃料和氧化劑來產(chǎn)生電力；燃料供應(yīng)裝置IIO，將燃料供應(yīng)到燃 料電池堆疊150 ;以及氧化劑供應(yīng)裝置120，將氧化劑供應(yīng)到燃料電池堆疊，從而發(fā)電。
燃料電池系統(tǒng)100還可以包括重整器，該重整器設(shè)置在燃料供應(yīng)裝置110和燃料 電池堆疊150之間，并可以在將燃料重整為富氫的重整氣之后再將燃料供應(yīng)到燃料電池堆 疊。燃料供應(yīng)裝置110包括燃料箱112，存儲液態(tài)或氣態(tài)燃料；以及燃料泵114，連接到燃 料箱112。燃料泵114可以通過預(yù)定的泵浦功率將存儲在燃料箱112中的燃料從內(nèi)部排出。 氧化劑供應(yīng)裝置120連接到燃料電池堆疊150并具有氧化劑泵，氧化劑泵可以通過預(yù)定的 泵浦功率來從燃料電池堆疊150的外部吸入空氣并將空氣供應(yīng)給燃料電池堆疊150。這里， 控制閥控制可能提供在燃料電池堆疊150和氧化劑供應(yīng)裝置120之間的氧化劑的量。
圖2是圖l所示的燃料電池堆疊的一部分的分解透視圖。參照圖l和圖2，用于燃 料電池系統(tǒng)100中的燃料電池堆疊150包括多個發(fā)電單元10，該多個發(fā)電單元10通過引起 燃料和氧化劑的氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能。 發(fā)電單元10是產(chǎn)生電的單元電池，每個發(fā)電單元可以包括膜電極組件(MEA)15， 氧化燃料中的氫并還原氧化劑中的氧；以及隔板12和13，用于將燃料和氧化劑供應(yīng)給MEA。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，隔板12和13還可以被稱為雙極板。 在發(fā)電單元10中，隔板12和13分別設(shè)置在MEA15的任一側(cè)。MEA 15包括位于中
央的電解質(zhì)膜、設(shè)置在電解質(zhì)膜一側(cè)的陰極以及設(shè)置在電解質(zhì)膜相反側(cè)的陽極。 陽極通過隔板12而被供應(yīng)有氫氣，并包括通過氧化反應(yīng)而將氫氣轉(zhuǎn)換成電子和
質(zhì)子的催化劑層以及使電子和質(zhì)子平滑移動的氣體擴散層(GDL)。陰極通過隔板13而被供應(yīng)有空氣，并包括通過還原反應(yīng)而將氧氣轉(zhuǎn)換成電子和氧離子的催化劑層以及使電子和氧 離子平滑移動的GDL。電解質(zhì)膜可以是厚度為50-200 ym的固態(tài)聚合物電解質(zhì)，其具有將在
陽極的催化劑層處產(chǎn)生的氫離子移動到陰極的催化劑層的離子交換功能。
隔板12和13用作將膜電極組件的15的陽極與陰極串聯(lián)連接的導(dǎo)體。隔板12和 13還用作將MEA 15的氧化還原反應(yīng)所需的燃料和空氣供應(yīng)到陽極和陰極的通路。為此目 的，供應(yīng)MEA 15的氧化還原反應(yīng)所需的反應(yīng)氣體的通路通道(pathway channel)形成在隔 板12和13的表面上。 在燃料電池系統(tǒng)100中，多個發(fā)電單元10串聯(lián)布置，以構(gòu)成燃料電池堆疊150。端 板(end plate) 27設(shè)置在燃料電池堆疊150的外部，用于支撐。 當(dāng)使燃料電池系統(tǒng)100工作時，熱量伴隨氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)而從燃料電池堆 疊150產(chǎn)生。如圖2所示，具有冷卻通道的通道構(gòu)件30設(shè)置在發(fā)電單元10之間，冷卻劑可 以流過該冷卻通道。通道構(gòu)件30可以如本實施例設(shè)置在每個發(fā)電單元10之間，或者可選 地，可以設(shè)置在兩個或三個發(fā)電單元10的組之間。 通道構(gòu)件30設(shè)置為緊鄰與隔板12和13的形成有通路通道的表面相反的表面。 通道構(gòu)件30可以由導(dǎo)熱材料例如鋁、銅或者鋼制成，使得可以容易地傳輸從發(fā)電單元10產(chǎn) 生的熱。此外，導(dǎo)熱粘合層(在附圖中未示出)可以設(shè)置在通道構(gòu)件30與隔板12和13之 間，從而易于傳導(dǎo)熱。 圖3是示出根據(jù)第一示范性實施例的變型的燃料電池堆疊的分解透視圖。如圖3
所示，冷卻通道18可以通過組裝形成在隔板16和17的表面上的溝槽16a和17a而形成。
如果溝槽16a和17a形成在隔板16和17的朝向膜電極組件15的表面及相對表面上，則冷
