CN100470899C - 堆体及具有该堆体的燃料电池系统 - Google Patents

堆体及具有该堆体的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

提出了一种燃料电池系统，包括包含至少一个用于通过燃料和氧之间的反应产生电能的发电体的堆体。发电体包括膜电极组件和具有多个用流动沟槽且设置于膜电极组件的两表面的分隔件。分隔件包括在圆形转角之间具有直型部分的连接部分，用于连接流动沟槽的末端。其中流动沟槽以沟槽末端为末端，每对相邻流动沟槽的沟槽末端包括两个相邻壁和两个远壁，且其中每对相邻流动沟槽的沟槽末端被限定两个相邻壁之间的内部连接轮廓和两个远壁之间的外部连接轮廓的连接部分中的一个连接到一起，内部连接轮廓包括矩形转角且外部连接轮廓包括圆形转角。该连接部分在保持燃料和氧与膜电极组件的有源区之间足够的有效接触面积的同时，最小化了流体中的涡流。

Description

堆体及具有该堆体的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，且更具体而言涉及一种用在燃料电池系统中的堆体的分隔件。
背景技术
燃料电池系统是将包含在碳氢化合物燃料例如甲醇、乙醇或天然气中的氧和氢的化学反应能转换为电能的发电系统。
除了其他类型之外，燃料电池系统包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池。采用PEMFC结构的燃料电池系统包括组成燃料电池主体的堆体(stack)、用于重整燃料以产生氢并用于将该氢供给堆体的重整器(reformer)和一对空气泵或风扇用于将氧供给堆体。堆体通过由重置器供给的氢和通过空气泵或风扇供给的氧之间的反应而产生预定总量的电能。在采用直接氧化燃料电池结构的燃料电池系统中，燃料被直接供给堆体以通过燃料和氧之间的电化学反应产生电能。直接氧化燃料电池系统不要求重整器。
在上述燃料电池系统中，堆体包括几个到几十个彼此堆叠的单元电池。每个单元电池具有隔膜电极组件(MEA，membrane-electrode assembly)和紧密位于MEA两表面的分隔件(separator)。
分隔件设置有用于将氢或燃料供应到MEA的第一通道和用于将氧供到MEA的第二通道。该第一和第二通道在分隔件表面形成为通道。通道形成在沿直线排列的多个肋之间，且通道的末端彼此交替连接产生连续通路。通道的末端通过连接部分而连接。
在常规堆体中，在矩形连接部分的转角处形成涡流并对氢或燃料和氧的流动产生阻力。因此，在常规堆体中，在通道末端之间的连接部分的矩形转角通过产生涡流和扰乱顺畅的层流而阻止氢或燃料和氧的流动。
发明内容
本发明提供了一种具有用于分隔件的改进的沟槽结构以获得氢或燃料和氧的顺畅流动的燃料电池系统的堆体和包括该堆体的燃料电池系统。
根据本发明的一个实施例，提出了包括至少一个发电体的用于燃料电池系统的堆体。该发电体包括MEA和具有多个用于通过燃料和氧的流动沟槽且紧密位于MEA两表面的分隔件。连接部分的转角具有圆形且形成连接部分的圆形转角的圆弧可以具有1.0mm到2.12mm范围的曲率半径。流动沟槽以沟槽末端为末端，每对相邻流动沟槽的沟槽末端包括两个相邻壁和两个远壁，每对相邻流动沟槽的沟槽末端被限定两个相邻壁之间的内部连接轮廓和两个远壁之间的外部连接轮廓的连接部分中的一个连接到一起，内部连接轮廓包括矩形转角且外部连接轮廓包括圆形转角。流动沟槽可以具有底部和一对从底部延伸的壁部。连接部分可以具有连接到一个壁部的第一部分和连接到另一壁部的第二部分。在连接部分中，从第一部分的转角延伸的壁部可以形成为直线形。在连接部分中，从第二部分的转角延伸的壁部可以形成为直线形。形成第一部分的转角的圆弧可以具有在1.0mm到2.12mm范围内的曲率半径。
