專利名稱：燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更具體地，涉及一種能夠使燃料在其內(nèi)均勻流 動的燃4^電池堆。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種電力發(fā)生系統(tǒng)，其通過將包含在諸如甲醇、乙醇、以及天 然氣等的烴基材料中的氫和氧進行電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能。根據(jù)所使用的電解 質(zhì)的種類，燃料電池可分為磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物 燃料電池、聚合物電解質(zhì)燃料電池、以及堿燃料電池等。這些燃料電池基本上 基于相同的原理工作，但在所使用的燃料的種類、工作溫度、所使用的催化劑 的種類、以及所使用的電解質(zhì)的種類等方面不同。
聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)與其它類型的燃料電池相比具有較高 的輸出特性、較低的工作溫度、快速起動和響應(yīng)特性。因此，PEMFC的優(yōu)點在 于能夠廣泛應(yīng)用于電源，例如便攜式電子設(shè)備的電源、汽車電源、或在房屋和 公共建筑物中使用的固定式電力設(shè)備等。向堆直接供應(yīng)液相燃料的直接曱醇燃 料電池(DMFC)并不像聚合物電解質(zhì)膜燃料電池一樣使用重整器從燃料中獲 得氫，因此其在小型化方面具有更多的優(yōu)點。
聚合物電解質(zhì)膜燃料電池和直接曱醇燃料電池包括，例如，堆、燃料罐等。 堆通常具有如下結(jié)構(gòu)，由膜電才及組件(MEA)和隔板形成的單元燃料電池(在下文中稱之為電池)被堆疊成幾個到幾十個的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，燃料電池
制堆疊的電池的數(shù)量，從而能夠在堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池中容易地獲得所需的電 壓。
根據(jù)燃料入口、燃料出口、氧化劑入口和氧化劑出口的布置，燃料電池堆
可分為z型堆和u型堆。例如，z型堆表示燃料入口和燃料出口位于彼此相對 的表面上的結(jié)構(gòu)。而氧化劑入口和氧化劑出口按照類似的方式位于彼此相對的
表面上。u型堆表示燃料入口和燃料出口位于同一表面上，而氧化劑入口和氧
化劑出口也按照類似的方式位于同一表面上的結(jié)構(gòu)。在u型堆的情況下，燃料 入口和氧化劑入口可共同位于同一表面上，或者位于彼此相對的表面或不同表 面上。
缺點在于，燃料入口和燃料出口位于彼此相對的兩側(cè)，因此堆的體積增大。相 反，燃料入口和燃料出口位于一個面上的u型堆具有的優(yōu)點在于，堆的體積相 比z型堆的體積更小。
然而，在u型堆的情況下，燃料通過堆的燃料入口被供應(yīng)在第一燃料歧管
內(nèi)，然后一皮分到各個電池中以在電池中流動。隨后，未反應(yīng)的燃料和副產(chǎn)品/人 各個電池被共同排放到第二燃料歧管的內(nèi)部，從而通過燃料出口流至堆的外部。 此時，燃料入口和燃料出口位于同一表面上使得燃料流彼此不同。換句話說， 到靠近燃料入口的電池的燃料流動路徑的長度，不同于到遠(yuǎn)離燃料入口的電池 的燃料流動路徑的長度。燃料流動路徑的長度的不同導(dǎo)致各個電池之間產(chǎn)生壓 力差，由此使得供應(yīng)至各個電池的燃料的量不同。
