具有改进的冷却结构的燃料电池堆体 【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池系统，特别涉及一种具有改进的冷却结构的堆体和具有该堆体的燃料电池系统。
背景技术
通常，燃料电池是一种产生电力的系统，通过空气中的氧与碳氢化合物燃料例如甲醇、乙醇或天然气中包含的氢发生的电化学反应，直接把化学反应能转化为电能。
最近开发出的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有优异的输出特性、低工作温度和快速启动和反应特性。一个基本的PEMFC包括一个堆体、一个燃料箱和一个将燃料从燃料箱供应到堆体的燃料泵。堆体是燃料电池的主体。PEMFC可以进一步包括一个重整器，用于重整碳氢化合物燃料以产生供应给堆体的氢。
在PEMFC工作时，储存在燃料箱中地燃料被燃料泵供应给重整器。重整器重整燃料并产生氢。堆体通过氢与氧之间的电化学反应产生电能。作为此过程的副产品，热也产生了。
在上述燃料电池系统中，产生电能的堆体是由几个到几十个单元电池组成的，每一个都具有一个膜电极组件(MEA)和一个隔板。该领域中也将隔板称为双极板。
MEA具有附配在电解质膜的两个表面上的一个阳极和一个阴极。隔板作为通路，通过其将燃料电池反应所用的氢和氧供应给电解质膜上的阳极和阴极。此外，隔板还作为导体，串联连接MEA的阳极和阴极。
通过隔板，含氢燃料被供应到阳极，且氧或含氧空气被供应到阴极。在此过程中，在阳极发生燃料的电化学氧化，且在阴极发生氧气的电化学还原，引起电子的流动。从该电子流中可以获得电、热和水。
堆体必须保持在适当的工作温度以保证电解质膜的稳定性，和阻止该电解质膜性能的损害。因此，堆体具有冷却管道。低温冷却剂例如水或空气通过冷却管道流动，可以冷却发热的堆体。冷却依赖于冷却管道与每个单元电池的MEA能够有多少接触，以及通过传导能够带走多少热量。用单元电池每单位面积上的冷却管道的接触面积来衡量冷却管道与单元电池之间的接触。
在传统的燃料电池系统中，在堆体中单元电池的中心区域和边缘区域存在温度差，因为边缘区域可以被邻近的空气冷却。然而，单元电池每单位面积上的冷却管道的接触面积对单元电池的不同区域都保持相同。因为冷却系统不能考虑单元电池不同区域之间的温度差，所以堆体的冷却效率降低，且堆体性能恶化。
【发明内容】
本发明的实施例提供了一种燃料电池堆体，其具有能够改善堆体的冷却效率和性能的冷却管道的提高的结构。
在本发明的一个实施例中，一个燃料电池堆体包括至少一个通过氢和氧之间的电化学反应产生电能的发电体。发电体包括一个MEA、位于MEA两侧面的隔板和沿MEA的预定方向安置的冷却管道，其中冷却剂通过冷却管道流动，且其中沿与预定方向垂直的方向以不同的分布密度提供冷却管道。
在本发明的变化中，冷却管道的分布密度可以从MEA的边缘区域到中心区域提高。
此外，冷却管道可以关于MEA的中心线对称分布。冷却管道可以由肋和凹槽构成。根据一个实施例，凹槽可以具有固定宽度而肋具有至少两个不同宽度。肋的宽度可以从MEA的边缘区域向中心区域逐渐减小。根据另一实施例，肋可以具有固定宽度而凹槽具有至少两个不同宽度。凹槽的宽度可以从MEA的边缘区域向中心区域逐渐减小。冷却管道可以具有直线形状。冷却管道可以具有曲线形状，其中冷却管道的曲线曲率从MEA的中心区域向边缘区域逐渐增加。堆体可以包括多个发电体，其中通过组合相对的隔板形成冷却管道。堆体可以包括多个发电体，其中在位于发电体之间的冷却板内形成冷却管道。
根据本发明的实施例，冷却剂与同样生热的发电体的接触面积在堆体的不同区域，根据堆体区与冷却剂区的温度差而变化，通过增加在热没有机会消散进空气中的堆体中心区域内冷却剂与发电体的接触面积，可以改善堆体的冷却效率和性能。
