专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明关于一种燃料电池，特别是关于一种温场均布的燃料电池系统。
技术背景燃料电池(Fuel Cdl)—种将燃料(如氢气、曱醇等)及氧气经由电化学反应 而产生电能的发电装置。其常见的种类一般区分为质子交换膜燃料电池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 或称Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,缩写为PEMFC,亦称为PEM)或直接曱醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,缩写为DMFC)。直接甲醇燃料电池的膜电极组件(Membrane Electrode Assemble,缩写为 MEA)包括阳极表面及阴极表面，其阴极燃料为氧气。氧气的供应可为纯氧 气或利用空气中的氧气，由导风装置(如泵浦或风扇)导入空气至该阴极表面， 导风装置除了能供应燃料电池反应所需的氧气之外，亦能同时将燃料电池反 应时所产生的热能带出。请参阅图1及图2所示，常规平面堆叠型燃料电池组100包括壳体1、 导风装置2以及多个燃料电池模块3。其中，壳体l包括出气口区ll及进气 口区12,两者分别开设在壳体1的相对的侧壁上。导风装置2(例如轴流风扇)配置于出气口区11。各个燃料电池模块3呈 平板结构型态，相邻的燃料电池模块3之间具有预定间隔。每一个燃料电池 模块3包括多个沿延伸方向I间隔排列的膜电极组件31a、 31b、 31c,各个 膜电极组件31a、 31b、 31c由框体33予以定位。各个膜电极组件31a、 31b、 31c的阴极表面32暴露于该壳体1的容置空间13。延伸方向I平行于导风装 置2的转轴的方向。当导风装置2运转时，导入气流AI经由进气口区12沿延伸方向I导入 至壳体1的容置空间13,然后导入气流AI顺序地流经各个膜电极组件31a、 31b、 31c的阴极表面32，再由出气口区11导出一导出气流AO。对燃料电池而言，膜电极组件反应的温度越高，其发电的效能越高，但若在同一燃料电池系统中，各个膜电极组件彼此温差过大，造成温场不均一 的状况时，除影响到操作效能之外，亦影响到膜电极组件的寿命。然而，常 规平面堆叠型燃料电池组100将导风装置2装设于壳体1的两相对侧壁，使得导入气流AI沿膜电极组件31a、 31b、 31c间隔排列的延伸方向I流动，单 向的导入气流AI流经每一膜电极组件的阴极表面后，其上游(即邻近进气口 区12)热量累积至下游(即邻近出气口区11),而使得下游的空气温度越高， 使位于下游的膜电极组件31b、 31c温度亦累积越高，故造成各个膜电极组 件的温场不一，致使各个膜电极组件的发电量不同，且单位面积的发电密度 亦为不同，此一状况对于燃料电池的电性特性及发电效能均为不利。且也会 造成各个膜电极组件的寿命不同。再者，燃料电池组由各膜电极组件的阳极燃料(例如曱醇)与膜电极组 件表面的催化剂反应解离产生氢离子与电子，而阳极反应生成的氲离子与电 子在阴极与空气中的氧气反应生成水，使壳体10的出气口区11的导风装置 2所产生的气流再将阴极的水带走。若各个膜电极组件产生反应的温场不均 一，风流越下游则空气所含的水气越多，其阴极生成物越接近饱和越不易排 出，造成"水满溢，，(Flooding)的问题，而降低膜电极组件的寿命。再就常规平面堆叠型燃料电池組的流阻过高，故风扇需维持在较高的转 速下运转，如此增加了系统的用电负荷，且风扇在高速及高负荷运转状况下， 将产生更大的噪音。发明内容本发明的目的是提供一种燃料电池系统，以解决已知的问题。 为达到上述目的，本发明一实施例的燃料电池系统包括至少一燃料电池 组，燃料电池组包括壳体、燃料电池膜组及导风装置，壳体具有容置空间、 出气口区及至少两个进气口区，出气口区设置于壳体的第一板，燃料电池模 块设置于容置空间中并包括有多个膜电极组件，各个膜电极组件沿壳体的第 一侧板至第二侧板间隔排列在壳体的容置空间的 一平面上，每一膜电极组件 对应一进气口区，而导风装置设置在壳体上并用以产生气流，气流由壳体的 进气口区导入至壳体的容置空间后，通过燃料电池模块的各个膜电极组件的 阴极表面，再经由壳体的出气口区导出。
