专利名称：燃料电池装置和其中使用的电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池装置，尤其涉及燃料电池装置的电池组(stack)。
背景技术：
燃料电池是用于发电的装置。在燃料电池中，通过使用诸如甲醇、乙醇和天然气之类的碳氢化合物类材料与含氧空气中所包含的氧和氢之间的电化学反应，将化学能直接转换为电能。特别地，燃料电池装置的优点在于，可以同时利用通过氧和氢之间不经过任何燃烧过程的电化学反应产生的电能和作为其副产品产生的热。
根据电解质的类型，燃料电池可以分为具有150到200℃的工作温度范围的磷酸盐燃料电池(Celsius)、具有600到700℃的更高工作温度范围的熔融碳酸盐燃料电池、具有超过1000℃的更高工作温度范围的固体氧化物燃料电池、具有低于100℃或者室温的更低工作温度范围的聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)和碱性燃料电池，等等。这些不同类型的燃料电池基本上利用相同的原理工作，但是在燃料类型、工作温度、催化剂和电解质方面彼此不同。
最近开发的聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)与其它燃料电池相比，具有优异的输出特性、低工作温度和快速启动与反应特性。PEMFC可以广泛应用于运输工具使用的移动能源、家庭和建筑使用的分布式能源、电子装置使用的小型能源等等。
PEMFC基本上包括组成装置的电池组、重整器(reformer)、燃料箱和燃料泵。电池组形成燃料电池的主体。燃料泵将燃料箱的燃料提供给重整器。重整器重整燃料从而产生氢气，然后向电池组提供氢气。因此，PEMFC通过燃料泵的工作向重整器提供燃料箱的燃料，并且用重整器重整燃料以产生氢气。然后，电池组通过氢气和氧之间的电化学反应产生电能。
另一方面，可以采用直接甲醇燃料电池(DMFC)。DMFC可以通过直接向电池组提供含氢的液体燃料产生电能，而且与PEMFC相比可以没有重整器。
图7是图示在传统燃料电池装置的电池组中膜电极组件(MEA)装有隔板的状态的局部横截面图。
参考图7，在上述燃料电池装置中，主要产生电能的电池组构造成包括几个到几十个单元电池，该单元电池通过其两侧带有隔板(由双极板构成的)的膜电极组件(MEA)实现。在MEA中，阳极和阴极设置成彼此相对，阳极和阴极之间插入电解质层。而且，该隔板用作提供燃料电池反应所需的氢气和氧气的通道，还用作串连连接每个MEA的阳极和阴极的导体。
因此，通过隔板，向阳极提供氢气，向阴极提供氧或者空气。在该过程期间，在阳极中发生氢的氧化反应，在阴极中发生氧的还原反应，因此通过同时发生的电子移动产生电能、热和水。
在膜电极组件51的两侧都设置隔板53，从而形成提供氢气的氢通道55和提供含氧空气的空气通道57。通过氢通道55和空气通道57，隔板53具有肋结构，其中，相对于膜电极组件51交替布置紧密粘接部分59和空隙部分。紧密连接部分59主要通过一肋结构形成，在该肋结构中形成间隙部分61的沟槽被插入其间。
一般，当隔板53布置成MEA 51插入在其间时，由于氢通道55和空气通道57彼此垂直相交，所以在图7中，氢通道55的数目示出为一个，而空气通道57的数目示出为几个。
同时，燃料电池中的电池组可以提高燃料扩散能力，从而提高燃料电池装置的效率。在这种情况下，需要设计该结构，以保持燃料扩散所需的充足压力。这些设计要求中的一个是氢通道55和空气通道57的沟槽结构。
换句话说，隔板53的沟槽结构是影响燃料(即氢和空气)可以多么有效地扩散到膜电极组件51的气体扩散层、并且决定膜电极组件51中产生的电流的接触电阻的关键因素。
为了提高燃料电池装置的效率，优化膜电极组件51两侧上形成的沟槽结构很重要。沟槽结构基本上由沟槽宽度Wc与沟槽深度Dc的比Wc/Dc确定。但是，在现有技术中没有对隔板53的这种比值的要求。因此，这导致了对提高燃料电池效率的限制。
发明内容