分隔件可以贴近MEA的一个表面设置以形成具有流动沟槽的燃料通道，且分隔件可以贴近MEA的另一个表面设置以形成具有流动沟槽的空气通道。堆体可以包括接连设置的多个发电体。
根据本发明的另一个实施例，提出了燃料电池系统，包括包含至少一个通过燃料与氧的反应而产生电能的发电体的堆体、用于将燃料供应到发电体的燃料供应单元和用于将氧供应到发电体的氧供应单元。发电体包括MEA和具有多个用于通过燃料和氧的流动沟槽的分隔件且分隔件贴近MEA的两表面设置。分隔件包括连接流动沟槽的连接部分。连接部分的转角形成为圆形且形成转角的圆弧具有1.0mm到2.12mm范围的曲率半径。流动沟槽以沟槽末端为末端，每对相邻流动沟槽的沟槽末端包括两个相邻壁和两个远壁，每对相邻流动沟槽的沟槽末端被限定两个相邻壁之间的内部连接轮廓和两个远壁之间的外部连接轮廓的连接部分中的一个连接到一起，内部连接轮廓包括矩形转角且外部连接轮廓包括圆形转角。流动沟槽可以具有底部和一对从底部延伸的壁部，且连接部分可以具有连接到一个壁部的第一部分和连接到另一壁部的第二部分。在连接部分中，从第一部分的转角延伸的壁部可以形成为直线形。在连接部分中，从第二部分的转角延伸的壁部可以形成为直线形。氢气可以用作燃料。燃料可以是液体。所用的氧气可以从空气中获得。
根据本发明的实施例，通过改进连接到分隔件的沟槽末端的连接部分的结构，可以阻止通过分隔件的通道的流体中的涡流。通过燃料和空气通道的燃料和空气的流动速度被提高，且降低了由涡流引起的不均匀。这允许燃料和氧到MEA有源区的均匀输运。结果，实现了MEA有源区的均一的反应效率，并提高了燃料电池系统的性能。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的方框图；
图2是根据本发明的第一实施例的堆体的分解透视图；
图3是图2所示的发电体的剖面图；
图4是图3所示的一部分分隔件的放大剖面图；
图5是示出图3所示的第一实施例的分隔件的分解透视图；
图6是图5所示的分隔件的局部平面图；
图7是示出根据本发明的第二实施例的分隔件的局部平面图；
图8是示出根据本发明的第三实施例的分隔件的局部平面图；
图9是示出根据本发明的第四实施例的分隔件的局部平面图。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的燃料电池系统100的方框图。燃料电池系统100根据重整燃料以产生氢并允许氢和氧彼此电化学反应以产生电能的PEMFC结构而构建。
燃料电池系统100所用的燃料可以包括液体燃料或气体燃料。燃料可以是含氢材料例如甲醇、乙醇或天然气。在下面的描述中，为了方便采用了液体燃料。燃料电池系统100可以利用存储在附加存储设备中的纯氧作为与氢反应的氧或者可以使用含氧空气。在下面的描述中后者用作示例。
燃料电池系统100包括通过氢和氧之间的电化学反应产生电能的堆体7、从燃料产生氢并将氢供应到堆体7的燃料供应单元1和将氧供应到堆体7的氧供应单元5。
堆体7包括至少一个连接到燃料供应单元1和氧供应单元5的燃料电池。堆体7被从燃料供应单元1供应氢并从氧供应单元5供应氧，并从氢和氧之间的反应产生电能。
燃料供应单元1包括用于存储燃料的燃料箱9、用于从燃料箱9排出燃料的燃料泵11和重整器3。重整器3被从燃料箱9供应燃料，将燃料重整以产生氢，并将氢供应到堆体7。
重整器3具有通过使用热能的化学催化反应从燃料产生氢并减少包含在氢中的一氧化碳的浓度的常规结构。重整器3通过燃料的催化反应例如蒸汽重整反应、部分氧化反应或自动热反应从燃料产生氢。此外，重整器3通过氢的水-气置换反应、优先CO氧化反应、用分离膜提纯氢等减少氢中一氧化物的浓度。
