专利名称：具有改进的冷却结构的燃料电池堆体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体而言，涉及一种具有改进的冷却结构的堆体以及包括该堆体的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是一种通过氢氧之间的电化学反应将化学反应能直接转变为电能的发电系统。氢通常包含在比如甲醇、乙醇或天然气的碳氢材料中，氧可以来自空气或氧箱(oxygen tank)。
燃料电池在不燃烧的情形下通过燃料和氧化剂之间的电化学反应产生电能，同时还产生作为副产品的热。
最近开发的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有优异的输出特性、低的工作温度以及快速的启动和响应特性。PEMFC包括作为燃料电池主体的堆体、燃料箱、以及将燃料从燃料箱供应到堆体的燃料泵。PEMFC还可以包括重整器，其用于将燃料重整来产生氢以及将氢供应到堆体。
在PEMFC中，存储在燃料箱中的燃料通过燃料泵供应到重整器。重整器重整燃料并产生氢。堆体通过氢和氧之间的电化学反应产生电能。
在燃料电池系统中，产生电能的堆体是由几个到几十个单元电池构成的，每个单元电池都具有膜电极组件(MEA)和隔板。在本领域中，隔板也称为双极板。单元电池是堆体的发电体(electricity generator)。
MEA具有附着到电解质膜的表面的阳极和阴极。隔板充当通道，通过该通道电化学反应所需的氢和氧被供应至MEA的阳极和阴极。此外，隔板充当串联耦合相邻MEA的阳极和阴极的导体。
通过隔板，含氢燃料被供应至阳极，并且氧或含氧的空气被供应至阴极。在阳极发生燃料气体的电化学氧化，在阴极发生氧的电化学还原，这样产生了电子流。从该电子流产生电、热和水。
燃料电池系统中的堆体必须维持在适当的工作温度，以确保电解质膜的稳定性并防止电解质膜的性能恶化。为此，堆体具有冷却通道(coolingchannel)。流过冷却通道的诸如水或空气的低温冷却剂可以冷却变热的堆体。
在传统燃料电池系统中，冷却剂或冷却通道与MEA之间的接触面积有限。所以，从MEA传递到冷却剂的热有限，堆体的冷却效率较低。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池堆体，其通过冷却通道改进的结构提高了冷却效率。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池堆体，其包括至少一个用于通过氢氧之间的电化学反应产生电能的发电体，以及用于容纳冷却发电体的冷却剂的冷却通道，其中冷却通道包括多个主通道；以及从至少一个主通道分出并将主通道耦合在一起的分支通道。
在一个实施例中，主通道可以彼此平行，分支通道可以垂直于主通道。
在另一个实施例中，发电体可以包括MEA，以及位于MEA两侧的隔板，并且冷却通道可以形成在隔板中。
由主通道和分支通道界定的突起可以具有矩形或三角形形状，或者可以是比如菱形的平行四边形的形状，或者可以是这些形状的组合。
在其它实施例中，堆体可以包括多个发电体，其中冷却通道是通过组合相对的隔板而形成的。MEA可以附着在形成了冷却通道的被组合的相对隔板的一侧上。堆体可以包括多个发电体，其中冷却通道形成在位于发电体之间的冷却板中。
由主通道和分支通道界定的立柱可以具有矩形、平行四边形、三角形，或者是这些形状的组合的形状。
在又一实施例中，给出了一种在燃料电池系统中使用的堆体，所述堆体包括膜电极组件；在相邻的膜电极组件之间成对相对设置的隔板；主通道，其在成对的相对隔板之间沿第一方向形成；分支通道，其在成对的相对隔板之间沿与第一方向相交的第二方向形成，并且将主通道连接在一起；入口，其形成在每一对相对的隔板中并连接到在成对的相对隔板之间形成的主通道；出口，其形成在每一对相对的隔板中并连接到在成对的相对隔板之间形成的主通道；其中，每一对相对的隔板的主通道和分支通道用于接收冷却流体，该冷却流体经入口注入并流出出口。主通道和分支通道相交形成通道网格，在其间具有实心的突起，并且该突起的形状选自矩形、三角形、平行四边形、圆形或其组合构成的组。
