专利名称：燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种通过燃料与氧化气体之间的电化学反应产生电能的燃 料电池堆，更具体而言，涉及一种在发生电化学反应的发电单元中具有改善 的沟道结构的燃料电池堆。
背景技术：
燃料电池为通过燃料的氧化反应与氧化气体的还原反应产生电能的设 备。根据所用燃料的类型，燃料电池可分为聚合物电解质薄膜燃料电池或者 直接氧化燃料电池。
聚合物电解质薄膜燃料电池在改性的液体或气体燃料与氧化气体之间 的反应中产生电能。聚合物电解质薄膜燃料电池典型地呈现优良的输出性 能、低的工作温度，以及快速启动和响应特性。因此，聚合物电解质薄膜燃 料电池广泛地用作车辆的移动电源、楼宇的分布式电源，以及电设备的小型 电源。
发明内容
一些方面提供一种燃料电池堆，在该堆的中心区域包括紧固件，其减小 燃料电池堆的尺寸。 一些方面提供一种燃料电池堆，其中当多个紧固件设置 在该堆的内部中心区域时，形成在隔板的一个表面上的沟道可被有效地设计。
根据一个方面， 一种燃料电池堆包括多个发电单元和紧固件。在一些实 施例中，所述多个发电单元被配置为使燃料与氧化气体电化学反应以产生电 能。在一些实施例中，所述紧固件组合所述多个发电单元。在一些实施例中，
所述发电单元包括膜电极组件(ME A )和设置在膜电极组件的每 一 侧并在面向膜电极组件的表面上具有沟道的隔板。在一些实施例中，在隔板的表面上，
所述沟道被分为大于2的2的倍数个分岔或子沟道，并且该分盆或子沟道具
有相同的流体通道长度。在一些实施例中，贯穿燃料电池堆的累积表面的多
个紧固孔形成在隔板上，且所述沟道相对于所述多个紧固孔被分为2的倍数 个分岔或子沟道。在一些实施例中，隔板形成为长方形形状，并包括用于 接收包括燃料或氧化气体的反应气体的反应气体入口 ，和用于通过沟道输出 反应气体的反应气体出口 ，并且所述反应气体入口和所述反应气体出口位于 长方形形状隔板的对角。
在一些实施例中，沟道可被分为提供有反应气体入口的入口部分、提供 有紧固孔的分盆部分，以及提供有反应气体出口的出口部分。在一些实施例 中，子沟道在分岔部分中关于穿过第一侧边的中心的第一轴线彼此对称，并 且子沟道在入口部分和出口部分中关于第一轴线彼此不对称。在一些实施例 中，子沟道在入口部分和出口部分中关于与第 一轴线交叉的第二轴线彼此不 对称。在一些实施例中，包括大于2的2的倍数个分岔的子沟道被阻挡肋所 分隔。在一些实施例中，多个紧固孔位于穿过长方形形状隔板的第一侧边的 中心的第一轴线上。在一些实施例中，多个紧固孔基于穿过与长方形形状隔 板上的第 一侧边交叉的第二侧边的中心的第二轴线彼此不对称。
按照另一方面， 一种燃料电池堆，包括多个发电单元和紧固所述多个发 电单元的紧固件的堆。在一些实施例中，所述多个发电单元中的至少一个包 括膜电极组件，其包括设置在其第一面上的阴极和设置在其第二面上的阳 极。在一些实施例中， 一般为长方形的隔板设置在所述膜电极组件的第一面 和第二面中的每一个上。在一些实施例中，所述隔板包括反应气体入口、反 应气体出口 、设置在与膜电极组件邻近的面上并与反应气体入口和反应气体 出口流体连接的沟道。在一些实施例中，所述反应气体入口和反应气体出口 设置在隔板的对角上。在一些实施例中，所述沟道被分为2n个子沟道，其 中n>2，其具有大致相同的流体通道长度。在一些实施例中，至少一个紧 固孔设置在隔板的内部，紧固件通过紧固孔延伸以将堆紧固在一起。在一些实施例中，子沟道的数目为紧固孔的数目的2的倍数。隔板的一些实施例包 括平分隔板的较长侧边的第一轴线，以及平分隔板的较短侧边的第二轴线。 在一些实施例中，至少一个紧固孔设置在第二轴线上。在一些实施例中，沟 道包括与所述反应气体入口邻近的入口部分、与所述至少一个紧固孔邻近的 分岔部分、以及与所述反应气体出口邻近的出口部分。在一些实施例中，所 述子沟道在所述分岔部分中关于第一轴线彼此对称。在一些实施例中，在入 口部分中的子沟道与在出口部分中的子沟道关于第一轴线不对称。在一些实 施例中，子沟道关于第二轴线不对称。
