CN100533829C - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统(10)包括燃料电池组(12)、热交换器(14)、重整器(16)以及容纳所述燃料电池组(12)、所述热交换器(14)和所述重整器(16)的壳体(18)。在燃料电池组(12)的端板(70a)处形成腔室单元(98)。被所述热交换器(14)加热的空气临时充入所述腔室单元(98)。所述热交换器(14)和所述重整器(16)直接连接到所述腔室单元(98)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括设置在壳体中的燃料电池组、热交换器和重整器。
背景技术
通常，固体氧化物燃料电池(SOFC)采用诸如稳定氧化锆的离子导电型固体氧化物的电解质。电解质插设在阳极和阴极之间以形成电解质电极组件(单元电池)。电解质电极组件插设在隔板(双极板)之间。在使用中，将预定数量的单元电池和隔板堆叠在一起以形成燃料电池组。
在燃料电池中，将含氧气体或空气供应至阴极。含氧气体中的氧在阴极与电解质之间的界面处被电离，并且氧离子(O2-)通过电解质朝阳极运动。将诸如含氢气体或CO的燃料气体供应至阳极。在阳极处，氧离子与含氢气体中的氢反应而生成水，或者与CO反应而生成CO2。反应中释放的电子通过外部电路流向阴极，从而产生DC电能。
例如，日本专利特开平5-47409号公报中公开的固体氧化物燃料电池已为人们所知。如图17所示，在传统燃料电池中，在壳体1中布置多个电池组2。电池组2通过紧固螺栓3和盘形弹簧4紧固在一起。
燃料气体供应管5a、含氧气体供应管6a和含氧气体排放管6b连接到电池组2。燃料气体供应管5a、含氧气体供应管6a和含氧气体排放管6b穿过壳体1延伸至外部。燃料气体排放管5b安装在壳体1上。燃料气体排放管5b通向壳体1的内部。
各个电池组2均通过沿堆叠方向垂直堆叠多个单元电池7而形成。在电池组2的沿堆叠方向的相对端部处设置端板8a、8b。燃料气体供应管5a、含氧气体供应管6a和含氧气体排放管6b连接到端板8a。端板8b设置在壳体1的底表面上。
在传统技术中，燃料气体和含氧气体从燃料气体供应管5a和含氧气体供应管6a通过端板8a供应至相应的电池组2中。这时，因为燃料气体和含氧气体的温度低于电池组2的温度，所以在端板8a的反应气体入口附近的温度不期望地有所降低。
燃料气体供应管5a和含氧气体供应管6a连接到各个端板8a。通过燃料气体供应管5a和含氧气体供应管6a容易产生来自于端板8a的热辐射。因此热效率不佳。另外，在端板8a连接燃料气体供应管5a和含氧气体供应管6a的区域中，温度与其它区域相比较低。因此，温度根据端板8a的区域而显著变化，可能在端板8a中产生不期望的变形。
另外，燃料气体供应管5a、含氧气体供应管6a和含氧气体排放管6b在壳体1中均需要专用的空间。因此，壳体1的尺寸相当大。壳体1的表面积大，从而热效率低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有紧凑结构的燃料电池系统，在该燃料电池系统中，可以有效地防止来自于端板的热辐射，同时实现均匀的温度。
根据本发明，一种燃料电池系统包括燃料电池组、热交换器、重整器和壳体。所述燃料电池组包括沿堆叠方向堆叠在一起的多个燃料电池，以及设置在所述燃料电池的沿堆叠方向的相对端部处的端板。所述燃料电池均包括电解质电极组件和夹持该电解质电极组件的隔板。所述电解质电极组件包括阳极、阴极和插设在所述阳极和阴极之间的电解质。所述热交换器加热待供应到所述燃料电池组的含氧气体。所述重整器重整燃料以产生燃料气体。所述壳体容纳所述燃料电池组、所述热交换器和所述重整器。
在一个所述端板处形成腔室单元，并且由所述热交换器加热的含氧气体或者在所述电解质电极组件的反应中消耗之后排放的废气临时充入所述腔室单元。所述热交换器和所述重整器直接连接到所述腔室单元。
另外，优选的是所述腔室单元具有用于将临时处于该腔室单元中的含氧气体供应至所述燃料电池组的开口。还优选的是，所述腔室单元具有直接通向所述腔室单元的开口，用于将临时处于该腔室单元中的废气供应至所述热交换器。
优选的是，所述热交换器和所述重整器设置在所述燃料电池组的一侧上。另外，优选的是，所述重整器设在所述热交换器内，并且所述热交换器和所述重整器关于所述燃料电池组的中心轴线对称设置。