一个实施例给出了在燃料电池系统中使用的堆体，该堆体包括单元电池，每个单元电池具有位于两个隔板之间的膜电极组件，这两个隔板在两侧与膜电极组件接触；冷却板，位于相邻单元电池之间；主通道，在冷却板中沿第一方向形成；分支通道，在冷却板中沿与第一方向相交的第二方向形成并将主通道连接在一起；入口，形成在一个冷却板中并连接到形成在该冷却板中的主通道；出口，形成在每个冷却板中并连接到形成在该冷却板中的主通道；其中，每个冷却板的主通道和分支通道用于接收冷却流体，该冷却流体经入口注入并流出出口。主通道和分支通道相交形成通道网格，在其间具有实心的立柱，并且该立柱的形状选自矩形、三角形、平行四边形、圆形或其组合构成的组。
在本发明的各种实施例中，网格状的冷却通道形成在燃料电池堆体的隔板或冷却板中，从而增大了冷却剂与隔板或冷却板之间的接触面积。这些冷却通道改善了冷却剂的热传输效率和堆体的冷却效率。
图1是根据本发明一实施例的燃料电池系统的框图；图2是根据本发明第一实施例的堆体的分解透视图；图3示出了本发明第一实施例的第一改进实例；图4示出了本发明第一实施例的第二改进实例；图5是根据本发明第二实施例的堆体的分解透视图；图6是根据本发明第二实施例的冷却板的平面视图；图7示出了本发明第二实施例的第一改进实例；图8示出了本发明第二实施例的第二改进实例。
具体实施例方式
图1是示出根据本发明一实施例的燃料电池系统100的框图。燃料电池系统100可以应用PEMFC，产生氢并且通过所产生的氢与氧之间的电化学反应来产生电能。
用于燃料电池系统100的燃料可以包括液态或气态的含氢燃料，比如甲醇、乙醇或天然气。为方便说明，在下面的描述中所使用的燃料是液态燃料。对于与氢反应所用的氧化剂，燃料电池系统100可以利用含氧的空气或存储在附加存储装置中的纯氧。在下面的描述中，使用空气作为氧化剂。
图1的燃料电池系统100包括重整器18，其用于重整含氢燃料来产生氢；堆体16，其通过氢和氧的电化学反应产生电能；燃料供应单元10，其将燃料供应到重整器18；以及空气供应单元12，其将空气供应到堆体16。
本发明的燃料电池系统100还可以应用直接氧化燃料电池配置，以通过将含氢液态燃料直接供应至堆体16来产生电能。与PEMFC不同，直接氧化燃料电池不包括重整器18。尽管本发明可以包括直接氧化配置和PEMFC配置，但是下面所述的燃料电池系统100使用的是PEMFC配置。
堆体16耦合至重整器18和氧供应单元12。堆体16接收来自重整器18的被重整的气体和来自氧供应单元12的空气，并且通过氢与空气中所含的氧之间的电化学反应来产生电能。
燃料供应单元10包括存储燃料的燃料箱22以及耦合到燃料箱22的燃料泵24，燃料泵24将存储在燃料箱中的燃料排出到重整器18。氧供应单元12包括吸取空气并将空气供应到堆体16的空气泵26。
重整器18通过使用热能的化学催化反应从燃料产生重整气体，并降低包含在重整气体中的一氧化碳的浓度。重整器18用来从燃料产生重整气体的催化反应可以是蒸汽重整反应、部分氧化反应或自热反应(auto-thermalreaction)。重整器1 8通过水煤气转换(WGS)反应、优先氧化(PROX)反应或使用分离膜的氢的提纯反应(purification reaction)来降低包含在重整气体中的一氧化碳的浓度。
图2是根据本发明第一实施例的堆体16的分解透视图。燃料电池系统100中的堆体16包括作为产生电能的最小单元的发电体30。在每个发电体30中，隔板34、34’设置为与MEA 32的两个表面紧密接触。堆体16通过依次堆叠多个发电体30来构建。
阳极位于MEA 32的一侧，阴极位于MEA 32的另一侧。MEA 32在阳极和阴极之间具有电解质膜。
阳极通过隔板34接收重整气体。阳极是由催化剂层和气体扩散层构建的，催化剂层用于将重整气体分解为电子和氢离子，而气体扩散层则用于促进电子和重整气体的移动。
阴极通过隔板34’接收空气。阴极是用催化剂层构建的，该催化剂层用于在电子、氢离子和空气中所含的氧之间产生反应以产生水。阴极还包括气体扩散层，其用于促进氧的移动。
电解质膜是由厚度为50μm到200μm的固态聚合物电解质制成的。该电解质膜具有离子交换功能，以将阳极的催化剂层所产生的氢离子移动到阴极的催化剂层。