按照又一方面， 一种燃料电池堆，包括多个发电单元，其配置为使燃
料与氧化气体电化学反应以产生电能；以及紧固所述多个发电单元的紧固
件，其中每个发电单元包括膜电极组件以及设置在膜电极组件的每一侧的隔 板，而且每一个隔板包括在面向膜电极组件的表面上的沟道，并且至少一个
沟道被分为大于2的2的倍数个子沟道，所述子沟道具有大致相同的流体通
道长度。
在一些实施例中，所述隔板包括多个紧固孔，紧固件通过每一个紧固孔 贯穿燃料电池堆的累积表面，并且子沟道的数目为紧固孔的数目的2的倍 数。在一些实施例中，所述隔板大致为长方形。所述隔板包括配置为接收反 应气体的反应气体入口，其中反应气体包括燃料或氧化气体，隔板包括配置 为从沟道排放反应气体的反应气体出口 ，并且反应气体入口和反应气体出口 设置在长方形隔板的对角。
在一些实施例中，反应气体包括燃料，反应气体入口为燃料入口，而反 应气体出口为燃料出口。在一些实施例中，反应气体包括氧化气体，反应气 体入口为氧化气体入口，反应气体出口为氧化气体出口，并且氧化气体入口
和氧化气体出口位于长方形隔板的其余角上。
在一些实施例中，所述沟道包括与所述反应气体入口邻近并流体连接的 入口部分、与所述紧固孔邻近的分盆部分、以及与所述反应气体出口邻近并侧边的中心的第 一轴线彼此对称，并且所述子沟道在入口部分和出口部分关 于第一轴线彼此不对称。在一些实施例中，所述子沟道在入口部分和出口部 分关于与第一轴线交叉的第二轴线彼此不对称。
一些实施例进一步包括设置在子沟道之间的阻挡肋。在一些实施例中， 多个紧固孔设置在穿过长方形隔板的第一侧边的中心的第一轴线上。在一些 实施例中，多个紧固孔关于穿过长方形隔板的第二侧边的中心的第二轴线彼 此不对称。
通过结合附图对优选实施例的以下描述，这些和/或其它方面和优点将
变得明显并更易于理解，其中
图1为根据第一示例性实施例的燃料电池堆的分解透视图； 图2为图1所示隔^1的俯一见平面图3为图2所示隔板的俯视平面图，其中示出沟道的各个区域； 图4为根据第二示例性实施例的隔板的俯;现平面图； 图5为图4所示隔板的俯视平面图，其中示出沟道的各个区域； 图6为燃冲牛电池堆实施例中隔^反的俯浮见平面图。
具体实施例方式
在以下详细描述中，简单地通过图解显示和描述仅仅某些示例性的实施 例。本领域技术人员可以理解，所描述的实施例可以各种不同的形式进行修 改，而不会背离其精神或范围。
直接氧化燃料电池通过燃料与氧化气体之间的反应产生电能。燃料电池 包括发电单元，该发电单元包括用于产生电能的单元电池。发电单元包括膜 电极组件、分别设置在膜电极组件的每一侧的一对隔板、以及设置在膜电极 组件边缘为所述一对隔板之间的空间提供空气密封的垫圈。另外，几个到几 十个发电单元相继排列以形成堆。在燃料电池堆中的隔板的实施例具有如图6所示的结构。图6所示的隔
板240包括具有较长侧边和较短侧边的长方形形状，并包括在接触膜电极组 件的表面上的沟道241 。形成在隔板240上的沟道241和242为燃料或包括 氧化气体的反应气体流的通道。反应气体通过第一反应气体入口 243进入沟 道241和242,在流过沟道241和242时进行电化学反应，并通过第一反应 气体出口 244排出。另外，在燃料电池堆中，多个发电单元通过紧固件固定 在一起。因此，图6所示的隔板240包括在长方形隔板240的中心区域的紧 固孔247，以便紧固件贯穿隔板240。沟道241和242关于平分紧固孔247 的水平轴线相分岔和对称。
但是，通过从燃料电池堆中消除不必要的部分，可能减小燃料电池堆的 尺寸。因此，在近来开发的隔板中，反应气体入口和反应气体出口设置在长 方形隔板的对角，从而制造以如图6所示的关于水平轴线和垂直轴线对称的 沟道241和242会4艮困难。
