CN1812177A - 燃料电池堆体以及具有该堆体的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的堆体，其中堆叠了包括设置在膜电极组件两侧的隔板的一个或多个发电体，所述堆体包括用于释放从发电体产生的热量的放热装置。所述放热装置依据堆体中相关发电体的位置而具有不同的放热速率。更具体而言，与位于所述堆体中心附近的发电体相关的放热装置具有更高的放热速率，从而遍及所述堆体维持更均匀的温度梯度。

Description

燃料电池堆体以及具有该堆体的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体而言，涉及具有改善的冷却效率的燃料电池系统的堆体(stack)以及具有该堆体的燃料电池系统。
背景技术
通常，燃料电池是一种发电系统，其通过包含在空气中的氧和包含在诸如甲醇、乙醇和天然气的碳氢基团材料中的氢之间的电化学反应来将化学能直接转化成电能。更具体而言，燃料电池具有这样的特征，即通过燃料气体和氧化气体之间的电化学反应来产生电力而没有燃烧，具有作为其副产品的热量。
依据所使用的电解质的类型，燃料电池可以分为在约150℃至200℃的温度下工作的磷酸盐燃料电池，在约600℃至700℃的高温下工作的熔融碳酸盐燃料电池，在1000℃或更高的高温下工作的固态氧化物燃料电池，以及在室温或者在100℃或更低的温度下工作的聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell)和碱性燃料电池(alkali fuel cell)。所有这些燃料电池基本以相同的原理工作，但在燃料、工作温度、催化剂和电解质的类型上彼此不同。
与其他燃料电池相比，最近开发的聚合物电解质膜燃料电池(下文中称为PEMFC)具有极好的输出特性、较低的运行温度以及快速的起始和响应特性。因此，PEMFC具有较宽的应用范围，包括用作交通工具的移动电源、用作住宅或建筑物的分布式电源以及用作电子设备的小尺寸电源。
PEMFC系统基本上需要燃料电池主体(为方便起见下文中称为堆体)、用于重整燃料以产生氢气的重整器、燃料箱、以及用于将燃料供应到重整器的燃料泵。在PEMFC中，通过燃料泵的泵浦功率将储存在燃料箱中的燃料供应到重整器。然后，重整器重整燃料并产生到堆体的氢气。在堆体中，氢气和氧彼此进行电化学反应，由此产生电能。
另一类型的燃料电池是直接甲醇燃料电池(下文中称为DMFC)，其中液态的甲醇燃料被直接供应到堆体。与PEMFC不同，DMFC不需要重整器。
在上述燃料电池系统中，产生电力的堆体具有数个或数十个单元电池的堆叠结构，每个单元电池具有膜电极组件(membrane-electrode assembly)(下文中称为MEA)和隔板(或双极板)。MEA包括附着到电解质膜两侧的阳极电极和阴极电极。隔板同时用作通过其供应燃料电池的反应所需的氧和氢气的通道和将每个MEA的阳极电极和阴极电极串联的导体。
通过双极板，包含氢的燃料气体被供应到阳极电极而包含氧的氧气被供应到阴极电极。在阳极电极发生燃料气体的氧化反应，而在阴极电极发生氧气的还原反应。由于电子的移动，能够同时产生电力、热量和水。
在这样的燃料电池系统中，当工作温度偏离适当的范围时，电解质膜的性能劣化并且不能确保其安全性。此外，在严重的情况下，可能损坏燃料电池。因此，为了在运行燃料电池系统时连续去除产生在堆体内部的热量，常常在燃料电池系统内设置使用空气或水的冷却装置。
然而，在常规的冷却方案中对于堆体的所有部件采用相同的冷却方案难以有效地冷却堆体的所有单元电池，依据于其在堆体内部的位置，单元电池可能具有显著不同的温度分布。
更具体而言，在堆体的单元电池中，位于中心部分的单元电池的温度趋于高于位于堆体两端附近的单元电池的温度。
在常规的燃料电池系统中，由于在堆叠的单元电池的每一个中产生的热量没有均匀释放，堆体的性能劣化，由此降低单元电池系统的整体效率。
发明内容
本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够迅速地释放整个堆体产生的热量并能够通过依据堆体内部的位置改变散热结构而将整个堆体的温度均匀地维持在适当的范围内。
根据本发明，提供了燃料电池堆体和燃料电池系统，所述燃料电池堆体和燃料电池系统能够通过迅速吸收局部地产生于堆体中的热量而遍及整个堆体均匀地维持温度分布。
根据本发明的一个实施例，提供了一种燃料电池堆体，所述堆体包括发电单元和冷却单元，所述发电单元包括多个单元电池，所述冷却单元将冷却剂供应到特定的单元电池从而对应于依据每个单元电池不同位置的散热的差异。
根据本发明，朝向堆体的中心部分，发电单元会产生更多的热量，因此朝向堆体的中心部分，冷却单元可以设置更大量的冷却剂。
