燃料电池系统及其中使用的电池堆技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池系统，优化形成提供燃料和空气的通道的沟道的宽度对肋的宽度的比例、沟道的高度对其宽度的比例和通道的数目，由此改进了燃料扩散性能并且降低了其中的压力降。该燃料电池系统包括至少一个叠层，用于通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能；燃料供应部分，用于给叠层提供燃料；和氧气供应部分，用于给叠层提供氧气。叠层形成为堆叠构造，其具有由隔离物分隔开的多个膜电极组合件。隔离物具有紧密接触邻近膜电极组合件的肋，且形成氧气和氢气流过的沟道。沟道的宽度对其高度的比例在大约０．６到大约０．８之间。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统及其中使用的叠层
本专利技术涉及燃料电池系统及其中使用的叠层(stack)，并且更具体地涉及燃料电池系统及其中使用的叠层，其通过优化形成于隔离物(或双极板)和膜电极组合件(此后称作MEA)之间的通道的尺寸和数量来提高燃料电池效率。
技术介绍
燃料电池是用于产生电能的系统。在燃料电池中，氧气和碳氢族材料(例如甲醇、天然气)中包含的氧和氢之间的化学反应能直接转换成电能。这种燃料电池的特征在于电能和作为电化学反应副产物的热能的产生在没有燃烧的情况下发生。根据燃料电池中使用的电解质类型，燃料电池可以分类成许多不同类型燃料电池，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和聚合物电解质或碱性燃料电池中的一种。虽然这些不同类型的燃料电池都利用相同原理运行，但是它们的燃料类型、催化剂和使用的电解质，还有驱动温度不同。近来聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)已经得到开发。与其他燃料电池相比，PEMFC具有优异的输出性能、低运行温度、快速启动和响应特性。PEMFC可以用于运载工具、家庭中和建筑物中以及用于电子设备中的电源。因此，PEMFC具有广泛的应用范围。PEMFC的基本组件是叠层、燃料罐和燃料泵。叠层形成燃料电池的主体。燃料泵将燃料罐中储存的燃料提供给叠层。还可以使用重整器重整燃料，产生相对纯的氢气并且将该氢气提供给叠层。在PEMFC中，燃料泵运行将燃料从燃料泵中输送到重整器中。燃料在重整器中重整产生氢气，并且氢气与氧在叠层中进行化学反应产生电能。使用直接的甲醇燃料的燃料电池(此后称作DMFC)将包含氢的液体甲醇燃料直接提供给叠层，因此不用包括重整器。没有重整器是PEMFC和-->DMFC之间的区别。图7为根据现有技术的燃料电池中使用的叠层的部分横截面，其中MEA与隔离物组装。叠层可以由堆叠的单元电池的结构组成。堆叠的单元电池可以包含几个，或者十个或更多的具有MEA 15和隔离物53a、53b的单元电池。MEA 51具有电解质膜以及安装在电解质膜相对表面上的阳极电极和阴极电极。隔离物53a、53b分别具有通道55、57，通过通道55、57将MEA 51的氧化/还原反应需要的氢气和/或空气提供给阳极电极和阴极电极所通过的通道55，57。即，分别通过隔离物53a，53b的通道55，57将氢气提供给阳极电极和将空气提供给阴极电极。在这个过程中，在阳极电极氢气氧化且在阴极电极氧气还原。在这个过程中产生的电子的流动产生了电流。此外，通过电化学反应产生了水和热。更详细地，每个隔离物53a、53b包括多个肋59，多个肋59紧密面对MEA的相邻表面，界定通道55、57，通道55、57用于提供所需的氢气和氧气。实质上，通道夹在每个肋59之间。典型地，在隔离物位于MEA 51两侧上的情况下，用于提供所需要的氢气和空气的通道55、57彼此垂直。