本发明是为了解决上述和其它问题而作出的，本发明的目的是提供可以优化隔板和膜电极组件之间形成的沟槽的宽度与深度比值、从而提高燃料扩散效率并由此防止内部压力降低的燃料电池装置和其中使用的电池组。
本发明另一个目的是使燃料电池装置和电池组为形成在紧密粘接到膜电极组件的隔板上的通道选择特定的尺寸，从而提高燃料例如氢和空气的扩散能力，并且防止电池组中产生的压力下降，同时将电池组中产生的电流的接触电阻保持在预定范围内。
本发明另一个目的是提供一种容易实现、制造而且便宜的燃料电池装置和其中使用的电池组。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括用于提供燃料的一燃料供应单元；用于提供空气的一空气供应单元；和用于通过由燃料供应单元提供的氢和空气供应单元提供的氧之间的电化学反应产生电能的电池组，其中该电池组包括膜电极组件和设置在膜电极组件两侧上的隔板，而且其中每个隔板具有用于传送空气或者氢的通道，而且该通道宽度与深度的比值在从0.7到1.3的范围内。
所述隔板可以紧密地粘接到膜电极组件的两侧上，而且所述通道可以包括设置在膜电极组件的阳极侧的氢通道和设置在膜电极组件的阴极侧的空气通道。
所述氢通道可以相对于空气通道垂直相交。
所述通道可以包括用于传送水的第一区域和用于传送氢气或者空气的第二区域。
除了第一区域之外的所述第二区域可以形成为大致方形的。
根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池装置的电池组，该电池组用于通过从燃料供应单元提供的氢和从空气供应单元提供的氧之间的电化学反应产生电能，该电池组包括一膜电极组件和设置在膜电极组件两侧上的隔板，其中每个隔板具有用于传送氢或者空气的通道，而且该通道的宽度与深度的比值在从0.7到1.3的范围内。
当结合附图考虑时，本发明更完全的评价及其带来的许多优点将更显而易见，而且其通过参考详细的描述也将更加容易理解，在附图中，相同的附图标记表示相同或者相近的元件，其中图1是图示根据本发明的燃料电池装置的示意图；图2是图示根据本发明燃料电池装置的电池组的分解透视图；图3是图示当旋转根据本发明燃料的电池装置电池组中使用的一个隔板时的状态的分解透视图；图4是图示当根据本发明的膜电极组件和隔板安装在一起时的状态的局部横截面图；图5是图示根据本发明的隔板的放大横截面图；图6是图示根据本发明的隔板的沟槽比和相对功率密度之间关系的曲线图；和图7是图示在燃料电池装置的传统电池组中当膜电极组件和隔板安装在一起时的状态的局部横截面图。
具体实施例方式
现在将参考附图更加充分地说明本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。但是，本发明可以体现为不同的形式，而且不能看成是限制于这里给出的实施例；更确切地说，提供这些实施例，使得公开更加彻底和完全，而且将完全地转达本发明的观念给本领域技术人员。
图1是图示根据本发明的燃料电池装置的示意图。而且，图2是图示根据本发明燃料电池装置的电池组的分解透视图。
参考图1和2，根据本发明的燃料电池装置包括用于提供燃料(即，氢)的燃料供应单元1、重整器3、用于提供含氧空气的空气供应单元5以及用于通过分别由燃料供应单元1和空气供应单元5提供的氧和氢之间的电化学反应产生电能的电池组7。
燃料供应单元1包括燃料箱9和燃料泵11，以便通过燃料泵11的工作将燃料箱9中的液体燃料，例如甲醇、乙醇和天然气，提供给重整器3，并且将通过重整器3重整的氢气提供给电池组7的内部。
根据本发明的燃料电池装置可以是液体燃料直接提供给电池组7从而产生电能的DFMC类型的。DFMC装置与图1所示的PEMFC装置相比不需要重整器3。现在，为了方便，将通过以PEMFC型装置为例来进行说明。
该空气供应单元5包括空气泵13，从而给电池组7提供含氧空气。
电池组7接收来自燃料供应单元1和重整器3的氢气，并且接收来自空气供应单元5的氧。然后，接收的氢和氧发生电化学反应，产生电能，从而产生作为副产品的热和水。
根据本发明的电池组7包括多个发电单元19，该发电单元19用于促使外部空气和通过重整器3重整的氢气之间的氧化/还原反应，从而产生电能。