【附图说明】
图1是示出根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意性方框图。
图2是示出根据本发明的第一实施例的堆体的分解透视图。
图3是根据本发明的第一实施例的冷却管道的平面图。
图4是根据本发明的第一实施例的第一改进例的冷却管道的平面图。
图5A和5B是根据本发明的第一实施例的第二改进例的冷却管道的平面图。
图6是示出根据本发明的第二实施例的堆体的分解透视图。
【具体实施方式】
图1是示出根据本发明的两个实施例的燃料电池系统100的示意性方框图。燃料电池系统100可以采用一个PEMFC用来产生氢，并用来使用所述的氢，通过氢和氧之间的电化学反应而产生电能。
燃料电池系统100所采用的燃料可以包括液体或气体的含氢燃料例如甲醇、乙醇或天然气。为描述方便起见，下面描述中采用的燃料是液体燃料。此外，为了与燃料中所含的氢发生氧化反应，燃料电池系统100可以使用储存在附加的存储设备中的纯氧或可以使用来自空气中的氧。在下面各个实施例的描述中，使用的是空气中的氧。
本发明的燃料电池系统100包括一个用于重整含氢燃料以产生氢的重整器18、一个通过氢和氧之间的电化学反应产生电能的堆体16、一个将燃料供应给重整器18的燃料供应单元10、和一个将空气供应给堆体16的空气供应单元12。
燃料电池系统100也可以采用一个直接氧化燃料电池方案，通过直接向堆体16供应含氢液体燃料产生电能。与PEMFC不同的是，直接氧化燃料电池具有一个除去了图1中所示的重整器18的结构。在下面的描述中，采用PEMFC方案的燃料电池系统100作为例子，但本发明并非如此受限，而可以包括相似的方案。
所述堆体16被耦合到重整器18及氧供应单元12。所述堆体16分别接收来自重整器18的重整化的气体和氧供应单元12的空气，并通过氢和包含在空气中的氧之间的电化学反应产生电能。
燃料供应单元10包括一个存储燃料的燃料箱22，和一个耦合到燃料箱22以将存储在燃料箱中的燃料输出到重整器18的燃料泵24。
重整器18具有一个通用容器，其利用热能，通过化学催化反应从燃料产生重整化气体，并减少包含在重整化气体中的一氧化碳的浓度。重整器18通过催化反应，例如蒸汽重整反应、部分氧化反应、或者自动热反应从燃料产生重整化气体。此外，所述重整器通过催化反应例如水煤气转换(WGS)或优先氧化(PROX)，或者通过采用分离膜的氢纯化来减少重整化气体中一氧化碳的浓度。
图2是示出根据本发明的第一实施例的堆体的分解透视图。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，其中隔板34、34’被安置得与MEA32的两个侧面紧密接触。本领域中也称隔板为“双极板”。通过依次堆叠多个发电体30而构成所述堆体16。
在MEA12的一个侧面上形成一个阳极，并在MEA12的另一个侧面形成一个阴极。MEA12在阳极和阴极之间具有一个电解质膜。阳极通过隔板34接收重整化气体。该阳极由将重整化气体分解为电子和氢离子的催化剂层和促进电子和重整化气体运动的气体扩散层构成。阴极通过隔板34’接收空气。该阴极由催化剂层构成，该催化剂层用于电子、氢离子和包含在空气中产生水的氧之间的反应。阴极还包括一个促进氧流动的气体扩散层。
电解质膜由50μm到200μm厚的固体聚合物电解质制成。该电解质膜具有将阳极催化剂层产生的氢离子移动到阴极催化剂层的离子交换功能。
紧贴近MEA32安置的隔板34、34’将来自重整器18的重整化气体和由空气泵26供应的空气供应给MEA32、阳极和阴极。此外，隔板34、34’还用作串联连接阳极和阴极的导体。
