CN1758472A - 燃料电池的电池堆和具有这种电池堆的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的电池堆，其包括具有多个单元电池的发电组件，每一单元电池包括共用通路。用来产生电能的氧化剂和用来冷却电池堆的冷却剂均流过所述共用通路。本发明还公开了具有这种电池堆的燃料电池系统。根据本发明，在隔离件之间没有形成冷却通道或在单元电池之间没有设置冷却板，因此，电池堆的体积可最小。此外，同一空气泵既可将电化学反应中所用的氧供给电池堆，又可将冷却空气供给电池堆，因而可进一步减小燃料电池系统的体积和降低其能耗。在一些改型的实施方式中，还利用支撑部件补偿由在隔离件和MEAs之间形成的中空空气通道所引起的潜在的结构上的缺陷。

Description

燃料电池的电池堆和具有这种电池堆的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更确切地说，涉及一种具有改进的冷却结构的电池堆(stack)和具有这种电池堆的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是通过如氧之类的氧化剂与如甲醇、乙醇或天然气之类的碳氢化合物材料中含有的氢之间的反应将化学反应能转换成电能的发电系统。燃料电池通过含氢材料与氧化剂之间的电化学反应产生电能而不发生燃烧。电化学反应也产生作为副产品的热量。
根据所使用的电解质的类型，燃料电池分为在120℃到150℃的温度范围内工作的磷酸燃料电池、在600℃到700℃的温度范围内工作的熔融碳酸盐燃料电池、在1000℃以上的温度下工作的固体氧化物燃料电池、在室温到100℃或更低温度的温度范围内工作的聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)以及碱燃料电池。虽然这些燃料电池的工作原理都相同，但是在工作温度和所使用的燃料、催化剂和电解质的类型方面彼此是不同的。
在这些燃料电池中，最近开发的PEMFC具有优良的输出特性、低工作温度和快速的启动和反应特性。因此，PEMFC具有广泛的应用范围，包括用于车辆的移动电源、用于家庭或建筑物的配电电源和用于电子装置的小型电源。
PEMFC包括为燃料电池主体的电池堆、燃料箱和从燃料箱向电池堆提供燃料的燃料泵。PEMFC还包括用于重整燃料以产生氢并且用于在将储存在燃料箱中的燃料提供给电池堆的过程中将氢提供给电池堆的重整器。
在PEMFC中，储存在燃料箱中的燃料由燃料泵提供给重整器。重整器重整燃料并产生氢。电池堆通过氢与氧或其它氧化剂之间的电化学反应产生电能。
另一方面，燃料电池系统可以采用将液态甲醇燃料直接提供给电池堆的直接甲醇燃料电池(DMFC)。与PEMFC不同，DMFC不需要重整器。
在燃料电池系统中，产生电能的电池堆由几个到几十个单元电池构成，每一单元电池均具有膜电极组件(MEA)和在现有技术中也被称为双极板的隔离件。MEA具有形成在电解质膜的两个表面上的阳极和阴极。单元电池是电池堆的发电体。
隔离件用作使燃料电池反应所需的氢和氧通过而被提供给膜电极上的阳极和阴极的通路。此外，隔离件用作串联连接MEA的阳极和阴极的导体。
通过隔离件将含氢燃料提供给阳极，并且将氧、含氧空气或某种其它氧化剂提供给阴极。在此过程中，在阳极处发生燃料气体的电化学氧化反应，在阴极处发生氧的电化学还原反应，形成电子流动。由电子流动发电，并产生热量和水。
为了确保MEA电解质膜的稳定性和防止MEA性能的恶化，电池堆必须保持合适的工作温度。不能保持合适工作温度的电池堆可能被损坏。因此，还设置有使空气或水循环流动的冷却单元，该单元可连续吸收和释放燃料电池系统工作过程中电池堆所产生的热量。
在传统的冷却方案中，为了将冷却剂注入电池堆的单元电池之间，在隔离件之间或在位于单元电池之间的冷却板中形成冷却通道。冷却剂流过形成在隔离件之间或冷却板中的冷却通道能够快速地发散由单元电池中的电化学反应所产生的热量。
