燃料电池系统及其电堆的制作方法

专利名称：燃料电池系统及其电堆的制作方法
技术领域：
下面的描述涉及具有形成在单体电池堆的同一侧上的燃料进口和燃料出口的燃 料电池系统。
背景技术：
燃料电池系统(例如，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)系统)使用具有氢离子 交换能力的聚合物电解质膜。这里，PEMFC系统将通过重整烃类燃料(例如，甲醇或天然气) 所产生的氢和源自氧化剂(例如来自空气)的氧选择性地传输到聚合物电解质膜，从而通 过氢和氧之间的电化学反应产生功率和热。燃料电池系统包括通过堆叠基本上产生功率和 热的多个单体电池而形成的电堆(stack)。电堆中的每个单体电池包括膜电极组件(MEA)以及具有燃料通路和氧化剂通路 的隔板，膜电极组件由阳极、阴极、阳极与阴极之间的聚合物电解质膜组成。含氢燃料通过 燃料通路供给到阳极，含氧氧化剂通过氧化剂通路供给到阴极。隔板形成燃料通路和氧化 剂通路，并将一个MEA的阳极和另一 MEA的阴极串联连接。因此，电堆包括用于供给燃料和氧化剂的进口以及用于排出未反应的燃料和氧化 剂的出口。即，在燃料进口和燃料出口之间形成燃料流动长度，在氧化剂进口和氧化剂出口 之间形成氧化剂流动长度。当进口和出口分别形成在电堆的不同侧时，各个单体电池具有相同的燃料流动长 度和相同的氧化剂流动长度。然而，在进口和出口形成在电堆的同一侧以提高电堆的空间利用率的情况下，各 个单体电池的燃料流动长度彼此不同，并且各个单体电池的氧化剂流动长度也彼此不同。 因此，燃料和氧化剂向单体电池的供给是不均勻的。在该背景部分中公开的以上信息仅仅为了加深对本发明背景的理解，因此，它可 以包含不构成在本国对于本领域普通技术人员来说已经知道的现有技术的信息。

发明内容
本发明的各个方面的实施例旨在提供一种燃料电池系统和一种电堆，所述电堆在 燃料进口和燃料出口形成在电堆的同一侧的情况下，通过使每个单体电池的燃料流动长度 相等而能够使得供给到每个单体电池的燃料均勻。本发明的各个方面旨在提供一种燃料电池系统和一种电堆，所述电堆在燃料进口 和燃料出口形成在电堆的同一侧的情况下，通过使到达每个单体电池的燃料通路和氧化剂 通路的长度相等而能够使得到达每个单体电池的燃料供给和氧化剂供给均勻。为了本发明的目的，术语“氧化剂”指适合于向燃料电池系统提供氧以产生功率的 任何物质。优选地，氧化剂可以以含氧氧化剂的形式例如以空气的形式提供。根据一个实施例，一种燃料电池系统包括燃料供给装置，被构造成供给含氢燃 料；氧化剂供给装置，被构造成供给含氧氧化剂；电堆，被构造成通过氢和氧的电化学反应
7产生功率和热。电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池中的每个单体电池包 括隔板和设置在隔板之间的膜电极组件(MEA)；燃料进口，在电堆的第一端处连接到燃料 供给装置，燃料进口被构造成将燃料引入到所述多个单体电池；未反应燃料出口，位于电堆 的第一端，未反应燃料出口被构造成将未反应的燃料从电堆排出；燃料旁路通路，连接到燃 料进口，燃料旁路通路被构造成将燃料从电堆的第一端旁路到电堆的第二端；燃料分配通 路，在电堆的第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配到所述多个单体电池； 未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应燃料通路被构 造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。燃料旁路通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料旁路孔相连通来形成。燃料分配通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料供给孔相连通来形成， 燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路的第一侧。燃料旁路通路和燃料分配通路通过第一连通槽连接在一起，第一连通槽形成在所 述多个单体电池的位于电堆的所述第二端处的最外面的单体电池中的端板、绝缘体、集流 板和隔板中的至少一个中。电堆还包括氧化剂进口，被构造成将氧化剂从氧化剂供给装置引入到所述多个 单体电池；未反应氧化剂出口，位于电堆的一侧处，电堆的所述一侧与电堆的设置有氧化剂 进口的一侧相对；反应冷却氧化剂通路，在氧化剂进口和未反应氧化剂出口之间延伸，反应 冷却氧化剂通路被构造成将未反应的氧化剂分配到单体电池，并被构造成形成用于散热的 氧化剂通路。反应冷却氧化剂通路被形成为沿着与燃料旁通路的延伸方向交叉的方向延伸。反应冷却氧化剂通路位于隔板中的相应隔板的一侧上，隔板中的相应隔板的所述 一侧与所述相应隔板的设置有燃料通路的一侧相对。每个单体电池的隔板中的第一隔板包括与MEA的一侧相邻的燃料通路，隔板中的 第二隔板包括与MEA的另一侧相邻的反应冷却氧化剂通路。根据本发明的另一实施例，一种燃料电池系统包括燃料供给装置，被构造成供给 含氢燃料；氧化剂供给装置，被构造成供给含氧氧化剂；电堆，被构造成通过氢和氧的电化 学反应产生功率和热。