氧供应单元5包括至少一个空气泵13用于以预定泵浦功率抽动风并给堆体7供应空气。氧供应单元5不局限于空气泵13且可以包括其他设备例如常规风扇。
作为另一种选择，本发明的燃料电池系统100可以采用直接供应燃料到堆体7并通过燃料与氧之间的电化学反应产生电能的直接氧化燃料电池结构。与采用PEMFC结构的燃料电池系统不同，采用直接氧化燃料电池结构的燃料电池系统不要求重整器3。取代的是，燃料供应单元1通过燃料泵11将存储在燃料箱9中的燃料直接供应给堆体。在下面描述中用采取PEMFC结构的燃料电池系统100作为示例，然而本发明不必局限于此结构。
图2是根据本发明第一实施例的堆体7的分解透视图。图3是图2所示的发电体19的剖面图。图4是图3所示的分隔件23、25的一部分的放大剖面图。
堆体7包括通过氢和氧之间的反应而产生电能的燃料电池或单元发电体19。在单元发电体19中，分隔件23、25位于MEA21的两表面。在本领域中分隔件23、25也称为“双极板(bipolar plates)”。堆体7可以通过将多个单元发电体19一个接一个堆叠而形成为一组发电体19。
MEA 21设置在分隔件23、25之间并包括形成在一个表面上的阳极29、形成在另一表面上的阴极31和形成在阳极29和阴极31之间的电解质膜33。阳极29将氢分解为氢离子和电子。电解质膜33将氢离子移动到阴极31。阴极31通过来自阳极29的电子和氢离子与含在空气中的氧之间的反应产生水汽。
分隔件23、25充当紧邻MEA21的两表面并串连连接MEA 21的阳极29和阴极31的导体。分隔件23、25还充当氢和空气通道，用于供应氢到MEA21的阳极29并供应空气到阴极31。
分隔件23之一邻近MEA 21的阳极设置以形成用于供应氢到阳极29的氢通道15。另一分隔件25邻近MEA 21的阴极31设置以形成用于供应空气到阴极31的空气通道17。当两分隔件23、25邻近MEA 21的两表面设置时，设置在MEA 21的阳极29侧的氢通道15呈现垂直形且空气通道17呈现水平。即，在所示的示例中，氢通道15和空气通道17彼此垂直设置。作为另一种选择，氢通道15和空气通道17可以彼此平行设置且它们的相对位置不局限于示出的结构。
氢通道15可以通过形成在包含MEA 21的分隔件23的表面上的氢流动沟道23c而形成。空气通道17可以通过形成在包含MEA 21的分隔件25的表面上的空气流动沟槽25c而形成。氢和空气流动沟槽23c、25c可以形成为以预定距离间隔从分隔件23、25的主体23a、25a突出的肋23b、25b之间的分隔件，如图4所示。流动沟槽23c、25c包括底部B和一对从底部B延伸的壁部W1和W2。壁部W1和W2表示肋23b、25b的两侧壁部分。
图5是本发明的第一实施例的分隔件23、25的分解透视图。图6是图5所示的分隔件23、25的部分平面图。
在用于根据第一实施例的燃料电池系统的堆体7的发电体19中，分隔件23、25包括连接氢和空气流动通道23c、25c的末端的连接部分26且具有圆形转角。连接部分26形成或设置在流动沟槽23c、25c的末端以将这些沟槽的末端交替连接在一起。
因此，由于分隔件23、25邻近MEA 21的两表面设置且具有交替连接流动沟槽23c、25c的末端的连接部分26，氢通道15(图3)和空气通道17可以形成如图5所示的连续的氢和空气通路。
