CN101436674B

CN101436674B - 燃料电池堆

Info

Publication number: CN101436674B
Application number: CN2008101695642A
Authority: CN
Inventors: 安圣镇; 李东旭; 李美营; 申承湜; 李致承; 宋珉圭
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: US20090123808A1; JP2009123680A; KR20090049932A; EP2061112A1; CN101436674A; KR100911988B1

Abstract

本发明涉及一种能够使其内的燃料流动均匀的燃料电池堆。本发明一实施例提供一种燃料电池堆，包括：堆，其包括设置在堆主体中的多个燃料电池；位于该堆主体中并且与所述多个燃料电池流体相连的燃料歧管；位于该堆主体中并且与所述多个燃料电池流体相连的氧化剂歧管；以及设置在燃料歧管中包括纵向凹部的挡板，其中，该凹部的横截面沿一个方向减小。

Description

燃料电池堆

相关申请的交叉参考

本申请要求2007年11月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2007-0116305的优先权和权益，所述申请的全部内容通过引用被合并于此。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，更具体地，涉及一种能够使燃料在其内均匀流动的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种电力发生系统，其通过将包含在诸如甲醇、乙醇、以及天然气等的烃基材料中的氢和氧进行电化学反应而产生电能。根据所使用的电解质的种类，燃料电池可分为磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池、聚合物电解质燃料电池、以及碱燃料电池等。这些燃料电池基本上基于相同的原理工作，但在所使用的燃料的种类、工作温度、所使用的催化剂的种类、以及所使用的电解质的种类等方面不同。

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)与其它类型的燃料电池相比具有较高的输出特性、较低的工作温度、快速起动和响应特性。因此，PEMFC的优点在于能够广泛应用于电源，例如便携式电子设备的电源、汽车电源、或在房屋和公共建筑物中使用的固定式电力设备等。向堆直接供应液相燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)并不像聚合物电解质膜燃料电池一样使用重整器从燃料中获得氢，因此其在小型化方面具有更多的优点。

聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池包括，例如，堆、燃料罐等。堆通常具有如下结构，由膜电极组件(MEA)和隔板形成的单元燃料电池(在下文中称之为电池)被堆叠成几个到几十个的结构。在这种情况下，燃料电池堆的内部通常包括向各个电池供应燃料的歧管以及供应氧化剂的歧管。通过控制堆叠的电池的数量，从而能够在堆叠结构的燃料电池中容易地获得所需的电压。

根据燃料入口、燃料出口、氧化剂入口和氧化剂出口的布置，燃料电池堆可分为Z型堆和U型堆。例如，Z型堆表示燃料入口和燃料出口位于彼此相对的表面上的结构。而氧化剂入口和氧化剂出口按照类似的方式位于彼此相对的表面上。U型堆表示燃料入口和燃料出口位于同一表面上，而氧化剂入口和氧化剂出口也按照类似的方式位于同一表面上的结构。在U型堆的情况下，燃料入口和氧化剂入口可共同位于同一表面上，或者位于彼此相对的表面或不同表面上。

尽管Z型堆在向各个电池供应的燃料的均匀性方面而更优于U型堆，但其缺点在于，燃料入口和燃料出口位于彼此相对的两侧，因此堆的体积增大。相反，燃料入口和燃料出口位于一个面上的U型堆具有的优点在于，堆的体积相比Z型堆的体积更小。

然而，在U型堆的情况下，燃料通过堆的燃料入口被供应在第一燃料歧管内，然后被分到各个电池中以在电池中流动。随后，未反应的燃料和副产品从各个电池被共同排放到第二燃料歧管的内部，从而通过燃料出口流至堆的外部。此时，燃料入口和燃料出口位于同一表面上使得燃料流彼此不同。换句话说，到靠近燃料入口的电池的燃料流动路径的长度，不同于到远离燃料入口的电池的燃料流动路径的长度。燃料流动路径的长度的不同导致各个电池之间产生压力差，由此使得供应至各个电池的燃料的量不同。