根据本发明的另一实施例，提供燃料电池的堆体，其中堆叠了包括设置在膜电极组件(MEA)两侧的隔板的一个或多个发电体，所述堆体包括用于释放从每个发电体产生的热量的放热装置，其中所述放热装置依据堆体中发电体的位置而具有不同的放热速率。
通常，所述放热装置构造为使得发电体的放热速率朝向堆体的中心部分而增大。
根据这样的构造，由于位于堆体中心部分的发电体的温度趋于高于位于堆体外部的发电体的温度，所以位于堆体中心部分的放热装置的放热速率高于位于外部的放热装置的放热速率。因此，能够迅速地释放在堆体中心部分产生的热量并且能够均匀地控制整个堆体的温度。
根据一个实施例，放热装置包括形成在隔板中的流动通道，冷却剂通过所述流动通道流动。可以通过依据堆体内部发电体的位置改变流动通道的尺寸来改变放热速率。
根据另一实施例，放热装置可以包括具有孔的冷却板，冷却剂可以通过孔流动。所述孔的尺寸可以变化从而改变放热速率。
根据又一实施例，放热装置可以包括流动凹槽，其形成在对应于MEA非有效区的位置的隔板中并且冷却剂通过该流动凹槽流动。可以通过依据堆体内部发电体的位置将每个流动凹槽的尺寸制造得不同来改变放热速率。
根据又一实施例，放热装置可以可选地包括导热介质，其附着到隔板上并具有比隔板的热导率高的热导率。可以通过依据堆体内部发电体的位置将每个导热介质的尺寸制造得不同来改变放热速率。
根据又一实施例，放热装置可以包括用于将冷却空气导向发电体的风扇。可以通过改变提供给堆体内部不同发电体的冷却空气的量来改变放热速率。这可以通过在堆体中不同位置改变风扇的数目或风扇的尺寸来完成。可选择地，例如通过改变某些风扇的风扇叶片的间距或者通过改变某些风扇的速度来改变从各个风扇的输出。
根据本发明的又一实施例，提供了一种燃料电池堆体，提供了一种燃料电池堆体，其中堆叠了包括设置在MEA两侧的隔板的一个或更多个发电体。对于该实施例，在隔板中形成流动通道，冷却剂通过流动通道流动，并且流动通道的尺寸依据发电体的位置而变化。在该实施例中，在与MEA不相对的隔板的侧表面上形成流动通道。此外，每个流动通道通常形成为沟槽或孔的形状。
当流动通道形成为沟槽的形状时，在隔板的一个表面上形成一部分沟槽，并且在与所述隔板相对设置并附着到所述隔板的另一相邻隔板的一个表面上形成一部分沟槽。通过这样的构造，两个沟槽接合以变成一个孔。
通常，形成在位于中心部分的发电体中的流动通道的尺寸相对大于位于堆体外侧的发电体的流动通道的尺寸。
流动通道可以具有四边形或圆形的横截面，但流动通道不限于任何特定的形状。
根据本发明的又一实施例，提供了一种燃料电池堆体，其中堆叠了包括设置在MEA两侧的隔板的一个或更多个发电体，在所述发电体之间设置冷却板，在冷却板中形成孔，冷却剂可以通过所述孔流动，并且形成在冷却板中的孔的尺寸依据发电体的位置而变化。
优选的是形成在位于中心部分的发电体中的孔的尺寸相对大于形成在位于外侧的发电体中的孔的尺寸。
流动通道可以具有四边形或圆形的横截面，但流动通道不限于任何特定的形状。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池的堆体，其中堆叠了包括设置在MEA两侧的隔板的一个或多个发电体，在对应于MEA非有效区域的位置的隔板中形成流动凹槽，冷却剂通过该流动凹槽流动，并且流动凹槽的尺寸依据发电体的位置而变化。
此处，非有效区域意味着空气或氢气不通过其流动的区域，并且在该区域中氢气不与空气反应。
当其被堆叠时，流动凹槽在MEA和隔板之间形成一个或更多个流动管线，并且冷却剂沿这些流动管线流动。
此外，如果流动凹槽形成在除被供以氢气或空气的区域之外的区域中，则流动凹槽并不特别局限于隔板中任何特定的位置，并且优选的是流动凹槽形成在在被供以氢气或空气的区域之外的整个区域中。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池的堆体，其中堆叠了包括设置在MEA两侧的隔板的一个或更多个发电体，其热导率比隔板的热导率更高的导热介质附着到所述隔板，并且每个导热介质的尺寸依据发电体的位置而不同。
此处，导热介质可以由导热材料制成。适合的实例是由诸如铝、铜和铁的金属制成的金属板。
导热介质可以附着到每个隔板的一个侧表面上或者插入到隔板中作为一个层。此外，可以将一个或更多个导热介质以预定距离插入到隔板中以作为多个层。
导热介质可以可选地具有一个或更多个孔，所述孔形成在导热介质的中心部分中从而连接到冷却剂供应单元，冷却剂通过所述孔流动。
当在导热介质中形成孔时，每个孔的尺寸可以依据堆体内部发电体的位置而不同。所述孔可以形成为沟槽的形状。
根据本发明的又一实施例，提供了一种燃料电池的堆体，其中包括隔板的一个或更多个发电体设置在MEA的两侧。设置风扇以用于将冷却空气导向发电体。可以通过改变提供给堆体内部不同发电体的冷却空气的量来改变提供给不同发电体的冷却量。这能够通过改变在堆体中不同位置上的风扇的数目或者风扇的尺寸来完成。可选择地，可例如通过改变某些风扇的风扇叶片的间距或者通过改变某些风扇的速度来改变从各个风扇的输出。