在燃料电池系统100工作期间，通过还原反应从发电体30产生热能。因为热能使MEA32干燥，所以热能是损害所述堆体性能的一个因素。因此，本发明的燃料电池系统100具有一个制冷结构，用于在堆体16中循环冷却剂以冷却加热的发电体30。
燃料电池系统100包括一个供应冷却剂到堆体16内部的冷却剂供应单元14(图1)。堆体16包括供给发电体30的冷却管道36，允许冷却剂供应单元14所提供的冷却剂流过发电体30。
冷却剂供应单元14包括一个冷却剂泵28，以预定泵压抽取并供应冷却剂。该冷却剂泵28与堆体16的冷却管道36耦合，以将冷却剂供应给发电体30。在本发明中，所述冷却剂可以是冷却水或冷却气体。在所述的实施例中，用空气作为冷却剂，因为空气容易获得，且大气的温度通常比运行中的堆体16的内部温度低。
具有冷却剂泵28的冷却剂供应单元14用于将冷却剂强制供应给堆体16。作为另一种选择，没有任何冷却剂供应单元14时，可以通过自然的对流将冷却空气供应给冷却管道36。
冷却管道36中的每一个都是冷却剂的一个流通管道，由冷却剂供应单元14供应给发电体30以冷却热的发电体30。冷却管道36可以具有各种形状，而且可以位于堆体16的各种位置。在图2所示的堆体16中，冷却管道36是在隔板34、34’中形成的。
冷却管道36是通过组合位于隔板34的一个表面上的一个管道36a和位于相对的隔板34’的一个表面上的另一个管道36b而形成的。MEA32被附于所述组合的隔板34、34’的一个形成冷却管道的侧面上，使得所述MEA32的整个表面，包括有效区32a和无效区32b，都能被冷却。
在所示的实施例中，多个冷却管道36被安置在隔板34、34’的不同间隙中，沿MEA32的一个侧面即例如图2中的Y方向延伸。冷却管道36由凹槽36a、36b和位于凹槽36a、36b之间的肋36c、36d构成。
图3是在隔板34、34’之一中的冷却管道36的平面图。沿隔板34的垂直方向(图中的Y方向)彼此平行地安置多个冷却管道36。沿垂直于冷却管道36的方向(图中的X方向)上，冷却管道36的分布密度不同。在所示实施例中，从MEA32或隔板34的边缘区到中心区，冷却管道36的分布密度增加。
冷却管道36由具有固定宽度w1的凹槽36a和具有至少两个不同宽度的肋36c构成。图3中示出的实施例包括五个不同的肋宽度w2、w3、w4、w5和w6。肋36c的宽度在从MEA32的边缘区到中心区的方向上逐渐减小，因此w2＜w3＜w4＜w5＜w6。
在图3中示出的实施例中，冷却管道36是直线。在冷却管道36的一端，形成了一个入口，冷却剂供应单元14供应的冷却剂通过该入口注入。在冷却管道36的另一端，形成了一个出口，冷却剂通过该出口从冷却管道36中排出。
通过组合两个隔板34、34’而形成冷却管道36。在隔板34、34’的一端形成凹槽，该凹槽形成用于注入冷却剂的入口。且在隔板34、34’的另一端形成凹槽，该凹槽形成用于排出冷却剂的出口。将两个隔板34、34’组合在一起，在两个隔板34、34’之间凹槽相接处形成管道。
冷却管道36不局限于上述布局。例如，冷却管道36可以具有这样的形状，其中在隔板34、34’上以任意间隙安置直线，且直线的末端交替地彼此耦合，在一个入口和一个出口之间形成一个连续的通路。在此例中，可以分别在第一条和最后一条直线的末端形成冷却管道36的入口和出口。
此外，在所示实施例中，虽然冷却管道36是彼此平行安置且沿隔板34的垂直方向延伸的，但作为另一种选择，冷却管道可以沿隔板的水平方向延伸。
通过调整肋36c之间的距离，冷却管道36可以在隔板34、34’的中心区具有较高密度而在隔板34、34’的边缘区具有较低密度。在堆体16中发电体30的中心区和边缘区存在温度差，且中心区通常要求更多的冷却。边缘区可能更冷因为其被围绕于堆体16的空气所冷却。为了有效地冷却堆体16，将温度差纳入考虑。