卻通道18可以形成在隔板16和17之間，而相鄰的發(fā)電單元10'設(shè)置為彼此接觸。 圖4是示出根據(jù)第一示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖。 參照圖！和圖4，燃料電池堆疊150包括鼓風(fēng)機23，耦接到冷卻通道35的一端；
以及調(diào)節(jié)構(gòu)件40，耦接到冷卻通道35的另一端。鼓風(fēng)機23具有鼓風(fēng)扇(blowing fan) 24
并設(shè)置為與冷卻通道35相鄰且與冷卻通道35的出口端連通，以抽取冷卻通道中的冷卻齊U。 調(diào)節(jié)構(gòu)件40由多孔材料制成，并設(shè)置為在堆疊的上端處與冷卻通道35相鄰。調(diào)
節(jié)構(gòu)件40與冷卻通道35的入口端流體連通。調(diào)節(jié)構(gòu)件40可以基本上形成為板狀，并可以
局部地或者完全地覆蓋層疊的發(fā)電單元10和通道構(gòu)件30。調(diào)節(jié)構(gòu)件40可以由各種材料例
如多孔陶瓷或多孔聚合物形成，并且其上表面可以通過孔與下表面連通。 盡管本實施例示出鼓風(fēng)機23位于下端而調(diào)節(jié)構(gòu)件40位于上端，但是本公開不限
于這樣的設(shè)置，鼓風(fēng)機23可以位于上端。此外，鼓風(fēng)機23和調(diào)節(jié)構(gòu)件40 二者可以一起設(shè)
置在冷卻通道的入口端側(cè)。 如果多孔調(diào)節(jié)構(gòu)件40構(gòu)造為與冷卻通道35的入口端連通(如本實施例)，則流入 的冷卻劑可以通過均勻分散而分布在每個冷卻通道35中。如果沒有調(diào)節(jié)構(gòu)件40，冷卻劑將 更易于流動到壓力較高的位置。然而，如果采用調(diào)節(jié)構(gòu)件40，可以分散由鼓風(fēng)機23施加的 壓力，使得均勻量的冷卻劑可以流入每個冷卻通道35中，因為在冷卻劑流入的時候冷卻劑 會由于受阻而分叉。 此外，調(diào)節(jié)構(gòu)件40可以形成為具有變化的厚度。例如，調(diào)節(jié)構(gòu)件40具有厚層部分 41、薄層部分45和過渡層部分42，薄層部分45比厚層部分41薄，而過渡層部分42的厚度
7在厚層部分41與薄層部分45之間逐漸減小。 厚層部分41沿堆疊燃料電池堆疊150的方向設(shè)置在兩側(cè)，薄層部分45設(shè)置在成 對的厚層部分41之間的中央處。此外，過渡層部分42形成為具有傾斜的上表面，并且位于 溫度變化比其他部分相對較大的部分處，從而控制冷卻劑流入的量。 因此，在較多的熱量產(chǎn)生于中央部分的燃料電池堆疊150中，冷卻劑更易于通過 薄層部分45流入，然后更可靠地冷卻中央部分，使得整個燃料電池堆疊150可以被冷卻到 均勻的溫度。 盡管在本示范性實施例中具有局部變化的厚度的調(diào)節(jié)構(gòu)件被描述為示例，但是本 發(fā)明應(yīng)當(dāng)不限于以上所述，調(diào)節(jié)構(gòu)件可以具有均勻的厚度。 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖。參照圖5，根 據(jù)本示范性實施例的燃料電池堆疊50包括發(fā)電單元56和通道構(gòu)件54，發(fā)電單元56包括 MEA 56b以及設(shè)置在MEA 56b兩側(cè)的隔板56a和56c，通道構(gòu)件54具有設(shè)置在發(fā)電單元56 之間的冷卻通道。端板51沿堆疊方向設(shè)置在發(fā)電單元56的最外側(cè)。 此外，與冷卻通道連通的鼓風(fēng)機53設(shè)置在一側(cè)，與冷卻通道連通的調(diào)節(jié)構(gòu)件52設(shè) 置在相反側(cè)。調(diào)節(jié)構(gòu)件52由多孔材料制成，其厚度沿著燃料電池堆疊50的堆疊方向逐漸減 小。如果調(diào)節(jié)構(gòu)件52形成為使得厚度如上所述沿燃料電池堆疊50的堆疊方向逐漸減小， 則在沿燃料電池堆疊50的堆疊方向一個端部的熱產(chǎn)生量大于另一個端部的熱產(chǎn)生量的結(jié) 構(gòu)下，整個燃料電池堆疊50可以被均勻地冷卻。 圖6是示出根據(jù)第三示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖。參照圖6，根據(jù)本示 范性實施例的燃料電池堆疊60包括發(fā)電單元66和通道構(gòu)件64，發(fā)電單元66包括MEA 66b 以及設(shè)置在MEA 66b兩側(cè)的隔板66a和66c，通道構(gòu)件64具有設(shè)置在發(fā)電單元66之間的冷 卻通道。端板67沿堆疊方向設(shè)置在發(fā)電單元66的最外側(cè)。 此外，與冷卻通道連通的鼓風(fēng)機63設(shè)置在一側(cè)，與冷卻通道連通的調(diào)節(jié)構(gòu)件62設(shè) 置在相反側(cè)。 調(diào)節(jié)構(gòu)件62由多孔材料制成，并具有設(shè)置在沿燃料電池堆疊60的堆疊方向的兩