根据该实施例，可以在构成堆体外部框架的壳体处设置风扇。此处，可以通过利用设置在堆体最外侧的隔板作为端板或通过利用附加的端板来组装堆体。所述堆体可以使用冷却空气、冷却水或其他冷却剂作为供应到放热装置的冷却剂。
根据本发明的又一实施例，燃料电池系统包括：堆体，在该堆体中堆叠了包括设置在MEA两侧的隔板的一个或多个发电体；燃料供应单元，其用于将含氢的燃料供应到所述发电体；空气供应单元，其用于将空气供应到所述发电体；以及，冷却剂供应单元，其用于将冷却剂供应到所述发电体。所述堆体包括用于释放从每个发电体产生的热量的放热装置，如在以上各个实施例中所描述的那样，并且放热速率依据所述发电体的位置而不同。
通常，位于中心部分的所述放热装置的放热速率大于位于外侧的所述放热装置的放热速率。
所述燃料电池系统可以进一步包括重整器，其重整从所述燃料供应单元供应的燃料以产生氢气。所述燃料电池系统可以应用PEMFC方案或者可以应用DMFC方案。
所述燃料电池系统可以应用包括空气和水的多种不同冷却剂中的任何一种。
附图说明
通过参照附图对其示例性实施例的详细描述，本发明的以上和其他特征及优点将变得更加明显，其中：
图1是示出根据本发明一实施例的燃料电池系统的整体结构的示意性框图；
图2是示出根据本发明一实施例的燃料电池系统的堆体的分解透视图；
图3是示出根据本发明另一实施例的堆体的分解透视图；
图4是示出根据本发明另一实施例的堆体的分解透视图；
图5是示出根据本发明另一实施例的堆体的分解透视图；
图6是示出根据本发明另一实施例的堆体的分解透视图；
图7是示出用于图2所示的堆体的散热结构的示意性框图；
图8是示出用于图3所示的堆体的散热结构的示意性框图；
图9是示出用于图4所示的堆体的散热结构的示意性框图；
图10是示出用于图6所示的堆体的散热结构的示意性框图；以及
图11是示出用于根据本发明另一实施例的堆体的散热结构的示意性框图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例，从而使这些实施例能够更容易地被本领域技术人员付诸实践。然而，由于本发明能够以不同的形式实施，本发明并不限于以下描述的实施例。
图1是示出根据本发明一实施例的燃料电池系统的结构的示意性框图。
参照图1，根据本发明的燃料电池系统100包括堆体10、燃料供应单元30、空气供应单元40以及冷却剂供应单元70，其中在堆体10中堆叠了大量发电体11，其通过氢和氧之间的化学反应将化学能转化成电能，燃料供应单元30用于将含氢燃料供应到发电体11，空气供应单元40用于将空气供应到发电体11，冷却剂供应单元70用于将冷却剂供应到堆体10以控制发电体11的温度。
燃料供应单元30包括：燃料箱31，其中储存含氢液体燃料；以及燃料泵33，燃料泵33连接到燃料箱31从而通过设置在燃料供应单元30和堆体10之间的可选重整器20将储存的燃料排放到堆体10。重整器20经由第一供应管线91连接到燃料供应单元30，经由第二供应管线92连接到堆体10。
当本发明的燃料电池系统应用了DMFC方案、将液体燃料直接供应到堆体以产生电力时，与上述PEMFC方案不同的是，不需要重整器。下文中，将参照应用了采用重整器20的PEMFC方案的燃料电池系统来描述本发明，但本发明不限于PEMFC方案。
重整器20从液体燃料产生氢气，其对于在堆体中产生电力是需要的，并降低包含在氢气中的CO的浓度。通常，重整器20包括用于重整液体燃料以产生氢气的重整部分，以及用于降低CO浓度的CO浓度降低部分。重整部分通过诸如蒸汽重整、部分氧化、自热反应的催化反应将燃料转化成富含氢的重整气体。CO降低部分使用诸如水煤气转换法、优先氧化法等的催化反应或者利用分离膜的氢的纯化来降低重整气体中CO的浓度。
在本实施例中，燃料包括能够容易地被装载并储存的碳氢燃料。实例包括甲醇、乙醇、天然气等。所述燃料可以还包括水和诸如甲醇、乙醇、天然气等的碳氢燃料的混合物。下文中，为方便起见，将甲醇、乙醇和天然气等称为“液体燃料”。
储存在附加储存单元中的纯氧气或者包含氧的外部空气可以用作氧源。下文中，为方便起见，将参照其中使用外部空气的实例描述本发明，然而，本发明并不局限于此。
空气供应单元40包括连接到堆体10的空气泵41，其吸进外部空气并将外部空气供应到堆体10。堆体10通过第三供应管线93连接到空气供应单元40。
此外，冷却剂供应单元70包括泵71，其吸进冷却剂并通过第四供应管线94对堆体10产生冷却剂。可以使用多种不同冷却剂中的任何一种。实例包括能够提供为液相或者气相的冷却水。然而在本实施例中，将参照其中使用空气作为冷却剂的实例进行描述，该冷却剂能够很容易地在自然界中得到。