其中，电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池中 的每个单体电池包括隔板和设置在隔板之间的膜电极组件(MEA)；燃料进口，连接到燃料 供给装置，燃料进口被构造成将燃料引入到所述多个单体电池；未反应燃料出口，位于电堆 的第一端，未反应燃料出口被构造成将未反应的燃料从电堆排出；氧化剂进口，连接到氧化 剂供给装置，氧化剂进口被构造成将氧化剂从氧化剂供给装置引入到所述多个单体电池； 未反应氧化剂出口，被构造成将未反应的氧化剂从电堆排出，其中，燃料进口、未反应燃料 出口、氧化剂进口和未反应氧化剂出口形成在电堆的第一端处；燃料旁路通路，连接到燃料 进口，燃料旁路通路被构造成将燃料从电堆的第一端旁路到电堆的第二端；燃料分配通路， 在电堆的第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配到所述多个单体电池中的 每个单体电池；未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应 燃料通路被构造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。 电堆还包括氧化剂旁路通路，连接到氧化剂进口，氧化剂旁路通路被构造成将氧化剂从电堆的第一端旁路到电堆的第二端；氧化剂分配通路，在电堆的第二端处连接到氧 化剂旁路通路，氧化剂分配通路被构造成将氧化剂分配到所述多个单体电池中的每个单体 电池；未反应氧化剂引导通路，连接在氧化剂分配通路和未反应氧化剂出口之间，未反应氧 化剂引导通路被构造成将未反应的氧化剂引导到未反应氧化剂出口。燃料旁路通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料旁路孔相连通来形成， 氧化剂旁路通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的氧化剂旁路孔相连通来形成。燃料分配通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料供给孔相连通来形成， 燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路的第一侧。未反应燃料引导通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料出口孔相连通 来形成，燃料出口孔连接到隔板中的燃料通路的第二侧。氧化剂分配通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的氧化剂供给孔相连通来 形成，氧化剂供给孔连接到隔板中的氧化剂通路的第一侧。未反应氧化剂引导通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的氧化剂出口孔相 连通来形成，氧化剂出口孔连接到隔板中的氧化剂通路的第二侧。氧化剂旁路通路和氧化剂分配通路通过第二连通槽连接在一起，第二连通槽形成 在所述多个单体电池的位于电堆的所述第二端的最外面的单体电池中的端板、绝缘体、集 流板和隔板中的至少一个中。根据本发明的另一实施例，一种用于燃料电池系统的电堆被构造成通过氢和氧的 电化学反应产生功率和热，所述电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池 中的每个单体电池包括隔板和设置在隔板之间的膜电极组件(MEA)；燃料进口，连接到电 堆的第一端，并被构造成将含氢燃料引入到单体电池；未反应燃料出口，连接到电堆的所述 第一端，并被构造成将未反应的燃料从单体电池排出；燃料旁路通路，连接到燃料进口，燃 料旁路通路被构造成将燃料从电堆的所述第一端旁路到电堆的第二端；燃料分配通路，在 电堆的所述第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配到所述多个单体电池； 未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应燃料通路被构 造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。燃料旁路通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料旁路孔相连通来形成。燃料分配通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料供给孔相连通来形成， 燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路的第一侧。未反应燃料引导通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料出口孔相连通 来形成，燃料出口孔连接到隔板中的燃料通路的第二侧。燃料旁路通路和燃料分配通路通过第一连通槽连接在一起，第一连通槽形成在所 述多个单体电池的位于电堆的所述第二端处的最外面的单体电池中的端板、绝缘体、集流 板和隔板中的至少一个中。电堆还包括氧化剂进口，被构造成将氧化剂从氧化剂供给装置引入到所述多个 单体电池；未反应氧化剂出口，位于电堆的一侧处，电堆的所述一侧与电堆的设置有氧化剂 进口的一侧相对；反应冷却氧化剂通路，在氧化剂进口和未反应氧化剂出口之间延伸，反应 冷却氧化剂通路被构造成将未反应的氧化剂分配到单体电池，并被构造成形成用于散热的 氧化剂通路。