每个发电单元19用作发电的一个基本单元，而且包括膜电极组件(MEA)21和设置在膜电极组件21两侧上的隔板23与25，该膜电极组件21用于促使氢气和氧气之间的氧化/还原反应，隔板23和25用于向膜电极组件21提供氢和含氧空气。
在该发电单元19中，膜电极组件21布置在中心，而且隔板23和25设置在膜电极组件21的两侧上，从而构成一个单元。因此，多个这种单元构成根据本发明的电池组7。处于电池组7最外侧的发电单元19包括其结构与隔板23和25略有不同的端板27。发电单元19利用螺栓19a和螺母19b彼此结合地安装在一起，构成电池组7。
图3是图示当旋转根据本发明的燃料电池装置电池组中使用的一个隔板时的状态的分解透视图。而且，图4是图示当根据本发明的膜电极组件和隔板安装在一起时的状态的局部横截面图。
参考图3和4，隔板23和25紧密地连接到插入在其间的膜电极组件21，从而在两侧上形成氢通道15和氧通道17。氢通道15与膜电极组件21的阳极29相伴，氧通道17与膜电极组件21的阴极31相伴。
而且，氢通道15和氧通道17分别形成在隔板23和25的主体23a和25a上，形成具有预定间隔的直线型肋结构，并且安装后它们彼此交替地在两侧上交叉。当然，本发明不局限于这种结构，而且氢和氧通道15和17可以构造成其它排列。
当隔板23和25安装并压到插入其间的膜电极组件21上时，如图3所示，形成在一个隔板23上的氢通道15在竖直方向上对齐，形成在另一个隔板25上的氧通道17在水平方向上对齐，使得它们垂直交叉。
膜电极组件21具有活性区域21a，该活性区域21a具有能够促使氧化/还原反应的预定表面积。在活性区域21a的两侧上，设置了阳极29和阴极31。而且，在电极29和31之间设置了隔膜33。
在膜电极组件21的一侧上形成的阳极29是用于通过布置在隔板23和膜电极组件21之间的氢通道15接收氢气的部分。同时阳极29具有用于向催化剂层提供氢气的气体扩散层(GDL)。在催化剂层中，氧化氢气，而且产生的电子传送到外部。因此，这种电子移动引起电流，而且氢离子通过隔膜33传送给阴极31。
在膜电极组件21的另一侧上形成的阴极31是用于通过布置在隔板25和膜电极组件21之间的氧通道17接收含氧空气的部分。同样，阴极31具有用于向催化剂层提供空气的气体扩散层。在催化剂层中，还原氧气，从而将氧离子转换成氢离子和水。
隔膜33是具有50到200μm(微米)厚度的固体聚合物电解质。隔膜33起着离子交换功能，通过该隔膜33，阳极29的催化剂层中产生的氢离子转移到阴极31的催化剂层，然后与阴极31中的氧离子结合产生水。
图5是图示根据本发明的隔板的放大横截面图。由于隔板23和25都具有基本上相同的结构，为了方便，在图5中只是代表性地示出了一个隔板23。但是，下面将对隔板23和25进行说明。
参考图5，如上所述，隔板23和25分别设置有氢通道15和氧通道17，用于为膜电极组件21的阳极29和阴极31中的氧化/还原反应提供必需的氢气和含氧空气。
具体而言，通过将隔板23和25紧密地布置在插入其间的膜电极组件21上形成氢通道15和氧通道17。在这种情况下，氢通道15形成在阳极29侧，氧通道17形成在膜电极组件21的阴极31侧。
氢通道15和氧通道17由沟槽23c和25c形成，分别对应于分别在隔板23和25的主体23a和25a的一侧上以预定间隔形成的肋23b和25b之间的空间。在这个结构中，当设定了膜电极组件21的活性区域21a表面积时，就设定了沟槽23c和25c的尺寸和形状，而且因此可以确立肋23b和25b的尺寸和形状。在这个实施例中，当从相对于竖直方向的纵向上观察时，沟槽23c和25c以及肋23b和25b的横截面表示为大致的矩形形状。但是，本发明不局限于此，可以采用各种形状例如半圆形和梯形。
形成氢通道15的沟槽23c连接到重整器3，形成氧通道17的沟槽25c连接到泵13。
因此，重整器3中产生的氢气以及由泵13输送的氧分别通过氢通道15和氧通道17被提供给一端板27。类似的，膜电极组件21中电化学反应后所剩余的空气和氢气被提供给另一端板27。