當(dāng)上述現(xiàn)象發(fā)生時，燃料壓力低的電池中的電能產(chǎn)生變得不穩(wěn)定。電池之 間電能產(chǎn)生的偏差造成堆的總體性能不穩(wěn)定的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池堆，其能夠改進供應(yīng)至該堆內(nèi)的電池的燃料和/或氧化劑的供應(yīng)的均勻性，而同時最小化堆在系統(tǒng)中所占有的體積。
本發(fā)明的一些實施例包括一種燃料電池堆結(jié)構(gòu)，其被構(gòu)造為向U型堆中的 每一個燃料電池供應(yīng)燃料。該燃料電池堆結(jié)構(gòu)包括向該燃料電池堆中的燃料電 池供應(yīng)燃料和氧化劑的歧管以及插在每一個歧管中的擋板(通道)。在擋板的總 長度的大約六分之一處存在有擋板的橫截面過渡區(qū)，從而將擋板分成兩部分。 擋板的第一部分和第二部分的橫截面具有變化的橫截面，第一部分和第二部分 的橫截面有差別地變化。
本發(fā)明的一個實施例提供了一種燃料電池堆包括堆，包括設(shè)置在堆主 體中的多個燃料電池；燃料歧管，位于所述堆主體中并與所述多個燃料電池 流體相連；氧化劑歧管，位于所述堆主體中并與所述多個燃料電池流體相連； 以及擋板，設(shè)置在所述燃料歧管中，并包括縱向凹部，該縱向凹部的橫截面 沿一個方向減小。
在本發(fā)明的實施例中，所述擋板包括縱向凹部，其被構(gòu)造為提供與所述 多個燃料電池的流體連通。所述擋板進一步由非電傳導(dǎo)材料或耐酸材料形 成。特別地，所述擋板由聚合物形成。
所述縱向凹部包括第一凹部部分和第二凹部部分，其中，第一凹部部分設(shè) 置為接近所述燃料歧管的入口 ，且橫截面面積大于遠(yuǎn)離入口的所述第二凹部部 分的橫截面面積。所述縱向凹部進一步包括，第一凹部部分的橫截面面積為燃 料歧管的橫截面面積的約90%至約70% ，第二凹部部分的橫截面面積為燃料歧 管的橫截面面積的約70%至約50%。所述凹部仍進一步包括，第一凹部部分的 長度與第二凹部部分的長度之間的比為約1比5。第一凹部部分的一黃截面面積 和第二凹部部分的橫截面面積有差別地減小或變化。在本發(fā)明的一個實施例中，
燃料歧管的橫截面沿燃料歧管的延伸基本上相同。
在本發(fā)明的實施例中，所述燃料歧管包括，用于供應(yīng)燃料的第一燃料歧管 部分和用于排放從電池排放出的未反應(yīng)燃料和副產(chǎn)品的第二燃料歧管部分。所 述燃料歧管進一步包括，設(shè)置在第一燃料歧管部分中的第一擋板部分和設(shè)置在 第二燃料歧管部分中的第二擋板部分。在本發(fā)明的另一實施例中，氧化劑歧管包括，用于供應(yīng)氧化劑的第一氧化劑歧管部分和用于排放從電池排放出的未反 應(yīng)的氧化劑和副產(chǎn)品的第二氧化劑歧管部分。所述氧化劑歧管進一步包括，設(shè) 置在第一氧化劑歧管部分中的第三擋板部分，和設(shè)置在第二氧化劑歧管部分中 的第四擋板部分。
在本發(fā)明的實施例中，所述燃料電池使用包括氣相燃料、液相燃料及其組 合物中任一種的燃料。所述燃料可進一步包括氬氣、曱醇和乙醇中的至少一種。 在本發(fā)明的又一實施例中，所述電池包括膜電極組件和隔板，其中，所述隔板 包括燃料流場和氧化劑流場中的至少一個。此外，所述電池進一步包括電解質(zhì) 膜、設(shè)置在所述電解質(zhì)膜的第一側(cè)面上的陽極催化劑、以及設(shè)置在電解質(zhì)膜的 第二側(cè)上的陰極催化劑。


本發(fā)明的這些和/或其它實施例和特征根據(jù)下述結(jié)合附圖的特定示例性實 施例的描述將變得明顯和更易于理解，其中，
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池堆的立體圖； 圖2是安裝在圖1的燃料電池堆上的擋板的立體圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的擋板的立體圖； 圖4A是圖3的擋板的第一側(cè)視圖； 圖4B是圖3的擋板的第二側(cè)視圖5A至圖5C是顯示本發(fā)明的燃料電池堆的性能的試驗結(jié)果的圖表；以及 圖6A至圖6C是顯示比較實例的燃料電池堆的性能的試驗結(jié)果的圖表。