個端部的低密度部分62a以及設(shè)置在低密度62a之間的高密度部分62b。高密度部分62b具
有比低密度部分62a更多的孔。與低密度部分62a相比，更多的孔形成在高密度部分62b，
使得高密度部分62b的開口率(即erture ratio)大于低密度部分的開口率。 具有如上所述結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)構(gòu)件62可以在高密度部分62b處比其他部分更多地供
應(yīng)空氣。對于中央部分產(chǎn)生的熱量比其他部分多的燃料電池堆疊60，通過經(jīng)由高密度部分
62b而在中央部分比其他部分更多地流動冷卻劑，燃料電池堆疊的溫度可以被均勻地保持。 圖7是示出根據(jù)第四示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖。 參照圖7，燃料電池堆疊70包括發(fā)電單元76和通道構(gòu)件74，發(fā)電單元76包括MEA
76b以及設(shè)置在MEA 76b兩側(cè)的隔板76a和76c，通道構(gòu)件74具有設(shè)置在發(fā)電單元76之間
的冷卻通道。端板71沿堆疊方向設(shè)置在發(fā)電單元76的最外側(cè)。 此外，與冷卻通道連通的鼓風(fēng)機73設(shè)置在一側(cè)，與冷卻通道連通的調(diào)節(jié)構(gòu)件72設(shè) 置在相反側(cè)。 調(diào)節(jié)構(gòu)件72可以由多孔材料制成。這里，調(diào)節(jié)構(gòu)件72具有沿寬度方向設(shè)置在一 端的厚層部分72a、設(shè)置在另一端的薄層部分72c以及設(shè)置在厚層部分72a與薄層部分72c
8之間的過渡部分72b。薄層部分72c比厚層部分薄，過渡部分72b的厚度逐漸減小。
過渡部分72b將厚層部分72a與薄層部分72c連接，并且過渡部分72b的厚度線 性地變化。具有如上所述結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)構(gòu)件72可以在薄部分比之前更多地供應(yīng)空氣。當(dāng)燃 料電池70工作時，熱量比其他部分更多地產(chǎn)生在燃料和氧化劑流經(jīng)的部分處。如果采用調(diào) 節(jié)構(gòu)件72，則通過在燃料和氧化劑流經(jīng)的部分處減小調(diào)節(jié)構(gòu)件72的厚度，可以均勻地冷卻 燃料電池堆疊。 圖8是示出根據(jù)第五示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖。參照圖8，燃料電池 堆疊80包括發(fā)電單元86和通道構(gòu)件84。發(fā)電單元86包括MEA 86b以及設(shè)置在MEA 86b 兩側(cè)的隔板86a和86c，通道構(gòu)件84具有設(shè)置在發(fā)電單元86之間的冷卻通道。端板87沿 堆疊方向設(shè)置在發(fā)電單元86的最外側(cè)。此外，鼓風(fēng)機83設(shè)置在一側(cè)并與冷卻通道流體連 通。調(diào)節(jié)構(gòu)件82設(shè)置在相反側(cè)并與冷卻通道流體連通。調(diào)節(jié)構(gòu)件由多孔材料制成。調(diào)節(jié) 構(gòu)件82具有設(shè)置在沿燃料電池堆疊80的堆疊方向的兩個端部處的小孔部分82a以及設(shè)置 在小孔部分82a之間的大孔部分82b。與小孔部分82a相比，大孔部分82b具有更大的直 徑。形成在大孔部分82b中的一個或多個孔的直徑大于形成在小孔部分82a中的一個或多 個孔的直徑，從而大孔部分82b的開口率大于小孔部分82a的開口率。
具有如上所述結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)構(gòu)件82可以在大孔部分82b比其他部分更多地供應(yīng)空 氣。對于熱量產(chǎn)生在中央部分比其他部分多的燃料電池堆疊80，通過在中央部分經(jīng)由高密 度部分比其他部分更多地流動冷卻劑，燃料電池堆疊的溫度可以被均勻地保持。