根据本发明的另一实施例，一种用于燃料电池系统的电堆被构造成通过氢和氧的 电化学反应产生功率和热，所述电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池 中的每个单体电池包括隔板和设置在隔板之间的膜电极组件(MEA)；燃料进口，连接到燃 料供给装置，燃料进口被构造成将燃料引入到所述多个单体电池；未反应燃料出口，位于电 堆的第一端，未反应燃料出口被构造成将未反应的燃料从电堆排出；氧化剂进口，连接到氧 化剂供给装置，氧化剂进口被构造成将氧化剂从氧化剂供给装置传送到单体电池；未反应 氧化剂出口，被构造成将未反应的氧化剂从电堆排出，其中，燃料进口、未反应燃料出口、氧 化剂进口和未反应氧化剂出口形成在电堆的第一侧处；燃料旁路通路，连接到燃料进口，燃 料旁路通路被构造成将燃料从电堆的第一端旁路到电堆的第二端；燃料分配通路，在电堆 的第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配到所述多个单体电池中的每个单 体电池；未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应燃料通 路被构造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。所述电堆还可以包括氧化剂旁路通路，连接到氧化剂进口，氧化剂旁路通路被构 造成将氧化剂从电堆的所述第一端旁路到电堆的所述第二端；氧化剂分配通路，在电堆的 第二端处连接到氧化剂旁路通路，氧化剂分配通路被构造成将氧化剂分配到所述多个单体 电池中的每个单体电池；未反应氧化剂引导通路，连接在氧化剂分配通路和未反应氧化剂 出口之间，未反应氧化剂引导通路被构造成将未反应的氧化剂引导到未反应氧化剂出口。燃料旁路通路还可以通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料旁路孔相连通 来形成，氧化剂旁路通路包括隔板的延伸超过MEA的部分中的氧化剂旁路孔的连通。燃料分配通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的燃料供给孔相连通来形成， 燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路的第一侧，未反应燃料引导通路通过将隔板的延伸超 过MEA的部分中的燃料出口孔相连通来形成，燃料出口孔连接到隔板中的燃料通路的第二 侧。氧化剂分配通路通过将隔板的延伸超过MEA的部分中的氧化剂供给孔相连通来 形成，氧化剂供给孔连接到隔板中的氧化剂通路的第一侧，未反应氧化剂引导通路通过隔 板的延伸超过MEA的部分中的氧化剂出口孔相连通来形成，氧化剂出口孔连接到隔板中的 氧化剂通路的第二侧。氧化剂旁路通路和氧化剂分配通路通过第二连通槽相连接，第二连通槽形成在所 述多个单体电池的位于电堆的所述第二端处的最外面的单体电池中的端板、绝缘体、集流 板和隔板中的至少一个中。根据本发明的示例性实施例，旁路通过燃料旁路通路的燃料可以通过燃料分配通 路分配到各个单体电池，未反应的燃料通过未反应燃料引导通路进行引导，并可以从各个 单体电池排出，从而即使燃料进口和未反应燃料出口形成在电堆的同一侧，各个单体电池 的燃料流动长度仍可以彼此相等。因此，供给到各个单体电池的燃料供给装置量可以是均 勻的。下面在标题为“具体实施方式
”的部分中描述这些和其它特征、方面和实施例。


通过结合附图进行的以下详细描述，根据本发明的实施例的以上和其它方面及特点将更易于理解，在附图中
图1是根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。 图2是如图1所示的电堆的一部分的透视图。 图3是如图2所示的电堆的一部分的分解透视图。 图4是如图2所示的电堆的一部分的单体电池的分解透视图。 图5是如图4所示的与MEA对应的单体电池的隔板的俯视图。 图6是如图2所示的电堆的一部分的端板、绝缘体和集流板的分解透视图。 图7示出了根据本发明第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图。 图8是如图7所示的电堆的一部分的透视图。 图9是如图8所示的电堆的一部分的分解透视图。 图10是如图8所示的电堆的一部分的单体电池的分解透视图。 图11是如图10所示的与MEA对应的单体电池的阳极侧隔板的俯视图。 图12是如图10所示的与MEA对应的单体电池的阴极侧隔板的俯视图。 图13示出了如图8所示的电堆的端板、绝缘体和集流板的分解透视图。 在附图中指示特定元件的标号说明
100,200 燃料电池系统
11 重整装置 21 氧化剂泵 31 =MEA
33、233:阴极侧隔板
321 燃料通路
2331 氧化剂通路
41 紧固构件
43、243 绝缘体
421、431、422、432 燃料旁路孔
2421、2431 氧化剂旁路孔
51,251 燃料进口
53、253 燃料旁路通路
54 燃料分配通路
55:未反应燃料引导通路
61,261 氧化剂进口
63 反应冷却氧化剂通路
264 氧化剂分配通路
2631 氧化剂旁路孔
2651 氧化剂出口孔
10 燃料供给装置 20 氧化剂供给装置 30,230 电堆 32、232 阳极侧隔板
322、323、2332、2333 连接件 34,234 垫片 42、242 集流板
44、244 端板 52,252 未反应燃料出口
541 燃料供给孔 551 燃料出口孔 62、262 未反应氧化剂出口 263 氧化剂旁路通路 265 未反应氧化剂引导通路 2641 氧化剂供给孔 71,72 第一和第二连通槽
具体实施例方式