具體實施例方式
在下文中，根據(jù)本發(fā)明的特定示例性實施例將參考附圖進行描述。在此， 對本發(fā)明的完整理解非必要的部件為了清楚而被省略。此外，相同的附圖標(biāo)記 始終表示相同的部件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池堆的立體圖。參見圖1,本實施例的燃料電池堆包括具有由多個電池形成的堆結(jié)構(gòu)的堆主體10。堆主體10可包 括用于形成均勻夾緊壓力的一對端板lla和llb。
所述電池包括板狀的膜電極組件；具有用于向膜電極組件供應(yīng)燃料的燃 料流場的隔板；和具有用于向膜電極組件供應(yīng)氧化劑的氧化劑流場的隔板。所 述隔板可形成為下述結(jié)構(gòu)，燃料流場和氧化劑流場被提供在所述隔板的兩個表 面上。膜電極組件包括聚合物電解質(zhì)膜、位于該電解質(zhì)膜的一個表面上的陽極 催化劑、以及位于該電解質(zhì)膜的另一表面上的陰極催化劑。聚合物電解質(zhì)膜是 使用在燃料電池中的電解質(zhì)的一個示例，而本發(fā)明并不限于此。陽極催化劑和
極組件可進一步具有適于燃料、氧化劑和反應(yīng)副產(chǎn)品的平滑流動的擴散層或支 撐層。
堆主體IO具有U型堆結(jié)構(gòu)。U型堆結(jié)構(gòu)表示的結(jié)構(gòu)為，燃料入口 16a和燃 料出口 16b如圖1所示被設(shè)置在堆主體10的同一表面上。在本實施例中，氧化 劑入口 18a和氧化劑出口 18b被共同設(shè)置在堆主體10的上表面上。然而，氧化 劑入口 18a和氧化劑出口 18b可被單獨或共同設(shè)置在至少任一個表面上。
在U型堆主體10中，穿過堆主體10內(nèi)的每個電池的燃料流動路徑的長度 彼此不同。因此，可能出現(xiàn)供應(yīng)至堆主體10內(nèi)的每一個電池的燃料的壓力差。 此外，每個電池的燃料壓力差導(dǎo)致電池之間的性能不同，因此有可能由于每個 電池的性能偏差而降低燃料電池堆的總體性能。然而，本發(fā)明的特點在于簡單 地增加一簡單結(jié)構(gòu)的部件，擋板，其被構(gòu)造為通過簡單控制堆主體10內(nèi)的燃料 壓力差而向每個電池均勻地供應(yīng)燃料。
燃料電池堆的各個電池的陽極和陰極的反應(yīng)式如下。反應(yīng)式1表示利用甲 醇溶液作為燃料的情況，而反應(yīng)式2表示利用含氫氣體重整丁烷作為燃料的情 況。在下述反應(yīng)式l中，E。表示理^r電動勢。 [反應(yīng)式1]
P日極CH3OH + H20 — C02 + 6H+ + 6e-
陰極1.5。2 + 6H+ + 6e- — 3H20總體3CH3OH+ 1.502 —C02 + 2H20,E。 = 1.18V [反應(yīng)式2]
重整器n-C4H1() + 8H20 —4C02+13H2
陽極H2 —2H+ + 2e-
陰極0.5O2 + 2H+ + 2e- — H20
總體H2 + 0.5O2 —H20 如反應(yīng)式1和反應(yīng)式2所示，除了諸如曱醇溶液的液相燃料外，本發(fā)明的 燃料電池堆還可使用氣相燃料，例如通過重整諸如丁烷、乙醇、NaBH4液體等 燃料獲得的氫，或純凈的氫氣。此外，本發(fā)明的燃料電池堆可使用空氣和純凈 的氫等作為氧化劑。
圖2示出設(shè)置在圖1的燃料電池堆內(nèi)的擋板的立體圖。參照圖2,在U型 燃料電池堆中，靠近燃料入口和燃料出口的電池(在下文中稱之為第一電池) 和遠(yuǎn)離燃料入口和燃料出口的電池(在下文中稱之為第二電池)具有不p的燃