靠近MEA 32两侧设置的隔板34、34’将重整气体和空气供应到MEA 32、阳极和阴极。此外，隔板34、34’充当串联耦合堆体16中的多个MEA 32的阳极和阴极的导体。
在燃料电池系统100的工作期间，在发电体30中所发生的还原反应产生热能。因为热能使MEA 32变干，所以使堆体16的性能劣化。因此，本发明的燃料电池系统100包括冷却结构，以在堆体16内循环冷却剂以冷却变热的发电体30。
燃料电池系统100包括冷却剂供应单元14(图1)，以将冷却剂供应到堆体16内部。堆体16包括在发电体30中的冷却通道36，以允许自冷却剂供应单元14供应的冷却剂流经发电体30。
冷却剂供应单元14包括冷却剂泵28，以汲取并将冷却剂供应至堆体16。冷却剂泵28耦合至堆体16中的冷却通道36，以将冷却剂供应至发电体30。在本发明中，冷却剂可以是冷却水或冷却气体。但是，因为空气易于获得且空气的温度通常低于工作时堆体16的内部温度，所以下面的描述假定空气作为冷却剂。
在所示出的实施例中，具有冷却剂泵28的冷却剂供应单元14用于将冷却剂供应至堆体16。可选择地，通过自然对流且无需任何冷却剂供应单元14来将冷却空气供应至冷却通道36。
每个冷却通道36是一通路，用于使从冷却剂供应单元14供应的冷却剂流到发电体30以冷却变热的发电体30。冷却通道36可以具有各种形状，并且可以位于堆体16中的各个位置。在图2所示的堆体16中，冷却通道36形成在隔板34、34’中。
通过将位于隔板34表面上的一个通道36a与位于相对的隔板34’表面上的另一个通道36b组合来形成冷却通道36。MEA 32附着在形成冷却通道36的组合隔板34、34’的一侧，使得包括活性区域(active regions)32a和非活性区域(inactive regions)32b的MEA 32的整个表面得以冷却。
根据第一实施例，冷却通道36包括多个主通道37和至少一个分支通道39。如图2所示，主通道37沿着隔板34、34’的竖直方向延伸(图中的Y方向)。分支通道39从至少一个主通道37分出，并将主通道37耦合在一起。
主通道37彼此平行设置，并且可以沿着隔板34的竖直方向延伸。在主通道37之间的间隔可以变化。从冷却剂供应单元14供应的冷却剂被注入到主通道37的一端中，然后从主通道的另一端排出。
分支通道39沿着垂直于主通道37的方向延伸。每个分支通道39的两端都耦合至主通道37。于是，第一实施例的冷却通道36呈网格状，主通道37和分支通道39相交叉构成了网格。此外，由主通道37和分支通道39限定的突起40呈矩形。
虽然在图2所示的实施例中，主通道37沿着竖直(Y)方向彼此平行延伸，分支通道39沿着水平(X)方向彼此平行延伸，但是本发明的冷却通道36并不限于此。可选择地，主通道37可以沿着水平(X)方向延伸，分支通道39可以沿着竖直(Y)方向延伸。在第一实施例中，主通道37和分支通道39只需要相互垂直以形成网格。而且，在矩形堆体中，主通道37和分支通道39沿着矩形MEA 32的边延伸。另外，主通道37和分支通道39的路径是可互换的。
在堆体16的工作期间，在发电体30中作为电化学反应副产品所产生的热能传递到隔板34、34’，加热了隔板34、34’。从冷却剂供应单元14供应的冷却剂流经冷却通道36，使得已变热的隔板34、34’被冷却剂冷却。冷却剂在网格状冷却通道36中从主通道37分散到分支通道39中。于是，冷却剂和隔板34、34’之间的接触面积增加，并且冷却剂和隔板34、34’之间的热交换速率得以改善。
图3和图4示出了本发明第一实施例的第一和第二改进实例。在图3所示的第一改进实例中，由主通道41和分支通道43界定的突起35具有平行四边形形状。在图4所示的第二改进实例中，由主通道41和分支通道43界定的突起42具有三角形形状。
在第一实施例的第一和第二改进实例中，冷却通道36通过主通道41和分支通道43形成，但是由主通道和分支通道界定的突起35、42却不限于所示出的形状。该突起可以具有各种形状。
