CN1674334A

CN1674334A - 燃料电池系统及其所用的叠

Info

Publication number: CN1674334A
Application number: CNA2005100592749A
Authority: CN
Inventors: 李东勋; 权镐真; 安圣镇; 金亨俊; 徐晙源; 金宗满; 尹海权; 殷莹讃
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: KR20050095157A; US7329472B2; KR100529080B1; JP2005276811A; US20050214625A1; CN1330028C

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其所用的叠。该燃料电池系统中，优化了燃料和氧的流动，由此改善了整个系统的热效率。该燃料电池系统包括用于通过氢气与氧之间的电化学反应产生电能的至少一个叠、用于向叠供给燃料的燃料供给部分、以及用于向叠供给氧的氧供给部分。叠被形成为具有MEA和隔板的叠层构型。隔板设置在MEA的每个表面。隔板具有靠近MEA的多个肋，肋限定出多个槽，其中槽的宽度与肋的宽度的比为0.8至1.5。

Description

燃料电池系统及其所用的叠

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统及其所用的叠(stack)，更具体地涉及一种燃料电池系统及叠，用于优化形成在隔板(separator)(例如双极板)与隔膜电极组件(membrane electrode assembly)(以下称做MEA)之间的通道的尺寸。

背景技术

燃料电池是一种用于产生电能的系统。在燃料电池中，氧化剂与包含在碳氢化合物族材料(例如甲醇、天然气)中的氢之间的化学反应能直接转化为电能。这种燃料电池的特征在于作为在无燃烧的情况下发生的电化学反应的副产物的电能和热能的产生。

依据燃料电池中使用的电解质的类型，燃料电池可以分为多种不同类型的燃料电池，例如，磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、以及聚合物电解质或碱性燃料电池。尽管这些不同类型的燃料电池中的每一种使用相同的原理工作，但其在所用的燃料、催化剂和电解质的类型、以及驱动温度上不同。

近来已经开发出了聚合物电解质隔膜燃料电池(PEMFC)。与其它燃料电池相比，PEMFC具有出色的输出特性、低工作温度、以及快速启动和响应特性。PEMFC可以用于车辆、家中和建筑物中，并用于电子装置的电源。因此，PEMFC具有很宽的应用范围。

PEMFC的基本部件为叠、燃料箱、以及燃料泵。叠形成燃料电池的主体。燃料泵将储存在燃料箱中的燃料供给至叠。还可以使用重整装置(reformer)重整燃料，从而形成相对纯净的氢气并将氢气供给至叠。

在PEMFC中，操作燃料泵从而将来自燃料箱的燃料送至重整装置。燃料在重整装置中重整，从而产生氢气，氢气与叠中的氧发生化学反应从而产生电能。

使用直接型甲醇燃料电池(以下称作“DMFC”)的燃料电池将含氢的液体甲醇燃料直接供给至叠，因此可以不包括重整装置。重整装置的缺少是PEMFC与DMFC之间的差别。

图8为根据现有技术的燃料电池系统中所用的叠的局部截面图，其中MEA与隔板组装在一起。

参照图8，燃料电池的一些实施例可以包括用于充分产生电的叠。叠可以由叠置的单元电池的结构构成。叠置的单元电池可以包括具有MEA51和隔板53的几个单元电池，或十个或更多个单元电池。

MEA51具有电解质隔膜、以及安装在其相对的两表面上的阳极电极和阴极电极。隔板53具有通道55、57，MEA51的氧化/还原反应所需的氢气和/或空气经过该通道供给至阳极电极和阴极电极。

即，分别经隔板53的通道55和57，氢气供给至阳极电极，空气供给至阴极电极。在此过程中，氢气在阳极电极氧化，氧气在阴极电极还原。在此操作期间产生的电子流产生电流。另外，通过电化学反应产生了水和热。

更加具体而言，每个隔板53包括紧贴MEA的邻近表面的多个肋59，其限定了用于供给所需氢气和空气的通道55、57。实质上，通道置于每个肋59之间。

通常，在隔板设置在MEA51两侧的情况下，用于分别供给所需氢气和空气的通道55、57彼此正交。由此，在图8所示的截面图中，示出了用于供给氢气的单个通道55，同时示出了用于供给空气的多个通道57。

在上述燃料电池系统中，叠的结构应增强叠中的扩散性能，同时保持扩散期间燃料的压力，从而提高燃料电池的效率。此处，用于设计叠结构的一个重要条件是通道55、57的尺寸。即，在隔板53中，通道的尺寸对于从MEA51的活性区扩散氢气和空气至其扩散层中、以及对于控制MEA51中产生的电流的接触电阻起到了重要作用。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供一种燃料电池系统，其优化了形成用于供给燃料和空气的通道的槽的宽度与肋的宽度的比，由此改善了燃料扩散性能并减小了其中的压力降。

