CN100379066C - 燃料电池系统及堆 - Google Patents

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Abstract

一种利用氢和氧的电化学反应产生电能的燃料电池系统所用的堆包括：一个或多个具有膜电极组件和内部隔板的发电元件，内部隔板配置在膜电极组件的任一侧。一对最外侧隔板分别位于所述堆的对端，以形成具有相反极性的集流单元。该对最外侧隔板被夹紧，以提供相向接合力(或者压力)给发电元件，并使发电元件相互之间紧密连接。

Description

燃料电池系统及堆
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体地，涉及一种具有改进的堆结构的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种利用氧和燃料的电化学氧化还原反应产生电能的发电系统，氢或诸如甲醇、乙醇、天然气之类的烃基物质可用作燃料。
以氢为燃料的燃料电池可通过对甲醇或乙醇进行重整而获取氢。这种燃料电池广泛适用于各应用领域，例如，作为汽车的便携式电源、住宅和公共建筑的分布式电源，以及电子设备的小型电源等。
燃料电池至少具有一个单元电池，该单元电池包括利用氢和氧的氧化还原反应产生电能的膜电极组件(MEA)，以及与该膜电极组件两侧相邻的隔板。这些隔板用于为膜电极组件供应氢和氧。这些隔板也被称作双极板。堆叠多个此类单元电池使其彼此相邻可形成堆。
制造堆需要将两个独立金属压板分别接合到两个最外侧隔板各自的外侧，并在每一最外侧隔板和其相应的压板之间插入集流板，随后用夹紧器夹紧。
传统的燃料电池系统中常通过堆叠多个电池单元，并给两个堆叠于最外侧的单元电池分别提供独立集流板和压板以形成堆。这使得传统的堆的结构和制造过程复杂，并由此导致制造成本极高而产量极低。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统上的堆由简单结构形成。
在本发明的一个实施例中，一种利用氢和氧的电化学反应产生电能的燃料电池系统所用的堆包括：一个或多个具有膜电极组件和内部隔板的发电元件，内部隔板配置在膜电极组件的任一侧。一对最外侧隔板分别位于堆的对端，以形成具有相反极性的集流单元。该对最外侧隔板被夹紧，以提供相向接合力给发电元件，并使发电元件相互之间紧密连接。该对形成集流单元的最外侧隔板中的一个，可具有形成在其与其所毗邻的膜电极组件邻近的一侧上的、用于供应氢气的氢流路，并且该对形成集流单元的最外侧隔板中的另一个，可具有形成在其与其所毗邻的膜电极组件邻近的一侧上的、用于供应氧化剂的氧化剂流路。
在该对形成集流单元的最外侧隔板的每一个上可形成端子元件。
该对形成集流单元的最外侧隔板可由金属材料形成。
该对形成集流单元的最外侧隔板的氢流路和氧化剂流路可通过压力加工在金属板上形成。
该对形成集流单元的最外侧隔板可包括在它们表面上的涂覆层，该涂覆层包括从包含金、银、导电碳、无机化合物、导电树脂以及它们的相关组合的组中选择的材料。
该对最外侧隔板与插在该对最外侧隔板之间的内部隔板相比可具有较大面积的相对表面。
该堆可进一步包括绝缘连接部件，其中该对最外侧隔板被该绝缘连接部件朝相互之间夹紧
该连接部件可包括多个贯穿所有发电元件的连接杆，以及多个固定每一连接杆两端的螺母。
该堆可进一步包括绝缘层，其中该绝缘层形成在每一连接杆的表面。
该连接部件可以包括多个贯穿该对最外侧隔板的连接杆，以及多个固定每一连接杆两端的螺母。
在本发明的一个实施例中，一种燃料电池系统包括：利用氢和氧的电化学反应产生电能的堆，用于供应含氢燃料给该堆的燃料供应器，以及用于供应氧给该堆的氧供应器。
该堆包括：一个或多个具有膜电极组件和内部隔板的发电元件，内部隔板配置在膜电极组件的任一侧。一对最外侧隔板分别位于该堆的对端，以形成具有相反极性的集流单元。该对最外侧隔板被夹紧，以提供相向接合力(或者压力)给发电元件，并使发电元件相互之间紧密连接。该对形成集流单元的最外侧隔板中的一个，具有形成在其与其所毗邻的膜电极组件邻近的一侧上的、用于供应氢气的氢流路，并且该对形成集流单元的最外侧隔板中的另一个，具有形成在其与其所毗邻的膜电极组件邻近一侧上的、用于供应氧化剂的氧化剂流路。
一个或多个发电元件可以包括多个发电元件，多个发电元件被相互堆叠以形成堆。
该燃料供应器可以包括用于存储含氢燃料的燃料箱，以及与该燃料箱连接的燃料泵。
