CN1324745C - 发电器叠层组和具有该发电器叠层组的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明是通过层叠多个发电器以形成层叠的燃料电池系统，每一个发电器具有膜电极组件和带有所述膜电极组件的隔板。叠层组包括成一线地布置在隔板至少一部分上的校准器，并且该校准器连接和对准所述发电器。

Description

发电器叠层组和具有该发电器叠层组的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种叠层组和具有该叠层组的燃料电池系统；所述叠层组具有能够容易地对准多个发电器的结构，所述发电器包含膜电极组件(MEA)和隔板。
背景技术
一般而言，燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的发电系统。通过氧气或者包含氧的空气与包含在烃类材料例如甲醇、乙醇、天然气等中的氢进行反应从而达到这一点。
根据电解液的类型，燃料电池分成很多类别，包括在约150℃-200℃温度下工作的磷酸盐燃料电池、在大约600℃-700℃高温下工作的熔融碳酸盐燃料电池、在1000℃高温或更高温度下工作的固体氧化物燃料电池、聚合物电解质燃料电池、和在室温或者温度100℃或更低的温度下工作的碱性燃料电池。上述燃料电池工作原理相同，但是燃料类型、操作温度、催化剂、和用于电池的电解液各不相同。
最近发展的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)与其它燃料电池相比具有良好的输出性能、低操作温度、快速启动和反应特性，并且采用通过重整的甲醇、乙醇、天然气等获得的氢作为燃料。因此，PEMFC具有很宽的应用领域例如用于运输工具的移动能源、用于家庭和建筑的分布式电源、和用于电子设备的小型电源。
PEMFC需要由叫做叠层组的燃料电池主体、燃料箱、将燃料从燃料箱供给到叠层组的燃料供给泵等组成一个系统。上述燃料电池可以进一步包括重整器，其在向叠层组供给储存在燃料箱中的燃料时转化燃料以生成氢气并将氢气供向叠层组。通过燃料泵将储存在燃料箱中的燃料供给重整器，然后重整器转化燃料并产生氢气。接下来，叠层组使氢气和氧气之间产生电化学反应，从而产生电能。
可选择的，燃料电池能够使用直接甲醇燃料电池(DMFC)配置，其直接供给包含氢的液态燃料给叠层组以产生电。不像PEMFC，使用DMFC系统(scheme)的燃料电池不需要重整器。
如上面所述的燃料电池系统，叠层组具有包含膜电极组件(MEA)和隔板(或双极板)的几个或数十个的发电器层叠成的塔式构造。膜电极组件被设置成阳极(也被认为是“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也被认为是“空气电极”或“还原电极”)在它们之间带有电解质隔膜地彼此连接。隔板同时起到作为供给燃料电池反应需要的氧气和氢气的通道和作为串联每一个膜电极组件的阳极和阴极彼此连接的导体的作用。因此，通过隔板供给氢气给阳极和供给氧气给阴极。这导致氢气在阳极上发生电化学氧化反应和氧气在阴极上发生电化学还原反应。由于该反应使得电子流动，从而产生电力、热、和水。
传统叠层组的在构造上的缺陷是难以层叠多个具有膜电极组件和隔板的发电器。尤其是，在整个层叠执行中，精确对准膜电极组件的电极部分和隔板的气体流动通道对整个叠层组的性能具有很大的影响。另外，为防止燃料气体从膜电极组件和隔板之间的缝隙中泄漏，对该缝隙的密封变得越来越重要。
发明内容
本发明的目的是通过以下手段解决上述问题，提供一种具有能够容易地对准多个发电器的叠层组，所述发电器包含膜电极组件(MEA)和隔板，以增强叠层组的性能和提高膜电极组件和隔板之间的密封。本发明还提供一种具有上述叠层组的燃料电池系统。
根据本发明的一个方面，通过层叠多个发电器形成燃料电池系统的叠层组。叠层组中的每个发电器具有膜电极组件和带有所述膜电极组件的隔板。叠层组包括一个校准器，其成一线地设置在隔板至少一部分上并且连接和校准多个发电器，校准器可以包括形成在隔板一个面上的凸起部分和形成在隔板另一个面上对应于上述凸起部分的一个凹陷部分。