根据本发明，加热后的含氧气体或者在所述电解质电极组件的反应中消耗之后排放的热废气临时充入在一个所述端板处形成的所述腔室单元。因此，整个所述端板中的温度变得均匀。在该端板中不会发生热变形，并且有效地减少了整个燃料电池组中的热变形。因为减少了来自所述端板的热辐射，所以可以在所述燃料电池组中保持均匀的工作温度。另外，因为含氧气体或废气临时充入所述腔室单元，所以含氧气体或废气的流速不会变化，从而在各个所述燃料电池中均匀地进行发电。
另外，所述腔室单元直接连接到所述热交换器和所述重整器。因为所述腔室单元不需要任何管道地连接到所述热交换器和所述重整器，所以在所述腔室单元与所述热交换器和所述重整器之间不会发生来自管道的热辐射。因此，减少了在所述燃料电池的发电期间来自管道的热辐射，并且可以适当地降低热损失。另外，因为不需要用管道来将所述腔室单元连接到所述热交换器和所述重整器，所以所述燃料电池组的整体重量减轻，并且通过消除管道而减小了所述燃料电池组的体积。所述燃料电池组的尺寸也可以减小。
另外，来自所述燃料电池和所述端板并通过所述腔室单元的热辐射有所减少。因为不需要管道，所以不会发生来自管道的热辐射。从而改进了所述燃料电池组的起动操作。
在结合附图时，从以下描述将更加清楚本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中以说明性示例示出了本发明的优选实施例。
附图说明
图1是表示根据本发明第一实施例的燃料电池系统的局部剖视图；
图2是示意性表示燃料电池系统的燃料电池组的立体图；
图3是表示燃料电池组的燃料电池的分解立体图；
图4是表示燃料电池中的气体流动的局部分解立体图；
图5是表示隔板的正视图；
图6是示意性表示燃料电池的运行的剖视图；
图7是表示燃料电池组的端板的正视图；
图8是表示燃料电池系统的载荷施加机构的局部分解立体图；
图9是表示根据本发明第二实施例的燃料电池系统的局部剖视图；
图10是表示燃料电池组的燃料电池的分解立体图；
图11是表示燃料电池中的气体流动的局部分解立体图；
图12是示意性表示燃料电池的运行的剖视图；
图13是表示根据本发明第三实施例的燃料电池系统的局部剖视图；
图14是示意性表示燃料电池系统的燃料电池的分解立体图；
图15是表示燃料电池中的气体流动的局部分解立体图；
图16是示意性表示燃料电池的运行的剖视图；并且
图17是示意性表示传统燃料电池的视图。
具体实施方式
图1是表示根据本发明第一实施例的燃料电池系统10的局部剖视图。图2是示意性表示燃料电池系统10的燃料电池组12的立体图。燃料电池组12通过沿着箭头A所示的方向堆叠多个燃料电池11而形成。
燃料电池系统10用在各种应用中，包括固定应用和移动应用。例如，燃料电池系统10安装在车辆上。如图1所示，燃料电池系统10包括燃料电池组12、热交换器14、重整器16以及壳体18。在含氧气体供应至燃料电池组12之前，热交换器14加热该含氧气体。重整器16重整燃料以产生燃料气体。燃料电池组12、热交换器14和重整器16布置在壳体18中。
在壳体18中，在燃料电池组12的一侧上布置至少包括热交换器14和重整器16的流体单元19，并且在燃料电池组12的另一侧上布置用于沿着箭头A所示的堆叠方向向燃料电池11施加紧固载荷的载荷施加机构21。流体单元19和载荷施加机构21关于燃料电池组12的中心轴线对称地设置。
燃料电池11是固体氧化物燃料电池(SOFC)。如图3和图4所示，燃料电池11包括电解质电极组件26。每个电解质电极组件26包括阴极22、阳极24和插设在阴极22与阳极24之间的电解质(电解质板)20。例如，电解质20由诸如稳定氧化锆的离子导电固体氧化物制成。电解质电极组件26具有圆盘形状。至少在电解质电极组件26的内周边缘(隔板28的中央部分)处设置阻挡层(未示出)，用于防止含氧气体进入。
在一对隔板28之间插设多个(例如八个)电解质电极组件26以形成燃料电池11。这八个电解质电极组件26与穿过隔板28的中心延伸的燃料气体供应通路30同心。
在图3中，例如，每个隔板28包括由例如不锈钢或碳板制成的金属板。隔板28具有第一小直径端部32。燃料气体供应通路30延伸穿过第一小直径端部32的中心。第一小直径端部32通过多个第一桥接部34与均具有相对较大直径的圆盘36成一体。第一桥接部34从第一小直径端部32以等角(间隔)径向向外延伸。圆盘36和电解质电极组件26具有大致相同的尺寸。相邻的圆盘36通过狭缝38彼此分开。