在下文中，参照附图示出了本发明的特定示例性实施例。如本领域技术人员应当 明白的，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以以各种不同的方式修改所描述的实施例。附图和描述应当被视为实质上示例性的，而不是限制性的。在整个说明书中，相同的 标号表示相同的元件。图1是根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。参照图1，燃料电 池系统(在下文中称作系统)100包括用于供给含氢燃料的燃料供给装置10、用于供给含氧 氧化剂的氧化剂供给装置20和电堆30，电堆30被构造成通过氢和氧之间的电化学反应产 生功率和热。例如，燃料供给装置10在重整装置11中重整液体燃料，并使用通过燃料泵的驱动 从燃料箱供给的含氢液体燃料(例如，甲醇、乙醇)或天然气来产生氢气，然后将产生的氢 气供给到电堆30。燃料供给装置10可以将含氢液体燃料直接供给到电堆30，在这种情况下，可以省 去重整装置11。为了方便起见，将从燃料供给装置10供给到电堆30的燃料称作氢气。因 此，燃料供给装置10将例如氢气供给到电堆30。氧化剂供给装置20通过驱动氧化剂泵21将含氧空气供给到电堆30。从氧化剂供 给装置20供给的氧化剂和从燃料供给装置10供给的燃料独立地供给到电堆30，并在电堆 30中流通时经历氧化反应和还原反应。图2是图1的电堆的一部分的透视图，图3是图2的电堆的一部分的分解透视图。 参照图1和图2，电堆30可以通过堆叠多个单体电池⑶并使用紧固构件41紧固多个单体 电池⑶的最外边缘来形成。每个单体电池⑶包括膜电极组件(MEA) 31以及分别设置在MEA 31的两侧的阳极 侧隔板32和阴极侧隔板33，隔板使得燃料和氧化剂从MEA 31的一侧传递到MEA 31的另一 侧。这里，在附图中未具体示出阳极和阴极。然而，阳极侧隔板32将燃料供给到MEA 31的 阳极，阴极侧隔板33将氧化剂供给到MEA 31的阴极。阴极侧隔板33和阳极侧隔板32设 置在MEA 31的相对侧上。在每一侧设置的单体电池堆的最后的或最外面的单体电池的外侧处，电堆30依 次设置有集流板42、绝缘体43和端板44。紧固构件41将单体电池⑶、集流板42、绝缘体 43和端板44紧固在一起。另外，电堆30被构造成接收供给的燃料和氧化剂，并在产生功率 和热的反应之后排出未反应的燃料和未反应的氧化剂。例如，电堆30利用燃料进口 51、未反应燃料出口 52、燃料旁路通路53、燃料分配 通路54和未反应燃料引导通路55在每个单体电池CU中形成燃料通路，并利用氧化剂进口 61、未反应氧化剂出口 62和反应冷却氧化剂通路63在每个单体电池CU中形成氧化剂通路 (参见图1)。燃料进口 51连接到燃料供给装置10，用于使燃料流入到电堆30中的单体电池 Cu。未反应燃料出口 52连接到电堆的与燃料进口 51相同的一侧，并被构造成将未反应的 燃料从电堆30中的单体电池CU排出。也就是说，燃料进口 51和未反应燃料出口 52在电堆30的一侧(例如，图2的电 堆的下部)连接到端板44，从而将燃料引入到单体电池CU中，并将未反应的燃料从单体电 池CU排出。因此，外部结合到电堆30的管道布置结构可以是简单的。此外，在燃料进口 51和未反应燃料出口 52在电堆30的同一侧形成在端板44上 的情况下，燃料旁路通路53、燃料分配通路54和未反应燃料弓I导通路55可以具有使形成在每个单体电池CU中的燃料通路的长度相等的结构，从而使得每个单体电池CU中的燃料供 给量均勻。返回参照图1和图3，燃料旁路通路53在电堆30的端部从电堆30的燃料进口 51 延伸以使燃料旁路到电堆30的第二端，并穿过所有堆叠的单体电池CU。燃料分配通路54 在电堆30的第二端连接到燃料旁路通路53 (参见图6)，并且也穿过所有堆叠的单体电池 CU。另外，未反应燃料引导通路55从电堆30的第二端延伸到未反应燃料出口 52，并穿过所 有堆叠的单体电池⑶。因此，燃料旁路通路53将从燃料进口 51供给的燃料传送到(例如，旁路到)电堆 30的相对端。燃料分配通路54连接到燃料旁路通路53，并将燃料分配到各个单体电池⑶。 未反应燃料引导通路55将未反应的燃料从各个单体电池CU引导到未反应燃料出口 52，并 提供使各个单体电池CU的燃料流动长度相等的结构。根据第一示例性实施例，电堆30被构造成将氧化剂供给到阴极侧隔板33，用于在 相应的单体电池⑶中与燃料的反应，并被构造成形成氧化剂通路，用于消散在电堆30中产 生的热。因此，由于不需要用于散热的附加冷却装置，所以电堆30可以简化系统100的结 构。氧化剂进口 61与氧化剂供给装置20连接，以将氧化剂供给到电堆30中的单体电 池⑶。未反应氧化剂出口 62形成在电堆30的与电堆30的设置有氧化剂进口 61的一侧相 对的一侧，并被构造成将未反应的氧化剂从电堆30中的单体电池CU排出。也就是说，反应 冷却氧化剂通路63被形成为与彼此平行形成的燃料旁路通路53、燃料分配通路54和未反 应燃料引导通路55交叉(即，反应冷却通路所在的平面与燃料旁路和分配的平面垂直)。在这种情况下，反应冷却氧化剂通路63从氧化剂进口 61延伸到未反应氧化剂出 口 62，以形成用于散热的氧化剂通路，同时将用于反应的氧化剂分配到各个单体电池CU。 因为在每个单体电池CU中形成的氧化剂通路长度彼此相等，所以各个单体电池CU的氧化 剂供给量是均勻的。图4是如图2所示的电堆的一部分的单体电池的分解透视图。图5是如图4所示 的与MEA对应的单体电池的隔板的一侧的俯视图。图6是如图2所示的电堆的一部分中的 端板44、绝缘体43和集流板42的分解透视图。参照图4至图6，燃料旁路通路53通过将阳极侧隔板32和阴极侧隔板33中的与 MEA 31的外部(例如，隔板的延伸超过MEA的部分)对应的燃料旁路孔531相连通来形成。 与阳极侧隔板32和阴极侧隔板33的厚度相比，MEA 31具有可忽略的厚度。垫片34(参见 图5)设置在两个隔板32和33之间，从而当形成并堆叠单体电池CU时，在这两个隔板32 和33之间形成气密结构。