当上述现象发生时，燃料压力低的电池中的电能产生变得不稳定。电池之间电能产生的偏差造成堆的总体性能不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池堆，其能够改进供应至该堆内的电池的燃料和/或氧化剂的供应的均匀性，而同时最小化堆在系统中所占有的体积。

本发明的一些实施例包括一种燃料电池堆结构，其被构造为向U型堆中的每一个燃料电池供应燃料。该燃料电池堆结构包括向该燃料电池堆中的燃料电池供应燃料和氧化剂的歧管以及插在每一个歧管中的挡板(通道)。在挡板的总长度的大约六分之一处存在有挡板的横截面过渡区，从而将挡板分成两部分。挡板的第一部分和第二部分的横截面具有变化的横截面，第一部分和第二部分的横截面有差别地变化。

本发明的一个实施例提供了一种燃料电池堆包括：堆，包括设置在堆主体中的多个燃料电池；燃料歧管，位于所述堆主体中并与所述多个燃料电池流体相连；氧化剂歧管，位于所述堆主体中并与所述多个燃料电池流体相连；以及挡板，设置在所述燃料歧管中，并包括纵向凹部，该纵向凹部的横截面沿一个方向减小。

在本发明的实施例中，所述挡板包括纵向凹部，其被构造为提供与所述多个燃料电池的流体连通。所述挡板进一步由非电传导材料或耐酸材料形成。特别地，所述挡板由聚合物形成。

所述纵向凹部包括第一凹部部分和第二凹部部分，其中，第一凹部部分设置为接近所述燃料歧管的入口，且横截面面积大于远离入口的所述第二凹部部分的横截面面积。所述纵向凹部进一步包括，第一凹部部分的横截面面积为燃料歧管的横截面面积的约90％至约70％，第二凹部部分的横截面面积为燃料歧管的横截面面积的约70％至约50％。所述凹部仍进一步包括，第一凹部部分的长度与第二凹部部分的长度之间的比为约1比5。第一凹部部分的横截面面积和第二凹部部分的横截面面积有差别地减小或变化。在本发明的一个实施例中，燃料歧管的横截面沿燃料歧管的延伸基本上相同。

在本发明的实施例中，所述燃料歧管包括，用于供应燃料的第一燃料歧管部分和用于排放从电池排放出的未反应燃料和副产品的第二燃料歧管部分。所述燃料歧管进一步包括，设置在第一燃料歧管部分中的第一挡板部分和设置在第二燃料歧管部分中的第二挡板部分。在本发明的另一实施例中，氧化剂歧管包括，用于供应氧化剂的第一氧化剂歧管部分和用于排放从电池排放出的未反应的氧化剂和副产品的第二氧化剂歧管部分。所述氧化剂歧管进一步包括，设置在第一氧化剂歧管部分中的第三挡板部分，和设置在第二氧化剂歧管部分中的第四挡板部分。

在本发明的实施例中，所述燃料电池使用包括气相燃料、液相燃料及其组合物中任一种的燃料。所述燃料可进一步包括氢气、甲醇和乙醇中的至少一种。在本发明的又一实施例中，所述电池包括膜电极组件和隔板，其中，所述隔板包括燃料流场和氧化剂流场中的至少一个。此外，所述电池进一步包括电解质膜、设置在所述电解质膜的第一侧面上的阳极催化剂、以及设置在电解质膜的第二侧上的阴极催化剂。

附图说明

本发明的这些和/或其它实施例和特征根据下述结合附图的特定示例性实施例的描述将变得明显和更易于理解，其中，

图1是根据本发明实施例的燃料电池堆的立体图；

图2是安装在图1的燃料电池堆上的挡板的立体图；

图3是根据本发明实施例的挡板的立体图；

图4A是图3的挡板的第一侧视图；

图4B是图3的挡板的第二侧视图；

图5A至图5C是显示本发明的燃料电池堆的性能的试验结果的图表；以及

图6A至图6C是显示比较实例的燃料电池堆的性能的试验结果的图表。

具体实施方式

在下文中，根据本发明的特定示例性实施例将参考附图进行描述。在此，对本发明的完整理解非必要的部件为了清楚而被省略。此外，相同的附图标记始终表示相同的部件。

图1是根据本发明实施例的燃料电池堆的立体图。参见图1，本实施例的燃料电池堆包括：具有由多个电池形成的堆结构的堆主体10。堆主体10可包括用于形成均匀夹紧压力的一对端板11a和11b。