图5示出了根据本发明第二实施例的堆体16’的分解透视图。根据第二实施例的堆体16’包括位于相邻发电体30’之间的附加冷却板38。在冷却板38中形成冷却通道36’。位于相邻发电体30’的隔板31、31’之间的冷却板38起到热释放板的功能，用于释放在发电体30’的工作期间从隔板31、31’传送的热能。冷却板38还提高了冷却MEA 32的冷却效率。冷却板38可以由诸如铝、铜或铁的导热材料制成。
冷却通道36’由多个位于冷却板38内的通道构建而成。冷却通道36’可以沿着冷却板38的一个方向延伸(在图中是X方向)。
图6是根据本发明第二实施例的冷却板38的平面视图。第二实施例的冷却通道36’也是由位于冷却板38中的主通道45和分支通道47组合来形成的。因为冷却通道36’的构成和操作类似于第一实施例的冷却通道36，因此对它们的详细说明就此省略了。
图7是本发明第二实施例的第一改进实例，而图8是第二改进实例。在第二实施例的第一和第二改进实例中，由主通道45和分支通道47界定的立柱49可以是矩形或平行四边形的(图7)，或者是三角形的(图8)。本发明的立柱也可以是圆形的，或具有其它各种形状。
本发明不限于所述的示例性实施例和改进实例。相反，本发明包括各种形式和改进，并且它们不背离本发明的详细说明、附图和所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种燃料电池堆体，该堆体具有至少一个用于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能的发电体以及用于容纳冷却所述发电体的冷却剂的冷却通道，所述冷却通道包括多个主通道；以及从至少一个所述主通道分出并将所述主通道耦合在一起的至少一个分支通道。
2.根据权利要求1的燃料电池堆体，其中，所述主通道彼此平行设置，所述至少一个分支通道垂直于所述主通道设置。
3.根据权利要求1的燃料电池堆体，其中，所述发电体包括具有两个侧面的膜电极组件；以及位于所述膜电极组件两侧的隔板，其中，所述冷却通道形成于所述隔板中。
4.根据权利要求3的燃料电池堆体，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了矩形形状的突起。
5.根据权利要求3的燃料电池堆体，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了平行四边形形状的突起。
6.根据权利要求3的燃料电池堆体，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了三角形形状的突起。
7.根据权利要求3的燃料电池堆体，其中，所述堆体包括多个所述发电体，其中，在两个相邻膜电极组件之间的所述隔板彼此相对设置，并且其中，所述冷却通道是通过组合所述相对的隔板而形成的。
8.根据权利要求7的燃料电池堆体，其中，所述膜电极组件附着在所述被组合的相对隔板的一侧。
9.根据权利要求1的燃料电池堆体，其中，所述堆体包括多个所述发电体，其中，所述堆体还包括位于所述发电体之间的冷却板，并且其中所述冷却通道形成于所述冷却板中。
10.根据权利要求9的燃料电池堆体，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了矩形形状的立柱。
11.根据权利要求9的燃料电池堆体，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了平行四边形形状的立柱。
12.根据权利要求9的燃料电池堆体，其中，所述主通道和所述分支通道相交界定了三角形形状的立柱。
全文摘要
本发明提供了一种燃料电池堆体的冷却系统。该燃料电池堆体包括通过氢氧之间的电化学反应产生电能的发电体以及在发电体之间的隔板。在发电体之间也可以包含有冷却板。在隔板或冷却板中形成冷却通道，冷却通道包括主通道和将主通道耦合在一起的分支通道。主通道和分支通道相交形成了网格状区域，在其间具有呈矩形、三角形、圆形、类似平行四边形的形状、或形成为这些形状的组合的立柱。冷却通道增大了冷却剂与隔板或冷却板之间的接触面积，因此改善了堆体的冷却效率。
文档编号H01M8/04GK1744363SQ20051009961
公开日2006年3月8日 申请日期2005年8月30日 优先权日2004年8月30日
发明者徐东明, 权镐真 申请人:三星Sdi株式会社