每个圆盘36在其接触阳极24的表面36a上具有第一突起48。第一突起48形成用于沿着阳极24的电极表面供应燃料气体的燃料气体通道46。每个圆盘36在其接触阴极22的表面36b上具有第二突起52。第二突起52形成用于沿着阴极22的电极表面供应含氧气体的含氧气体通道50(见图5)。
如图6所示，第一突起48和第二突起52彼此远离地突出。第一突起48是环形突起，第二突起52是山形突起。第二突起(山形突起)52被第一突起(环形突起)48环绕。
如图3至图5所示，在各圆盘36中设置燃料气体入口54。燃料气体通过燃料气体入口54流入燃料气体通道46。燃料气体入口54的位置确定成使燃料气体可均匀分布。例如，燃料气体入口54设在圆盘36的中心。
通道件56通过铜焊或激光焊接在面向阴极22的表面上而固定至隔板28。如图3所示，通道件56包括第二小直径端部58。燃料气体供应通路30延伸穿过第二小直径端部58的中央。八个第二桥接部60从第二小直径端部58开始沿径向延伸。各个第二桥接部60从第一桥接部34到圆盘36的燃料气体入口54固定至隔板28。
在通道件56的第二小直径端部58上形成多个狭缝62。狭缝62径向形成在接合到隔板28的第二小直径端部58的表面上。狭缝62连接到燃料气体供应通路30。另外，狭缝62连接到形成在第二小直径端部58的外周区域中的凹部64。凹部64防止铜焊材料流动，并实现燃料气体的均匀流动。燃料气体供应通道66形成在第一与第二桥接部34、60之间。燃料气体供应通道66通过狭缝62和凹部64从燃料气体供应通路30连接到燃料气体通道46。
如图6所示，含氧气体通道50连接到含氧气体供应单元67。含氧气体通过电解质电极组件26的内周边缘与圆盘36的内周边缘之间的空间沿箭头B所示的方向供应。含氧气体供应单元67通过在第一桥接部34与相应的圆盘36内侧之间的空间形成，并且沿堆叠方向延伸。
在隔板28之间设置用于密封燃料气体供应通路30的绝缘密封件69。例如，绝缘密封件69由云母材料或陶瓷材料制成。排气通道68沿堆叠方向穿过燃料电池11延伸到相应的圆盘36外侧。
如图1和图2所示，燃料电池组12包括堆叠在一起的多个燃料电池11，以及设置在沿堆叠方向的相对端部的端板70a、70b。端板70a大致具有圆盘形状。在端板70a的外周区域中形成环形部分72。环形部分72从端板70a沿轴向突出。在环形部分72周围形成槽74。在环形部分72的中心设置柱形突起76。柱形突起76和环形部分72沿相同方向从端板70a突出。在突起76的中心形成孔78。
在端板70a上，沿着突起76周围的假想圆以等角(间隔)交替形成孔80和螺纹孔82。如图7所示，孔80和螺纹孔82设置在与第一和第二桥接部34、60之间形成的含氧气体供应单元67的相应空间相对应的位置处。如图1所示，端板70b的直径大于端板70a的直径。端板70b是薄的导电板。
壳体18包括容纳载荷施加机构21的第一壳体单元86a和容纳燃料电池组12的第二壳体单元86b。端板70b和绝缘件夹在第一壳体单元86a与第二壳体单元86b之间。该绝缘件设置在第二壳体单元86b一侧。在第一壳体单元86a与第二壳体单元86b之间的接合部分通过螺栓88和螺母90紧固。端板70b起到热障的作用，用于防止热废气或热空气从流体单元19进入载荷施加机构21。
环形壁板92的一端连接到第二壳体单元86b，顶板94固定至壁板92的另一端。流体单元19关于燃料电池组12的中心轴线对称设置。具体地说，大致柱形的重整器16同轴地设置在大致环形的热交换器14内。
壁板96固定至端板70a周围的槽74，以便在端板70a与壁板96之间形成腔室单元98。热交换器14和重整器16直接连接到腔室单元98。空气在流过热交换器14时被加热，并且临时充入腔室单元98的腔室98a。孔80敞开，以用于将临时在腔室98a中的空气供应到燃料电池组12。
燃料气体供应管100和重整气体供应管102连接到重整器16。燃料气体供应管100从顶板94延伸到外部。重整气体供应管102插入端板70a的孔78中，并连接到燃料气体供应通路30。