所述电池包括：板状的膜电极组件；具有用于向膜电极组件供应燃料的燃料流场的隔板；和具有用于向膜电极组件供应氧化剂的氧化剂流场的隔板。所述隔板可形成为下述结构，燃料流场和氧化剂流场被提供在所述隔板的两个表面上。膜电极组件包括聚合物电解质膜、位于该电解质膜的一个表面上的阳极催化剂、以及位于该电解质膜的另一表面上的阴极催化剂。聚合物电解质膜是使用在燃料电池中的电解质的一个示例，而本发明并不限于此。阳极催化剂和阴极催化剂可根据电解质从燃料电池中使用的不同的催化剂中进行选择。膜电极组件可进一步具有适于燃料、氧化剂和反应副产品的平滑流动的扩散层或支撑层。

堆主体10具有U型堆结构。U型堆结构表示的结构为，燃料入口16a和燃料出口16b如图1所示被设置在堆主体10的同一表面上。在本实施例中，氧化剂入口18a和氧化剂出口18b被共同设置在堆主体10的上表面上。然而，氧化剂入口18a和氧化剂出口18b可被单独或共同设置在至少任一个表面上。

在U型堆主体10中，穿过堆主体10内的每个电池的燃料流动路径的长度彼此不同。因此，可能出现供应至堆主体10内的每一个电池的燃料的压力差。此外，每个电池的燃料压力差导致电池之间的性能不同，因此有可能由于每个电池的性能偏差而降低燃料电池堆的总体性能。然而，本发明的特点在于简单地增加一简单结构的部件，挡板，其被构造为通过简单控制堆主体10内的燃料压力差而向每个电池均匀地供应燃料。

燃料电池堆的各个电池的阳极和阴极的反应式如下。反应式1表示利用甲醇溶液作为燃料的情况，而反应式2表示利用含氢气体重整丁烷作为燃料的情况。在下述反应式1中，E_o表示理论电动势。

[反应式1]

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极：1.5O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

总体：3CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O，E_o＝1.18V

[反应式2]

重整器：n-C₄H₁₀+8H₂O→4CO₂+13H₂

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：0.5O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总体：H₂+0.5O₂→H₂O

如反应式1和反应式2所示，除了诸如甲醇溶液的液相燃料外，本发明的燃料电池堆还可使用气相燃料，例如通过重整诸如丁烷、乙醇、NaBH4液体等燃料获得的氢，或纯净的氢气。此外，本发明的燃料电池堆可使用空气和纯净的氢等作为氧化剂。

图2示出设置在图1的燃料电池堆内的挡板的立体图。参照图2，在U型燃料电池堆中，靠近燃料入口和燃料出口的电池(在下文中称之为第一电池)和远离燃料入口和燃料出口的电池(在下文中称之为第二电池)具有不同的燃料流动路径长度。在本实施例中，第一电池包括膜电极组件12a和位于该膜电极组件的上下表面上的隔板14。第二电池包括膜电极组件12b和位于该膜电极组件的上下表面上的隔板14。如图2所示，当燃料通过同一燃料歧管供应至第一电池和第二电池时，第一电池的从燃料入口至燃料出口的燃料流动路径F1比第二电池的燃料流动路径F2短。因此，第一电池和第二电池具有不同的燃料压力。