接下来，在具有上述结构的燃料电池系统中，将参照图2至5描述堆体10，使用从燃料供应单元30和氧供应单元40供应的燃料和空气产生电力的堆体10使用从冷却剂供应单元70供应的冷却剂被冷却。
图2示出了根据本发明的堆体。堆体10包括多个发电体11，其被供以通过重整器20重整的氢气和外部空气，并通过氧化和还原反应来产生电力。
每个发电体11是用于发电的单元电池。
发电体11包括氧化/还原氢气和空气的MEA 12，以及将氢气和空气供应到MEA 12的隔板13。
每个发电体11构造为使得隔板13设置在MEA 12的两侧，并且隔板13附着到MEA 12。堆体10由多个连续设置的发电体11构成。
通常构造MEA 12使得电解质膜设置在构成MEA 12的两侧表面的阳极电极和阴极电极之间。阳极电极通过隔板13被供以重整气体。阳极电极包括将重整气体分离为电子和氢离子的催化层，以及用于顺利移动电子和重整气体的气体扩散层。阴极电极通过隔板13被供以空气。阴极电极包括通过电子、氢离子和空气的氧的反应形成水的催化层，以及用于顺利移动电子和氧的气体扩散层。电解质膜由厚度为50至200μm的固态聚合物电解质构成并用于将在阳极电极的催化层产生的氢离子移动到阴极电极的催化层。
隔板13用于将阳极电极串联连接到阴极电极，并提供用于将MEA 12的氧化和还原反应所需的氢气和空气供应到阳极和阴极电极的通道。隔板13具有形成在其表面上的流动沟槽(flow channel)13a，以供应MEA 12的氧化和还原反应所需的气体。
更具体而言，隔板13设置在MEA 12的两侧使得MEA 12插入在其间，并且隔板13紧密附着到MEA 12的阳极和阴极电极。隔板13具有形成在紧密附着到MEA 12的阳极和阴极电极的表面上的流动沟槽13a。流动沟槽13a分别向阳极电极供应氢气，向阴极供应空气。
具有上述结构的堆体10通过诸如下式的反应来产生电力和水。
阳极反应：
阴极反应：
总反应：
参照上式，氢气和空气通过隔板13被分别供应到MEA 12的阳极电极和阴极电极。当氢气流过阳极电极时，氢在催化层处被分解为电子和质子(氢离子)。当质子移动通过电解质膜时，电子、氧和质子一起反应并在催化剂的帮助下在阴极电极处产生水。此处，在阳极电极处产生的电子不能移动通过电解质膜并通过外部电路移动到阴极电极。通过这样的过程，产生了电和水，并且通过氢气和氧之间的化学反应在堆体10处产生了作为副产品的热量。
在堆体10的工作中，从每个发电体11产生热量。运行冷却剂供应单元70从而去除从每个发电体11产生的热量。根据本实施例，冷却剂供应单元70将冷却空气供应到堆体10。
在根据本实施例的堆体10中，通过循环从冷却剂供应单元70供应的冷却空气使其通过堆体10的内部，来适当地维持整个堆体10的温度。为此，在隔板13中形成使空气通过其流动的流动通道(flow passage)14。
流动通道14的尺寸依据堆体10内部发电体11的位置而变化。通常，流动通道14的尺寸从堆体10的外端朝向堆体10的中心部分而增大。
图7示出了依赖于堆体10内部各个隔板位置的流动通道14的尺寸差异。在图7中，堆叠了包括MEA 12和隔板13的多个发电体11以形成堆体10。流动通道14的尺寸从两个侧表面朝向堆体10的中心部分而增大。
此处，位于最右或最左侧的流动通道与位于中心部分的流动通道之间的尺寸差异不限于任何特定值。
此处，流动通道14的尺寸意味着形成在一个隔板13上的每个流动通道14的各自的截面积，或者是形成在一个隔板13上的所有流动通道14的截面积的和。截面积可以定义为基本决定流速的截面积。
在本发明的该实施例中，流动通道14的尺寸是不同的，因为当运行燃料电池系统时，位于堆体10中心部分的发电体11的散热温度趋于高于位于侧面的发电体11的散热温度。当将冷却空气通过流动通道14从冷却剂供应单元70供应给堆体10时，与更靠近堆体10外侧的发电体相比，能够将更大量的冷却空气供应到位于堆体10中心部分的发电体，由此改善冷却效果。
此处，流动通道14包括多个槽14a和14b，多个槽14a和14b形成在与其上形成有流动沟槽13a的侧表面相对的侧表面上。在本实施例中，构造流动通道14使得彼此相对的形成在一个发电体11的一个隔板13上的槽14a和形成在另一发电体11的一个隔板13上的槽14b接合在一起。
通过使从冷却剂供应单元70供应的冷却空气经过由槽14a和14b形成的流动通道14的作用来释放每个发电体11产生的热量，从而能够降低堆体10的温度。
如上所述，由于依据堆体10内部发电体的位置而将流动通道14的尺寸制造得不同，所以与外侧相比，更大量的空气被供应到堆体10的中心部分，由此能够从堆体的中心部分去除更多的热量。因此，能够遍及堆体10的整个区域获得均匀的温度分布。
图3示出了根据本发明另一实施例的堆体，其应用了冷却板。