因此，在图7中所示的横截面中，示出用于提供氢气的单个通道55，而且示出用于提供空气的多个通道57。在上述燃料电池系统中，为了提高燃料电池的效率，叠层的结构应提高叠层中的扩散性能，同时在扩散期间保持燃料的压力。这里，设计叠层结构的一个重要条件就是通道55、57的尺寸和数量。即，在隔离物53a、53b中，通道55、57的尺寸和数量在将氢气和空气从MEA 51的活性面积扩散到其扩散层的方面起到重要作用，并且对于处理在MEA 51中产生的电流接触电阻也起到重要作用。
技术实现思路
本专利技术的一个方面中，提供有燃料电池系统，其优化形成用于提供燃料和空气的通道的沟道和肋的宽度比、其宽度对沟道的高度的比例和通道的数量，由此改善燃料扩散性能和减少其中压力降。在本专利技术的示范性实施例中，燃料电池系统包括：至少一个叠层，通过氢气和氧气之间的电化学反应用于产生电能；燃料供应部分，用于给叠层提-->供燃料；和氧气供应部分，用于给叠层提供氧气。叠层形成为具有由隔离物隔开的多个MEA的堆叠结构。隔离物具有紧密接触相邻MEA的肋，且形成氧气和氢气所流过的沟道。肋对应于与相邻MEA紧密接触的部分，并且沟道对应于与相邻MEA分开的部分。沟道的宽度对其高度的比例在大约0.6到大约0.8之间。沟道的宽度可以在大约0.9到大约1.1mm之间，沟道的宽度与对应肋的宽度的比例可以在大约1.1到大约1.3之间，并且沟道的数量可以为3。沟道的宽度可以在大约1.1到大约1.3mm之间，沟道的宽度与对应肋的宽度的比例可以在大约0.7到大约0.9之间，并且沟道的数量可以为5。沟道的宽度可以在大约1.1到大约1.3mm之间，沟道的宽度与对应肋的宽度的比例可以在大约1.1到大约1.3之间，并且沟道的数量可以为4。在本专利技术的实施例中，MEA的活性表面积为40cm2，通道的数量为3到6。附图说明图1为根据本专利技术示范性实施例的燃料电池系统示意图。图2为图1叠层的分解透视图。图3为包括图1叠层的单元电池的分解透视图。图4为图1叠层的部分横截面图，其中MEA与隔离物组装。图5为示出通道数量与相对功率密度(此后称作“RPD”)之间关系的曲线图。图6为图1的隔离物的部分分解透视图。图7为常规燃料电池系统中使用的叠层的部分横截面图，其中MEA与隔离物组装。具体实施方式参考图1和2，在本专利技术的实施例中，燃料电池系统包括用于给重整器3提供燃料的燃料供应部分1。在重整器3中由提供的燃料所产生的氢气提供给叠层7。此外，氧气供应部分5将空气提供给叠层7。在叠层7中，氢气和空气中包含的氧的化学反应能转换成电能，由此发电。燃料供应组件1包括燃料罐9和泵11。燃料可以储存在燃料罐9中。在-->某些实施例中使用的燃料可以是液体燃料，例如甲醇或乙醇，或者它可以是气体燃料如天然气。在这个实施例中，泵11将液体燃料提供给重整器3，在重整器3中产生氢气。然后氢气流入叠层7中。在燃料电池系统的实施例中，与在DMFC系统中一样，包含氢气的液体燃料可以直接提供给叠层7。然而，在下面，将假定燃料电池系统应用于PEMFC型系统。参考图1和3，空气供应部分5包括用于给叠层7提供空气的空气泵13。在叠层7中，空气流过空气通道17，并且氢气流过氢气通道15。如图1中所示，通过氢气提供部分1将氢气从重整器3提供到叠层7。通过空气提供部分5将空气提供到叠层7。通过氢气和外部空气中包含的氧气之间的电化学反应产生电能。还产生了热和水。图3说明了具有至少一个单元电池19的叠层7，通过重整器3中产生的氢气和空气中包含的氧气的氧化/还原反应用于产生电能。通过将MEA 21插在两个隔离物23，25之间，每个单元电池19形成用于发电的最小单元电池。图2描述多个这种单元电池19，组合形成具有堆叠结构的实施例的叠层7。端板27a、27b安装在多个单元电池19相对的最外层。