燃料分配通路54通过将阳极侧隔板32和阴极侧隔板33中的与MEA 31的外部 (例如，隔板的延伸超过MEA的部分)对应的燃料供给孔541相连通来形成。燃料供给孔 541连接到燃料分配通路54的形成在阳极侧隔板32处的燃料通路321的一侧。用于燃料 供给孔541和燃料通路321的连接件322 (参见图5)以如下结构形成，即，在与垫片34交 叉的同时保持气密密封(或密封封接)，其中，垫片34将阳极侧隔板32和阴极侧隔板33气 密密封(或密封封接)。燃料旁路通路53和燃料分配通路54在燃料进口的相对侧连接到第一连通槽71 (参见图6)，从而将旁路通过燃料旁路通路53的燃料传送到燃料分配通路54。第一连通 槽71可以形成在最后的单体电池CU的端板44、绝缘体43、集流板42或隔板32和33中， 最后的单体电池CU设置在电堆的与电堆的设置有燃料进口的端部相对的端部。为了方便 起见，根据第一示例性实施例，将第一连通槽71示为形成在端板44中，如图6所示。反应冷却氧化剂通路63形成在阴极侧隔板33中或形成在阴极侧隔板33上。反 应冷却氧化剂通路63与MEA 31相邻地设置在MEA 31的与设置燃料通路321的一侧相对 的一侧上。也就是说，在单体电池⑶中，阳极侧隔板32在MEA 31的一侧对应于燃料通路 321，阴极侧隔板33在MEA 31的另一侧对应于反应冷却氧化剂通路63。因此，通过燃料通 路321供给的燃料可以与通过反应冷却氧化剂通路63供给的氧化剂发生电化学反应，从而 产生功率和热。未反应燃料引导通路55通过将阳极侧隔板32和阴极侧隔板33中的与MEA 31的 外部对应的燃料出口孔551相连通来形成。燃料出口孔551连接到燃料通路321的形成在 阳极侧隔板32处的燃料供给孔541的相对侧。燃料出口孔551和燃料通路321的连接件 323 (参见图5)以如下结构形成，即，在与垫片34交叉的同时保持气密密封(或密封封接)， 其中，垫片34将阳极侧隔板32和阴极侧隔板33气密密封(或密封封接)。在这种情况下，燃料旁路通路53还通过连接到集流板42的燃料旁路孔421和连 接到绝缘体43的燃料旁路孔431而连接到阳极侧隔板32和阴极侧隔板33中的燃料旁路 孔531。另外，燃料分配通路54还通过连接到集流板42的燃料旁路孔422和连接到绝缘体 43的燃料旁路孔432而连接到阳极侧隔板32和阴极侧隔板33中的燃料供给孔541。在下文中，将描述本发明的第二示例性实施例。为了简便起见，不再重复与第一示 例性实施例的部件类似或相同的部件的描述。根据第一示例性实施例，系统100可以在电 堆30的同一侧形成燃料进口 51和未反应燃料出口 52的同时，使得每个单体电池CU的燃 料流动长度相等。根据第二示例性实施例，系统200的氧化剂通路与先前实施例的氧化剂通路不 同。在第二示例性实施例中，氧化剂进口 261和未反应氧化剂出口 262形成在电堆230的 相同端，从而提供使各个单体电池CU的氧化剂通路长度相等的结构。图7是根据本发明第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图。在第二示例性实 施例中，电堆230包括均形成在电堆的同一侧的燃料进口 251、未反应燃料出口 252、氧化剂 进口 261和未反应氧化剂出口 262。电堆230还可以包括氧化剂旁路通路263、氧化剂分配通路264和未反应氧化剂引 导通路265，从而在单体电池CU中形成氧化剂通路。电堆230可以使用与在第一示例性实 施例中相同或类似的燃料进口 51、未反应燃料出口 52、燃料旁路通路53、燃料分配通路54 和未反应燃料引导通路55。另外，第二示例性实施例的燃料通路321可以与在第一示例性实施例中描述的燃 料通路321类似。此外，第二示例性实施例的氧化剂通路2331还可以遵循与第一示例性 实施例的燃料通路321的设计类似的设计。例如，氧化剂进口 261可以连接到氧化剂供给 装置20，以将氧化剂吸入到电堆230(即，单体电池(⑶))中。未反应氧化剂出口 262可以 连接到电堆的与氧化剂进口 261连接的一端相同的一端，并可以将未反应的氧化剂从电堆 230排出，S卩，从单体电池CU排出。氧化剂通路和燃料通路也可以沿相同的方向形成。
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也就是说，氧化剂进口 261和未反应氧化剂出口 262连接到设置在电堆230的一 端(例如，图8的电堆的下部)的端板244，从而将氧化剂提供到单体电池CU，并将未反应 的氧化剂从单体电池CU排出。因此，可以将简单的管道布置结构连接到电堆230。此外，即使氧化剂进口 261和未反应氧化剂出口 262形成在电堆230的同一端板 244中，氧化剂旁路通路263、氧化剂分配通路264和未反应氧化剂引导通路265仍可以使 分别形成在单体电池CU中的氧化剂通路长度相等，由此保持到达每个单体电池CU的氧化 剂供给量均勻。返回参照图7和图9，氧化剂旁路通路263从位于电堆230 —端的氧化剂进口 261 延伸到电堆的相对端，并穿过所有堆叠的单体电池Cu。氧化剂分配通路264在电堆的最外 面的单体电池的连通槽72(参见图13)中连接到氧化剂旁路通路263，并延伸穿过每个堆叠 的单体电池CU。另外，未反应氧化剂引导通路265连接到每个单体电池CU的氧化剂分配 通路264，以到达未反应氧化剂出口 262，从而将未反应的氧化剂引导到未反应氧化剂出口 262。因此，氧化剂旁路通路263被构造成将从氧化剂进口 261引入的氧化剂旁路到电 堆230的相对端。氧化剂分配通路264在沿着氧化剂进口 261的方向从氧化剂进口 261的 相对侧返回的同时将氧化剂分配到单体电池CU。