料流動鴻4圣長度。在本實施例中，第一電池包括膜電極組件12a和位于該膜電 極組件的上下表面上的隔板14。第二電池包括膜電極組件12b和位于該膜電極 組件的上下表面上的隔板14。如圖2所示，當(dāng)燃料通過同一燃料歧管供應(yīng)至第 一電池和第二電池時，第一電池的/人燃料入口至燃料出口的燃料流動^各徑Fl 比第二電池的燃料流動路徑F2短。因此，第一電池和第二電池具有不同的燃料 壓力。
燃料歧管包括設(shè)置在燃料入口側(cè)的第一燃料歧管部分和設(shè)置在燃料出口側(cè) 的第二燃料歧管部分。擋板20包括設(shè)置在第一燃料歧管部分內(nèi)的第一擋板部分 和設(shè)置在第二燃料歧管部分內(nèi)的第二擋板部分。擋板20還可進一步包括設(shè)置在 第 一氧化劑歧管部分內(nèi)的第三擋板部分和設(shè)置在第二氧化劑歧管部分內(nèi)的第四 擋板部分。擋板20還可包括形成在擋板一側(cè)的凹部，其被構(gòu)造為提供凹部與堆 中的電池之間的流體連通。擋板20還可包括嵌在或被包圍在擋板內(nèi)的通道，其 具有沿?fù)醢逡粋?cè)的開口 ，該開口被構(gòu)造為向凹部與堆中的電池之間才是供流體連通。
實際上，u型燃料電池堆中的各個電池的燃料壓力差可能根據(jù)燃料量、隔
板的燃料流場的結(jié)構(gòu)、以及歧管與堆相比的尺寸中的至少一個而不同。因此， 下述實施例將假設(shè)第二電池被供應(yīng)了預(yù)定燃料流量的情況。根據(jù)這種假設(shè)，預(yù) 定的燃料流量被供應(yīng)至具有預(yù)定橫截面的歧管，并且與此同時，盡管第二電池 的輸出電壓顯示出穩(wěn)定狀態(tài)，但第一電池的輸出電壓可能顯示出不穩(wěn)定狀態(tài)。
然而，如果使用本發(fā)明的擋板20，第一電池以及第二電池可顯示出穩(wěn)定狀態(tài)的 豐俞出電壓。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的擋板的立體圖。圖4A是圖3中的擋板的第一側(cè)的視 圖，且圖4B是圖3中的擋板的第二側(cè)的視圖。參見圖3、圖4A和圖4B,擋板 20包括位于堆主體的燃料入口側(cè)的第一端20a和朝向另一側(cè)的第二端20d。擋 板20還包括沿縱向形成的凹部22。凹部22作為流動通路將經(jīng)過燃料入口到達(dá) 燃料電池的燃料進行流體連通，并且作為流動通路與燃料電池進行流體連通用 于將未反應(yīng)的燃料和副產(chǎn)品從電池排放到堆的外部。上述凹部22可被分為位于 一端的第一凹部部分22a和位于另 一端的第二凹部部分22b。
擋板20被設(shè)置在堆主體的燃料歧管內(nèi)。在此，燃料歧管的橫截面恒定。此 外，堆主體#^1設(shè)具有其中堆疊有三十個電池的結(jié)構(gòu)。由三十個電池堆疊的堆 主體具有下述結(jié)構(gòu)，28個電池祐:設(shè)置在最靠近或最接近燃料入口和燃料出口的 第一電池(在下文中稱之為第一電池或電池1)與距燃料入口和燃料出口最遠(yuǎn) 或最遠(yuǎn)端的第二電池(在下文中稱之為第三十個電池或電池30)之間。
為了向第一電池到第三十個電池均勻地供應(yīng)燃料，擋板20的凹部22的橫 截面從鄰近第一電池的部分至鄰近第三十個電池的部分逐漸減小。換句話說， 第一凹部部分22a的尺寸大于第二凹部部分22b的尺寸。例如，當(dāng)?shù)谝话疾坎?分22a的橫截面面積為燃料歧管橫截面面積的約90%至約70%時，第二凹部部 分22b的橫截面面積為燃料歧管橫截面面積的約70 %至約50 % 。在上述情況下， 位于燃料入口和燃料出口的第一凹部部分22a的壓力差增大，從而有可能平滑 地將燃料從第一電池供應(yīng)至第五個電池。此外，第一凹部部分的長度與第二凹部部分的長度之間的比為約1比5。在這種情況下，第一凹部部分22a的橫截 面和第二凹部部分22b的橫截面有差別地變化。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，燃料流動壓力 在第五個電池和第六個電池之間改變，使第二凹部部分22b的減少的坡度平滑， 避免在第三十個區(qū)域中產(chǎn)生燃料供應(yīng)不足的現(xiàn)象。