然而，在单元电池之间添加冷却板增加了燃料电池系统的厚度。在不使用冷却板而在隔离件之间形成冷却通道时，隔离件的厚度增加，因此增加了燃料电池系统的厚度。电池堆体积的增加限制了设计紧凑的燃料电池系统的可能性。
再者，因为传统的电池堆冷却结构必须包括用于将含氧空气提供给电池堆的空气泵和用于将冷却空气提供给电池堆的冷却风扇，因此需要更多的部件并且燃料电池系统也将消耗更多的电能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通过使电池堆的体积最小化、降低燃料电池系统能耗以及减少燃料系统部件的数量来解决传统电池堆所存在的缺陷。
根据本发明一实施方式，提供了一种包括具有多个单元电池的发电组件的燃料电池电池堆，其中，每一单元电池包括用来产生电能的氧化剂和用来冷却电池堆的冷却剂可以共享的共用通路。每一单元电池可以包括MEA和位于MEA两侧的隔离件，其中，共用通路由形成在其中一个隔离件上的多条通道构成。冷却剂可以是空气。共用通路可以形成在与MEA接触的隔离件的表面上。
在一些实施方式中，每一通道可以具有矩形的横截面。共用通路可以从隔离件的一边缘延伸到另一边缘，并且共用通路的两端可以暴露于电池堆的外部。
在一些实施方式中，在相应于MEA的非活性区(inactive region)的共用通路部分上设有支撑件。支撑件的宽度可以与MEA的非活性区的宽度相应。可将安装部分形成在共用通路之间的隔离件中，而将支撑件安装在安装部分上。安装部分的深度可以与支撑件的厚度相应。
在一些实施方式中，提供了一种燃料电池系统，该系统包括电池堆，电池堆具有包括MEA的至少一发电体和位于该MEA两侧的隔离件，其中，在至少一个隔离件的一表面上形成多条共用通路，并且用来产生电能的氧化剂和冷却发电体的冷却剂共同流过共用通路。此燃料电池系统还包括通过共用通路将氧化剂提供给电池堆的氧化剂供给单元和将冷却剂提供给电池堆的冷却剂供给单元。冷却剂可以是空气。冷却剂供给单元可以包括风扇。
根据其它实施方式，提供了一种燃料电池系统，该系统包括电池堆，电池堆具有包括MEA的至少一个发电体和位于MEA两侧的隔离件，其中，在至少一隔离件的一表面上形成多条共用通路，并且用来产生电能的氧化剂和冷却发电体的冷却剂共同流过所述共用通路。通过共用通路将燃料提供给电池堆的燃料供给单元和将氧提供给电池堆的空气供给单元也是这个系统的一些部件。将来自空气中的氧提供给燃料电池。冷却剂可以是由空气供给单元提供的空气。空气供给管线可以包括用来将大气提供给共用通路的空气泵。
根据本发明的所述实施方式，电池堆通过堆叠多个单元电池或发电体构成，在它们的隔离件之间没有形成冷却通道或在单元电池之间没有设置冷却板，因此电池堆的体积可最小。相反，利用装配一个隔离件形成的空气通路来冷却MEA。此外，同一空气泵既可将电化学反应中所用的氧供给电池堆又可将冷却空气供给电池堆，这将进一步减小燃料电池系统的体积和降低其能耗。在一些改型的实施方式中，利用支撑部件补偿由在隔离件和MEAs之间形成的中空空气通道所引起的潜在的结构上的缺陷。
附图说明
图1是本发明一实施方式的燃料电池系统的方框图；
图2是本发明不同实施方式的燃料电池系统的方框图；
图3是本发明的电池堆的第一实施方式的分解透视图；
图4是图3所示的电池堆的平面图；
图5是本发明的电池堆的第二实施方式的分解透视图；
图6是图5所示的电池堆的部分横截面图。
具体实施方式
图1是本发明一实施方式的燃料电池系统100的方框图。燃料电池系统100包括：电池堆10，该电池堆由堆叠多个通过氢与氧或另一种氧化剂之间的化学反应产生电能的单元电池或发电体11构成；将含氢燃料提供给电池堆10的燃料供应单元30；和将空气提供给电池堆10的空气供应单元40。
燃料供应单元30包括储存燃料的燃料箱31和与燃料箱31连接以排出储存在燃料箱31中的燃料的燃料泵33。将燃料从燃料供应单元30通过重整器20提供给电池堆10。因此，重整器20位于燃料供应单元30和电池堆10之间，并且通过第一和第二供应管线91、92与燃料供应单元30和电池堆10连接。