未反应氧化剂引导通路265跨过单体电池 CU将未反应的氧化剂从氧化剂分配通路引导到未反应氧化剂出口 262。因此，各个单体电 池CU的氧化剂通路长度可以是均勻的。图10是如图8所示的电堆的一部分的单体电池的分解透视图。图11是与MEA对 应的单体电池的阳极侧隔板的俯视图。图12是与MEA对应的单体电池的阴极侧隔板的俯 视图。图13是如图8所示的电堆的一部分的端板、绝缘体和集流板的分解透视图。参照图10至图13，氧化剂旁路通路263通过将阳极侧隔板232和阴极侧隔板233 中的与MEA 31的外部(例如，隔板的延伸超过MEA的部分)对应的氧化剂旁路孔2631相 连通来形成。与阳极侧隔板232和阴极侧隔板233的厚度相比，MEA 31具有可忽略的厚度。 垫片234(参见图11和图12)可以设置在两个隔板232和233之间，从而当形成并堆叠单 体电池⑶时，在这两个隔板232和233之间形成气密结构。氧化剂分配通路264通过将阳极侧隔板232和阴极侧隔板233中的与MEA 31的外 部(例如，隔板的延伸超过MEA的部分)对应的氧化剂供给孔2641相连通来形成。氧化剂 供给孔2641连接到阴极侧隔板233中的氧化剂通路2331的一侧。用于氧化剂供给孔2641 和氧化剂通路2331的连接件2333(参见图12)以如下结构形成，即，在与垫片234交叉的 同时保持气密密封(或密封封接)，其中，垫片234将阳极侧隔板232和阴极侧隔板233气 密密封(或密封封接)。参照图13，氧化剂旁路通路263和氧化剂分配通路264在氧化剂进口的相对侧连 接到第二连通槽72，从而将通过氧化剂旁路通路263而旁路的氧化剂传送到氧化剂分配通 路264。第二连通槽72可以形成在最后的单体电池⑶的端板244、绝缘体243、集流板242 或隔板232和隔板233中。为了方便起见，根据第二示例性实施例，将第一连通槽71和第 二连通槽72示为形成在端板244中。未反应氧化剂引导通路265通过将形成在阳极侧隔板232和阴极侧隔板233中的 与MEA 31的外部对应的氧化剂出口孔2651相连通来形成。氧化剂出口孔2651连接到氧
15化剂通路2331的形成在阴极侧隔板233中的氧化剂供给孔2641的相对侧。氧化剂出口孔 2651和氧化剂通路2331的连接件2332和2333 (参见图12)以如下结构形成，即，在与垫片 234交叉的同时保持气密密封(或密封封接)，其中，垫片234为阳极侧隔板232和阴极侧 隔板233提供气密密封(或密封封接)。在这种情况下，氧化剂旁路通路263还通过连接到集流板242的氧化剂旁路孔 2421和绝缘体243的氧化剂旁路孔2431连接到形成在阳极侧隔板232和阴极侧隔板233 中的氧化剂旁路孔2631。另外，氧化剂分配通路264还通过连接到集流板242的氧化剂旁 路孔2421和绝缘体243的氧化剂旁路孔2431连接到形成在阳极侧隔板232和阴极侧隔板 233中的氧化剂供给孔2641。虽然结合目前被视为实际的示例性实施例的内容描述了本发明，但应当理解，本 发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意在覆盖包括在权利要求书的精神和范围 内的各种修改和等同布置。连接孔(例如，燃料旁路或氧化剂旁路以及燃料供给孔或氧化剂供给孔)也可以 形成并连接在隔板的与MEA的外部对应的部分中。
权利要求
一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料供给装置，被构造成供给含氢燃料；氧化剂供给装置，被构造成供给含氧氧化剂；电堆，被构造成通过氢和氧的电化学反应产生功率和热，其中，电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池中的每个单体电池包括隔板和设置在隔板之间的膜电极组件；燃料进口，在电堆的第一端处连接到燃料供给装置，燃料进口被构造成将燃料引入到所述多个单体电池；未反应燃料出口，位于电堆的第一端，未反应燃料出口被构造成将未反应的燃料从电堆排出；燃料旁路通路，连接到燃料进口，燃料旁路通路被构造成将燃料从电堆的第一端旁路到电堆的第二端；燃料分配通路，在电堆的第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配到所述多个单体电池；未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应燃料通路被构造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，燃料旁路通路通过将隔板的延伸超过 膜电极组件的部分中的燃料旁路孔相连通来形成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，燃料分配通路通过将隔板的延伸超过 膜电极组件的部分中的燃料供给孔相连通来形成，燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路的 第一侧。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，未反应燃料引导通路通过将隔板的延 伸超过膜电极组件的部分中的燃料出口孔相连通来形成，燃料出口孔连接到隔板中的燃料 通路的第二侧。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，燃料旁路通路和燃料分配通路通过第 一连通槽连接在一起，第一连通槽形成在所述多个单体电池的位于电堆的所述第二端处的 最外面的单体电池中的端板、绝缘体、集流板和隔板中的至少一个中。