擋板20由具有非電傳導(dǎo)性以避免與電池進行電傳導(dǎo)，以及具有耐酸性避免 與燃料反應(yīng)的材料形成。例如，擋板可由聚合物，至少一種的ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、 PEFE (聚四氟乙烯)、和PE (聚乙烯)形成。
圖5A至圖5C是顯示本發(fā)明燃料電池堆的性能的試驗結(jié)果圖表。圖6A至 圖6C是顯示了作為比較的不同燃料電池堆的性能的試驗結(jié)果的圖表。在實施 例中，本發(fā)明的包括所述擋板的燃料電池堆和比較實例的不具有擋板的燃料電 池堆應(yīng)用于相同的^見才各和相同的負(fù)載。
參見圖5A,本發(fā)明的包括擋板的燃料電池堆在電流為19.5V時輸出的功率 約390W。同時，比較實例的燃料電池堆在輸出電流為19.5A時輸出的功率約 383W，如圖6A所示。參見圖5B，本發(fā)明的燃料電池堆在電壓為20V時輸出 的功率約400W。同時，比4交實例的燃料電池堆在電壓為20V時輸出的功率約 360W,如圖6B所示。參見圖5C，盡管本發(fā)明的燃料電池堆在19.5A的輸出電 流時顯示約10mV的標(biāo)準(zhǔn)STD電池電壓，^旦其顯示出堆中電池之間的標(biāo)準(zhǔn)電池 電壓偏差4交小。同時，盡管比4交實例的燃^l"電池堆在19.5A電流時顯示約llmV 的標(biāo)準(zhǔn)電池電壓，如圖6C所示，-f旦其顯示出堆結(jié)構(gòu)中的電池之間的標(biāo)準(zhǔn)電池 電壓偏差大于本發(fā)明的燃料電池堆的情況。
同時，上述實施例說明擋板的凹部從燃料入口和燃料出口沿?fù)醢宓目v向減
小的結(jié)構(gòu)。然而，明顯的是，這種說明與擋板自身的橫截面從燃料入口和燃料
出口沿?fù)醢宓目v向增大的結(jié)構(gòu)相同。盡管上述實施例集中于對安裝在燃料歧管
內(nèi)的擋板進行說明，明顯的是，本發(fā)明的擋板能安裝在氧化劑歧管內(nèi)，如圖2
所示。通過本發(fā)明，針對堆中的電池的燃料供應(yīng)和排放可以是均勻的，而不會
使燃料電池堆的制造過程和裝配過程復(fù)雜化。此外，為了在堆中實現(xiàn)均勻的燃
料供應(yīng)和排放，不必有差別地制造隔板的尺寸和歧管的尺寸，從而有可能降低其制造成本。
盡管本發(fā)明的示例性實施例已進行了顯示和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理 解，在不偏離由所附權(quán)利要求書及其等同設(shè)置限定的本發(fā)明的精神和范圍的情 況下，可對這些實施例進行變化。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池堆，包括堆，包括設(shè)置在堆主體中的多個燃料電池；燃料歧管，位于所述堆主體中與所述多個燃料電池流體相連；氧化劑歧管，位于所述堆主體中并與所述多個燃料電池流體相連；以及擋板，設(shè)置在所述燃料歧管中，并包括沿一個方向延伸的縱向凹部，該縱向凹部的橫截面沿縱向減小。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述燃料歧管的橫截面沿 所述燃料歧管的延伸相同。
3、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述擋板的所述縱向凹部 被構(gòu)造用于提供與所述多個燃料電池流體連通。