燃料电池系统可以根据将液体燃料直接供给电池堆10的直接氧化电池型式构成。在直接氧化型式中，省去了根据PEMFC型式构成的燃料电池系统100中的重整器20。在下面的描述中用作示例性系统的燃料电池系统是以PEMFC型式构成的。当然，本发明不限于用这种型式构成的燃料电池系统，也可以用等同结构。
重整器20通过重整反应从液体燃料中产生氢。此外，重整器20可降低重整气体中含有的一氧化碳的浓度。重整器20包括用于重整液体燃料以产生含有氢的重整气体的重整反应器和用于降低重整气体中含有的一氧化碳浓度的一氧化碳减少部分。重整反应器利用例如蒸汽重整反应、部分氧化反应或自动放热反应。一氧化碳减少部分可以利用如水气转移(WGS)反应或选择的氧化反应(PROX)，或者可以利用使用分离膜的氢纯化反应。
在本发明中所使用的燃料可以是碳氢化合物，例如天然气或诸如甲醇或乙醇之类的醇。而且，在反应中可采用储存在附加存储装置中的纯氧或大气中含有的氧。在对本发明的示例性实施方式的描述中，将液态碳氢化合物材料与水的混合物作为燃料，用空气作为氧源。
空气供应单元40与电池堆10连接。空气供应单元40包括抽取空气并用预定的泵压将其供给电池堆10的空气泵41。空气供应单元40与电池堆10通过第三供应管线93连接。
从空气供应单元40提供的空气的一部分用于发电体11中的电化学反应，另一部分用来冷却电池堆10。除空气供应单元40之外，燃料电池系统100没有设置用来冷却电池堆10的任何附加装置。
图2是本发明不同实施方式的燃料电池系统200的方框图。在图2所示的实施方式中，没有使用前述实施方式的空气供应单元40而使用了冷却剂供应单元208。燃料电池系统200包括由多个通过氢与氧之间的化学反应产生电能的单元电池或发电体202构成的电池堆204、将含氢燃料提供给发电体202的燃料供应单元206和将作为冷却剂的空气提供给发电体202的冷却剂供应单元208。
因为可将由冷却剂供应单元208作为冷却剂供给的空气的一部分用于发电体202中的电化学反应，因此燃料电池系统200不需要另外的空气供应单元。
冷却剂供应单元208包括冷却风扇210。冷却风扇210通过第四供应管线212与电池堆204耦连，从而将冷却剂提供给电池堆204。因为冷却剂还必须用作MEA的氧源，因此用大气作为冷却剂。
此实施方式的燃料箱214、燃料泵216和重整器218与图1所示的实施方式的这些部件类似，因此省略了对它们的详细描述。
图3是图2所示的电池堆204的分解透视图。图4是电池堆204的平面图。现在参考图2、3和4描述电池堆204。图1中所示的电池堆10具有与图2所示的电池堆204相同的结构。
电池堆204包括多个通过从重整器218提供的重整气体与空气之间的氧化和还原反应产生电能的发电体202。每一发电体202是产生电能的单元电池。
每一单元电池或发电体202包括进行氢与氧之间的氧化和还原反应的MEA 202a、及将氢和氧供给MEA 202a的隔离件202b、202c。发电体202通过在包括第一隔离件202b和第二隔离件202c的隔离件202b、202c之间设置的MEA 202a构成，而且隔离件202b、202c被连接到MEA 202a的两侧。电池堆204通过顺序堆叠多个发电体202构成。
在MEA 202a的一侧形成阳极，在MEA 202a的另一侧形成阴极。MEA202a具有处于阳极和阴极之间的电解质膜。阳极通过第一隔离件202b接收重整气体。阳极由将重整气体分解成电子和氢离子的催化剂层以及用来促进电子和重整气体移动的气体扩散层构成。阴极通过第二隔离件202c接收空气。阴极由促进电子、氢离子和空气中含有的氧之间的反应以产生水的催化剂层以及促进氧流动的气体扩散层构成。电解质膜由具有50μm到200μm厚的固体聚合物电解质制成。电解质膜具有用来将阳极催化剂层所产生的氢离子移动到阴极催化剂层的离子交换功能。
电池堆204通过由下面的反应式所代表的反应产生电能、热能和水：
阳极反应              
阴极反应              
总反应                