另外，在图6所示的隔板240中，随着长方形的纵横比的增大，多个紧 固孔247通常沿水平轴线被添加以提高紧固力。当提供有多个紧固孔247时， 流体连接第 一反应气体入口 243与第 一反应气体出口 244的沟道241和242 可为相对于水平轴线的对称分岔。然而，当提供有多个紧固孔247时，连接 第二反应气体入口 245与第二反应气体出口 246的沟道(未示出)可能不是 相对于垂直轴线分岔。如上所述，当多个紧固孔247提供在图6所示的隔板 240中时，难以-提供相对于水平轴线和垂直轴线对称的沟道，因此沟道的流 体通道长度可能会不期望地彼此不同。
图1为根据第一示例性实施例的燃料电池堆IOO的分解透视图。如图1 所示，根据第一示例性实施例的燃料电池堆100包括发电单元110,发电单 元IIO被配置为接收燃料和氧化气体，并通过燃料的氧化反应和氧化气体的 还原反应产生电能。通常，诸如曱醇和/或乙醇的酒精燃料被用作燃料，空 气用作氧化气体。发电单元IIO为用于产生电能的最小单元，其也被称为单 元电池。燃料电池堆100包括一组相继排列的发电单元110，并进一步包括设置在该组发电单元110的每一端的端板150。
发电单元110包括膜电极组件130和分别设置在膜电极组件130每一侧 的隔板120和140。膜电极组件130包括分别设置在薄膜的每一侧的阴极和 阳极。所述阳极氧化燃料，以使该燃料分离为电子和质子。薄膜将质子引导 到阴极，且阴极用氧化气体还原质子。因此，膜电极组件130可通过燃料的 氧化反应与氧化气体的还原反应产生电能。
隔板120和140形成为板形。作为阴极分隔板的第一隔板120包括在面 向膜电极组件130的阴极的表面上的沟道。作为阳极分隔板的第二隔板140 包括在面向膜电极组件130的阳极的表面上的沟道。
端+反150包括反应气体入口 153和155以及反应气体出口 154和156， 其被配置为将包括燃料或氧化气体的反应气体供应到发电单元110。也就是， 燃料通过形成在端板150上的燃料入口 153输入第二隔板140的沟道，进行 电化学反应，并通过形成在端板150上的燃料出口 154^f皮输出。氧化气体通 过形成在端板150上的氧化气体入口 155输入第一隔板120的沟道，进行电 化学反应，并通过形成在端板150上的氧化气体出口 156#1输出。
燃料电池堆IOO进一步包括用于将发电单元110与端板150组合和紧固 在一起的紧固件160。在所图示实施例中，紧固件160包括螺栓和用于将该 螺栓固定的螺母。紧固件160包括设置在一组发电单元110和端板150的边 缘区域的第一紧固件165和166,以及贯穿该组发电单元110和端板150的 中心区域的第二紧固件167。如上所述，由于燃料电池堆IOO具有紧固力由 紧固件160施加至中心区域的中心紧固结构，所以在内部中心区域的发电单 元IIO之间的力是足够的，并且可有效地进行电化学反应。
现在将描述第一隔板120和第二隔板140的形状。然而，第一隔板120 和第二隔板140的形状在所图示实施例中是相同的，因此将详细描述使用燃 料作为反应气体的第二隔板140的形状。
图2为图1所示隔板140的俯视平面图。如图1和图2所示，第二隔板 140包括具有较长侧边和较短侧边的长方形板。第二隔板140包括在面向膜电极组件130的表面上的沟道142。沟道142的数目为大于2的2的倍数， 这些沟道由阻挡肋141分隔。图2所示的实施例包括四个沟道142。沟道142 的每一个分盆具有大致相同的流体通道长度。
燃料电池堆100具有中心紧固结构，其中紧固孔147贯穿第二隔板140 表面的中心区域。即使当紧固孔147位于第二隔板140的中心区域时，根据 第 一 示例性实施例的沟道142也可以包括2的倍数个依据紧固孔147的分岔 或子沟道。因此，沟道142最小化或减小由紧固孔147导致的反应区域的损 失，并可提高沟道设计自由度。
以及燃料离开沟道142所通过的作为歧管的燃料出口 144。燃料入口 143和 燃料出口 144分别位于第二隔板140的四个角中的对角上。另外，第二隔板 140包括氧化气体进入第一隔板120的沟道所通过的作为歧管的氧化气体入 口 145,以及氧化气体离开第一隔板120的沟道所通过的作为歧管的氧化气 体出口 146。氧化气体入口 145和氧化气体出口 146分别位于第二隔板140 的其余对角上。