该燃料供应器可以包括与一个或多个发电元件以及燃料箱连接的重整器，该重整器被供应来自燃料箱的燃料以产生重整氢，并供应重整氢给一个或多个发电元件。
该氧供应器可以包括用于抽汲氧化剂并供应氧化剂给一个或多个发电元件的泵。
根据本发明的实施例，由于堆的最外侧隔板被形成为具有既作为接合堆的压板又作为收集电流的集流板的功能，使得堆的结构能够简单、紧凑，因此在简化堆的制造过程的同时还降低了单位制造成本。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的燃料电池系统的整体结构示意图。
图2为根据本发明第一实施例的堆的分解透视图。
图3为根据本发明第一实施例的堆在最外侧隔板之一被旋转情况下的分解透视图。
图4为图2中的堆处于装配状态的截面图。
图5为根据本发明第二实施例的堆的截面图。
图6为根据本发明第三实施例的堆的分解透视图。
具体实施方式
下文中将通过参考附图对本发明的实施例进行详细描述。
但是，本发明可能具有各种不同的修改和等同替换，本领域的技术人员应能理解本发明并不限于所描述的实施例。
图1为根据本发明一个实施例的燃料电池系统100的整体结构示意图
参见图1，燃料电池系统100采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)形式，其首先通过对含氢燃料进行重整获得氢气，而后通过氢和氧化剂的电化学反应发电。
燃料电池系统100中用来发电的燃料可包括任意类型的适用燃料，例如甲醇、乙醇、天然气之类，无论其是液态或是气态。然而，为叙述方便起见，下文中将以液态描述燃料。
燃料电池系统100可使用存储在独立存储单元中的氧气作为氧化剂，也可以使用含氧的空气作为氧化剂。但是，下文中将以后一种类型的氧化剂为例进行描述。
燃料电池系统100包括：利用氢和氧的化学反应发电的堆10、利用燃料产生氢气并将氢气供应给堆10的燃料供应器30，以及供应空气给堆10的氧供应器40。
堆10包括至少一个与燃料供应器30和氧供应器40连接的燃料电池。燃料供应器30向堆10供应氢，氧供应器40向堆10供应空气，堆10利用氢和氧的电化学反应发电。
燃料供应器30包括：用于储存燃料的燃料箱31、用于释放燃料箱31中的燃料的燃料泵33，以及重整器35。燃料箱31的燃料供应给重整器35，重整器35对这些燃料进行重整以产生氢，并将氢供应给堆10。
氧供应器40包括至少一台气泵41，在预定抽汲功率下，气泵41抽汲空气并将空气供应给堆10。
燃料供应器30中的重整器35采用传统的结构，其通过借助热能的化学催化反应来利用燃料以产生重整氢(例如富氢气体或氢气)，并降低重整氢中的一氧化碳浓度。重整器35通过诸如蒸气重整反应、局部氧化反应和/或自动热反应之类的燃料催化反应来利用燃料以产生氢(也就是重整氢)。
此外，重整器35还通过重整氢的水-空气移位反应、优先一氧化碳氧化反应、利用独立膜净化氢处理等降低重整氢中的一氧化碳浓度。
可替代地，本发明的燃料电池系统100可采用直接氧化燃料电池形式，其直接供应燃料给堆10，并利用燃料和氧的电化学反应发电。
有别于采用PEMFC形式的燃料电池系统，采用直接氧化燃料电池形式的燃料电池系统无需如图1所示的重整器35。取而代之以燃料供应器30通过燃料泵33将燃料箱31中存储的燃料直接供应给堆10。为达到示范目的，将对采用PEMFC形式的燃料电池系统100进行详细描述，但是本发明并不局限于此。
在燃料电池系统100运转时，假如燃料供应器30中的重整器35所产生的氢气和气泵41抽汲的空气都被供应给堆10，则堆10可利用氢气和空气中所含的氧的电化学反应发电。
下面将参照附图详细描述适用于上述燃料电池系统100的堆10的各种不同实施例。
图2为根据本发明第一实施例的堆10的分解透视图，而图3为根据本发明第一实施例的堆在最外侧隔板之一被旋转情况下的分解透视图。图4为图2中的堆10处于装配状态的截面图。
参见图2、图3和图4，堆10包括用于发电的发电元件(或单元电池)11。在发电元件11中，隔板(或内部隔板)13位于膜电极组件(MEA)12的两侧。隔板13亦可称作双极板。堆10可通过堆叠一组发电元件11使其彼此相邻成为发电元件组而形成。
MEA 12位于隔板13之间，包括形成在其一侧的阳极(未示出)、形成在其另一侧的阴极(未示出)，以及形成在阳极和阴极之间的电解质膜(未示出)。通过供应自隔板13的氢气的氧化反应，阳极将氢分解为氢离子(质子)和电子。通过供应自隔板13的空气中的氧和从阳极运动至此的质子和电子的还原反应，阴极产生特定温度和湿度的热气。进一步，电解质膜可由50μm至200μm厚的固体聚合物电解质材料形成，其可实现传输阳极产生的质子到阴极的离子交换功能。