在本发明的一示例性实施例中，一种燃料电池系统包括：至少一个叠，用于通过氢气与氧之间的电化学反应产生电能；燃料供给部分，用于向叠供给燃料；以及氧供给部分，用于向叠供给氧。叠被形成为具有被隔板分隔开的多个MEA的叠置结构。隔板具有肋，该肋与邻近的MEA紧密接触，并形成氧和氢流过其中的槽。槽的宽度与对应的肋的宽度的比在约0.8与约1.5之间。

槽用作用于供给氢和氧至叠的通道。用于供给氢的通道一般设置在隔板的靠近阳极电极的一侧。用于供给氧的通道设置在每个隔板的靠近阴极电极的另一侧。供给氢的通道一般与供给氧的通道正交。

在本发明的实施例中，MEA的活性区低于40cm²，槽的宽度在从约0.8mm至约1.4mm的范围内。肋被构造为从隔板突出，槽被构造为凹入隔板中。

附图说明

图1为根据本发明一示例性实施例的燃料电池系统的示意图；

图2为图1的叠的分解透视图；

图3为构成图1的叠的单元电池的分解透视图；

图4为图1的叠的局部截面图，其中MEA与隔板组装在一起；

图5为图1的隔板的分解局部截面图；

图6为曲线图，示出形成氢通道和空气通道的槽的宽度与相对功率密度(以下称作“RPD”)的关系；

图7为曲线图，示出形成氢通道和空气通道的肋的宽度与RPD的关系；以及

图8为传统燃料电池系统中所用叠的局部截面图，其中MEA与隔板组装在一起。

具体实施方式

现在将参照附图详细介绍本发明的示例性实施例。

图1为根据本发明一示例性实施例的燃料电池系统的示意图；图2为图1的叠的分解透视图。

参照图1和图2，在本发明的实施例中，燃料电池系统可以包括用于向重整装置3供给燃料的燃料供给部分1。由重整装置3中所供给的燃料产生的氢气可以提供给叠7。另外，氧气供给部分5向叠7供给空气。在叠7中，氢气与含在空气中的氧的化学反应能转化为电能，由此产生电流。

燃料供给组件1包括燃料箱9和泵11。燃料可以存储在燃料箱9中。一些实施例中使用的燃料可以是液体燃料，例如甲醇或乙醇，或者燃料可以是诸如天然气的气体燃料。在此实施例中，泵11为其中产生氢气的重整装置3生产液体燃料。然后，氢气流入叠7中。

在燃料电池系统的一实施例中，含氢的液体燃料可如DMFC系统中那样直接供给至叠7。以下，假定该燃料电池系统应用于PEMFC类型。

如图3所示，空气供给部分5包括用于为叠7生产空气的空气泵13。在叠7中，空气流经空气通道17。氢气经叠7中的氢通道15流动。

如图1所示，氢气经燃料供给部分1并由重整装置3供给至叠7。空气经空气供给部分5供给至叠7。电能通过氢气与存在于外部空气中的氧之间的电化学反应而产生。另外，产生了热量和水。

图3示出了具有至少一个单元电池19的叠7，其用于通过由重整装置3产生的氢气与空气中包含的氧的氧化/还原反应产生电能。每个单元电池19通过将隔膜电极组件(MEA)21置于两隔板23、25之间来形成用于产生电流的最小单元电池。图2示出了组合成具有叠层构造的实施例的叠7的多个这样的单元电池19。端板27安装在多个单元电池19的相对的最外层上。端板27可以是隔板23、25的交替结构。多个单元电池19借助于穿过其最外层并与以螺母19b固定的固定螺栓19a结合，从而形成叠层构造的叠7。

图3为构成图1的叠的单元电池的分解透视图。图4为图1的叠的局部截面图，其中MEA与隔板装配在一起。

参照图3和4，每个隔板23、25靠近MEA21的表面设置，从而在隔板23、25与MEA21的表面之间形成氢通道15和空气通道17。氢通道15邻近MEA21的阳极电极29。空气通道17靠近MEA21的阴极电极31。此处，氢通道15和空气通道17可以在隔板23、25的主体23a、25a上按平行条构型排列，氢通道15和空气通道17通常被设置为使得通道彼此正交。然而，在其它实施例中，氢通道15和空气通道17可以按其它构型排列。

又如图2至4所示，当隔板23、25紧密接触MEA21的表面时，氢通道15垂直排列。形成在MEA21的表面与隔板25之间的空气通道17横向排列，使得空气通道17与氢通道15正交。

MEA21置于一对隔板23、25之间，其包括具有预定尺寸的活性区21a(图2中示出)，氧化/还原反应在该活性区发生。阳极电极29和阴极电极31可以设置在活性区21a的两侧表面上，或在两个电极29、31之间插入有电解质隔膜33。