燃料歧管包括设置在燃料入口侧的第一燃料歧管部分和设置在燃料出口侧的第二燃料歧管部分。挡板20包括设置在第一燃料歧管部分内的第一挡板部分和设置在第二燃料歧管部分内的第二挡板部分。挡板20还可进一步包括设置在第一氧化剂歧管部分内的第三挡板部分和设置在第二氧化剂歧管部分内的第四挡板部分。挡板20还可包括形成在挡板一侧的凹部，其被构造为提供凹部与堆中的电池之间的流体连通。挡板20还可包括嵌在或被包围在挡板内的通道，其具有沿挡板一侧的开口，该开口被构造为向凹部与堆中的电池之间提供流体连通。

实际上，U型燃料电池堆中的各个电池的燃料压力差可能根据燃料量、隔板的燃料流场的结构、以及歧管与堆相比的尺寸中的至少一个而不同。因此，下述实施例将假设第二电池被供应了预定燃料流量的情况。根据这种假设，预定的燃料流量被供应至具有预定横截面的歧管，并且与此同时，尽管第二电池的输出电压显示出稳定状态，但第一电池的输出电压可能显示出不稳定状态。然而，如果使用本发明的挡板20，第一电池以及第二电池可显示出稳定状态的输出电压。

图3是根据本发明的挡板的立体图。图4A是图3中的挡板的第一侧的视图，且图4B是图3中的挡板的第二侧的视图。参见图3、图4A和图4B，挡板20包括位于堆主体的燃料入口侧的第一端20a和朝向另一侧的第二端20d。挡板20还包括沿纵向形成的凹部22。凹部22作为流动通路将经过燃料入口到达燃料电池的燃料进行流体连通，并且作为流动通路与燃料电池进行流体连通用于将未反应的燃料和副产品从电池排放到堆的外部。上述凹部22可被分为位于一端的第一凹部部分22a和位于另一端的第二凹部部分22b。

挡板20被设置在堆主体的燃料歧管内。在此，燃料歧管的横截面恒定。此外，堆主体被假设具有其中堆叠有三十个电池的结构。由三十个电池堆叠的堆主体具有下述结构，28个电池被设置在最靠近或最接近燃料入口和燃料出口的第一电池(在下文中称之为第一电池或电池1)与距燃料入口和燃料出口最远或最远端的第二电池(在下文中称之为第三十个电池或电池30)之间。

为了向第一电池到第三十个电池均匀地供应燃料，挡板20的凹部22的横截面从邻近第一电池的部分至邻近第三十个电池的部分逐渐减小。换句话说，第一凹部部分22a的尺寸大于第二凹部部分22b的尺寸。例如，当第一凹部部分22a的横截面面积为燃料歧管横截面面积的约90％至约70％时，第二凹部部分22b的横截面面积为燃料歧管横截面面积的约70％至约50％。在上述情况下，位于燃料入口和燃料出口的第一凹部部分22a的压力差增大，从而有可能平滑地将燃料从第一电池供应至第五个电池。此外，第一凹部部分的长度与第二凹部部分的长度之间的比为约1比5。在这种情况下，第一凹部部分22a的横截面和第二凹部部分22b的横截面有差别地变化。根据上述结构，燃料流动压力在第五个电池和第六个电池之间改变，使第二凹部部分22b的减少的坡度平滑，避免在第三十个区域中产生燃料供应不足的现象。

挡板20由具有非电传导性以避免与电池进行电传导，以及具有耐酸性避免与燃料反应的材料形成。例如，挡板可由聚合物，至少一种的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PEFE(聚四氟乙烯)、和PE(聚乙烯)形成。

图5A至图5C是显示本发明燃料电池堆的性能的试验结果图表。图6A至图6C是显示了作为比较的不同燃料电池堆的性能的试验结果的图表。在实施例中，本发明的包括所述挡板的燃料电池堆和比较实例的不具有挡板的燃料电池堆应用于相同的规格和相同的负载。