隔板13和置入在它们之间的MEA 12被彼此相当紧邻的配置。在隔板13的与MEA 12接触的面上形成氢流路13a和空气流路13b。氢流路13a位于MEA12的阳极侧，将供应自重整器35的氢气提供给阳极。空气流路13b位于MEA12的阴极侧，将供应自气泵41的空气中的氧提供给阴极。此外，每一隔板13都实现了串联接合阳极和阴极的传导器功能。
对于如图2、图3和图4(尤其是图4)所示的示例性实施例，氢流路13a和空气流路13b可分别形成在隔板13的一个表面和另一个表面上。可替代地，氢流路13a和空气流路13b之一，可形成在配置于MEA 12两侧的两个隔板13之一的一个表面上。氢流路13a和空气流路13b可通过石墨和/或碳复合材料铸模形成，也可通过压制金属板形成。
至于与如何通过氢流路13a和空气流路13b供给和循环氢气和空气的隔板13的特定实施例将不再详细描述。但是，本发明能够包括任何能够通过氢流路13a和空气流路13b供给和循环氢气和空气、并释放残留在MEA 12的阳极和阴极后的未反应氢气和空气的适用实施例
在根据本发明实施例的燃料电池系统100运转期间，氢气通过隔板13被供应给MEA 12的阳极，含氧的空气被供应给MEA 12的阴极。因此，氢气在阳极被氧化而产生电子和质子。质子通过MEA 12运动到阴极，但是电子并非经过MEA 12而是经过隔板13运动到MEA 12的阴极以产生电流，此外还产生了作为副产品的水和热。
本实施例中，配置在堆10相反两端的一对最外侧隔板15和17分别形成具有相反极性的集流单元。最外侧隔板15和17具有收集产生在发电元件11上的电流的功能。因此，一对最外侧隔板15和17中的一个形成正极(+)端子元件，而一对最外侧隔板15和17中的另一个形成负极(-)端子元件。
形成集流单元的最外侧隔板15和17串联连接到发电元件11的隔板13，并作为集流板收集流经隔板13的电流。发电元件11置于一对最外侧隔板15和17之间。
最外侧隔板15和17可由诸如铝、铜、铁和/或钴之类的金属材料制成。这些金属材料能够使最外侧隔板15和17电连接到被配置为相互之间紧密接触的隔板13。在一个实施例中，可通过利用一对设备压金属板使其成形为与最外侧隔板15和17的整体形状相匹配的形状而制造最外侧隔板15和17。可替代地，可通过金属材料喷射模塑法或金属材料拉模铸造法制造最外侧隔板15和17。
此外，最外侧隔板15和17具有传统的隔板的功能。就此功能来说，本实施例的堆10具有一个MEA 12，其置于最外侧隔板15和17之一以及与该MEA
12相邻的毗邻隔板13之一之间。在堆10中，最外侧隔板15具有形成在其一侧上的氢流路15a，以接近(或紧邻)毗邻的MEA 12，最外侧隔板17具有形成在其一侧上的空气流路(或氧化剂流路)17a，以接近(或紧邻)其毗邻的MEA 12。
换句话说，根据图2、图3和图4的实施例，最外侧隔板15和17分别位于两个最外侧MEA 12的一侧，而两个毗邻的隔板13分别位于两个最外侧MEA12的另一侧，以使最外侧隔板15和17分别与隔板13以及最外侧MEA 12连接而形成发电元件11最外侧隔板15和17的相对面的面积大于置于在一对最外侧隔板15和17之间的隔板13的面积。
最外侧隔板15和17的边缘从置于在它们中的隔板13的边缘向外延伸。最外侧隔板15和17的延伸边缘形成图2中A所代表的空白。
因此，金属形成的最外侧隔板15和17被串联接合到隔板13，其既具备发电元件11的功能，还具备集流单元的功能。
发电元件11产生的电流可由最外侧隔板15和17收集，最外侧隔板15和17上收集的电流能够输出到负载(例如电流接收负载)。
最外侧隔板15和17分别具有端子元件18a和18b，以输出所收集的电能到上述负载。端子元件18a和18b中包括连接到最外侧隔板15的第一端子元件18a，以及连接到最外侧隔板17的第二端子元件18b。端子元件18a和18b极性相反，故而在第一端子元件18a形成正极(+)端子元件的情况下，第二端子元件18b形成负极(-)端子元件。
采用上述结构的堆10具有为多个发电元件11提供接合力的连接部件19，其在预定力(或压力)下使多个元件11接合在一起。提供连接部件19的目的在于防止或阻止氢气和空气泄露，并使燃料电池的结构完整。