图1是常规平面堆叠型燃料电池系统的侧视图； 图2是图1常规平面堆叠型燃料电池系统的俯视图； 图3是本发明燃料电池系统的第一实施例立体图； 图4是本发明第一实施例燃料电池系统的立体分解图； 图5是本发明第一实施例燃料电池系统的俯视图； 图6是本发明第 一 实施例燃料电池系统的气流分布图； 图7至图9是本发明第一实施例燃料电池系统的不同进风口区设置的侧 视图；图IO是本发明具有三个膜电极组件的燃料电池系统的顶视图； 图11是图IO燃料电池系统的侧视图；图12是本发明具有另一燃料电池模块结构的燃料电池系统的立体分解 图；以及图13是本发明第二实施例燃料电池系统的侧视图。 附图标记说明200、 200，、 200"、 200"，燃料电池组200a、 200b燃并十电池组30Q、 400燃料电池组1壳体10第一板11出气口区12进气口区13容置空间2导风装置3燃泮+电池才莫块31a、 31b、 31c膜电极组件32阴极表面33框体4、 4a、 4b壳体40容置空间41a第一板41b侧板41c侧板41d第二板42出气口区43a、43b进气口区44a、44b进气口区45a、45b进气口区46进气口区5导风装置51转轴52转轴中心6燃料电池模块61a、61b、 61c膜电极组件62框体63阴极表面7隔板8燃料电池模块81燃料电池单体82膜电极组件AIl、AI2、 AI3、 AI4AI5、 AI6、 AI7进气气流AO导出气流I延伸方向II气流导出方向A第一方向B第二方向C转轴方向具体实施方式
参阅图3及图4所示，本发明第一实施例的燃料电池系统包括燃料电池 组200，燃料电池组200包括壳体4、导风装置5以及至少一燃料电池模块6。本实施例中以多个燃料电池模块6为例说明。壳体4的内部形成有容置空间40，壳体4包括出气口区42、至少两个 进气口区43a、 43b、 44a、 44b、第一板41a、相对于第一板41a的第二板41d、 连接于第一板41a与第二板41d之间的第一侧板41b、第二侧板41c、第三 侧板41e与第四侧板41f。第一侧板41b相对于第二侧板41c,第三侧板41e 相对于第四侧板41f。第一板41a、第二板41d与侧板41b、 41c、 41e、 41f 相连接以形成容置空间40。本实施例中，出气口区42设置于第一板41a。进气口区43a、 43b、 44a、 44b为四个，且开设在壳体4的第一侧板41b、第二侧板41c及第二板41d 中的至少其中之一，本实施例中，进气口区43a开设在第一侧板41b，进气 口区43b开设在第二侧板41c，进气口区44a、 44b开设在第二板41d。多个燃料电池模块6设置在壳体4的容置空间40中。多个燃料电池模 块6沿第三侧板41e至第四侧板41f(即第二方向B)间隔排列在壳体4的容置 空间40 ，且相邻的燃料电池模块6之间形成气流通道。每一燃料电池模块6包括框体62及多个膜电极组件61a、 61b。框体62 用以定位膜电极组件61a、 61b。各个膜电极组件61a、 61b沿第一侧板41b 至第二侧板41 c(即第 一方向A)间隔排列在壳体4的容置空间40的一平面上， 且各个膜电极组件61a、 61b的阴极表面63暴露于壳体4的容置空间40。每 一膜电极组件61a、 61b对应至少一进气口区，本实施例中，以两个膜电极 组件61a、 61b为例，且进气口区43a、 44a对应膜电招i且件61ai殳置，进气 口区43b、 44b对应膜电极组件61b设置(参阅第6图)，更详细地说，进气口 区43a、 44a分别位于膜电极组件61a其远离膜电极组件61b的一侧及底部， 进气口区43b、 44b分别位于膜电极组件61b其远离膜电极组件61a的一侧 及底部。导风装置5配置在壳体4上，导风装置5用以产生气流，导风装置5具 有转轴51 ，转轴51的转轴方向C垂直于第一方向A与第二方向B。优选地， 导风装置5的转轴中心52位于第一板41a的几何中心位置处(参阅图5)。导 风装置5可为轴流风扇、帮浦、鼓风机或其它可产生气流的等效气流产生装 置，本实施例中，导风装置5为排气用的轴流风扇并设置于出气口区42，但 不以此为限，亦可将导风装置5设置于进气口区43a、 43b、 44a、 44b并采 用吸气用的轴流风扇。再参阅图6所示，当导风装置5启动运转后，首先由壳体4的进气口区 43a、 43b、 44a、 44b引入进气气流All、 AI2、 AI3、 AI4，并分别导入至壳 体4的容置空间40中，且进气气流All 、 AI3流经膜电极组件61a的阴极表 面63,进气气流AI2、 A14流经膜电极组件61b的阴极表面63,最后以一气 流导出方向II由壳体4的第一板41a的出气口区42导出一导出气流AO， 使得各个膜电极组件61a、 61b的温度及湿度相同。