更具体而言，氢气经形成在MEA21的阳极电极29与隔板23之间的氢通道15供给至阳极电极29。氢气供给至气体扩散层从而朝向催化剂层扩散。催化剂层促进了氢气的氧化反应，转化的电子被向外吸引，使得通过电子的流动产生电流。氢离子经电解质隔膜33向阴极电极31移动。

另外，含在空气中的氧经形成在彼此紧密接触的MEA21的阴极电极31与隔板25之间的氧通道17供给至阴极电极31。如同氢一般，氧供给至气体扩散层从而朝催化剂层扩散。催化剂层促进了氢离子、电子和氧的转化反应从而产生电和水。

另外，电解质隔膜33由固体聚合物电解质形成，并具有50至200μm的深度。阳极电极29的催化剂层中产生的氢离子经电解质隔膜33向阴极电极31的催化剂层中产生的氧离子移动。所得的离子交换产生水。

图5为图1所示的隔板的分解局部截面图。由于隔板23、25结构上彼此类似，图5示出了一个隔板23，然而下面的介绍可以说明隔板23、25两者。

参照图5，隔板23、25包括多个用于供给发生在MEA的电极29、31处的氧化/还原反应所需的氢气和空气的通道。如上所述，这些通道可以是氢通道15或氧通道17。氢通道15和氧通道17在每个隔板23、25各与MEA21的两表面中的一个紧密接触时形成(如图4所示)。氢通道15靠近MEA21的阳极电极29设置。空气通道17靠近MEA21的阴极电极31设置。从隔板23、25的主体23a、25a的一侧突出的肋23b、25b限定出槽23c、25c。在一实施例中，在隔板23、25靠近MEA21设置时，槽23c、25c可用作氢通道15或空气通道17。

这种结构允许槽23c、25c的尺寸自动设定肋23b、25b的尺寸，其中设定了MEA21的活性区21a的表面积。在一实施例中，肋23b、25b和槽23c、25c的截面积(沿纵向方向的垂直线截取的截面积)可以近似为方形。然而，可以使用其它的几何形状作为截面积。

形成氢通道15的槽23c与重整装置3连接，形成空气通道17的槽25c与空气泵13连接。因此，重整装置3中产生的富氢气体和泵13泵送的空气经氢通道15和空气通道17供给至端板27。在图4所示的实施例中，富氢气体和空气供给至单元电池的相对两侧的端板，从而允许富氢气体与空气相反地流动。任何剩余的氢气和空气在另一端板27处排出。

肋23b、25b的宽度Wr和槽23c、25c的宽度Wc可以影响氢气和空气流经通道15、17的速度。因此，截面A将由形成槽23c、25c的通道15、17的宽度Wc和高度Hc确定。当肋23b、25b的宽度Wr或槽23c、25c的宽度Wc不固定时，可使用平均值。

为提高燃料电池的效率，期望叠中出现的电流的接触电阻保持在可以允许的范围内。还期望，MEA21的气体扩散层具有提高的氢或氧气扩散性能和减小的叠中压力下降。为实现这些目标，应适当控制通道15、17-即隔板23、25的槽23c、25c-的截面A。在此实施例中，优化肋23b、25b的宽度Wr与槽23c、25c的宽度Wc的比，从而实现这些目的。

为增强氢气和空气的扩散性能和将其供给至叠的能量，使用相对功率密度(以下称作“RPD”)来测试燃料电池的性能。通过从叠7中产生的功率值中减除在叠7中消耗的功率值来计算RPD，然后所得的差值除以活性区21a的总面积。这样的RPD值在表1、2中示出。表1示出了槽23c、25c的宽度Wc与RPD的关系。

表1

槽宽度(mm)	0.5	0.8	1	1.2
槽宽度(mm)	0.5	0.8	1	1.2	RPD(mW/cm²)	142	248	254	259

在氢气供给至阳极电极29且氧气供给至阴极电极31后，在非受热状态下槽23c、25c的宽度Wc被改变时，计算RPD。结果在图6中示出。

图6为曲线图，示出形成氢通道和空气通道的槽的宽度与RPD的关系。

参照图6，燃料电池性能在槽23c、25c的宽度Wc更大时提高，允许提高氢气和氧的扩散。然而，槽23c、25c靠近具有预定面积的活性区排列，使得若槽23c、25c的宽度超过预定宽度，则肋23b、25b的宽度Wr减小。若肋23b、25b的宽度Wr减小为低于预定宽度，则MEA21中出现的电流的接触电阻增大。因此，注意，在通过扩宽槽23c、25c的宽度Wc和使肋23b、25b的宽度Wr变窄至低于预定宽度来提高燃料电池的性能的方面，存在限制。