上述反应可以总结如下。重整气体通过第一隔离件202b被提供给MEA202a的阳极，空气通过第二隔离件202c被提供给阴极。当重整气体流过阳极时，氢被分解成电子和质子(氢离子)。当质子通过电解质膜时，电子、氧离子和质子在阴极处结合成水。在阳极处产生的电子不能通过电解质膜但是通过外电路移动到阴极。在这个过程中，在电池堆204中产生电流和水，并且产生了作为副产品的热能(热量)。
第一和第二隔离件202b、202c用作电连接阳极和阴极的导体。它们也用作使重整气体通过而被提供给阳极和阴极的通路。
流过重整气体的气体通道202d被形成在第一隔离件202b的一表面上。流过用于反应的空气和用来冷却被加热了的发电体202的冷却空气的空气通路202e被形成在第二隔离件202c的一表面上。在电池堆204中，第一和第二隔离件202b、202c的没有形成气体通道202d和空气通路202e的其他的表面被连接在一起，以构成发电体202。
在包括电池堆204的燃料电池系统200中，由冷却剂供应单元208提供的冷却空气流过空气通路202e可冷却被加热的发电体202并提供用于MEA 202a中的反应的空气。因为在电池堆204中，用于反应的空气和冷却空气同时通过空气通路202e提供，因此不需要类似于冷却通道和冷却板的常规冷却结构。
此外，除了在第二隔离件202c上形成的空气通路202e外，不需要在第一隔离件202b上形成空气通路，因此可以减小发电体202的整体厚度。也可以减小是发电体202的电池堆的电池堆204的厚度。
对用于35W燃料电池的电池堆进行试验可得到本发明实施方式的电池堆204的体积与常规电池堆的体积之间的比较结果。这个试验表明，包括冷却板的、体积为251cc的常规电池堆与具有体积为211cc的本发明的电池堆等效。因此，本发明电池堆的体积与包括冷却板的常规电池堆的体积相比可以减小约16％。
在第二隔离件202c上形成的空气通路202e以预定的间隔分开设置。在所示实施方式中，空气通路202e是沿从第二隔离件202c的一边缘到另一边缘的方向延伸的直线。
空气通路202e形成在第二隔离件202c的接触表面上，并与MEA 202a接触。空气通路202e的两端均暴露于电池堆204的外部。每一空气通路202e的一端用作空气入口，而另一端用作空气出口。
将通过入口提供的进入空气通路202e的空气的一部分提供给MEA202a，用来产生电能。空气的另一部分通过出口排出，以释放由发电体202产生的热能。
在所示的实施方式中，空气通路202e具有矩形横截面。当然，本发明并不限于具有矩形横截面的通路，空气通路202e可以具有包括半圆形和梯形横截面在内的各种形状的横截面。
图5是本发明电池堆300的第二实施方式的分解透视图。图6是电池堆300的部分横截面图。
对第二实施方式中的电池堆300的与图3中示出的第一实施方式中的电池堆204相同的部分不再赘述，只详细描述它们的不同部分。
在第一实施方式的电池堆204中，空气通路202e通过连接第二隔离件202c和MEA 202a构成，该通路由在第二隔离件202c和MEA 202a之间形成的中空空间构成。在这些中空空间中，第二隔离件202c和MEA 202a没有连接在一起并且不能彼此支撑。中空空间通常形成在MEA 202a上所限定的非活性区中。
在第二实施方式的电池堆300中，支撑件300d与空气通路300c相应于在MEA 300a中限定的非活性区300b的部分相连接。支撑件300d与MEA300a接触。
支撑件300d沿空气通路300c的入口端和出口端两者设置，并且沿垂直于空气通路300c的方向延伸。支撑件300d安装于在第二隔离件300e上的空气通路300c之间形成的安装部分300f上。安装部分300f的深度与支撑件300d的厚度相应。
如图6所示，安装部分300f形成在空气通路300c的两端处，并且支撑件300d与安装部分300f紧密连接。因此，支撑件300d与第二隔离件300e的外表面处在相同的水平上，并且支撑件300d能够均匀地与MEA 300a的非活性区300b相连接。在第一实施方式的电池堆204中，因为空气通路202e削弱了第二隔离件202c与MEA 202a之间的支撑，因此，电池堆204可能发生扭曲。而支撑件300d可防止第二实施方式的电池堆300发生扭曲。