由于本发明采用导风装置5的设置位置为转轴的转轴方向C垂直于第一 方向A，且各个膜电极组件61a、 61b具有对应的进气口区，因此，可使导 风装置5运转时同时提供气流分别冷却各个膜电极组件61a、 61b，以使燃料 电池系统内部的冷却气流的流场对称，进而可使各个膜电极组件61a、 61b 的温度及湿度相同，并可确保各个膜电极组件61a、 61b间的传热情形相同， 且其各个膜电极组件的单位面积发电效率亦相同，而每一膜电极组件之间达到均一寿命，其燃料电池组整体的寿命亦延长。另外，由于本发明的设计使得燃料电池系统的容置空间40中所形成的 气流流动的路径减半，其流阻亦降低，且于一般的电压操作下，气流流量较 已知技术高，且可使保持较低的转速运转并减少噪音。而有关进气口区可依 需要而做适当的变更，例如请参阅图7所示，燃料电池组200，设置的进气 口区43b、 45a、 45b为三个，即壳体4的邻近第一侧板41b的第一板41a与 第二板41 d上分别开设有相对应的进气口区45a、 45b,壳体4的第二侧板 41c开设有进气口区43b。当导风装置5启动运转时，其所产生的进气气流 AI2、 AI5、 AI6分别由进气口区43b及进气口区45a、 45b导入至壳体4的 容置空间40中，进气气流AI2、 AI5、 AI6通过各个膜电极组件61a、 61b的 阴极表面63并产生对称的流场，最后由壳体4的出气口区42导出形成导出 气流AO。另外，请参阅图8所示，燃料电池组200"设置的进气口区43b、 45a、 45b、 44a、 44b为五个，即壳体4的邻近第一侧板41b的第一板41a与第二 板41d上分别开设有相对应的进气口区45a、 45b，壳体4的第二侧板41c开 设有进气口区43b,第二板41d开设有多个进气口区44a、 44b,且进气口区 44a、 44b对应于燃料电池组200"中的膜电极组件61a、 61b。当导风装置5 启动运转时，除了进气气流AI2、 AI5、 AI6夕卜，进气口区44a、 44b另引入 进气气流AI3、 AI4，使得膜电极组件61a、 61b通过进气气流AI2、 AI3、AI4、 AI5、 AI6而使温场更佳均匀，形成对称流场达到温场均一的目的。请参阅图9所示，燃料电池组200"，设置的进气口区44a、 44b为两个， 即第二板41d开设有多个进气口区44a、 44b，且进气口区44a、 44b对应于 燃料电池组200中的膜电极组件61a、 61b，当导风装置5启动运转时，进气 气流AI3、 AI4仅由壳体4的进气口区44a、 44b导入，且进气气流AI3、 AI4 通过膜电极组件61a、 61b的阴极表面63，最后由出气口区42导出形成导出 气流AO。另外，且每一燃料电池组的膜电极组件的数量亦可依发电量做调整，请 参阅图IO及图ll所示，每一燃料电池膜组300的膜电极组件数量为三个， 即膜电极组件61a、 61b、 61c，而壳体4的第二板41d的中央区域设置进气 口区46,且进气口区46对应于膜电极组件61b,以供引入进气气流AI7至 容置空间40中；壳体4的第一侧板41b设置进气口区43a，且进气口区43a 对应于膜电极组件61a,以供引入进气气流All至容置空间40中；壳体4 的第二侧板41c设置进气口区43b,且进气口区43b对应于膜电极组件61c， 以供引入进气气流AI2至容置空间40中。当导风装置5启动运转后，由进 气口区43a、 43b、 46分别引入进气气流All、 AI2、 AI7，进气气流在通过 各个膜电极组件61a、 61b、 61c的阴极表面63后，最后由壳体4的出气口 区42导出形成导出气流AO，使得该多个膜电极组件61a、 61b、 61c达到温 场均布的目的。图3至图11中，燃料电池模块采用典型平面堆叠型燃料电池模块的结 构，亦即每一个燃料电池模块包括有多个以同 一平面配置的膜电极组件及用 以使膜电极组件定位的框体。然请参阅图12，燃料电池组400中的燃料电池 模块8亦可由多个燃料电池单体81以相间隔的方式排列于壳体4的容置空 间40中，且每一个燃料电池单体81具有膜电极组件82。请参阅图13所示，本发明第二实施例的燃料电池系统与第一实施例相 同的构件乃标示以相同的元件编号，以资对应。本实施例与第一实施例不同 的处在于采用多个沿第一方向A相邻结合的燃料电池组200a、 200b,相邻 的燃料电池组200a、 200b之间具有隔板7，隔板7用以将燃料电池组200a、 200b的冷却气流隔离，本实施例中，隔板7为燃料电池组200a的第二侧板 41c与燃料电池组200b的第一侧斧反41b的结合而成。各燃津+电池组200a、 200b的壳体4a、 4b的第一板41a具有各自独立的出气口区42及装设有各自独立的导风装置5。各燃料电池组200b、 200b可为燃料电池组200、 200，、 200"、 200"，、 300或400。