具体地，每个连接部分26包括连接到图6所示的氢或空气流动沟槽23c、25c的一个壁部W1的第一部分26a和连接到流动沟槽23c、25c的另一壁部W2的第二部分26b。当一对流动沟槽23c、25c彼此相邻设置时，一对流动沟槽23c、25c中的每个的一个壁部W1将成为该对的一个或两个外壁，且每个流动沟槽23c、25c的另一壁部W2将成为该对流动沟槽23c、25c的一个或两个内壁。第一部分26a连接到在相邻对中的流动沟槽23c、25c的外壁部分W1，且第二部分26b连接到在沟槽相邻对中的流动沟槽23c、25c的内壁部分W2。
根据第一实施例，每个连接部分26的第一部分26a具有连接到流动沟槽23c、25c的外壁部分W1的一对转角“a”和连接转角“a”的第三壁部W3，该处转角“a”被弯曲或形成圆形，而第三壁部W3是直的。每个连接部分26的第二部分26b具有连接到流动沟槽23c、25c的内壁部分W2的一对转角“c”和连接转角“c”的第四壁部W4，该处转角“c”是矩形，而第四壁部W4是直的。
第一部分26a的每个转角“a”形成从第一部分26a的第三壁部W3延伸的圆弧并具有从约1.0mm到约2.12mm范围的曲率半径。当转角“a”的曲率半径小于1.0mm时，在转角“a”的流体中产生涡流。当曲率半径大于2.12mm时，在MEA 21的有源区中流动的氢和空气的接触面积减小。
当氢和空气流体的方向改变时，在连接部分26的转角“a”的流体中产生涡流。该涡流引起对通过氢通道15(图3)和空气通道17(图3)的氢和空气流体的阻力。在用于根据第一实施例的燃料电池系统的堆体7中，由于连接分隔件23、25中的氢或空气流动沟槽23c、25c的末端的连接部分26的第一部分26a具有圆形转角“a”，减小了涡流。因此，分隔件23、25实现了氢和空气通过氢通道15和空气通道17的顺畅流动。
在第一实施例的每个连接部分26中，从第一和第二部分26a、26b的转角“a”和“c”延伸的第三和第四壁部W3、W4沿直线形成。制备了其中连接部分26的第三和第四壁部W3、W4是圆形的比较系统并与本发明的第一实施例比较。在比较系统中，由于相应与第三和第四壁部W3、W4的区域的有效面积减小了，氢和空气与MEA 21的活性区的接触面积也减小了。氢和空气与连接部分26的接触面积的降低损害了堆体的性能。
然而，在第一实施例中，由于从第一和第二部分26a、26b的转角“a”和“c”延伸的第三和第四壁部W3、W4是直的，相应于第三和第四壁部W3、W4之间的间隙的区域的有效面积增加了。因此，氢和空气与MEA 21的活性区的接触面积增加了。氢和空气与连接部分26的接触面积的增加改善了堆体的性能。
在启动燃料电池系统100时，从重整器3产生的氢被供给每个发电体19的氢通道15且空气本13供应空气到空气通道17。因此，根据第一实施例，当氢和空气以预定压力流过氢通道15和和空气通道17时，在连接部分26的第一部分26a的转角“a”的流体中不产生湍流。这是由于转角“a”是圆的。
结果，当流过氢通道15和空气通道17时，氢和空气可以顺畅地通过转角“a”而不会受到涡流干扰。
氢被通过氢通道15供应到MEA 21的阳极29，且空气被通过空气通道17供应到MEA 21的阴极31。阳极29通过氢的氧化反应将氢分解为电子和氢离子(质子)。氢离子穿过电解质膜33移动到阴极31，且电子穿过分隔件23、25移动到相邻MEA 21的阴极31，但不穿过电解质膜33。电子的流动产生预定总量的电流。MEA 21的阴极31通过从阳极29移动的氢离子和包含在空气中的氧之间的还原反应而产生热和水汽。
图7是示出根据本发明第二实施例的分隔件123、125的局部平面图。每个分隔件123、125具有与第一实施例的分隔件23、25相同的基本结构。然而，第二实施例的分隔件123、125的连接部分126除了在第一部分126a中的圆形转角“a”之外，还具有在第二部分126b中的圆形转角“c”。换句话说，在第二实施例中，在连接部分126连接于内壁W2’的位置处的转角也是圆的。