圖9是示出根據(jù)第六示范性實施例的燃料電池堆疊的透視圖。參照圖9，燃料電 池堆疊90包括發(fā)電單元96和通道構(gòu)件94，發(fā)電單元96包括MEA 96b以及設(shè)置在MEA 96b 兩側(cè)的隔板96a和96c，通道構(gòu)件94具有設(shè)置在發(fā)電單元96之間的冷卻通道。端板91沿 堆疊方向設(shè)置在發(fā)電單元96的最外側(cè)。 此外，與冷卻通道連通的鼓風(fēng)機93設(shè)置在一側(cè)，調(diào)節(jié)構(gòu)件92設(shè)置在相反側(cè)并與冷 卻通道流體連通。調(diào)節(jié)構(gòu)件92由多孔材料制成。調(diào)節(jié)構(gòu)件92包括多個堆疊層92a、92b和 92c，其數(shù)目隨著從燃料電池堆疊90的中央到外側(cè)而增加，使得堆疊層92a、92b和92c形成 臺階形狀。 第一孔92e形成在位于最上層的第一層92a的中央，使得位于第一層92a下面的 第二層92b暴露。第二孔92d形成在第二層92b的中央，使得位于最下層的第三層92c暴 露。第一孔92e和第二孔92d基本上構(gòu)造為矩形，第二孔92d小于第一孔92e。因此，通過 局部暴露第二層92b，調(diào)節(jié)構(gòu)件92的堆疊層可以成形為臺階狀。在本示范性實施例中，孔 92d和92e示出為矩形，然而本發(fā)明不應(yīng)限于此，孔92d和92e可以構(gòu)造為各種形狀，例如圓 形、橢圓形和多邊形。 當(dāng)堆疊層92a、92b和92c的數(shù)目從燃料電池堆疊90的中央到外側(cè)增加，空氣能夠 在中央比外側(cè)更多地供應(yīng)。對于熱量在中央部分比其他部分更多地產(chǎn)生的燃料電池堆疊 90，通過使冷卻劑流過堆疊層數(shù)目少的部分，燃料電池堆疊的溫度可以被均勻地保持。
圖10A是示出從常規(guī)燃料電池堆疊測量的溫度的圖線，圖10B是示出從包括多孔 調(diào)節(jié)構(gòu)件的燃料電池堆疊測量的溫度的圖線。 對于溫度測量，采用了空氣冷卻的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。在燃料電池中每個 發(fā)電單元具有約0. 7V的電壓，該燃料電池產(chǎn)生15A的電流，并且其輸出功率為約500W。在
9圖IOA和圖IOB中，多個條形圖線的組表示發(fā)電單元，構(gòu)成組的多個條形圖線的每個表示沿 著發(fā)電單元的寬度方向測量的溫度。 條形圖線的組示出從位于前排到后排的發(fā)電單元測量得到的溫度。溫度測量并不 在所有的發(fā)電單元上進行，而是在以規(guī)則的間隔選擇出來的發(fā)電單元上進行。白色的條形 圖線表示工作一小時后測量得到的溫度，灰色的條形圖線表示工作十小時后測量得到的溫 度。 如圖IOA所示，在常規(guī)燃料電池堆疊中當(dāng)朝向后排行進時溫度增加，大多數(shù)發(fā)電 單元的最大溫度高于6(TC，沿寬度方向的溫度偏差大。 然而，參照圖10B，大多數(shù)發(fā)電單元的最大溫度低于6(TC，并且沿寬度方向的溫度 偏差小。 如圖IOA和IOB所示，如果采用多孔調(diào)節(jié)構(gòu)件，則與常規(guī)燃料電池相比，發(fā)電單元 可以被均勻地冷卻。因此，通過防止燃料電池堆疊的退化，可以改善燃料電池堆疊的壽命， 并可以獲得輸出功率。 以上描述具體地描述了本發(fā)明的某些實施例。然而應(yīng)當(dāng)理解，不論上述描述在文 本中呈現(xiàn)得多么詳細(xì)，本發(fā)明也可以以另外的方式來實施。還應(yīng)當(dāng)注意，描述本發(fā)明的某些 特征或方面時采用的具體術(shù)語并不意味著該術(shù)語在這里被重新定義，以被限制為包括本發(fā) 明的與該術(shù)語有關(guān)的特征或方面的任何具體特性。此外，對于本公開的裝置，可以有許多應(yīng) 用。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以進行各種修改和變化而不背離本發(fā)明的范圍。