参见图5A，本发明的包括挡板的燃料电池堆在电流为19.5V时输出的功率约390W。同时，比较实例的燃料电池堆在输出电流为19.5A时输出的功率约383W，如图6A所示。参见图5B，本发明的燃料电池堆在电压为20V时输出的功率约400W。同时，比较实例的燃料电池堆在电压为20V时输出的功率约360W，如图6B所示。参见图5C，尽管本发明的燃料电池堆在19.5A的输出电流时显示约10mV的标准STD电池电压，但其显示出堆中电池之间的标准电池电压偏差较小。同时，尽管比较实例的燃料电池堆在19.5A电流时显示约11mV的标准电池电压，如图6C所示，但其显示出堆结构中的电池之间的标准电池电压偏差大于本发明的燃料电池堆的情况。

同时，上述实施例说明挡板的凹部从燃料入口和燃料出口沿挡板的纵向减小的结构。然而，明显的是，这种说明与挡板自身的横截面从燃料入口和燃料出口沿挡板的纵向增大的结构相同。尽管上述实施例集中于对安装在燃料歧管内的挡板进行说明，明显的是，本发明的挡板能安装在氧化剂歧管内，如图2所示。通过本发明，针对堆中的电池的燃料供应和排放可以是均匀的，而不会使燃料电池堆的制造过程和装配过程复杂化。此外，为了在堆中实现均匀的燃料供应和排放，不必有差别地制造隔板的尺寸和歧管的尺寸，从而有可能降低其制造成本。

尽管本发明的示例性实施例已进行了显示和描述，但本领域技术人员应理解，在不偏离由所附权利要求书及其等同设置限定的本发明的精神和范围的情况下，可对这实施例进行变化。

Claims

1.一种燃料电池堆，包括：

堆，包括设置在堆主体中的多个燃料电池；

燃料歧管，位于所述堆主体中与所述多个燃料电池流体相连；

氧化剂歧管，位于所述堆主体中并与所述多个燃料电池流体相连；以及

挡板，设置在所述燃料歧管中，并包括沿一个方向延伸的纵向凹部，该纵向凹部的横截面沿纵向减小;

其中所述纵向凹部包括接近所述燃料歧管的入口的第一凹部部分，其横截面面积大于远离所述入口的第二凹部部分的横截面面积，并且所述第一凹部部分的横截面面积和第二凹部部分的横截面面积有差别地减小。

2.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述燃料歧管的横截面沿所述燃料歧管的延伸相同。

3.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述挡板的所述纵向凹部被构造用于提供与所述多个燃料电池流体连通。

4.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述第一凹部部分的横截面面积为所述燃料歧管的横截面面积的90％至70％，所述第二凹部部分的横截面面积为所述燃料歧管的横截面面积的70％至50％。

5.如权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述第一凹部部分的长度和所述第二凹部部分的长度的比为1：5。

6.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述挡板由非电传导材料形成。

7.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述挡板由耐酸材料形成。

8.如权利要求6所述的燃料电池堆，其中，所述挡板由聚合物形成。

9.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述燃料歧管包括：

用于供应燃料的第一燃料歧管部分；

用于排放从所述燃料电池排放的未反应的燃料和副产品的第二燃料歧管部分；

所述挡板包括：

设置在所述第一燃料歧管部分中的第一挡板部分；以及

设置在所述第二燃料歧管部分中的第二挡板部分。

10.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述氧化剂歧管包括：

用于供应氧化剂的第一氧化剂歧管部分；

用于排放从所述燃料电池排放的未反应的氧化剂和副产品的第二氧化剂歧管部分；

设置在所述第一氧化剂歧管部分中的第三挡板部分；以及

设置在所述第二氧化剂歧管部分中的第四挡板部分。

11.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述燃料电池使用包括气相燃料、液相燃料及其组合物中的任一种的燃料。

12.如权利要求11所述的燃料电池堆，其中，所述燃料包括氢气、甲醇、以及乙醇中的至少一种。

13.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述燃料电池包括膜电极组件和隔板，其中，所述隔板包括燃料流场和氧化剂流场中的至少一个。

14.如权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述燃料电池包括电解质膜、设置在所述电解质膜的第一侧上的阳极催化剂、以及设置在所述电解质膜的第二侧上的阴极催化剂。

15.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述燃料歧管的入口和出口设置在同一表面上。