空气供应管104和排气管106连接到顶板94。在壳体18中设置有从空气供应管104通过热交换器14延伸到腔室单元98的通道108以及从燃料电池组12的排气通道68通过热交换器14延伸到排气管106的通道110。
载荷施加机构21包括第一紧固单元112a和第二紧固单元112b，第一紧固单元112a用于向燃料气体供应通路30周围(附近)的区域施加第一紧固载荷T1，第二紧固单元112b用于向电解质电极组件26施加第二紧固载荷T2。第二紧固载荷T2小于第一紧固载荷T1(T1>T2)。
如图1、图2和图8所示，第一紧固单元112a包括拧入沿着端板70a的一个对角线形成的螺纹孔82中的较短的第一紧固螺栓114a。第一紧固螺栓114a沿着燃料电池11的堆叠方向延伸，并与第一压板116a接合。第一紧固螺栓114a设置在隔板28中的含氧气体供应单元67内。第一压板116a是窄板，并与隔板28的中心位置接合以覆盖燃料气体供应通路30。
第二紧固单元112b包括拧入沿着端板70a的另一个对角线形成的螺纹孔82中的较长的第二紧固螺栓114b。第二紧固螺栓114b的端部延伸穿过具有弯曲外部的第二压板116b。螺母117装配到第二紧固螺栓114b的端部。第二紧固螺栓114b设置在隔板28中的含氧气体供应单元67内。在第二压板116b的各个圆形部分中，在与燃料电池11的圆盘36上的电解质电极组件26对应的位置处设置有弹簧118和弹簧座119。例如，弹簧118是陶瓷弹簧。
下面将描述燃料电池系统10的操作。
如图3所示，在组装燃料电池系统10时，首先，将通道件56接合到隔板28的面向阴极22的表面上。因此，在隔板28与通道件56之间形成与燃料气体供应通路30相连接的燃料气体供应通道66。燃料气体供应通道66通过燃料气体入口54连接到燃料气体通道46(见图6)。在各个隔板28上围绕燃料气体供应通路30设置环形绝缘密封件69。
这样就制成了隔板28。在隔板28之间插设八个电解质电极组件26以形成燃料电池11。如图3和图4所示，电解质电极组件26插设在一个隔板28的表面36a与另一隔板28的表面36b之间。圆盘36的燃料气体入口54位于各阳极24的中心。
沿箭头A所示的方向堆叠多个燃料电池11，并将端板70a、70b设在沿堆叠方向的相对端部处。如图1、2和图8所示，第一紧固单元112a的第一压板116a设置在燃料电池11的中央。
在这种状态下，将较短的第一紧固螺栓114a朝着端板70a插入并穿过第一压板116a和端板70b。第一紧固螺栓114a的末端被拧入并装配到沿着端板70a的一个对角线形成的螺纹孔82内。第一紧固螺栓114a的头部与第一压板116a接合。第一紧固螺栓114a拧入螺纹孔82中以调节第一压板116a的表面压力。这样，在燃料电池组12中，向燃料气体供应通路30附近的区域施加第一紧固载荷T1。
然后，将弹簧118和弹簧座119与在圆盘36的相应位置处的电解质电极组件26沿轴向对准。第二紧固单元112b的第二压板116b与设置在弹簧118的一端的弹簧座119接合。
然后，将较长的第二紧固螺栓114b朝着端板70a插入并穿过第二压板116b和端板70b。第二紧固螺栓114b的顶端被拧入并装配到沿着端板70a的另一个对角线形成的螺纹孔82内。将螺母117装配到第二紧固螺栓114b的头部。因此，通过调节螺母117与第二紧固螺栓114b之间的螺纹接合状态，通过相应弹簧118的弹力向电解质电极组件26施加第二紧固载荷T2。
燃料电池组12的端板70b夹在壳体18的第一壳体单元86a与第二壳体单元86b之间。第一壳体单元86a和第二壳体单元86b通过螺栓88和螺母90固定在一起。流体单元19安装在第二壳体单元86b中。流体单元19的壁板96安装至端板70a周围的槽74。因此，在端板70a与壁板96之间形成腔室单元98。
接着，如图1所示，在燃料电池系统10中，从燃料气体供应管100供应燃料(甲烷、乙烷、丙烷等)和水(在需要时)，并从空气供应管104供应含氧气体(下文称为“空气”)。
燃料在经过重整器16时得到重整以产生燃料气体(含氢气体)。燃料气体供应至燃料电池组12的燃料气体供应通路30。燃料气体沿箭头A所示的堆叠方向流动，并且通过各个燃料电池11中的隔板28的狭缝62流入燃料气体供应通道66(见图6)。
