CN1707834A - 电池堆和具有该电池堆的燃料电池系统 - Google Patents

电池堆和具有该电池堆的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，其包括提供燃料的燃料供应单元、提供空气的空气供应单元和使分别由燃料供应单元和空气供应单元提供的氢和氧彼此发生电化学反应并发电的电池堆。电池堆具有膜电极组件和设置在膜电极组件的两侧的隔板。每一隔板都具有燃料通道和空气通道，空气通道的总体积大于燃料通道的总体积。因此，可提供大于燃料量的空气量，而以合适的或最佳的比例提供作为燃料的氢气和与此相应的含氧空气。

Description

电池堆和具有该电池堆的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种利用氢和空气产生电流的燃料电池系统和用于燃料电池系统的电池堆(stack)。
背景技术
通常，燃料电池是将包含在如甲醇、天然气等碳氢化合物材料中的氢和氧的化学反应能直接转换成电能的发电系统。这种燃料电池可以在发电的同时产生作为副产品的热量和水。在不进行燃烧的情况下通过氢和氧之间的电化学反应可以同时利用电和热。
最近研发的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)与其它燃料电池相比具有优异的输出性能、低工作温度以及快速启动和响应性能。PEMFC利用通过重整作为燃料的甲醇、乙醇、天然气等获得的氢。PEMFC具有广阔的应用范围，包括用作车辆的可移动电源、家庭或建筑物的配电电源和电子装置的小型电源。
PEMFC系统包括电池堆、燃料箱和燃料泵。电池堆构成燃料电池的主体，燃料泵将燃料箱中的燃料提供给电池堆。PEMFC系统还包括重整器，在将燃料箱中储存的燃料提供给电池堆的过程中，重整器重整燃料以产生氢气并将氢气提供给电池堆。
通过燃料泵将燃料箱中储存的燃料提供给重整器。然后，重整器重整燃料并产生氢气。电池堆使氢和氧彼此发生电化学反应。从而，产生电能。
燃料电池也可选择使用直接氧化燃料电池型式，其将含氢的液态燃料直接提供给电池堆并产生电流。使用直接氧化燃料电池型式的燃料电池不需要重整器。
在上述燃料电池系统中，用于产生电流的电池堆具有几个或几十个单元电池的堆叠结构。每一单元电池都具有膜电极组件(MEA)和隔板。
MEA具有与电解质膜的一表面相连的阳极和与电解质膜的另一表面相连的阴极。隔板同时起提供燃料电池反应所需要的燃料和氧的燃料通道和氧通道的作用及将MEA的阳极和阴极彼此串联连接的导体的作用。
通过隔板，向阳极提供氢并向阴极提供氧。然后在阳极发生氢的氧化反应而在阴极发生氧的还原反应。此时由于产生电子运动，从电池堆中可以获得电力、热量和水。
隔板在MEA的两侧具有提供氢的燃料通道和提供氧的氧通道。燃料通道的总体积等于氧通道的总体积。因此，可以提供等量的氢和氧以产生具有有效功率密度的电流。
如上所述，应当提供等量的氢和氧从而获得有效电流。然而，为了降低成本，希望使用空气代替昂贵的纯氧。通常空气中包含约21％的氧。
因此，当使用空气代替纯氧而要获得相同的有效电流时，提供的空气量应大于纯氧的量。
发明内容
根据本发明的实施方式，该燃料电池系统包括燃料供应单元、空气供应单元及与燃料供应单元和空气供应单元连接的电池堆。电池堆包括膜电极组件和设置在膜电极组件的相对侧的隔板。每一隔板具有燃料通道和空气通道。空气通道的总体积大于燃料通道的总体积。
该燃料电池系统满足下列条件：
(燃料通道的总体积)/(空气通道的总体积)＝1/7至1/3。
在一实施方式中，每一隔板具有形成在一表面上的燃料通道和形成在相对表面上的空气通道。可以由与膜电极组件紧密接触的隔板第一部分和与膜电极组件分离开的隔板第二部分形成燃料通道和空气通道。
根据本发明另一实施方式，燃料电池系统的电池堆具有膜电极组件和设置在膜电极组件两个表面上的隔板。在该实施方式中，每一隔板具有由与膜电极组件紧密接触的接触部分和与膜电极组件分离开的分离部分形成的燃料通道和空气通道。空气通道的总体积大于燃料通道的总体积。
可将隔板一表面上的燃料通道形成为曲线图案，而将隔板另一表面上的空气通道形成为直线图案。
在又一实施方式中，隔板在第一表面上具有空气通道而在第二表面上具有燃料通道。空气通道的总体积大于燃料通道的总体积。在一实施方式中，空气通道的总体积为燃料通道的总体积的三至七倍。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其它特征和方面将更加清晰。附图中：
图1是本发明一实施方式的燃料电池系统的示意图；
图2是图1所示的燃料电池系统的电池堆的分解透视图；
图3A是本发明一实施方式的形成有空气通道的隔板的第一侧视图；
图3B是图3A所示的隔板实施方式中空气通道的分解图；