校准器可以沿隔板的边缘以连续或者不连续的方式形成。校准器也可以布置在隔板的角上。校准器的凸起部分可以和隔板形成一个整体，并且可在凸起部的表面形成弹性覆盖层。凸起部分可以与隔板分开地形成或者可以在隔板上连接。这种情况下，凸起部由弹性材料制成。
可选择的，校准器可以包括形成在隔板一个表面的凸起部分和凹陷部分和形成在隔板另一个表面上与凸起部分和凹陷部分相对应的凹陷部分和凸起部分。校准器可以包括用于插入和连接形成在隔板一个表面上和相对所述表面上另一个表面的凹陷部分的垫片。
根据本发明的另一个方面，开发一种燃料电池系统，包括通过氢气和氧气的电化学反应来发电的叠层组，重整燃料以产生氢气的重整器，向重整器供给燃料的燃料供给单元，和向叠层组供给空气的空气供给单元。这种情况下，叠层组由多个的发电器层叠而成，其中每个发电器具有膜电极组件和带有所述膜电极组件的隔板。叠层组也包括一个校准器，其成一线地设置在隔板的至少一个部分上并连接和校准多个发电器。
燃料电池系统进一步包括重整器，其布置在燃料供给单元与叠层组之间，并用于重整从燃料供给单元供给的燃料以产生包含氢气的气体，并将产生的气体供给叠层组。燃料电池系统可以采用聚合物电解质隔膜燃料电池(PEMFC)系统。
燃料电池系统也可以采用直接甲醇燃料电池(DMFC)系统。
附图说明
通过参照附图对实施例的具体描述，本发明上述和附加的特征以及好处将会变的更加明显。
图1是表示根据本发明的燃料电池系统的框图。
图2是表示根据本发明实施例中燃料电池系统叠层组构造的透视图。
图3是表示根据本发明一个实施例的校准器的部分剖面图。
图4，5，6A，6B，7A，7B和8分别表示根据本发明改进的校准器的部分剖面图。
图9是表示根据本发明另一个实施例的校准器的部分剖面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图对本发明实施例进行具体描述，以使的本领域技术人员能够很容易的实行。然而，因为本发明能够进行各种方式的变化，所以本发明不受下述实施例的限制。
图1是表示根据本发明的燃料电池系统的框图和图2是根据本发明实施例表示燃料电池系统叠层组构造的透视图。
参照附图，根据本发明的燃料电池系统使用聚合物电解质隔膜燃料电池，在其中通过重整器转化含氢燃料以产生氢气。在随后通过使氢气和氧气彼此进行电化学反应，使产生的化学能直接转化为电能。这里，燃料包括烃类燃料例如甲醇、乙醇、天然气等等。纯氧气存储在附加的存储器中或者采用外部含氧的空气。随后将对外部空气作为氧气源的例子作描述。
根据本发明的燃料电池系统100包括叠层组10，向其供应燃料和空气来产生电能；储存燃料和向叠层组10供给燃料的燃料供给单元30；布置在叠层组10和燃料供给单元之间并且重整燃料供给单元30供给的燃料以产生氢气的重整器50；向叠层组10供给外部空气的空气供给单元32。
根据本发明的燃料电池系统100更进一步的包括DC-AC转换器并将叠层组10产生的DC电能转换为AC电能的控制器；在发电的过程中用于散热的散热器。
本发明可以具体为直接甲醇燃料电池(DMFC)系统，其中直接供给液体甲醇燃料给叠层组10。与PEMFC不同，DMFC不需要重整器50。
下文中，将对作为PEMFC系统的本发明进行描述。
重整器50具有用于传统PEMFC的传统重整器结构，因此在以后的描述中省略了对此具体的描述。燃料供给单元30包括储存含氢燃料的燃料箱(未示出)和供给储存在燃料箱中的燃料给重整器50的燃料泵(未示出)。
叠层组10包括多个的发电器11，由重整器50重整的氢气和空气供到其中，并且导致氧化和还原反应的发生而最终产生电能，以及层叠多个发电器11时用于将邻接的发电器11精确地对准的校准器20。
每一个发电器11组成一个产生电力的电池单元，其具有用于氧化和还原的膜电极组件(MEA)12，和用于为膜电极组件12供给氢气和空气的隔板16。
构成膜电极组件12使得电解质膜13置于阳极15和阴极14之间。阳极15包括将氢气转化成电子和氢离子的催化层和用于平滑移动电子和氢离子的支持层。阴极14包括将空气中的氧气转化成电子和氧离子的催化层和用于平滑移动电子和氧离子的支持层。电解质薄膜13是具有50-200μm厚度的固态聚合物电解质，并且作为当传送阳极15催化层上产生的氢离子到阴极14的催化层上时的离子交换媒介。