连接部件19包括多个贯穿在最外侧隔板15和17的空白处A中形成的连接孔19c的连接杆19a，以及螺纹固定每一连接杆19a的两端以使最外侧隔板15和17固定到位的螺母19b。
因此，螺母19b被接合到贯穿连接孔19c的连接杆19a的两端，以压迫一对最外侧隔板15和17到位，由此，根据第一实施例的堆10在合适的压力下被固定。换句话说，最外侧隔板15和17实现了提供接合力(或压力)给堆10的功能，这与传统端板的功能相似。
图5是显示根据本发明第二实施例的堆的截面图。图5中和图4中具有相同功能的元件被分配了与图4相同的参考标号。
参见图5，根据本实施例的堆20包括形成集流单元的最外侧隔板15和17表面上的涂覆层21。涂覆层是由从包括金、银、导电碳、无机化合物、硼化物、导电树脂及其相关组合的组中选择的材料形成的。
由于最外侧隔板15和17由金属材料形成，故而涂覆层21具有改善最外侧隔板15和17耐腐蚀性的功能。
因为其余结构与根据第一实施例的堆10的结构大体相同，所以省略对堆20其余部分的详细描述。
图6是用于显示根据本发明第三实施例的堆的分解透视图。图6中和图2中具有相同功能的元件被分配了与图2相同的参考标号。
参见图6，根据本实施例的堆50具有最外侧隔板25和27、MEA 22和插在其中的隔板23，以及贯穿所有发电元件211的连接部件29。发电元件211包括最外侧隔板25和27以及隔板(或内部隔板)23，而连接部件29贯穿最外侧隔板25和27以及隔板23，由此将多个发电元件211接合在一起。最外侧隔板25和27在尺寸上与隔板23相同或类似。连接部件29与第一实施例类似，包括连接杆29a以及螺紧在每一连接杆29a两端的螺母29b。
为利用连接部件29来接合根据本实施例的堆50，多个连接孔29c形成在最外侧隔板25和27上除流路(例如流路25a)外的区域上，并形成在置于最外侧隔板25和27之间的隔板23的除流路23a外的区域上。连接杆29a穿过连接孔29c。在连接杆29a的一表面上形成绝缘层29d，以使每一发电元件211与连接杆29a绝缘。
由于堆50的其余结构与前述实施例的结构大体相同，故而省略对堆50其余部分的详细描述。
尽管本发明采用结合特定典型实施例的方式进行描述，但本领域的技术人员应能理解本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明还包括符合本发明所附权利要求的精神和范围的各种修改及其等同替换。

Claims (22)

1.一种利用氢和氧的电化学反应产生电能的燃料电池系统所用的堆，该堆包括：
一个或多个具有膜电极组件和内部隔板的发电元件，所述内部隔板配置在所述膜电极组件的任一侧；和
分别位于所述一个或多个发电元件对端的一对最外侧隔板，该对最外侧隔板形成具有相反极性的集流单元，
该对最外侧隔板被夹紧，以提供相向接合力给所述发电元件，并使所述发电元件相互之间紧密连接。
其中该对形成集流单元的最外侧隔板中的一个，具有形成在其与所毗邻的膜电极组件邻近的一侧上的、用于供应氢气的氢流路，并且该对形成集流单元的最外侧隔板中的另一个，具有形成在其与所毗邻的膜电极组件邻近的一侧上的、用于供应氧化剂的氧化剂流路。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统所用的堆，其中在该对形成集流单元的最外侧隔板的每一个上形成有端子元件。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统所用的堆，其中该对形成集流单元的最外侧隔板由金属材料形成。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统所用的堆，其中该对形成集流单元的最外侧隔板的氢流路和氧化剂流路通过压力加工在金属板上形成。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统所用的堆，其中该对形成集流单元的最外侧隔板包括在它们表面上的涂覆层，该涂覆层包括从包含金、银、导电碳、无机化合物、导电树脂及其组合的组中选择的材料。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统所用的堆，其中该对最外侧隔板的相对表面的面积大于插在该对最外侧隔板之间的内部隔板的表面面积。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统所用的堆，进一步包括绝缘连接部件，其中该对最外侧隔板被该绝缘连接部件相向夹紧。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统所用的堆，其中所述连接部件包括多个贯穿所有发电元件的连接杆，以及多个固定每一连接杆两端的螺母。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统所用的堆，进一步包括绝缘层，其中该绝缘层形成在每一连接杆的表面。