燃料气体沿着在第一和第二桥接部34、60之间的燃料气体供应通道66流动，并从圆盘36的燃料气体入口54流入燃料气体通道46。燃料气体入口54在与电解质电极组件26的阳极24的中心区域相对应的位置处形成。因此，燃料气体从燃料气体入口54供应至阳极24的大致中心位置，并且从阳极24的中心区域沿着燃料气体通道46向外流动。
如图1所示，空气从空气供应管104流过热交换器14的通道108，并临时流入腔室98a。空气流过与腔室98a相连通的孔80，并供应至大致设置在燃料电池11的中央的含氧气体供应单元67。这时，在热交换器14中，如下所述，因为排放到排气通道68的废气流过通道110，所以废气与供应到燃料电池11之前的空气之间进行热交换。因此，空气被预先加热到期望的燃料电池工作温度。
供应至含氧气体供应单元67的空气沿箭头B所示的方向流入电解质电极组件26的内周边缘与圆盘36的内周边缘之间的空间，并流向含氧气体通道50。如图6所示，在含氧气体通道50中，空气从内周边缘(隔板28的中央区域)流向外周边缘(隔板28的外侧区域)，即，从电解质电极组件26的阴极22的外周区域的一端流向另一端。
因此，在电解质电极组件26中，燃料气体从阳极24的中央区域流向外周区域，空气在阴极22的电极表面上沿箭头B所示的一个方向流动。这时，氧离子通过电解质20流向阳极24，用于通过电化学反应来发电。
排放至相应的电解质电极组件26的外侧的废气沿堆叠方向流过排气通道68。当废气流过热交换器14的通道110时，在废气与空气之间进行热交换。然后将废气排至排气管106中。
在第一实施例中，腔室单元98形成在端板70a处，即，形成在燃料电池组12的设置有端板70a的一侧上。通过热交换器14加热的空气临时充入腔室单元98的腔室98a，因此整个端板70a中的温度变得均匀。在端板70a中不会发生热变形，并且有效地减少了整个燃料电池组12中的热变形。因为减少了来自端板70a的热辐射，所以可以在燃料电池组12中保持均匀的工作温度。
另外，因为加热的空气临时充入腔室98a，所以供应至腔室98a的空气的流速保持在一定水平。因此，供应至燃料电池11的空气的流速不会变化，从而各个燃料电池11都均匀地发电。
另外，腔室单元98直接连接到热交换器14和重整器16。因为腔室单元98不需要任何管道地连接到热交换器14，所以在腔室单元98与热交换器14之间不会发生来自管道的热辐射。因此，减少了在燃料电池11的发电期间来自管道的热辐射，从而可以适当地降低热损失。另外，因为不需要管道来连接热交换器14和腔室单元98，所以燃料电池组12的整体重量减轻，并且通过消除管道而减小了燃料电池组12的体积。还可以减小燃料电池组12的尺寸。
另外，在电池组11中生成的热和临时处于腔室98a中的空气的热用于使端板70a升温。因此，减少了来自端板70a的热辐射。因为不需要管道，所以不会发生来自管道的热辐射。从而改进了燃料电池组12的起动操作。
另外，在壳体18中，包括热交换器14和重整器16的流体单元19直接连接到燃料电池组12，并且仅设置在壳体18的一侧上。因此，减小了整个流体单元19的热辐射区域，从而容易降低热损失。另外，将接收或辐射热的流体单元19布置在壳体18内。因此，减小了与流体单元19相关的体积，并且减少了来自流体单元19的热辐射量。因此，提高了热效率。
另外，重整器16设置在热交换器14内，热交换器14和重整器16关于燃料电池组12的中心轴线对称设置。因此，改进了重整器16的热绝缘。可以减小在流体单元19中生成的热应力。
图9是表示根据本发明第二实施例的燃料电池系统120的剖视图。与根据第一实施例的燃料电池系统10相同的构成元件标有相同的附图标记，并将省略对其的描述。在后述的第三实施例中，与根据第一实施例的燃料电池系统10相同的构成元件标有相同的附图标记，并将省略对其的描述。
燃料电池系统120包括设置在壳体18中的燃料电池组122。燃料电池组122通过沿着箭头A所示的方向堆叠多个燃料电池124而形成。燃料电池组122夹在端板70a、70b之间。
如图10和图11所示，在燃料电池124中，含氧气体在箭头C所示的方向上沿着电解质电极组件26的阴极22从阴极22的外周边缘流向内周边缘，即，沿着与第一实施例情况下的流动方向相反的方向流动。