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，电堆还包括氧化剂进口，被构造成将氧化剂从氧化剂供给装置引入到所述多个单体电池；未反应氧化剂出口，位于电堆的一侧处，电堆的所述一侧与电堆的设置有氧化剂进口 的一侧相对；反应冷却氧化剂通路，在氧化剂进口和未反应氧化剂出口之间延伸，反应冷却氧化剂 通路被构造成将未反应的氧化剂分配到单体电池，并被构造成形成用于散热的氧化剂通路。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，反应冷却氧化剂通路被形成为沿着与 燃料旁通路的延伸方向交叉的方向延伸。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，反应冷却氧化剂通路位于隔板中的相 应隔板的一侧上，隔板中的相应隔板的所述一侧与所述相应隔板的设置有燃料通路的一侧 相对。
9.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，每个单体电池的隔板中的第一隔板包括与膜电极组件的一侧相邻的燃料通路，隔板中的第二隔板包括与膜电极组件的另一侧相 邻的反应冷却氧化剂通路。
10.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料供给装置，被构造成供给含氢燃 料；氧化剂供给装置，被构造成供给含氧氧化剂；电堆，被构造成通过氢和氧的电化学反应 产生功率和热，其中，电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池中的每个单体电池包括隔板和设置在 隔板之间的膜电极组件；燃料进口，连接到燃料供给装置，燃料进口被构造成将燃料引入到所述多个单体电池；未反应燃料出口，位于电堆的第一端，未反应燃料出口被构造成将未反应的燃料从电 堆排出；氧化剂进口，连接到氧化剂供给装置，氧化剂进口被构造成将氧化剂从氧化剂供给装 置引入到所述多个单体电池；未反应氧化剂出口，被构造成将未反应的氧化剂从电堆排出，其中，燃料进口、未反应 燃料出口、氧化剂进口和未反应氧化剂出口形成在电堆的第一端处；燃料旁路通路，连接到燃料进口，燃料旁路通路被构造成将燃料从电堆的所述第一端 旁路到电堆的第二端；燃料分配通路，在电堆的所述第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配 到所述多个单体电池中的每个单体电池；未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应燃料通路 被构造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，电堆还包括氧化剂旁路通路，连接到氧化剂进口，氧化剂旁路通路被构造成将氧化剂从电堆的所 述第一端旁路到电堆的所述第二端；氧化剂分配通路，在电堆的所述第二端处连接到氧化剂旁路通路，氧化剂分配通路被 构造成将氧化剂分配到所述多个单体电池中的每个单体电池；未反应氧化剂引导通路，连接在氧化剂分配通路和未反应氧化剂出口之间，未反应氧 化剂引导通路被构造成将未反应的氧化剂引导到未反应氧化剂出口。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，燃料旁路通路通过将隔板的延伸超 过膜电极组件的部分中的燃料旁路孔相连通来形成，氧化剂旁路通路通过将隔板的延伸超 过膜电极组件的部分中的氧化剂旁路孔相连通来形成。
13.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，燃料分配通路通过将隔板的延伸超 过膜电极组件的部分中的燃料供给孔相连通来形成，燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路 的第一侧。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，未反应燃料引导通路通过将隔板的 延伸超过膜电极组件的部分中的燃料出口孔相连通来形成，燃料出口孔连接到隔板中的燃 料通路的第二侧。
15.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，氧化剂分配通路通过将隔板的延伸 超过膜电极组件的部分中的氧化剂供给孔相连通来形成，氧化剂供给孔连接到隔板中的氧化剂通路的第一侧。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中，未反应氧化剂引导通路通过将隔板 的延伸超过膜电极组件的部分中的氧化剂出口孔相连通来形成，氧化剂出口孔连接到隔板 中的氧化剂通路的第二侧。
17.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，氧化剂旁路通路和氧化剂分配通路 通过第二连通槽连接在一起，第二连通槽形成在所述多个单体电池的位于电堆的所述第二 端的最外面的单体电池中的端板、绝缘体、集流板和隔板中的至少一个中。