图3为图2所示隔板140的俯视平面图，其中示出沟道142的各个区域。 现在将描述如图1至图3所示的第二隔板140上的沟道142的设置。也就是， 沟道142可划分为设置有燃料入口 143的入口部分181、设置有紧固孔147 的分岔部分182、以及设置有燃料出口 144的出口部分183。沟道142包括 大于2的2的倍数个分岔或子沟道，且四个沟道C1、 C2、 C3和C4示例于 图3中。从而，沟道142在入口部分181中划分为两组沟道Cl和C2以及 C3和C4，其保持在基于紧固孔147的分岔部分182中，并在出口部分183 中集中在一起或者重新接合。
在该情况下，第二隔板140可具有第一轴线(例如，图3中的垂直轴 线)，其穿过对应于长方形形状的较长侧边的第一侧边；以及第二轴线(例 如，图3中的水平轴线)，其穿过对应于长方形形状的较短侧边的第二侧边 的中心。在所图示的实施例中，相应的两组沟道C1和C2以及C3和C4在分盆部分182中关于第一轴线;波此对称。然而，在入口部分181和出口部分 183中，由于沟道^皮分岔或被集中在一起，所以对应的两组沟道Cl和C2以 及C3和C4关于第一轴线彼此不对称。进一步地，在入口部分181和出口 部分183中，对应的两组沟道Cl和C2以及C3和C4关于第二轴线彼此不对称。
图4为根据第二示例性实施例的隔板170的俯视平面图。如图4所示， 根据第二示例性实施例的第二隔板170包括多个紧固孔178和179。也就是， 即使当中心紧固结构应用在根据第二示例性实施例的燃料电池堆中时，多个 紧固件也可用于增大紧固力。因此，多个紧固孔178和179提供在第二隔板 170中，以与多个紧固件相对应。
采用与图2所示的第二隔板140相似的方式，第二隔4反170包括在面向 膜电极组件的表面上的沟道172。沟道172#1阻挡肋171分为大于2的2的 倍数个分岔或子沟道。在图4所示的实施例中，沟道172包括四个如图2所 示的实施例中的子沟道。沟道172包括2的倍数个分岔或子沟道，且所划分 的子沟道具有大致相同的长度。沟道172相对于紧固孔178和179的数目被 分为2的倍数个分岔。也就是，如图4所示，当紧固孔178和179的数目为 2时，沟道的lt目为4。
因此，即使当第二隔板170包括多个紧固孔178和179,沟道也可配置 为具有基本相同的长度，同时减小或最小化由多个紧固孔178和179所导致 的反应区域的损失。
图5为图4所示隔板170的俯视平面图，其中示出沟道172的各个区域。 如图1、图4和图5所示，沟道172可划分为设置有燃料入口 173的入口部 分181、设置有紧固孔178和179的分岔部分182、以及设置有燃料出口 174 的出口部分183。从而，沟道172在入口部分181中划分为对应的两组沟道 Cl和C2以及C3和C4，且对应的两组沟道Cl和C2以及C3和C4在分岔 部分182中自身划分为围绕紧固孔178和179的两组，并且其在出口部分 183中重新接合或集中在一起。对应的两组沟道C1和C2以及C3和C4在分盆部分182中关于第一轴 线(例如，图5中的垂直轴线)彼此对称。在该情况下，在分岔部分182中， 多个紧固孔178和179设置在第二轴线(例如，图5所示的水平轴线)上， 并且关于第一轴线-波此对称。然而，在入口部分181和出口部分183中，由 于沟道被分盆或集中在一起，所以对应的两组沟道Cl和C2以及C3和C4 关于第一轴线;波此不对称。进一步地，在入口部分181和出口部分183中， 对应的两组沟道Cl和C2以及C3和C4关于第二轴线彼此不对称。
未在图4和图5中描述的附图标记与图2和图3中所示的第二隔板140 的对应元件相对应并具有相同的功能，因此省略其描述。
如上所述，在#4居示例性实施例的燃料电池堆中，由于形成在隔板上的 子沟道被划分为具有相同的长度，所以在堆的中心区域提供有多个紧固件的 中心紧固结构中，提高了沟道设计自由度。