端板27a、27b可以是隔离物23、25的替换结构。通过紧固穿过多个单元电池19最外层的螺栓19a并且与螺母19b紧固在一起，将多个单元电池19组合，从而构成具有堆叠结构的叠层7。每个单元电池的氢气和空气输入端和输出端与输入和输出端板的相应的共用输入和输出部分相互连接。现在参考图3和4，每个隔离物23，25放置在与MEA 21的表面贴近的位置上，在隔离物23、25和MEA 21之间形成氢气通道15和空气通道17。氢气通道15与M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：至少一个叠层，用于通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能；燃料供应部分，用于给所述叠层提供燃料；和氧气供应部分，用于给所述叠层提供氧，其中所述叠层形成为堆叠构造，具有由隔离物分隔开的多 个膜电极组合件，所述隔离物具有与所述相邻膜电极组合件紧密接触的部分和与所述相邻膜电极组合件分离的部分，从而在两侧形成氧气和氢气流过的通道，以及其中从所述相邻膜电极组合件分开的部分的宽度对所述部分的高度的比例在大约０．６到大约０．８之 间。

【技术特征摘要】
KR 2004-2-25 12649/04;KR 2004-3-25 20359/041.一种燃料电池系统，包括：至少一个叠层，用于通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能；燃料供应部分，用于给所述叠层提供燃料；和氧气供应部分，用于给所述叠层提供氧，其中所述叠层形成为堆叠构造，具有由隔离物分隔开的多个膜电极组合件，所述隔离物具有与所述相邻膜电极组合件紧密接触的部分和与所述相邻膜电极组合件分离的部分，从而在两侧形成氧气和氢气流过的通道，以及其中从所述相邻膜电极组合件分开的部分的宽度对所述部分的高度的比例在大约0.6到大约0.8之间。2.根据权利要求1的所述燃料电池系统，其中与所述相邻膜电极组合件紧密接触的部分是从所述隔离物的主体交替突起的肋，与所述相邻膜电极组合件分离的部分是在相邻肋之间形成的沟道，并且沟道的宽度对其高度的比例在大约0.6到大约0.8之间。3.根据权利要求2的所述燃料电池系统，其中沟道的宽度在大约0.9到大约1.1mm之间，并且沟道的宽度对肋的宽度的比例在大约1.1到大约1.3之间。4.根据权利要求3的所述燃料电池系统，其中所述沟道的数目为3。5.根据权利要求1的所述燃料电池系统，其中与所述相邻膜电极组合件分开的部分的宽度在大约0.9到大约1.1mm之间，并且与所述相邻膜电极组合件分开的部分的宽度对与所述相邻膜电极组合件紧密接触的部分的宽度的比例在大约1.1到大约1.3之间。6.根据权利要求5的所述燃料电池系统，其中所述沟道的数目为3。7.根据权利要求1的所述燃料电池系统，其中与所述相邻膜电极组合件分开的部分的宽度在大约1.1到大约1.3mm之间，并且与所述相邻膜电极组合件分开的部分的宽度对与所述相邻膜电极组合件紧密接触的部分的宽度的比例在大约0.7到大约0.9之间。8.根据权利要求7的所述燃料电池系统，其中所述沟道的数目为5。9.根据权利要求1的所述燃料电池系统，其中与相邻膜电极组合件分开的部分的宽度在大约1.1到大约1.3mm之间，并且与所述相邻膜电极组合-->件分开的部分的宽度对与所述相邻膜电极组合件紧密接触的部分的宽度的比例在大约1.1到大约1.3之间。10.根据权利要求9的所述燃料电池系统，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东勋，权镐真，金亨俊，安圣镇，徐晙源，金宗满，尹海权，曹诚庸，殷莹讚，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]