4、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述縱向凹部包括接近所 述燃料歧管的入口的第一凹部部分，其橫截面面積大于遠(yuǎn)離所述入口的第二 凹部部分的纟黃截面面積。
5、 如權(quán)利要求4所述的燃料電池堆，其中，所述第一凹部部分的橫截 面面積為所述燃料歧管的橫截面面積的90%至70%，所述第二凹部部分的 橫截面面積為所述燃料歧管的橫截面面積的70%至50%。
6、 如權(quán)利要求5所述的燃料電池堆，其中，所述第一凹部部分的長度 和所述第二凹部部分的長度的比為1: 5。
7、 如權(quán)利要求5所述的燃料電池堆，其中，所述第一凹部部分的橫截 面面積和第二凹部部分的橫截面面積有差別地減小。
8、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述擋板由非電傳導(dǎo)材料 或耐酸材料形成。
9、 如權(quán)利要求8所述的燃料電池堆，其中，所述擋板由聚合物形成。
10、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述燃料歧管包括 用于供應(yīng)燃料的第一燃料歧管部分；用于排放從所述燃料電池排放的未反應(yīng)的燃料和副產(chǎn)品的第二燃料歧管部分；設(shè)置在所述第一燃料歧管部分中的第一擋板部分；以及 設(shè)置在所述第二燃料歧管部分中的第二擋板部分。
11、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述氧化劑歧管包括 用于供應(yīng)氧化劑的第 一 氧化劑歧管部分；用于排放從所述燃料電池排放的未反應(yīng)的氧化劑和副產(chǎn)品的第二氧化 劑歧管部分；設(shè)置在所述第一氧化劑歧管部分中的第三擋板部分；以及 設(shè)置在所述第二氧化劑歧管部分中的第四擋板部分。
12、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述燃料電池使用包括氣 相燃料、液相燃料及其組合物中的任一種的燃料。
13、 如權(quán)利要求12所述的燃料電池堆，其中，所述燃料包括氫氣、甲 醇、以及乙醇中的至少一種。
14、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述燃料電池包括膜電極 組件和隔板，其中，所述隔板包括燃料流場和氧化劑流場中的至少一個。
15、 如權(quán)利要求14所述的燃料電池堆，其中，所述燃料電池包括電解 質(zhì)膜、設(shè)置在所述電解質(zhì)膜的第一側(cè)上的陽極催化劑、以及設(shè)置在所述電解 質(zhì)膜的第二側(cè)上的陰極催化劑。
16、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述燃料歧管的入口和出 口設(shè)置在同一表面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能夠使其內(nèi)的燃料流動均勻的燃料電池堆。本發(fā)明一實施例提供一種燃料電池堆，包括堆，其包括設(shè)置在堆主體中的多個燃料電池；位于該堆主體中并且與所述多個燃料電池流體相連的燃料歧管；位于該堆主體中并且與所述多個燃料電池流體相連的氧化劑歧管；以及設(shè)置在燃料歧管中包括縱向凹部的擋板，其中，該凹部的橫截面沿一個方向減小。
文檔編號H01M8/24GK101436674SQ20081016956
公開日2009年5月20日 申請日期2008年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者安圣鎮(zhèn), 宋珉圭, 李東旭, 李美營, 李致承, 申承湜 申請人:三星Sdi株式會社