含氧气体供应单元67设置在圆盘36外侧。排气通道68由圆盘36内的第一桥接部34之间的空间形成。排气通道68沿堆叠方向延伸。圆盘36均包括分别在两侧上朝着相邻圆盘36突出的延伸部126a、126b。在相邻延伸部126a、126b之间形成空间128。在相应的空间128中设置挡板130。挡板130在堆叠方向上沿着空间128延伸。
如图12所示，含氧气体通道50连接到含氧气体供应单元67，用于将含氧气体从圆盘36的外部区域与电解质电极组件26的外部区域之间的空间沿箭头C所示的方向供应。含氧气体供应单元67围绕隔板28形成，并且包括圆盘36的延伸部126a、126b外侧的区域。
如图9所示，在端板70a处形成腔室单元132，该腔室单元132具有通过孔80连接到排气通道68的腔室132a。从燃料电池124排放的废气临时充入腔室132a。废气通过直接通向腔室132a的开口133而流过热交换器14中的通道110。
空气供应管134和排气管136连接到顶板94。空气供应管134延伸到重整器16附近的位置。排气管136的端部连接到顶板94。
在第二实施例中，燃料气体从燃料气体供应管100通过重整器16流动至燃料气体供应通路30。作为含氧气体的空气从空气供应管134流入热交换器14内的通道108，并且供应至燃料电池124外侧的含氧气体供应单元67。如图12所示，空气从电解质电极组件26的外部区域与圆盘36的外部区域之间的空间沿箭头C所示的方向流动，并供应至各个电解质电极组件26中的含氧气体通道50。
因此，在电解质电极组件26中进行发电。废气作为燃料气体和空气在发电反应中消耗之后的混合物，沿着堆叠方向流过隔板28中的排气通道68。废气流过孔80，并临时充入在端板70a处形成的腔室单元132的腔室132a。另外，当废气通过通道110流入热交换器14中时，在废气与空气之间进行热交换。随后，废气被排入排气管136。
在第二实施例中，在各个燃料电池124内的反应中被消耗的废气临时充入腔室132a。因此，整个端板70a被均匀加热。另外，用于将废气供应至热交换器14的开口133直接通向腔室132a。不需要用于释放废热的管道。因此可获得与第一实施例的情况相同的优点。例如，有效地减小了整个燃料电池组122中的热变形，并且提高了热效率。
图13是表示根据本发明第三实施例的燃料电池系统140的剖视图。
燃料电池系统140包括燃料电池组142。燃料电池组142、热交换器14和重整器16设置在壳体144中。燃料电池组142通过沿着箭头A所示的方向堆叠多个燃料电池146而形成。
如图14和图15所示，燃料电池146包括在一对隔板150之间的多个(例如八个)电解质电极组件26。每个隔板150包括第一板152、第二板154和插设在第一和第二板152、154之间的第三板156。例如，第一至第三板152、154、156是例如由不锈钢制成的金属板。
第一板152包括第一小直径端部164和通过窄的桥接部162连接到第一小直径端部164的八个第一圆盘158。燃料气体供应通路30延伸穿过第一小直径端部164。每个第一圆盘158都具有第一突起166和围绕第一突起166的环形突起168。在各第一圆盘158的中心处形成燃料气体入口54。排气通道68沿着箭头A所示的方向在第一圆盘158内延伸。
第二板154具有弯曲外部170。在弯曲外部170的每个弯曲部分处，第二圆盘174通过从弯曲外部170向内延伸的桥接部172与弯曲外部170一体形成。第二圆盘174具有与电解质电极组件26的阴极22接触的第二突起176。在各个第二圆盘174的中心处形成含氧气体入口178。
第三板156包括弯曲外部180。在弯曲外部180的每个弯曲部分处，第三圆盘184通过从弯曲外部180向内延伸的桥接部182与弯曲外部180一体形成。第三圆盘184在其面向第一板152的表面上具有第三突起186。第三圆盘184通过桥接部188连接到第二小直径端部190。在第二小直径端部190中沿径向形成连接到燃料气体供应通路30的多个狭缝192。狭缝192连接到在第二小直径端部190的外周区域中形成的凹部194。
如图16所示，在第一和第三板152、156之间形成燃料气体供应通道66，并在第二和第三板154、156之间形成含氧气体通道50。在夹持电解质电极组件26的第一和第二板152、154之间沿着外部170设置绝缘密封件196(见图14)。