图4A是图3A所示的形成有燃料通道的隔板的第二侧视图；
图4B是图4A所示的隔板实施方式中燃料通道的分解图。
具体实施方式
图1示出的燃料电池系统包括提供燃料的燃料供应单元1和重整器3、提供空气的空气供应单元5、及使由燃料供应单元1和空气供应单元5提供的氢和氧彼此发生电化学反应以产生电能的电池堆7。
燃料供应单元1包括燃料箱9和燃料泵11。燃料箱9通过燃料泵11与电池堆7连接。燃料供应单元1利用燃料泵11将燃料箱9中的含氢液体燃料如甲醇、乙醇、天然气等提供给重整器3，并且将由重整器3重整的氢提供到电池堆7中。
正如本领域所公知的那样，燃料电池系统也可选择使用直接氧化燃料电池系统(未示出)，其将液体燃料直接提供给电池堆7并发电。这种直接氧化燃料电池系统不需要图1中示出的重整器3。尽管图1示出了间接氧化燃料电池系统，但是本领域技术人员应当理解这两种型式都落在本发明范围内。
再参照图1，空气供应单元5具有空气泵13并将空气提供到电池堆7中。通过不同的通道向电池堆7独立地提供氢和氧。通过燃料供应单元1和重整器3向电池堆7提供氢，并将来自空气供应单元5的空气提供给电池堆7。电池堆7使得氢和氧彼此发生电化学反应而产生电能。此外，电池堆7产生作为副产品的热量和水。
参照图2，电池堆7包括多个单元电池15，每一单元电池使通过重整器3(图1)重整的氢和外部空气之间发生氧化和还原反应，以产生电能。
每一单元电池15为用于发电的单元，其包括使氢和空气中的氧之间发生氧化和还原反应的膜电极组件(MEA)17。隔板19和21放置在MEA 17的两个表面上并提供氢和空气。
在单元电池15中，隔板19和21被设置在MEA 17的两侧以形成单个电池堆。堆叠多个单个电池堆以形成电池堆7。借助于公知的紧固部件单元电池15形成具有堆叠结构的电池堆7。公知的固紧部件的一个实例是螺母和螺栓的组合体(未示出)或等同物，这类固紧部件穿过单元电池15的外边缘。本领域技术人员很容易想到其它合适的固紧部件的实例。
图3A-3B示出了隔板的一个侧面，根据本发明的一实施方式，在该侧面形成空气通道，图4A-4B示出了隔板的另一侧面，在该侧面形成燃料通道。
参照图1-4B，隔板19和21紧密地设置在MEA 17的两个表面上，以便在MEA 17各侧形成空气通道23和燃料通道25。空气通道23与空气泵13连接，由空气泵13向其提供含氧空气。燃料通道25通过燃料泵11与燃料箱9连接，向其提供含氢的燃料。
空气通道23的一端具有与空气泵13连接的空气入口27，其另一端具有用于排出未反应空气的空气出口29。同样，燃料通道25的一端具有直接或通过重整器3与燃料泵11连接的燃料入口31，其另一端具有用于排出未反应燃料的燃料出口33。
空气通道23和燃料通道25由与MEA 17紧密接触的隔板19和21的一部分和与MEA 17分离开的隔板19和21的一部分形成。图3A和4A的区域24和26以分解的形式在图3B和4B中示出，在图3B和4B中更加详细地示出了这些隔板部分。与MEA 17紧密接触的那部分包括分别从隔板19和21突起的肋23a和25a。与MEA 17分离开的第二部分包括分别在隔板19和21中以凹陷的形状形成的沟槽23b和25b。将肋23a和25a和沟槽23b和25b组合分别形成空气通道23和燃料通道25，并且空气通道23和燃料通道25具有恒定的体积。
空气通道23被设置在MEA 17的阴极(未示出)侧，而燃料通道25被设置在MEA 17的阳极侧。
如图3A-4B所示，空气通道23和燃料通道25是通过沟槽23b和25b和肋23a和25a的交替排列而形成的，它们在隔板19和21之间保持预定间隔。空气通道23和燃料通道25也可以分别形成在一个通道内，或者可以形成为使得多个通道形成一组，以降低空气和燃料的供给压力。
空气通道23和燃料通道25可以在隔板19和21上形成为曲线图案、直线图案、或本领域技术人员所需要的任何可供选择的图案。在图3A-4B所示的实施方式中，空气通道23形成为直线图案，而燃料通道25形成为曲线图案。当然，本发明不局限于所示出的图案。
在示出的实施方式中，空气通道23和燃料通道25以相互平行的相同方向排列，但是如果需要，也可选择使它们相互交叉排列。
在示出的空气通道23所具有的图案中，沿垂直方向直线地形成流路(channel)，这些流路在上侧与一流路连接，而在下侧与一流路连接。燃料通道25具有曲流形状(meandering shape)的曲线图案。因此，示出的空气通道23可使空气沿一方向(从上侧到下侧)流动，而燃料通道25可使燃料在交替方向(如示出的那样，从上侧到下侧和从下侧到上侧)流动。当然，空气通道23和燃料通道25的通道数目和方向不局限于上述情况，本领域技术人员可根据需要改变。