10.如权利要求7所述的燃料电池系统所用的堆，其中所述连接部件包括多个贯穿该对最外侧隔板的连接杆，以及多个固定每一连接杆两端的螺母。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统所用的堆，其中在每一连接杆的表面上形成有绝缘层。
12.一种燃料电池系统，包括：
利用氢和氧的电化学反应产生电能的堆；
用于供应含氢燃料给该堆的燃料供应器；和
用于供应氧给该堆的氧供应器，
其中该堆包括：
一个或多个具有膜电极组件和内部隔板的发电元件，所述内部隔板配置在所述膜电极组件的任一侧；和
分别位于所述一个或多个发电元件对端的一对最外侧隔板，该对最外侧隔板形成具有相反极性的集流单元，
该对最外侧隔板被夹紧，以提供相向接合力给所述发电元件，并使所述发电元件相互之间紧密连接。
其中该对形成集流单元的最外侧隔板中的一个，具有形成在其与所毗邻的膜电极组件邻近一侧上的、用于供应氢气的氢流路，并且该对形成集流单元的最外侧隔板中的另一个，具有形成在其与所毗邻的膜电极组件邻近一侧上的、用于供应氧化剂的氧化剂流路。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述一个或多个发电元件包括多个发电元件，所述多个发电元件被相互堆叠以形成所述堆。
14.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应器包括用于存储所述含氢燃料的燃料箱，以及与该燃料箱连接的燃料泵。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中该燃料供应器包括与所述一个或多个发电元件以及燃料箱连接的重整器，燃料箱的燃料供应给该重整器，重整器产生重整氢，并供应所述重整氢给所述一个或多个发电元件。
16.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述氧供应器包括用于抽汲氧化剂并供应该氧化剂给所述一个或多个发电元件的泵。
17.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中该对形成集流单元的最外侧隔板由金属材料形成，该对最外侧隔板的氢流路和氧化剂流路通过压力加工形成在金属板上。
18.如权利要求17所述的燃料电池系统，其中该对形成集流单元的最外侧隔板包括在它们表面上的涂覆层，该涂覆层包括从包括金、银、导电碳、无机化合物、导电树脂及其组合的组中选择的材料。
19.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中该对最外侧隔板具有相对表面，该相对表面的面积大于插在该对最外侧隔板之间的内部隔板的表面面积。
20.一种利用氢和氧的电化学反应产生电能的燃料电池系统所用的堆，该堆包括：
多个发电单元，每个发电单元都具有膜电极组件和内部隔板，该内部隔板配置在该膜电极组件的任一侧；和
分别位于所述多个发电元件对端的一对最外侧隔板，
该对最外侧隔板被夹紧，以提供相向接合力给所述多个发电元件、并使所述多个发电元件相互之间紧密连接，和
在该对最外侧隔板的每一个上形成有端子元件，以将该对最外侧隔板形成为集流单元。
其中该对形成集流单元的最外侧隔板中的一个，具有形成在其与所毗邻的膜电极组件邻近一侧上的、用于供应氢气的氢流路，并且该对形成集流单元的最外侧隔板中的另一个，具有形成在其与所毗邻的膜电极组件邻近一侧上的、用于供应氧化剂的氧化剂流路。
21.如权利要求20所述的燃料电池系统所用的堆，其中该对最外侧隔板具有相对表面，该相对表面的面积大于所述插在该对最外侧隔板之间的内部隔板的表面面积。
22.如权利要求20所述的燃料电池系统所用的堆，进一步包括多个贯穿所有发电元件的连接杆，以及多个固定每一连接杆两端的螺母，其中该对最外侧隔板被所述多个连接杆和多个固定每一连接杆两端的螺母相向夹紧。
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