下面描述了燃料电池系统100的运行。在堆体16产生电能的过程中，从发电体30也产生了热能。此热能传送给发电体30的隔板34、34’。堆体16的边缘区被围绕于堆体16的空气所冷却。结果，在堆体的中心区和边缘区形成温度差。
冷却剂从冷却剂供应单元14供应给冷却管道36。沿冷却管道36流动的冷却剂冷却热的隔板34、34’。因为冷却管道36在隔板34、34’的不同区域以不同的密度分布，所以冷却剂与隔板34、34’之间的接触面积不同。在隔板34、34’中心区域中沿冷却管道36流动的冷却剂与隔板34、34’之间具有更大的接触面积。且在隔板34、34’边缘区域中沿冷却管道36流动的冷却剂与隔板34、34’之间具有更小的接触面积。
因此，堆体16中，在有更多热能积聚的隔板34、34’的中心区，产生热能的发电体30的中心区与沿冷却管道36流动的冷却剂之间的热交换更大。在有较少热能积聚的隔板34、34’的边缘区，产生热能的发电体30的边缘区与沿冷却管道36流动的冷却剂之间的热交换更小。结果，根据发电体30的不同区域的温度特性，堆体16可以得到冷却。
图4是根据本发明的第一实施例的第一改进例的冷却管道36A的平面图。与图3中所示的冷却管道36不同，冷却管道36A由具有固定宽度w7的肋36c’和具有不同宽度w8、w9、w10和w11的凹槽36a’构成。
在图4所示的第一改进例中，冷却管道36A的凹槽36a’的宽度在隔板34A的中心区比在隔板34A的边缘区大。因此，隔板34A每单位面积冷却剂的接触面积从中心区向边缘区减小。
第一改进例中的冷却管道36A的构成与第一实施例中的冷却管道36相似，且运行也相似。因此，省略了第一改进例详细的构成和运行。
图5A和5B是根据本发明的第一实施例的第二改进例的冷却管道36B的平面图。与第一实施例中的冷却管道36及第一实施例的第一改进例中的冷却管道36A相似，冷却管道36B由凹槽36a”和肋36b”构成。然而，与前面直线型的冷却管道36、36A不同，第二改进例中的冷却管道36B是曲线。形成冷却管道36B的曲线的曲率在从隔板34B的中心区向边缘区方向上逐渐增加。换言之，在隔板34B中心区中或靠近隔板34B中心区的冷却管道36B几乎是直的，而在边缘区中或靠近边缘区的冷却管道36B具有最高的曲率。
图5A中所示的冷却管道36B是关于隔板34B的中心线凸出的。图5B中所示的冷却管道36B是关于隔板34B的中心线凹进的。
在第二改进例中，冷却管道36B的形状是变化的，允许冷却管道36B的分布密度依照隔板34B的区域而变化。此结构进一步提高了堆体16的冷却效率。
图6是示出根据本发明的第二实施例的堆体16’的分解透视图。与图2中所示的第一实施例的堆体16相比，图6所示的堆体16进一步包括冷却板38。冷却板38插入在相邻的发电体30’之间，且更具体地，在两个相邻发电体30’的隔板37和37’之间。冷却板38起热释放板的作用，用于将发电体30’运行期间从隔板37和37’传送来的热能释放。
因为冷却板38冷却整个MEA32’，所以改善了冷却效率。冷却板38可以由导热材料例如铝、铜、铁和这些元素的任何合金制成。
多个冷却管道36’形成于冷却板38内，且沿冷却板38的一个侧边例如图6中的X方向延伸。第二实施例中的冷却管道36’接收来自图1所示的冷却剂供应单元14的冷却剂，并冷却堆体16’。这些冷却管道36’与先前论述过的冷却管道36、36A、36B的运行相似。因此，省略了结构和运行的详细描述。
本发明不局限于所述的示范性实施例，而是可以在不脱离所述具体描述、附图、权利要求及其等同物的范围的情况下可以以各种形式进行修改。