在试验测试中，确定了在MEA21的活性区21a小于40cm²时，槽23c、25c的优化宽度Wc在约0.8mm至约1.4mm的范围内。

表2示出了槽23c、25c的宽度Wc与肋23b、25b的宽度Wr的比值与RPD的关系。

表2

比值(Wc/Wr)	0.5	1	1.2	1.5
比值(Wc/Wr)	0.5	1	1.2	1.5	RPD(mW/cm²)	172	255	252	265

在氢气供给至阳极电极29且氧气供给至阴极电极31后，在非受热状态下槽23c、25c的宽度Wc与肋23b、25b的宽度Wr的比值被改变时，计算RPD。结果在图7中示出。图7为曲线图，示出形成氢通道和空气通道的肋的宽度与RPD的关系。

参照图7可见，在槽23c、25c的宽度Wc与肋23b、25b的宽度Wr的比值Wc/Wr在从约0.8至约1.5的范围内时，RPD是优选的。在一实施例中，优选的是，比值Wc/Wr在约0.8至约1的范围内。或者，在有些实施例中，约1.2至约1.5的范围内的比值Wc/Wr是所期望的。

更具体而言，若比值Wc/Wr低于0.8，则由于MEA的活性区21a接触气体扩散层的连接面减小，所以RPD减小。对于接触面的接触电阻(RPD的减小因素)相对于流经接触面的氢气和空气速度(RPD的增大因素)的增加速率按指数规律地增长，由此RPD的总和减小。另外，若经过接触面的氢气和空气速度(RPD的增大因素)增大，则槽23c、25c中出现的内部压力减小。

另一方面，若比值Wc/Wr在约1.5至约1.8的范围内，则RPD减小。尽管MEA的活性区21a接触气体扩散层的连接面增大，但经过接触面的氢气和空气的速度和接触电阻减小。由此，在通过扩宽槽23c、25c的宽度Wc和使肋23b的宽度Wr变窄来提高燃料电池的性能的方面，存在限度。

因此，若比值Wc/Wr在0.8至1.5的范围内，则RPD的值是优选的。其原因在于，肋23b、25b的宽度Wr被增大，从而减小了接触电阻；氢气和空气的速度被增大，从而增大了扩散速度。

尽管以上已结合特定的实施例详细介绍了本发明的实施例，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，应涵盖所附权利要求所限定的本发明的实质和范围内包括的各种变动和/或等效布置。

如上所述，上述燃料电池系统具有一结构，其使得与MEA紧密接触的隔板的槽部分与肋部分的宽度比能够优化，从而整个系统的热效率提高。

另外，本发明的燃料电池系统具有一结构，其使得其中出现的电流的接触电阻能保持在预定范围内，从而改善燃料扩散性能并降低其中的压力降。

Claims

1.一种燃料电池系统，包括：

至少一个叠，用于通过氢气与氧之间的电化学反应产生电能；

燃料供给部分，用于向所述叠供给燃料；以及

氧供给部分，用于向所述叠供给氧，

其中，所述叠包括多个隔膜电极组件和隔板，隔板设置在每个隔膜电极组件的两表面上，所述隔板具有与所述隔膜电极组件紧密接触的多个肋，所述肋限定出槽，其中所述槽的宽度与所述肋的宽度的比为0.8至1.5。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述槽用作用于供给氢和氧的通道。

3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中供给氢的通道设置在所述隔板的靠近阳极电极的一侧；供给氧的通道设置在所述隔板的靠近阴极电极的另一侧。

4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中供给氢的通道与供给氧的通道正交。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中每个隔膜电极组件具有小于40cm²的活性区，且所述槽的宽度为0.8至1.4mm。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述肋被构造为从所述隔板突出，所述槽被构造为凹入所述隔板中。

7.一种叠，包括：

隔膜电极组件，用于促进氢与氧之间的氧化/还原反应；以及

隔板，用于向所述隔膜电极组件供给氢气和氧，

其中，所述隔板包括与所述隔膜电极组件紧密接触并限定出多个槽的多个肋，其中所述槽的宽度与所述肋的宽度的比为0.8至1.5。

8.如权利要求7所述的叠，其中所述槽用作用于供给氢和氧的通道。

9.如权利要求8所述的叠，其中用于供给氢的通道设置在每个隔板的靠近阳极电极的一侧，供给氧的通道设置在每个隔板的靠近阴极电极的另一侧。

10.如权利要求8所述的叠，其中用于供给氢的通道与用于供给氧的通道正交。

11.如权利要求7所述的叠，其中每个隔膜电极组件具有小于40cm²的活性区，所述槽的宽度为0.8至1.4mm。

12.如权利要求7所述的叠，其中所述肋被构造为从所述隔板突出，所述槽被构造为凹入所述隔板中。