第一和第二部分126a、126b的转角“a”和“c”形成具有约1.0mm到约2.12mm范围的曲率半径的同心圆弧。构成第一部分126a的转角“a”的圆弧的长度长于构成第二部分126b的转角“c”的圆弧的长度。
在第二实施例中，当转角“a”和“c”的曲率半径小于1.0mm时，在转角“a”、“c”的氢和空气流体中产生涡流。当曲率半径大于2.12mm时，氢和空气与MEA 21的活性区的接触面积减小。
根据第二实施例，连接部分126可以构建使得分别从第一和第二部分126a、126b的转角“a”和“c”延伸的第三和第四壁部W3’、W4’沿直线形成。根据连接部分126的结构，相应于第三和第四壁部W3’、W4’之间的间隙的有效面积减小。
图8是根据本发明的第三实施例的分隔件223、225的局部平面图。第三实施例的分隔件223、225还可以包括至少一个位于第一连接部分226外部的第二连接部分228。第一连接部分226相应于第一实施例的连接部分26或第二实施例的连接部分126。为了方便，第一连接部分226示出与第二实施例的连接部分126相同的结构。
根据第三实施例，第二连接部分228形成于流动沟槽223c、225c的两端，以交替连接构成设置在第一肋223b、225b的两侧的第一连接部分226的一对第二肋223d、225d的末端。在示出的实施例中，在第一连接部分226外侧仅形成了一个第二连接部分228，然而在第一连接部分226外侧可以形成多个第二连接部分228。第二连接部分228连接流动沟槽223c、225c的一个壁部和另一壁部。第二连接部分228的转角“d”形成为具有与第一和第二实施例相同曲率半径的圆弧。此外，从转角“d”延伸的壁部是直的。
由于第三实施例的分隔件223、225的操作与第一和第二实施例相似，因此省略了操作的详细描述。
图9是根据本发明的第四实施例的分隔件323、325的局部平面图。分隔件323、325可以包括直的连接部分326，连接至少三个流动沟槽323c、325c的末端。在该处氢和空气流体改变方向的连接部分326的转角“e”是具有与第一到第三实施例相同的曲率半径的圆弧。从位于每两个相邻流动沟槽323c、325c之间的连接部分326的转角“e”延伸的部分也是直的。
由于根据第四实施例的分隔件323、325的操作与第一、第二和第三实施例的相似，因此省略了操作的详细描述。
仅描述了本发明的示范性实施例，且本发明不局限与描述的实施例，而是可以在不脱离说明书、附图和所附权利要求的范畴的情况下进行各种形式的修改。因此，这些修改也属于本发明的范畴。

Claims (21)

1、一种用于包括至少一个发电体的燃料电池系统的堆体，该发电体具有膜电极组件和两个紧密接触所述膜电极组件两侧的分隔件，每个分隔件包括：
多个流动沟槽，适合流过流体；
多个连接部分，连接所述流动沟槽，每个连接部分具有位于圆形转角之间的直型部分，
其中所述流动沟槽以沟槽末端为末端，
其中每对相邻流动沟槽的沟槽末端包括两个相邻壁和两个远壁，且
其中每对相邻流动沟槽的沟槽末端被限定两个相邻壁之间的内部连接轮廓和两个远壁之间的外部连接轮廓的连接部分中的一个连接到一起，所述内部连接轮廓包括矩形转角且所述外部连接轮廓包括圆形转角。
2、如权利要求1所述的堆体，其中所述圆形转角具有从1.0mm到2.12mm范围变化的曲率半径。
3、如权利要求1所述的堆体，其中所述流动沟槽限定了第一壁部和第二壁部，其中所述第一壁部是外壁，其是所述远壁中的一个，且第二壁部是内壁，其是所述相邻壁中的一个。
4、如权利要求3所述的堆体，其中每个连接部分具有连接到第一壁部的第一部分和连接到第二壁部的第二部分。