如图13所示，燃料电池组142包括沿着堆叠方向设置在燃料电池146的相对端部处的端板200a、200b。紧固螺栓202插入端板200a、200b的外部区域中。螺母204装配到紧固螺栓202的顶端，用于向端板200a、200b之间的部件施加紧固载荷。
紧固螺栓202电连接到端板200a，并与端板200b电绝缘。在端板200a处形成用于废气的第一腔室单元206。另外，在端板200b处形成用于废气的第二腔室单元207。
在端板200a与流体单元19之间形成第一腔室单元206。第一腔室单元206中的腔室206a通过端板200a上的多个孔208a连接到排气通道68。第一腔室单元206具有直接通向腔室206a的开口209，用于将临时处于腔室206a中的废气供应至热交换器14的通道110。在端板200b与内壁板210之间形成第二腔室单元207。第二腔室单元207具有通过多个孔208b连接到排气通道68的腔室207a。内壁板210的相对端部固定至热交换器14的外部区域，以便在壳体144中形成空气通道212。
壳体144包括容纳燃料电池组142的第一壳体单元214a和容纳流体单元19的第二壳体单元214b。第一壳体单元214a具有电连接到端板200b的第一输出端子216a，以及通过热交换器14和第二壳体单元214b电连接到端板200a的第二输出端子216b。第一输出端子216a与第一壳体单元214a和内壁板210电绝缘。
空气供应管218连接到第一壳体单元214a。供应到空气供应管218的空气流过空气通道212，并供应到热交换器14的通道108。燃料气体供应管100和排气管106连接到第二壳体单元214b。
在第三实施例中，燃料从燃料气体供应管100供应至重整器16。重整器16重整燃料以产生燃料气体。燃料气体供应至燃料电池组142的燃料气体供应通路30。如图16所示，燃料流过燃料气体供应通道66，并且燃料气体从燃料气体入口54供应至相应的电解质电极组件26的阳极24的大致中心区域。
如图13所示，空气从空气供应管218供应至空气通道212。空气通过空气通道212流至热交换器14的通道108。如下所述，废气供应至热交换器14的通道110。由废气加热的空气供应至设置在燃料电池组142的外部区域中的含氧气体供应单元67。
如图16所示，供应至含氧气体供应单元67的空气流过含氧气体通道50，并从含氧气体入口178供应至电解质电极组件26的阴极22的大致中心区域。因此，在各个电解质电极组件26中进行发电。在反应中消耗之后的含有燃料气体和空气的废气排放到在相应的电解质电极组件26周围的排气通道68。
排放到排气通道68的废气沿堆叠方向流动。废气流过端板200a、200b的孔208a、208b，并充入第一和第二腔室单元206、207中的腔室206a、207a。临时处于腔室206a中的废气供应到通道110。在热交换器14中进行热交换之后，废气被排入排气管106。
在第三实施例中，从排气通道68排放的废气临时充入在端板200a处形成的第一腔室单元206的腔室206a。因此，可获得与第一和第二实施例的情况相同的优点。例如，整个端板200a中的温度变均匀，并且可以减少来自端板200a的热辐射。
另外，在第三实施例中，端板200b和内壁板210形成第二腔室单元207。来自排气通道68的废气流过孔208b，并临时充入第二腔室单元207的腔室207a。因此，第一和第二腔室单元206、207形成在燃料电池组142的燃料电池146的沿堆叠方向的相对端部处。热废气充入第一和第二腔室单元206、207的每一个。因此，进一步改进了绝热性能。
上文参照优选实施例具体示出并描述了本发明，但是应理解到，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可对其进行变型和修改。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
燃料电池组(12)，该燃料电池组(12)包括沿堆叠方向堆叠在一起的多个燃料电池(11)，以及设置在所述燃料电池(11)的沿堆叠方向的相对端部处的端板(70a)，所述燃料电池(11)均包括电解质电极组件(26)和夹持所述电解质电极组件(26)的隔板(28)，所述电解质电极组件(26)包括阳极(24)、阴极(22)和插设在所述阳极(24)和所述阴极(22)之间的电解质(20)；
热交换器(14)，该热交换器(14)用于加热待供应到所述燃料电池组(12)的含氧气体；