此外，在示出的实施方式中，通过空气通道23的氧不是纯氧而是如上所述的空气中含有的氧。因此，空气通道23具有的总体积应大于燃料通道25的总体积，而使流过的氧量能够与通过燃料通道25的氢发生稳定反应。空气通道23的总体积和燃料通道25的总体积表示在隔板19和21上活性区域内设置的各流道的总体积。
在一实施方式中，燃料通道25的总体积和空气通道23的总体积满足下列条件：
(燃料通道的总体积)/(空气通道的总体积)＝1/7至1/3。
于是，空气通道23的总体积在燃料通道25总体积的3至7倍的范围内。当空气通道23的总体积小于燃料通道25总体积的3倍时，提供的空气中含有的氧量不能与通过燃料通道25提供的燃料进行氧化和还原反应，因此，不能产生具有有效电流密度的电流。
此外，当空气通道23的总体积大于燃料通道25总体积的7倍时，提供的氧比氧化和还原反应所需要的多，于是为提供空气消耗了不必要的能量。
可以使用多种方法确定燃料通道25与空气通道23总体积的比率，例如，增加空气通道23的流道23b的深度，同时保持它们的宽度和长度恒定；增加流道23b的长度，同时保持它们的宽度和深度恒定等。
通过形成具有上述总体积比率的、向MEA 17的阳极提供氢气的燃料通道25和向阴极提供空气的空气通道23，能以合适的或最佳的量提供氧化和还原反应需要的氧，即空气。
在根据上述本发明实施方式的燃料电池系统及其电池堆中，通过使形成在隔板的一表面上的空气通道体积大于形成在隔板的另一表面上的燃料通道体积，可提供大于燃料量的空气量，能以合适的或最佳的比例提供作为燃料的氢气和与此相应的含氧空气。据此，即使提供空气也可以产生与提供纯氧的情况相同的有效功率密度。
尽管已对本发明的示例性实施方式进行了描述，但是本发明不局限于这些示例性实施方式，在不超出本发明所附的权利要求、详细的文字描述和附图的构思和保护范围的前提下，可以作出多种不同方式的改型。因此，本发明所公开的这些实施方式在所有方面都应看作为说明性的而不是限制性的，本发明的保护范围应由所附的权利要求及其等同物确定。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料供应单元；
空气供应单元；
与所述燃料供应单元和空气供应单元连接的电池堆，该电池堆包括膜电极组件和设置在所述膜电极组件的相对侧的隔板，每一隔板都具有燃料通道和空气通道，所述空气通道的总体积大于所述燃料通道的总体积。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，满足下列条件：
(燃料通道的总体积)/(空气通道的总体积)＝1/7至1/3。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，每一隔板都具有形成在其一表面上的燃料通道和形成在其相对表面上的空气通道。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料通道和空气通道由与所述膜电极组件紧密接触的所述隔板的第一部分和与所述膜电极组件分离开的所述隔板的第二部分形成。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述燃料供应单元包括燃料箱和连接于所述燃料箱和所述电池堆之间的燃料泵。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述空气供应单元包括适合给所述电池堆提供空气的空气泵。
7.一种燃料电池系统的电池堆，该电池堆包括：
具有第一表面和第二表面的膜电极组件；
具有由接触部分和分离部分形成的空气通道的第一隔板，所述接触部分与所述膜电极组件的所述第一表面紧密接触，所述分离部分与所述膜电极组件分离开；
具有由接触部分和分离部分形成的燃料通道的第二隔板，所述接触部分与所述膜电极组件的所述第二表面紧密接触，所述分离部分与所述膜电极组件分离开，
其中，所述空气通道的总体积大于所述燃料通道的总体积。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统的电池堆，其中，满足下列条件：
(燃料通道的总体积)/(空气通道的总体积)＝1/7至1/3。
9.如权利要求7所述的燃料电池系统的电池堆，其中，所述第一隔板还包括被设置在与所述第一隔板的所述空气通道不同的表面上的第二燃料通道；所述第二隔板还包括被设置在与所述第二隔板的所述燃料通道不同的表面上的第二空气通道。
10.如权利要求7所述的燃料电池系统的电池堆，其中，所述燃料通道被形成为曲线图案形式，所述空气通道被形成为直线图案形式。
11.如权利要求9所述的燃料电池系统的电池堆，其中，所述燃料通道和所述第二燃料通道形成为曲线图案形式，所述空气通道和所述第二空气通道形成为直线图案形式。
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