另夕卜，即使当在根据示例性实施例的燃料电池堆中沟道被划分为具有相 同的长度时，燃料电池堆的尺寸也可被减小。
尽管结合目前被认为是实用的示例性实施例描述了特定实施例，然而应 当理解，本公开并不限于这些实施例，而且相反，本公开意欲覆盖包含在所
附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同设置。
权利要求
1. 一种燃料电池堆，包括多个发电单元，其被配置为使燃料与氧化气体进行电化学反应以产生电能；其中，所述多个发电单元中的至少一个包括膜电极组件和设置在该膜电极组件每一侧的隔板，每个隔板包括在面向所述膜电极组件的表面上的沟道，以及至少一个沟道被分成大于2的2的倍数个子沟道，并且所述子沟道具有相同的流体通道长度。
2. 如权利要求1所述的燃料电池堆，进一步包括 紧固所述多个放电单元的紧固件。
3. 如权利要求2所述的燃料电池堆，其中所述隔板包括多个紧固孔， 所述紧固件通过所述紧固孔贯穿所述燃料电池堆的累积表面，并且所述子沟 道的数目为所述紧固孔的数目的2的倍数。
4. 如权利要求3所述的燃料电池堆，其中所述隔板为长方形。
5. 如权利要求4所述的燃料电池堆，其中所述隔板包括被配置为接收 反应气体的反应气体入口 。
6. 如权利要求5所述的燃料电池堆，其中所述反应气体包括所述燃料 或所述氧化气体。
7. 如权利要求6所述的燃料电池堆，其中所述隔板包括被配置为从所 述沟道排放所述反应气体的反应气体出口 。
8. 如权利要求7所述的燃料电池堆，其中所述反应气体入口和所述反 应气体出口设置在所述长方形隔板的对角处。
9. 如权利要求8所述的燃料电池堆，其中所述反应气体包括所述燃料， 所述反应气体入口为燃料入口 ，且所述反应气体出口为燃料出口。
10. 如权利要求9所述的燃料电池堆，其中所述反应气体包括所述氧化气体。
11. 如权利要求10所述的燃料电池堆，其中所述反应气体入口为氧化 气体入口，所述反应气体出口为氧化气体出口。
12. 如权利要求11所述的燃料电池堆，其中所述氧化气体入口和所述 氧化气体出口位于所述长方形隔板的其余对角处。
13. 如权利要求8所述的燃料电池堆，其中所述沟道包括与所述反应气 体入口邻近并流体连接的入口部分、与所述紧固孔邻近的分岔部分、以及与 所述反应气体出口邻近并流体连接的出口部分，所述子沟道在所述分岔部分 中关于通过所述隔板的第 一侧边的中心的第 一轴线彼此对称。
14. 如权利要求13所述的燃料电池堆，其中所述子沟道在所述入口部 分和所述出口部分中关于所述第一轴线彼此不对称。
15. 如权利要求14所述的燃料电池堆，其中所述子沟道在所述入口部 分和所述出口部分中关于与所述第一轴线交叉的第二轴线彼此不对称。
16. 如权利要求8所述的燃料电池堆，进一步包括设置在所述子沟道之 间的阻挡肋。
17. 如权利要求3所述的燃料电池堆，其中所述多个紧固孔设置在通过 所述长方形隔板的第 一 侧边的中心的第 一 轴线上。
18. 如权利要求3所述的燃料电池堆，其中所述多个紧固孔关于通过所 述长方形隔板的第二侧边的中心的第二轴线彼此不对称。
全文摘要
公开一种用于通过燃料与氧化气体的电化学反应产生电能的燃料电池堆，其包括多个发电单元和紧固件。所述多个发电单元被配置为使所述燃料与所述氧化气体之间电化学反应以产生电能，并且所述紧固件将所述多个发电单元组合为堆。每个发电单元包括膜电极组件(MEA)以及设置在所述膜电极组件的每一侧的隔板。每个隔板包括在面向所述膜电极组件的表面上的沟道。所述沟道在所述隔板的表面上被分成大于2的2的倍数个子沟道，并且所述子沟道具有大致相同的流体通道长度。
文档编号H01M8/24GK101436675SQ20081017424
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月14日 优先权日2007年11月14日
发明者徐晙源 申请人:三星Sdi株式会社