在通道15和17中，肋23b和25b的宽度Wr与不流通氢气和空气的部分有关，沟槽23c与25c的宽度Wc和沟槽23c与25c的深度Dc与氢气和空气流通的部分有关。因此，由沟槽23c和25c形成的通道15和17的表面积A由沟槽23c和25c的宽度Wc和深度Dc决定。
当沟槽23c和25c的宽度(或者肋23b与25b的宽度Wr和深度Dc)在整个表面积内不一致时，沟槽23c和25c的宽度Wc(或者肋23b与25b的宽度Wr和深度Dc)优选由它们的平均值决定。而且，当沟槽23c和25c的底部不平时，沟槽23c和25c的深度Dc优选由它们的平均值或者从沟槽23c、25c中部的测量值来决定。
这些通道15和17可以分别称为第一区域15a、17a和第二区域15b、17b。第一区域15a、17a构成用于传送电池组中由氢气和氧产生的水的通道。第二区域15b、17b构成用于向膜电极组件21的活性区域21a传送氢气和氧的通道。因此，氢通道15和氧通道17采用除了第一区域15a、17a表面积以外的第二区域15b、17b的表面积来提供氢和氧。
为了提高燃料电池效率，在具有前述结构的隔板23和25中，需要提高膜电极组件21的气体扩散层中氢和氧的扩散能力，而且防止电池组7中的压力下降，同时将由电池组7内部产生的电流的接触电阻保持在允许的范围内。
因此，在前述隔板23和25中，必须控制沟槽23c和25c的形状，即被第一区域15a、17a和第二区域15b、17b分割的通道15和17的形状。因此，本实施例公开了对隔板23和25中用于传送氢气和氧的沟槽23c、25c的宽度Wc与深度Dc的比值的优化。
作为燃料电池用于改善氢气和空气的扩散能力以及提供氢气和空气所需的能量的性能指标，使用了相对功率密度(RPD)。可以通过获得电池组7中产生的功率和提供作为电池组7中使用的燃料的氢气和空气所消耗的功率之间的差值、然后用该差值除以电池组7中活性区域21a的总面积来计算RPD。随后的表1中示出了计算的结果。
因此，表1示出RPD和沟槽23c、25c的宽度Wc与深度Dc比之间的关系。
表1
为了测量燃料电池的性能，向阳极29提供氢气，向阴极31提供空气。然后，在不加热状态下通过改变沟槽23c、25c的宽度Wc与深度Dc的比值Wc/Dc来测量RPD。表1的结果可以表示为如图6所示的曲线。
图6是示出测量RPD与氢通道和氧通道中的沟槽23c、25c的宽度与深度比值之间关系的结果的曲线图。
参考图6，可以看出，当比值Wc/Dc在从0.7到1.3的范围内时，RPD高(这意味着燃料电池的效率高)，但是当比Wc/Dc低于0.7或者高于1.3时，RPD低(这意味着燃料电池的效率差)。
当比值Wc/Dc低于0.7时，沟槽23c、25c的宽度Wc相对于深度Dc太小，使得沟槽形状15、17相对于相同的面积(在图5中)变成窄而高的矩形。这将增加内部压降。因此，将消耗比电池组7中产生的功率更多的功率来提供氢气和空气，从而降低RPD。
当比值Wc/Dc高于1.3时，沟槽23c、25c的深度Dc相对于宽度Wc太小，使得沟槽形状15、17相对于相同的面积(在图5中)变成宽而短的矩形。这也将增加内部压力的下降。因此，和上述情况相似，将消耗比电池组7中产生的功率更多的功率来提供氢气和空气，从而降低RPD。
相反，当比值Wc/Dc在从0.7到1.3的范围内时，沟槽23c、25c的宽度Wc相对于深度Dc适当，使得沟槽形状15、17相对于相同面积也合适。这将防止内部压力降低。因此，将消耗比电池组7中产生的功率更少的功率来提供氢气和空气，从而提高RPD。
从上述测量看，可以知道，如果通道15、17形成在为相同面积，则沟槽形状23c、25c影响包括氢气和空气的流体与通道15、17的表面之间的摩擦力，因而决定压力下降的量。
因此，摩擦力与流通氢气和空气的通道15、17中沟槽23c、25c的横截面形状有关。最后，可以知道，在以下情况下通道15、17可以被认为是最优的首先计算产生电能期间电池组7中产生水的量，根据水量确定第一区域15a、17a，然后将第二区域15b、17b形成为大致的方形。