這樣的 修改和變化落在權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種燃料電池堆疊，包括發(fā)電單元，其中所述發(fā)電單元包括設(shè)置在兩個隔板層之間的膜電極組件，并且其中所述發(fā)電單元構(gòu)造為引起燃料和氧化劑的氧化還原反應(yīng)；和調(diào)節(jié)構(gòu)件，設(shè)置在所述燃料電池堆疊的至少一部分上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述兩個隔板層的至少一個構(gòu)造為經(jīng)由 其供應(yīng)氫氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件設(shè)置為與冷卻通道相鄰并 與所述冷卻通道的入口端流體連通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括多孔陶瓷材料和/或 多孔聚合物材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括厚層部分、過渡層部 分和薄層部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括在厚度上逐漸減小到 薄層部分的厚層部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括高密度部分和低密度 部分，其中所述高密度部分比所述低密度部分包括更多的孔。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括具有第一孔的第一部 分和具有第二孔的第二部分，其中所述第一孔的直徑大于所述第二孔的直徑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆疊，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括堆疊的多個層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池堆疊，其中在所述多個層中的最上面的第一層中 的孔暴露下面的第二層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的燃料電池堆疊，其中所述第二層中的孔暴露第三層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池堆疊，其中所述孔是圓形的、橢圓形的或者多邊 形的。
13. —種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料電池堆疊；燃料供應(yīng)裝置，連接到所述燃料電池堆疊； 氧化劑供應(yīng)裝置，連接到所述燃料電池堆疊； 調(diào)節(jié)構(gòu)件，設(shè)置在所述燃料電池堆疊的至少一部分上；禾口所述燃料電池堆疊的發(fā)電單元部分，其中所述發(fā)電單元包括設(shè)置在至少兩個隔板層之 間的膜電極組件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料供應(yīng)裝置包括燃料箱和燃料泵。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氧化劑供應(yīng)裝置包括泵。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括多孔材料，該多孔 材料構(gòu)造為使流動于形成在所述燃料電池堆疊中的冷卻通道中的冷卻劑分散。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括鼓風(fēng)機，該鼓風(fēng)機設(shè)置為與所述冷 卻通道相鄰并構(gòu)造為抽取流經(jīng)所述冷卻通道的冷卻劑。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述調(diào)節(jié)構(gòu)件包括多孔陶瓷材料和/或多孔聚合物材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述發(fā)電單元構(gòu)造為引起燃料和氧化劑的氧化還原反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃料電池堆疊及燃料電池系統(tǒng)。燃料電池堆疊可以包括通過燃料和氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電單元。燃料電池堆疊可以包括由多孔材料制成的調(diào)節(jié)構(gòu)件，以使流動于形成在燃料電池堆疊中的冷卻通道中的冷卻劑分散開。
文檔編號H01M8/04GK101794899SQ20101000368
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者安圣鎮(zhèn), 李辰華 申請人:三星Sdi株式會社