隔板16同时作为串联膜电极组件12中的阳极15和阴极的连接导体，并且作为充足的供给在膜电极组件12中的氧化和还原反应中所需的氢气和空气的通道的功能。因此，作为供给在膜电极组件12中的氧化和还原反应中所需的氢气和空气的流动通道17形成在隔板16的表面。隔板16可以是碳石墨、碳化合物、或者金属。
另外，为防止通过各自隔板16的流动通道17供给的反应气体(氢气和空气)发生泄漏，将密封圈18设置在夹持所述膜电极组件12的相邻隔板16之间。
参照随后的化学反应上面所述的叠层组10产生电力、热、和水。
阳极反应：H2→2H++2e-
阴极反应：O2+2H++2e-→H2O
总反应：H2+O2→H2O+电流+热
参照所述化学反应，通过隔板16向膜电极组件12的阳极15供给氢气，并且向阴极14供给空气。当氢气流动到阳极15时，氢气在催化层上分解成电子和质子(氢离子)。当质子通过电解质薄膜13时，在阴极14中的催化剂的作用下，电子、氧离子和质子结合生成水。阳极15中产生的电子不会通过电解质薄膜13而是通过外电路移动到阴极14上。在这个过程中，产生电流、水、和热。
在层叠多个发电器11时，校准器20对准发电器11使得膜电极组件12中的电极14和15的部分与形成在隔板16上的流动通道17的部分相匹配。
当形成的电极14和15的部分与形成的流动通道17的部分没有精确的对准时，通过流动通道17供给的反应气体的流动和压力会变得不稳定并且电流分布和温度也变得不均匀，因此会导致局部电和热的过载。这样导致燃料电池系统效率的降低和寿命的缩短。
下文中，对校准器20进行详细的描述。图3是说明如何通过校准器20对发电器11进行对准的剖面图。在图3中，在叠层组10中两个发电器11进行对准和连接。在随后的描述中，出于方便的目的，在图3中的位于较下边的隔板被称为是第一隔板16A和在图3中位于较上边的隔板被认为第二隔板16B。
校准器20包括凸起部分21和形成在邻接隔板16的相对位置上的凹陷部分22，以在完成互补外形连接的同时使邻接的隔板16能够层叠。
凸起部分21可沿第一隔板16A上表面的边缘部分连续地设置。凸起部分21可以通过机器加工使得第一隔板16A的边缘部分形成凸起的形状。实质上的截面可以是如图中所示的半椭圆形，和可以变化的形状例如三角形、方形等。
由弹性聚合物制成的覆盖层30可以形成在凸起部分21的表面(见图4)。在发电器11相互连接时覆盖层30给连接表面提供了最大的密封效果。在将膜电极组件12连接到隔板16时，凸起部分21作为导引器，用于使得膜电极组件12与隔板16上形成流动通道17的部分精确地匹配。
凹陷部分22作为凹槽形成在与凸起部分21相对的第二隔板16B的下表面的边缘部分，并且凸起部分21能与之充分连接。
为将组成叠层组10的整个隔板20连接在一起，凹陷部分22形成在第一隔板下表面的边缘部分并且凸起部分21形成在第二隔板16B上表面的边缘部分。
根据这样的结构，在各自的发电器11中，当所述膜电极组件12紧密地与在其上形成流动通道17的隔板16的表面接触时，膜电极组件12被凸起部分21引导并容易的位于凸起部分21之内。这是形成流动通道17的一个区域，使得膜电极组件12能够准确的连接到形成流动通道17的表面上。
当被层叠的发电器11形成叠层组10时，通过第一隔板16A的凸起部分21和第二隔板16B的凹陷部分22的相互连接，能够在例如简单成一线地对准多个或数十个电池单元11。
关于本发明改进的校准器将在下面进行描述
图5所示的校准器40包括凸起部分42和凹陷部分44，正如上面所述。凸起部分42不是整体的形成在隔板16上，而是分别形成并连接在隔板16的边缘部分。凸起部分42可以由弹性聚合物构成以增强密封效果。
在图6A和图6B所示的校准器50中，形成在隔板16上表面的凸起部分52和形成在隔板16下表面的凹陷部分54并不是连续地形成在隔板16的边缘，而是间隔地形成在隔板16的边缘。