如图3所述，在堆体50内部连续堆叠包括隔板52的发电体53，其设置在MEA 51的两侧并且附着于MEA 51。在发电体53之间设置具有孔54a的冷却板54，空气流过孔54a以用于冷却堆体50。依据堆体50内部的发电体53的堆叠位置，形成在冷却板54中的孔54a的尺寸从外侧朝向中心部分增大。
当图1所示的燃料电池系统100应用了堆体50时，从冷却剂供应单元70供应的冷却空气流过形成在冷却板54中的孔54a，由此能够均匀地维持整个堆体50的温度。
形成在冷却板54中的孔54a的尺寸从外侧朝向堆体50的中心部分而增大，从而能够对应于依据堆体50内部发电体53的位置而变化的散热条件，有效地冷却堆体50。
图8示出了依赖于堆体50中的位置的形成在冷却板54中的孔54a的尺寸差异。构造堆体50使得冷却板54插入在包括MEA 51和隔板52的发电体53之间。形成在冷却板54中的孔54a的尺寸从两个侧表面朝向堆体50的中心部分而增大。
此处，位于最外侧的孔与位于中心部分的孔之间的尺寸差异不限于任何特定值。
此处，孔54a的尺寸意味着形成在一个冷却板54中的孔54a的各自的截面积，或者是形成在一个冷却板54中的所有的孔54a的截面积之和。截面积可以定义为基本决定流速的截面积。
冷却板54可以遍及整个堆体50以相同的面积或板厚度形成，而与依据堆体50中的位置而变化的孔54a的尺寸无关，或者冷却板54可以对应于依据在堆体50中的位置而变化的孔54a的尺寸而以不同的面积或厚度形成。
隔板52可以由石墨制成，优选的是冷却板54由热导率高于隔板52的热导率的材料制成。适合的材料包括铝、铜和铁。
根据本实施例，可注意到趋于从发电体53朝向堆体50的中心部分产生更多的热量。因此，在设置于发电体53之间的冷却板54中形成如上所述的具有不同尺寸的孔54a，从而通过孔54a在堆体50的中心部分实现更大量的冷却。因此，与位于外侧的发电体53相比，位于堆体中心部分的发电体53能够迅速释放更大量的热。因此，可以遍及整个堆体50获得更均匀的温度分布。
图4示出了根据本发明另一实施例的堆体。如图4所示，堆体60构造为堆叠了一个或多个发电体63，每个发电体63包括设置在MEA 61两侧的隔板62。
在对应于MEA 61的非有效区域61a的位置上的隔板62中形成流动凹槽(flow groove)64，诸如冷却空气的冷却剂流过流动凹槽64，并且每个流动凹槽64的尺寸依据其在堆体60内的位置而被制造得不同。
流动凹槽64在隔板62和附着到隔板62上的MEA 61之间形成了通道，通过该通道循环诸如冷却空气的冷却剂从而去除从发电体63产生的热量。
流动凹槽64的尺寸从外侧朝向堆体60的中心部分而增大。
非有效区域61a是除有效区域61b之外的区域，有效区域61b是空气或氢气流过的区域。也就是说，非有效区域61a是氢气和空气不反应的区域。
在图4所示的堆体60中，有效区域61b形成在MEA 61的中心部分，非有效区域61a形成在有效区域61b的外围以围绕有效区域。流动凹槽64形成在对应于非有效区域61a的位置上，即，在图中隔板的上侧和下侧。
其中形成流动凹槽64的位置并不受到特定地限制，只要其形成在除供以氢或空气的有效区域之外的非有效区域，并且优选的是将流动凹槽64形成为遍及除有效区域之外的所有区域。
流动凹槽64可以形成为沟槽的形状，并且连接到冷却剂供应开口62a和冷却剂排放开口62b。
诸如冷却空气的冷却剂通过供应开口62a供应并流过隔板62的流动凹槽64，并且其通过排放开口62b环流出去。
如上所述，由于堆叠多个发电器63以构造堆体60，形成于每个隔板62处的供应和排放开口62a和62b形成在相同的位置，并且供应和排放开口61c和61d形成在设置在隔板62之间的MEA 61中对应于供应和排放开口62a和62b的位置上，由此形成一个供应开口和一个排放开口。
附图标记62c表示形成在隔板62的有效区域中从而将氢和氧供应给MEA 61的流动沟槽。
如图9所示，将包括MEA 61和隔板62的多个发电体63堆叠以构成堆体60，并且形成在隔板62上的流动凹槽64的尺寸从堆体60的两侧朝向堆体60的中心部分而增大。
此处，位于堆体60最外侧的流动凹槽64与位于堆体60中心部分的流动凹槽64之间的尺寸差异不限于任何特定值。
此外，流动凹槽64的尺寸可以被认为是由流动凹槽64和设置在流动凹槽64的外侧并附着到隔板62的MEA 61所形成的通道的截面积或体积。
根据本实施例，可注意到从每个发电体63产生的热量朝向堆体60的中心部分而增大。因此，在隔板62上形成如上所述具有不同尺寸的流动凹槽64，由此通过流动凹槽64将更大量的冷却空气供应到位于堆体60中心部分的发电体63。因此，与位于外侧的发电体63相比，位于堆体中心部分的发电体63能够迅速释放更大量的热。因此，能够遍及整个堆体60获得均匀的温度分布。
图5示出了根据本发明另一实施例的堆体，其中隔板应用了导热介质。