在根据本发明的燃料电池装置和其中使用的电池组中，可以优化地选择紧密地粘接到膜电极组件上的隔板上形成的通道宽度与深度比。因此，可以提高燃料例如氢和空气的扩散能力，并且防止电池组中产生压降，同时将电池组中产生的电流的接触电阻保持在预定范围内。最后，可以提高燃料电池的效率。
尽管上面结合特定示例性实施例详细说明了本发明的实施例，但是应该理解，本发明不局限于公开的示例性实施例，相反，本发明将覆盖包括在如附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种变化和/或等价设置。
权利要求
1.一种燃料电池装置，其包括用于提供燃料的一燃料供应单元；用于提供空气的一空气供应单元；和用于通过由所述燃料供应单元提供的氢和所述空气供应单元提供的氧之间的电化学反应产生电能的一电池组，其中所述电池组包括膜电极组件和设置在所述膜电极组件两侧上的隔板，而且其中每个所述隔板包括用于传送空气或者氢的通道，而且该通道的宽度与深度的比值在0.7到1.3的范围内。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述隔板紧密地粘接到所述膜电极组件的两侧上，并且所述通道包括设置在所述膜电极组件的阳极侧的氢通道和设置在所述膜电极组件的阴极侧的空气通道。
3.如权利要求2所述的燃料电池装置，其中，所述氢通道相对于所述空气通道垂直相交。
4.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述通道包括用于传送水的第一区域和用于传送氢气或者空气的第二区域。
5.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，除了所述第一区域之外的所述第二区域形成为大致方形的。
6.如权利要求2所述的燃料电池装置，其中，所述隔板紧密且直接地粘接到所述膜电极组件的两侧，形成所述氢通道和所述氧通道，并且所述氢通道和所述氧通道由沟槽形成，所述沟槽对应于分别以预定间隔形成在所述隔板的主体的一侧上的肋之间的空间。
7.一种燃料电池装置的电池组，用于通过从一燃料供应单元提供的氢和从一空气供应单元提供的氧之间的电化学反应产生电能，其包括一膜电极组件；和设置在所述膜电极组件两侧上的隔板，其中每个所述隔板具有用于传送氢或者空气的通道，而且该通道的宽度与深度的比值在0.7到1.3的范围内。
8.如权利要求7所述的电池组，其中所述通道包括用于传送水的第一区域和用于传送氢气和空气的第二区域。
9.如权利要求8所述的电池组，其中，除了所述第一区域之外的所述第二区域形成为大致方形的。
10.如权利要求7所述的电池组，其中，所述隔板直接且紧密地粘接到插入其间的所述膜电极组件上，以形成所述通道，而且所述通道由沟槽形成，所述沟槽对应于分别以预定间隔形成在所述隔板的主体的一侧上的肋之间的空间。
11.如权利要求10所述的电池组，其中，所述肋是从选自包括矩形、半圆形和梯形的组中的形状。
12.如权利要求10所述的电池组，其中，所述沟槽包括用于传送水的第一区域和用于传送氢气和空气的第二区域。
13.如权利要求12所述的电池组，其中，所述第一区域和所述第二区域形成为面积基本上相同。
全文摘要
本发明提供了一种燃料电池装置，该燃料电池装置包括用于提供燃料的一燃料供应单元、用于提供空气的一空气供应单元、和用于通过由燃料供应单元提供的氢和空气供应单元提供的氧之间的电化学反应产生电能的电池组。该电池组包括膜电极组件和设置在膜电极组件两侧上的隔板。每个隔板具有用于传送空气或者氢的通道，而且该通道的宽度与深度比值在从0.7到1.3的范围内。
文档编号H01M8/24GK1674336SQ200510071640
公开日2005年9月28日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月25日
发明者李东勋, 权镐真, 安圣镇, 殷莹譛, 曹诚庸, 徐晙源, 金宗满, 尹海权 申请人:三星Sdi株式会社