在图7A和图7B所示的校准器中，形成在隔板16上表面的凸起部分62和形成在隔板16下表面的凹陷部分64位于隔板16的各角上。这里凸起部分62和与凸起部分62对应的凹陷部分64局部地位于隔板16上，并且形成位置不局限于角上，也可以是沿着隔板16边缘的任意位置。另外，多个凸起部分62和多个凹陷部分64可以以预定间隔周期性或者非周期性地形成。在7A和图7B中没有示出形成在隔板16上的流动通道17。
在图8所示的校准器70中，凸起部分72和凹陷部分74形成在隔板16下表面的边缘，并且与凸起部分72和凹陷部分74对应的凸起部分72′和凹陷部分74′各自的形成在隔板16的上表面的边缘。
图9是根据本发明另一个实施例所用的校准器的叠层组的局部剖面图。如图9所示，根据本实施例的校准器80包括用于插入和连接形成在邻接隔板16上凹陷部分16a的垫片82。也就是说，当层叠多个发电器时，垫片82插入到布置成相互相对的凹陷部分16a中以对准发电器，这里垫片82可以形成矩形剖面，但是不限于矩形剖面。
垫片82防止反应气体从发电器11之间泄漏，并且在层叠发电器11时缓冲施加到各自隔板16上的外力。
正如上面所述，根据本发明，因为发电器能够容易地对准，通过精确对准形成在膜电极组件电极部分与形成在隔板的气体流动通道部分的位置，能够更一步加强整体叠层组的性能。另外，能够防止燃料气体通过发电器之间缝隙而泄漏。
虽然对本发明的实施例进行了详细的描述，但是本发明不局限于上述实施例，在不脱离附加权利要求书、发明描述、和本发明伴随附图的情况下可以进行多种变化。因此，这样的变化的本质也属于本发明的范围。

Claims (17)

1.一种叠层组，包括：
多个发电器，
其中每个发电器具有膜电极组件和带有所述膜电极组件的隔板；和
至少成一线地布置在隔板一部分上并连接和对准多个发电器的校准器，
其中校准器包括：
形成在所述隔板一个表面上的凸起部分；和
形成在所述隔板另一个表面上与凸起部分对应的凹陷部分。
2.如权利要求1所述的叠层组，其中校准器沿着隔板的边缘形成。
3.如权利要求2所述的叠层组，其中校准器是连续形成的。
4.如权利要求2所述的叠层组，其中校准器是不连续形成的。
5.如权利要求1所述的叠层组，其中校准器以直线形式形成。
6.如权利要求1所述的叠层组，其中凸起部分整体地形成在隔板上。
7.如权利要求6所述的叠层组，其中在凸起部分表面形成弹性覆盖层。
8.如权利要求1所述的叠层组，其中凸起部分与所述隔板独立地形成并与所述隔板连接。
9.如权利要求8所述的叠层组，其中凸起部分由弹性材料制成。
10.一种叠层组，包括：
多个发电器，
其中每个发电器具有膜电极组件和带有所述膜电极组件的隔板；和
至少成一线地布置在隔板一部分上并连接和对准多个发电器的校准器，其中校准器包括：
形成在隔板一个表面上的凸起部分和凹陷部分；
和形成在隔板另一个表面上与所述凸起部分对应的凹陷部分及形成在隔板另一个表面上与所述凹陷部分对应的凸起部分
11.一种叠层组，包括：
多个发电器，
其中每个发电器具有膜电极组件和带有所述膜电极组件的隔板；和
至少成一线地布置在隔板一部分上并连接和对准多个发电器的校准器，其中校准器包括：
形成在隔板一个表面上的两个凹陷部分；和
在形成隔板另一个表面上与形成在隔板一个表面上的凹陷部分相对应的两个凹陷部分；
其中垫片插入到由隔板两个表面上相对的凹陷部分对准形成的空腔内。
12.如权利要求1、10或11所述的叠层组，其中密封圈设置在膜电极组件和隔板之间。
13.如权利要求1、10或11所述的叠层组，其中构成隔板的材料选自以碳石墨、碳化合物、和金属组成的组中。
14.一种燃料电池系统包括：
如权利要求1、10或11所述的叠层组；
向叠层组供给燃料的燃料供给单元；和
向叠层组供给空气的空气供给单元。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，还包括：
位于燃料供给单元和叠层组之间的重整器，并且重整器对燃料供给单元供给的燃料进行重整以产生含氢气的气体并将产生的气体供给叠层组。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其采用聚合物电解质隔膜燃料电池系统。
17.如权利要求14所述的燃料电池系统，其采用直接甲醇燃料电池系统。
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