如图5所示，将包括设置在MEA 81两侧的隔板82的多个发电体83堆叠以构成堆体80。
比隔板82具有更高热导率的金属板84附着到每个隔板82上，并且金属板84的尺寸依据堆体80内部发电体83的位置而不同。也就是说，金属板84的厚度从外侧朝向堆体80的中心部分变大。
根据这一结构，发电体83所产生的热量被迅速吸收并且被其热导率比隔板82的热导率更高的金属板84释放，从而与仅包括隔板13的另一堆体相比，堆体80能够更迅速地释放热量。此外，由于位于堆体80的中心部分的金属板84的厚度大于位于外侧的金属板84的厚度，所以堆体80能够从更厚的板有效地释放更多的热量，由此能够遍及整个区域维持均匀的温度分布。
在本实施例中，金属板84形成为薄板的形状并且设置在隔板82的外侧表面上，即，在与和MEA 81接触的表面相对的表面上。金属板84的厚度并不限于任何特定值。
隔板82可以由石墨制成。优选的是金属板84由热导率高于隔板82的热导率的材料制成。示例性的材料包括铝、铜和铁。
此外，金属板84可以可选地具有多个孔，通过所述孔可以从冷却剂供应单元供应诸如冷却空气的冷却剂，从而提高散热效果。这样的实施例更详细地示于图6中。
如图6所示，构造堆体180使得由导热介质制成的金属板184设置在发电体183之间。在每个金属板184上形成孔184a。依据堆体180内部发电体183的位置，每个孔184a的尺寸从外侧朝向堆体180的中心部分增大。此处，每个金属板184的厚度可以是相同的，或者可以是如图5所示那样不同的。
图10示出了图6所示的依赖于堆体180内部其位置的孔184a尺寸的差异。如图10所示，堆叠包括MEA 181和隔板182的多个发电体183以构成堆体180，并且形成在附着到隔板182的金属板184上的孔184a的尺寸从堆体180的两侧朝向堆体180的中心部分增大。
此处，形成在位于堆体180最外侧的金属板184中的孔184a与形成在位于中心部分的金属板184中的孔184a之间的尺寸差异并不限于任何特定值。
此外，孔184a的尺寸可以被认为是形成在任何一个金属板184中的每个孔184a的各自的截面积，或者是形成在任何一个金属板184中的所有孔184a的截面积的和。
根据本实施例，可注意到从发电体183产生的热量朝向堆体180的中心部分而增大。因此，在金属板184上形成如上所述具有不同尺寸的孔184a，从而通过孔184a将更大量的冷却空气供应到位于堆体180中心部分的发电体183。因此，与位于外侧的发电体183相比，位于堆体180中心部分的发电体183能够释放更大量的热。
在本实施例中，将形成在对应于任何一个发电体183的金属板184中的沟槽184b与形成在对应于相邻发电体183的金属板184中的沟槽184b接合在一起，同时两个所述金属板184彼此紧密附着从而构造堆体180，在堆体180中形成有孔184a。
在诸如冷却空气的冷却剂穿过孔184a之后，其通过将热量释放到外部而去除从发电体183产生的热量。
如上所述，堆体180中每个孔184a的尺寸依据其在堆体180内部的位置而不同，并且位于堆体180中心部分的金属板184比位于外侧的金属板被供以更大量的空气。因此，能够去除在堆体180的中心部分产生的更多热量，提供了遍及堆体180所有区域的均匀的温度分布。
图11示出了根据本发明又一实施例的堆体的散热结构。
如图11所示，在堆体110中堆叠了包括设置在MEA 111两侧的隔板112的一个或多个发电体113，并且堆体110包括多个风扇115，多个风扇115设置在包围堆叠的发电体113的壳体114上并且将冷却剂(例如冷却空气)导向发电体113。提供到堆体内部不同发电体的冷却空气的量可以变化，比如通过在堆体中不同位置变化风扇的数目或者风扇的尺寸。可选择地，例如通过改变某些风扇的风扇叶片的间距或者通过改变某些风扇的速度，来改变从各个风扇的输出。
根据所示的实施例，风扇的数目可以依据堆体110内部发电体113的位置而变化。风扇115的数目从堆体110的外侧朝向堆体110的中心部分而增大，从而对应于在这一位置由发电体113产生的增大的热量。
根据这一结构，从冷却剂供应单元70(图1所示)供应到堆体110的冷却空气朝向位于堆体中心部分的发电体比朝向位于外侧的发电体以更大的量被导引，由此能够有效地冷却在堆体110的中心部分表现出高温分布的发电体113。因此，可以遍及堆体110的所有区域维持均匀的温度分布。
位于堆体110最外侧位置的风扇115的数目与位于堆体110中心位置的风扇115的数目之间的差异并不限于任何特定值。
根据本发明，对应于设置在相应位置的发电体113的风扇115的数目依据堆体110内部发电体113的位置而不同，从而使从冷却剂供应单元70供应到堆体110的空气大量地被导向堆体110的中心部分。因此，位于堆体110中心部分的发电体113的热量能够比位于外侧的发电体113的热量降低得更多，由此能够遍及堆体110的所有区域获得均匀的温度分布。