本实施例中，以燃料电池组200a、 200b均为图7 所示的燃料电池组200，为例，以燃料电池组200b而言，当导风装置5启动 运转时，其所产生的进气气流AI2、 AI5、 AI6分别由进气口区43b及进气口 区45a、 45b导入至壳体4b的容置空间40中。进气气流AI2、 AI5、 AI6通 过各个膜电极组件61a、 61b的阴极表面63并产生对称的流场，最后由壳体 4b的出气口区42导出形成导出气流AO。而另 一相邻的燃料电池组200a的 气流流场亦相同。由以上的实施例可知，本发明所提供的燃料电池系统确具产业上的利用 价值，故本发明业已符合于专利的要件。惟以上的叙述仅为本发明的优选实 施例说明，凡本领域的技术人员当可依据上述的说明而作其它种种的改良， 惟这些改变仍属于本发明的发明精神及以下所界定的权利要求范围中。
权利要求
1. 一种燃料电池系统，包括至少一燃料电池组，该燃料电池组包括壳体，其内部形成容置空间，该壳体具有第一板、相对于该第一板的第二板、连接于该第一板与该第二板之间的两个相对的第一侧板及第二侧板、至少两个进气口区及至少一出气口区，该出气口区设置于该第一板；至少一燃料电池模块，设置在该容置空间中，该燃料电池模块包括有多个膜电极组件，各个膜电极组件沿第一侧板至该第二侧板间隔排列在该壳体的容置空间的一平面上，且各个膜电极组件的阴极表面暴露于该壳体的容置空间，每一膜电极组件对应这些进气口区之一；导风装置，设置在该壳体上并用以产生气流，该气流由该壳体的这些进气口区导入至该壳体的容置空间后，通过该燃料电池模块的各个膜电极组件的阴极表面，再经由该壳体的该出气口区导出。
2. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该燃料电池模块的数量为多个， 且该壳体还包括连接于该第 一板与该第二板之间的另两个相对的第三侧板 及第四侧板，这些燃料电池模块沿该第三侧板至该第四侧板间隔排列在该壳 体的容置空间。
3. 如权利要求2的燃料电池系统，其中该沿第三侧板至该第四侧板的方 向定义为第二方向，该导风装置具有转轴，该转轴的方向垂直于该第二方向。
4. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该导风装置设置于该壳体的该出 气口区，该导风装置为轴流风扇。
5. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该沿第一侧板至该第二侧板的方 向定义为第一方向，该导风装置具有转轴，该转轴的方向垂直于该第一方向。
6. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该进气口区开设在该壳体的第一 侧板、第二侧板及第二板中的至少其中之一。
7. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该燃料电池模块还包括框体，用 以定位这些力莫电才及组件。
8. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该燃料电池模块包括多个燃料电 池单体，每一个燃料电池单体具有这些膜电极组件之一，这些燃料电池单体 相间隔排列该壳体的容置空间中。
9. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该燃料电池组的数量为多个，这些燃料电池组相邻结合，且在该相邻的燃料电池组之间具有 一 隔板。
10. 如权利要求1的燃料电池系统，其中该导风装置设置在该壳体的 第一板上且具有转轴，该转轴中心位于该第一板的几何中心位置处。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池系统，其包括至少一燃料电池组，燃料电池组包括壳体、燃料电池膜组及导风装置，壳体具有容置空间、出气口区及至少两个进气口区，出气口区设置于壳体的第一板，燃料电池模块设置于容置空间中并包括有多个膜电极组件，各个膜电极组件沿壳体的第一侧板至第二侧板间隔排列在壳体的容置空间的一平面上，每一膜电极组件对应一进气口区，而导风装置设置在壳体上并用以产生气流，气流由壳体的进气口区导入至壳体的容置空间后，通过燃料电池模块的各个膜电极组件的阴极表面，再经由壳体的出气口区导出。
文档编号H01M8/10GK101281978SQ20071009204
公开日2008年10月8日 申请日期2007年4月4日 优先权日2007年4月4日
发明者李璟柏, 正 王, 许年辉, 黄金树 申请人:中强光电股份有限公司