重整器(16)，该重整器(16)用于重整燃料以产生燃料气体；
壳体(18)，该壳体(18)容纳所述燃料电池组(12)、所述热交换器(14)和所述重整器(16)；
其中在一个所述端板(70a)处形成腔室单元(98)，并且将由所述热交换器(14)加热的含氧气体临时充入所述腔室单元(98)；并且
所述热交换器(14)和所述重整器(16)直接连接到所述腔室单元(98)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述腔室单元(98)具有用于将临时处于该腔室单元(98)中的含氧气体供应至所述燃料电池组(12)的开口(80)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述热交换器(14)和所述重整器(16)设置在所述燃料电池组(12)的一侧上。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述重整器(16)设在所述热交换器(14)内，并且所述热交换器(14)和所述重整器(16)关于所述燃料电池组(12)的中心轴线对称设置。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，燃料气体供应通路(30)延伸穿过所述燃料电池组(12)的中心，用于沿堆叠方向供应燃料气体；
在所述燃料气体供应通路(30)周围形成含氧气体供应单元(67)，该含氧气体供应单元(67)用于沿堆叠方向供应被所述热交换器(14)加热的含氧气体；并且
在所述燃料电池组(12)的外部区域中形成用于将废气供应至所述热交换器(14)的排气通道(68)。
6.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
燃料电池组(122)，该燃料电池组(122)包括沿堆叠方向堆叠在一起的多个燃料电池(124)，以及设置在所述燃料电池(124)的沿堆叠方向的相对端部处的端板(70a)，所述燃料电池(124)均包括电解质电极组件(26)和夹持所述电解质电极组件(26)的隔板(28)，所述电解质电极组件(26)包括阳极(24)、阴极(22)和插设在所述阳极(24)和所述阴极(22)之间的电解质(20)；
热交换器(14)，该热交换器(14)用于加热待供应到所述燃料电池组(122)的含氧气体；
重整器(16)，该重整器(16)用于重整燃料以产生燃料气体；
壳体(18)，该壳体(18)容纳所述燃料电池组(122)、所述热交换器(14)和所述重整器(16)；
其中在一个所述端板(70a)处形成腔室单元(132)，并且将在所述电解质电极组件(26)的反应中消耗之后排放的废气临时充入所述腔室单元(132)；并且
所述热交换器(14)和所述重整器(16)直接连接到所述腔室单元(132)。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述腔室单元(132)具有开口(80)，该开口(80)直接通向所述腔室单元(132)并用于将临时处于所述腔室单元(132)中的废气供应至所述热交换器(14)。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述热交换器(14)和所述重整器(16)设置在所述燃料电池组(122)的一侧上。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述重整器(16)设在所述热交换器(14)内，并且所述热交换器(14)和所述重整器(16)关于所述燃料电池组(122)的中心轴线对称设置。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中，燃料气体供应通路(30)延伸穿过所述燃料电池组(122)的中心，用于沿堆叠方向供应燃料气体；
在所述燃料气体供应通路(30)周围形成排气通道(68)，该排气通道(68)用于将所述废气供应至所述热交换器(14)；并且
在所述燃料电池组(122)的外部区域中形成用于供应被所述热交换器(14)加热的含氧气体的含氧气体供应单元(67)。
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