根据上述的本发明，在堆体中心部分的堆体的温度能够被显著降低，从而能够具有遍及整个堆体的均匀的温度分布，并且将堆体的温度维持在适当的水平。
此外，通过依据对应于堆体内部位置而产生的热量改变冷却剂的流速，能够提高堆体的冷却效果。
尽管已描述了本发明的示例性实施例，但本发明并不限于所述示例性实施例，而可以在不偏离权利要求、详细说明和本发明附图的范围的前提下以各种形式修改。因此，很自然的是这样的修改属于本发明的范围。

Claims (53)

1.一种燃料电池的堆体，包括：
发电单元，其包括多个堆叠的单元电池；以及
冷却单元，其向每个所述单元电池供应冷却介质，其中，供应到每个单元电池的冷却介质的量依据所述堆体内部所述单元电池的位置而变化。
2.根据权利要求1所述的堆体，其中，供应到所述单元电池的冷却介质的量在朝向所述堆体中心部分的单元电池处增大。
3.根据权利要求1所述的堆体，其中，所述冷却介质是空气或水。
4.一种燃料电池的堆体，包括：
多个堆叠的发电体，每个发电体包括设置在膜电极组件两侧的隔板；
多个放热装置，其用于释放从所述发电体产生的热量，其中，所述放热装置依据其相对于所述堆体中发电体的位置而具有不同的放热速率。
5.根据权利要求4所述的堆体，其中，所述放热装置的放热速率朝向所述堆体的中心部分增大。
6.根据权利要求5所述的堆体，其中，所述放热装置包括流动通道，所述流动通道形成在所述隔板中并且冷却剂通过所述流动通道流动，所述流动通道的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
7.根据权利要求5所述的堆体，其中，所述放热装置包括设置在每个所述发电体之间的冷却板，其中所述冷却板具有孔，冷却剂通过所述孔流动，并且与所述堆体的外部相比，所述孔的尺寸朝向所述堆体的中心部分而变大。
8.根据权利要求5所述的堆体，其中，所述放热装置包括流动凹槽，所述流动凹槽形成在对应于相应膜电极组件的非有效区的部分的隔板中，冷却剂通过所述流动凹槽流动，并且所述流动凹槽的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
9.根据权利要求5所述的堆体，其中，所述放热装置包括导热介质，其附着到所述隔板上并具有比所述隔板的热容量更高的热导率，其中每个所述导热介质的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
10.根据权利要求5所述的堆体，其中，所述放热装置包括一个或多个风扇，所述风扇将冷却空气导向所述发电体，其中朝向所述堆体的中心部分提供更大量的冷却空气。
11.根据权利要求4所述的堆体，其，中设置在所述堆体最外侧的隔板包括端板。
12.根据权利要求4所述的堆体，其中，所述冷却剂包括冷却空气或冷却水。
13.一种燃料电池的堆体，所述堆体包括多个堆叠的发电体，每个发电体包括设置在膜电极组件两侧的隔板，其中每个隔板限定了一个或多个流动通道，冷却剂通过所述流动通道流动，并且所述流动通道的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
14.根据权利要求13所述的堆体，其中，所述流动通道形成在所述隔板的侧表面上。
15.根据权利要求14所述的堆体，其中，每个所述流动通道具有沟槽形或孔形的横截面。
16.根据权利要求15所述的堆体，其中，所述流动通道在第一隔板的表面处和与所述第一隔板相邻的第二隔板的表面处形成为沟槽形状，其中每对相邻隔板的沟槽共同形成孔。
17.根据权利要求16所述的堆体，其中，所述孔具有四边形或圆形的横截面。
18.根据权利要求13所述的堆体，其中，设置在所述堆体最外侧的隔板包括端板。
19.根据权利要求13所述的堆体，其中，所述冷却剂包括冷却空气或冷却水。
20.一种燃料电池的堆体，包括：
一个或多个堆叠的发电体，所述发电体包括设置在膜电极组件两侧的隔板；以及
设置在所述发电体之间并限定了孔的冷却板，冷却剂通过所述孔流动，其中，所述冷却板中所述孔的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
21.根据权利要求20所述的堆体，其中，每个孔具有四边形或圆形的横截面。
22.根据权利要求20所述的堆体，其中，设置在所述堆体最外侧的隔板包括端板。
23.根据权利要求20所述的堆体，其中，所述冷却剂包括冷却空气或冷却水。
24.一种燃料电池的堆体，包括：
多个堆叠的发电体，每个发电体包括设置在膜电极组件两侧的隔板；
多个流动凹槽，所述流动凹槽由所述隔板限定并且冷却剂通过所述流动凹槽流动，其中所述流动凹槽位于对应于所述膜电极组件的非有效区域的隔板的部分，并且所述流动凹槽的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