5、如权利要求4所述的堆体，其中所述圆形转角将所述第一部分连接到所述第一壁部。
6、如权利要求5所述的堆体，其中所述连接到每个连接部分的第一部分的壁部是直的。
7、如权利要求5所述的堆体，其中所述圆形转角具有从1.0mm到2.12mm范围变化的曲率半径。
8、如权利要求1所述的堆体，其中每个发电体还包括：
燃料通道，由一个分隔件的流动沟槽和与该分隔件紧密接触的膜电极组件的侧面形成；和
空气通道，由另一分隔件的流动沟槽和与该另一分隔件紧密接触的膜电极组件的侧面形成。
9、如权利要求1所述的堆体，其中所述堆体具有多个彼此相继堆叠的发电体。
10、如权利要求1所述的堆体，
其中所述一对相邻流动沟槽包括通过第一连接部分连接的第一和第二流动沟槽，内部连接轮廓是第一内部连接轮廓且外部连接轮廓是第一外部连接轮廓，所述堆体还包括被第二连接部分连接在一起的第三和第四流动沟槽，
其中所述第三流动沟槽限定了邻近第一流动沟槽的第一内壁和面对所述第一内壁的第一外壁，且所述第四流动沟槽限定了邻近第二流动沟槽的第二内壁和面对所述第二内壁的第二外壁，且
其中所述第三和第四流动沟槽的内壁被第二内部连接轮廓连接，且第三和第四流动沟槽的外壁被第二外部连接轮廓连接。
11、如权利要求10所述的堆体，其中所述第二内部连接轮廓包括矩形转角且第二外部连接轮廓包括圆形转角。
12、如权利要求1所述的堆体，其中至少三个相邻流动沟槽被多个连接部分中的一个连接在一起。
13、一种燃料电池系统，包括：
堆体，包括至少一个适合于通过燃料与氧之间的反应产生电能的发电体，该发电体具有膜电极组件和分隔件，所述分隔件包括多个流动沟槽和多个连接部分，每个连接部分具有用于连接所述流动沟槽的圆形转角，所述流动沟槽贴近所述膜电极组件的两表面设置且适用于流过燃料和氧；
燃料供应单元，适用于供应燃料到发电体；和
氧供应单元，适用于供应氧到发电体，
其中每个连接部分具有位于圆形转角之间的直型部分，
其中所述流动沟槽以沟槽末端为末端，
其中每对相邻流动沟槽的沟槽末端包括两个相邻壁和两个远壁，且
其中每对相邻流动沟槽的沟槽末端被限定两个相邻壁之间的内部连接轮廓和两个远壁之间的外部连接轮廓的连接部分中的一个连接到一起，所述内部连接轮廓包括矩形转角且所述外部连接轮廓包括圆形转角。
14、如权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述圆形转角具有从1.0mm到2.12mm范围变化的曲率半径。
15、如权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述流动沟槽具有第一和第二壁部，其中第一壁部是外壁，其是所述远壁中的一个，且第二壁部是内壁，其是所述相邻壁中的一个，且其中每个连接部分具有连接到所述第一壁部的第一部分和连接到第二壁部的第二部分。
16、如权利要求15所述的燃料电池系统，其中所述圆形转角将第一部分连接到第一壁部。
17、如权利要求16所述的燃料电池系统，其中所述连接到每个连接部分的第一部分的壁部是直的。
18、如权利要求16所述的燃料电池系统，其中连接到每个连接部分的第二部分的壁部是直的。
19、如权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述燃料包括氢。
20、如权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述燃料是液体。
21、如权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述氧从空气中获得。
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