虽然上面描述了本发明的示例性实施方式，但是本发明不限于所描述的实施方式和实例，在不超出详细描述、附图和所附权利要求的范围的前提下可以对本发明作出各种形式上的修改。

Claims (20)

1.一种燃料电池的电池堆，包括具有多个单元电池并利用燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的发电组件，每一单元电池包括：
具有第一侧和第二侧的膜电极组件；
位于所述膜电极组件第一侧的第一隔离件和位于所述膜电极组件第二侧的第二隔离件；
在所述第二隔离件中形成的多条通道；及
通过与所述膜电极组件相邻地设置所述第二隔离件由所述通道形成的多条通路，
其中，所述通路由氧化剂和用来冷却电池堆的冷却剂共同使用。
2.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，所述氧化剂包括空气。
3.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，所述冷却剂是空气。
4.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，每一所述通路具有矩形横截面。
5.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，每一所述通路具有半圆形横截面。
6.如权利要求1所述的燃料电池电池堆，其中，每一所述通路具有梯形横截面。
7.如权利要求1所述的燃料电池电池堆，其中，所述通路从所述隔离件的一边缘延伸到另一边缘；所述每一通路的两端均暴露于所述电池堆的外部。
8.如权利要求7所述的燃料电池的电池堆，其中，所述通路是直线。
9.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，每一单元电池还包括与所述膜电极组件的非活性区相应的所述通路部分相连接的支撑件。
10.如权利要求9所述的燃料电池的电池堆，其中，所述支撑件与所述膜电极组件的非活性区一样宽。
11.如权利要求9所述的燃料电池的电池堆，其中，每一单元电池还包括形成在所述第二隔离件上所述通道之间的安装部分；所述支撑件被安装在该安装部分上。
12.如权利要求11所述的燃料电池的电池堆，其中，所述安装部分的深度与所述支撑件的厚度相应。
13.一种燃料电池系统，包括：
具有至少一发电体的电池堆，该发电体具有膜电极组件和位于该膜电极组件两侧的隔离件，至少一隔离件与所述膜电极组件形成多条共用通路，所述共用通路适用于使发电体所用来产生电能的氧化剂和用来冷却发电体的冷却剂共同流过该共用通路；
向所述电池堆提供燃料的燃料供应单元；及
通过所述共用通路向所述电池堆提供冷却剂的冷却剂供应单元。
14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂是大气。
15.如权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂供应单元包括风扇。
16.一种燃料电池系统，包括：
具有至少一发电体的电池堆，该发电体具有膜电极组件和位于该膜电极组件两侧的隔离件，至少一隔离件与所述膜电极组件形成多条共用通路，所述共用通路适用于使所述发电体所用来产生电能的氧化剂和用来冷却发电体的冷却剂共同流过该共用通路；
向所述电池堆提供燃料的燃料供应单元；及
通过所述共用通路向所述电池堆提供氧化剂的空气供应单元。
17.如权利要求16所述的燃料电池系统，其中，所述氧化剂从大气中提供。
18.如权利要求16所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂是由所述空气供应单元所提供的大气。
19.如权利要求16所述的燃料电池系统，其中，所述空气供应单元包括用来将大气提供给所述共用通路的空气泵。
20.如权利要求17所述的燃料电池系统，其中，所述氧化剂包括由所述空气供应单元提供的氧。
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