25.根据权利要求24所述的堆体，其，中所述隔板和膜电极组件彼此附着使得所述流动凹槽形成流动通道。
26.根据权利要求25所述的堆体，其中，所述流动凹槽形成在离开供应氢或空气的区域的所述隔板的区域中。
27.根据权利要求24所述的堆体，其中，设置在所述堆体最外侧的隔板包括端板。
28.根据权利要求24所述的堆体，其中，所述冷却剂包括冷却空气或冷却水。
29.一种燃料电池的堆体，包括：
多个堆叠的发电体，每个发电体包括设置在膜电极组件两侧的隔板；
与所述多个发电体中的每一个相关的导热介质，其中，所述导热介质具有比所述隔板的热导率更高的热导率，并且所述导热介质的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
30.根据权利要求29所述的堆体，其中，所述导热介质包括由选自铝、铜和铁的金属制成的板。
31.根据权利要求30所述的堆体，其中，每个板附着到隔板的一个侧表面上。
32.根据权利要求30所述的堆体，其中，所述板还包括一个或多个孔，冷却剂通过所述孔流动。
33.根据权利要求32所述的堆体，其中，与位于所述堆体端部的板的孔相比，位于所述堆体中心部分的板的孔的尺寸更大。
34.根据权利要求33所述的堆体，其中，每个孔形成为沟槽的形状。
35.根据权利要求29所述的堆体，其中，设置在所述堆体最外侧的隔板包括端板。
36.根据权利要求29所述的堆体，其中，所述冷却剂包括冷却空气或冷却水。
37.一种燃料电池的堆体，包括：
多个堆叠的发电体，每个发电体包括设置在膜电极组件两侧的隔板；以及
多个风扇，其用于将冷却空气导向所述发电体，其中与位于所述堆体端部的一个或多个风扇相比，位于所述堆体中心部分的一个或多个风扇导引更高流量的冷却空气。
38.根据权利要求37所述的堆体，还包括构成所述堆体外部框架的壳体，其中所述壳体支持所述风扇。
39.根据权利要求37所述的堆体，其中，设置在所述堆体最外侧的隔板包括端板。
40.根据权利要求37所述的堆体，其中，所述冷却剂包括冷却空气或冷却水。
41.一种燃料电池系统，包括：
堆体，其包括多个发电体，每个发电体包括设置在膜电极组件两侧的隔板；
燃料供应单元，其用于将含氢的燃料供应到所述发电体；
氧供应单元，其用于将氧供应到所述发电体；以及
与所述多个发电体相关的放热装置，所述放热装置用于去除来自相关发电体的热量，其中，由所述放热装置去除的热量依据所述堆体内部相关发电体的位置而变化。
42.根据权利要求41所述的燃料电池系统，其中，通过位于所述堆体中心部分的放热装置去除更多的热量。
43.根据权利要求42所述的燃料电池系统。还包括冷却剂供应单元，其用于将冷却剂供应到所述放热装置。
44.根据权利要求43所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂选自空气和水。
45.根据权利要求43所述的燃料电池系统，其中，向位于所述堆体中心部分的发电体的放热装置供应更大量的冷却剂。
46.根据权利要求43所述的燃料电池系统，其中，所述隔板限定了多个流动通道，所述冷却剂通过所述流动通道流动，并且所述流动通道的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
47.根据权利要求42所述的燃料电池系统，其中，所述放热装置包括设置在所述发电体之间的冷却板。
48.根据权利要求47所述的燃料电池系统，其中，所述冷却板进一步限定了孔，冷却剂通过所述孔流动，并且对于位于朝向所述堆体中心部分的冷却板，所述孔的尺寸更大。
49.根据权利要求42所述的燃料电池系统，其中，所述放热装置包括流动凹槽，所述流动凹槽形成在对应于所述膜电极组件的非有效区域的位置的隔板上，冷却剂通过所述流动凹槽流动，并且对于位于朝向所述堆体中心部分的隔板所述凹槽的尺寸更大。
50.根据权利要求42所述的燃料电池系统，其中，所述放热装置包括多个导热介质，所述导热介质附着到所述隔板上并具有比所述隔板的热导率更高的热导率，所述导热介质的尺寸朝向所述堆体的中心部分增大。
51.根据权利要求42所述的燃料电池系统，其中所述放热装置包括多个风扇，所述风扇用于将冷却空气导向所述发电体，其中指向位于所述堆体中心部分的发电体的一个或多个风扇比位于所述堆体端部的一个或多个风扇导引更大流量的冷却空气。
52.根据权利要求41所述的燃料电池系统，还包括设置在所述堆体和所述燃料供应单元之间的重整器。
53.根据权利要求41所述的燃料电池系统，其中所述发电体选自聚合物电解质膜发电体和直接甲醇发电体。
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