18.一种用于燃料电池系统的电堆，所述电堆被构造成通过氢和氧的电化学反应产生 功率和热，所述电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池中的每个单体电池包括隔板和设置在 隔板之间的膜电极组件；燃料进口，连接到电堆的第一端，并被构造成将含氢燃料引入到单体电池；未反应燃料出口，连接到电堆的所述第一端，并被构造成将未反应的燃料从单体电池 排出；燃料旁路通路，连接到燃料进口，燃料旁路通路被构造成将燃料从电堆的所述第一端 旁路到电堆的第二端；燃料分配通路，在电堆的所述第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配 到所述多个单体电池；未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应燃料通路 被构造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。
19.根据权利要求18所述的电堆，其中，燃料旁路通路通过将隔板的延伸超过膜电极 组件的部分中的燃料旁路孔相连通来形成。
20.根据权利要求18所述的电堆，其中，燃料分配通路通过将隔板的延伸超过膜电极 组件的部分中的燃料供给孔相连通来形成，燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路的第一 侧。
21.根据权利要求20所述的电堆，其中，未反应燃料引导通路通过将隔板的延伸超过 膜电极组件的部分中的燃料出口孔相连通来形成，燃料出口孔连接到隔板中的燃料通路的第二侧。
22.根据权利要求18所述的电堆，其中，燃料旁路通路和燃料分配通路通过第一连通 槽连接在一起，第一连通槽形成在所述多个单体电池的位于电堆的所述第二端处的最外面 的单体电池中的端板、绝缘体、集流板和隔板中的至少一个中。
23.根据权利要求18所述的电堆，其中，电堆还包括氧化剂进口，被构造成将氧化剂从氧化剂供给装置引入到所述多个单体电池；未反应氧化剂出口，位于电堆的一侧处，电堆的所述一侧与电堆的设置有氧化剂进口 的一侧相对；反应冷却氧化剂通路，在氧化剂进口和未反应氧化剂出口之间延伸，反应冷却氧化剂 通路沿着燃料旁路通路的交叉方向形成，并被构造成将未反应的氧化剂分配到单体电池， 并被构成形成用于散热的氧化剂通路。
24.一种用于燃料电池系统的电堆，所述电堆被构造成通过氢和氧的电化学反应产生功率和热，所述电堆包括堆叠在一起的多个单体电池，所述多个单体电池中的每个单体电池包括隔板和设置在 隔板之间的膜电极组件；燃料进口，连接到燃料供给装置，燃料进口被构造成将燃料引入到所述多个单体电池；未反应燃料出口，位于电堆的第一端，未反应燃料出口被构造成将未反应的燃料从电 堆排出；氧化剂进口，连接到氧化剂供给装置，氧化剂进口被构造成将氧化剂从氧化剂供给装 置传送到单体电池；未反应氧化剂出口，被构造成将未反应的氧化剂从电堆排出，其中，燃料进口、未反应 燃料出口、氧化剂进口和未反应氧化剂出口形成在电堆的第一侧处；燃料旁路通路，连接到燃料进口，燃料旁路通路被构造成将燃料从电堆的所述第一端 旁路到电堆的第二端；燃料分配通路，在电堆的所述第二端处连接到燃料旁路通路，并被构造成将燃料分配 到所述多个单体电池中的每个单体电池；未反应燃料引导通路，连接在燃料分配通路和未反应燃料出口之间，未反应燃料通路 被构造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。
25.根据权利要求24所述的电堆，其中，所述电堆还包括氧化剂旁路通路，连接到氧化剂进口，氧化剂旁路通路被构造成将氧化剂从电堆的所 述第一端旁路到电堆的所述第二端；氧化剂分配通路，在电堆的第二端处连接到氧化剂旁路通路，氧化剂分配通路被构造 成将氧化剂分配到所述多个单体电池中的每个单体电池；未反应氧化剂引导通路，连接在氧化剂分配通路和未反应氧化剂出口之间，未反应氧 化剂引导通路被构造成将未反应的氧化剂引导到未反应氧化剂出口。
26.根据权利要求25所述的电堆，其中，燃料旁路通路通过将隔板的延伸超过膜电极 组件的部分中的燃料旁路孔相连通来形成，氧化剂旁路通路通过将隔板的延伸超过膜电极 组件的部分中的氧化剂旁路孔相连通来形成。
27.根据权利要求25所述的电堆，其中，燃料分配通路通过将隔板的延伸超过膜电极组件的部分中的燃料供给孔相连通来形成，燃料供给孔连接到隔板中的燃料通路的第一侧，未反应燃料引导通路通过将隔板的延伸超过膜电极组件的部分中的燃料出口孔相连 通来形成，燃料出口孔连接到隔板中的燃料通路的第二侧。
28.根据权利要求25所述的电堆，其中，氧化剂分配通路通过将隔板的延伸超过膜电极组件的部分中的氧化剂供给孔相连通 来形成，氧化剂供给孔连接到隔板中的氧化剂通路的第一侧，未反应氧化剂引导通路通过隔板的延伸超过膜电极组件的部分中的氧化剂出口孔相连通来形成，氧化剂出口孔连接到隔板中的氧化剂通路的第二侧。
29.根据权利要求25所述的电堆，其中，氧化剂旁路通路和氧化剂分配通路通过第二 连通槽相连接，第二连通槽形成在所述多个单体电池的位于电堆的所述第二端处的最外面 的单体电池中的端板、绝缘体、集流板和隔板中的至少一个中。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池系统及其电堆。所述燃料电池系统包括燃料供给装置、氧化剂供给装置和电堆。电堆包括多个单体电池，每个单体电池包括隔板和设置在隔板之间的膜电极组件(MEA)；燃料进口，被构造成将燃料引入到单体电池；未反应燃料出口，被构造成将未反应的燃料从电堆排出；燃料旁路通路；燃料分配通路，被构造成将燃料分配到每个单体电池；未反应燃料引导通路，被构造成将未反应的燃料引导到未反应燃料出口。
文档编号H01M8/04GK101931089SQ20101020733
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月18日 优先权日2009年6月25日
发明者安圣镇, 徐晙源, 朴俊泳, 李致承, 李辰华 申请人:三星Sdi株式会社