专利名称：燃料电池系统和该系统中使用的电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及具有设置在膜电极组件与隔板之间的改进的密封结构的燃料电池系统。
背景技术：
众所周知，燃料电池是通过例如甲醇之类的碳氢化合物材料中含有的氢与氧(或含氧空气)之间的电化学反应直接产生电能的发电系统。
燃料电池可以使用通过重整如甲醇或乙醇之类的燃料所产生的氢。因此，燃料电池的应用领域很广，包括用于车辆的移动电源、用于家庭或其它建筑物的配电电源以及用于电子装置的小型电源。
燃料电池由堆叠多个彼此相邻的单元电池所形成的电池堆(stack)构成。多个单元电池的每一个包括用来通过氧与氢的氧化和还原反应发电的膜电极组件(MEA)以及两块隔板(也被称为双极板)，一块隔板被设置在膜电极组件的一侧，以将氢和氧提供给该膜电极组件。
在燃料电池中，在膜电极组件与两块隔板之间的边缘处设置有垫片，以维持膜电极组件与两块隔板之间的密封。
在组装电池堆的过程中，垫片通过两块隔板附着到膜电极组件上，以便阻止通过两块隔板提供给膜电极组件的氢和氧泄漏出去或过早地相互混合。
然而，当将电池堆形成于常规的燃料电池中时，施加给隔板的压力不能均匀地分布到相应的垫片上，因此经常在相应的垫片与隔板之间产生缝隙。
据此，在常规的燃料电池中，缝隙将导致膜电极组件与两块隔板之间密封劣化，致使氢和氧通过隔板时，氢和氧将泄漏出去。
于是，在常规的燃料电池中，由于不能获得电池堆正常的电能输出，燃料电池的性能将因通过隔板的氢和氧的压力降低而恶化。此外，氢和氧的泄漏还可能引起导致灾难性事故的不可控放热反应。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃料电池系统的电池堆，该电池堆具有设置在膜电极组件和隔板之间的改进的密封结构，以防止由于施加在隔板的压力差而产生的垫片与隔板之间的缝隙。
此外，本发明另一目的是提供一种包括具有这种改进的密封结构的燃料电池的燃料电池系统。
根据本发明的一实施方式，提供了一种用于燃料电池系统的电池堆，该电池堆包括至少一个具有膜电极组件和设置在膜电极组件的表面上的隔板的发电单元。在膜电极组件与隔板之间的边缘上设有垫片，在垫片与隔板之间设有密封件，以保持膜电极组件与隔板之间的密封。
在本发明的前述实施方式中，隔板可以具有与该膜电极组件相对应的第一区域和与垫片相对应的第二区域，而且可将密封件设置在垫片的附着部分与第二区域之间。
此外，密封件可以具有涂覆在与第二区域相对应的垫片的附着表面上的密封层。
另外，密封件可以具有涂覆在隔板的与垫片的附着表面相对应的第二区域上的密封层。
再者，密封层可以由焦油构成。
根据本发明另一实施方式，提供一种燃料电池系统，该系统包括本发明前述实施方式的电池堆、用来将含氢燃料提供给电池堆的燃料供应单元、和用来将氧提供给电池堆的氧供应单元。
在本发明的前述实施方式中，燃料供应单元可以包括用来储存含氢燃料的燃料箱和与燃料箱相连的燃料泵。
此外，氧供应单元可以包括至少一台用来泵送空气和用来将空气提供给发电单元的空气泵。
再者，燃料供应单元可以包括与发电单元和燃料箱相连以接收来自燃料箱的燃料、由燃料产生含氢重整气体并将重整气体提供给电池堆的重整器。
附图与说明书一起图解说明了本发明的示例性实施方式，并且与描述部分一起用来解释本发明的原理。
图1是本发明一实施方式的整个燃料电池系统的示意性框图；图2是图1所示的电池堆的分解透视图；图3是图2所示的发电单元的组装横截面图；图4是本发明的改型实施方式的电池堆的分解透视图；图5是图4所示的发电单元的组装横截面图。
具体实施例方式
参考图1，燃料电池系统100采用的是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)型式，其通过重整含氢燃料产生氢和通过氢与如氧之类的氧化剂的电化学反应产生电能。
在本发明中，可以采用液体或气体含氢燃料，例如甲醇、乙醇或天然气作为燃料。在本实施方式中，以液体燃料为例进行说明。
此外，与燃料反应的氧化剂可以是储存在单独的储存单元中的纯氧，或者是空气中的氧。在本实施方式中，以空气中的氧为例进行说明。
燃料电池系统100包括用来通过氢和氧的电化学反应产生电能的电池堆110、用来将氢提供给电池堆110的燃料供应单元120、和用来将空气提供给电池堆110的氧供应单元130。
电池堆110包括发电单元(或单元电池)111。每一发电单元111由膜电极组件(此后称为MEA)112和与MEA的两侧耦连的两块隔板116和116’构成，以便发电。发电单元111构成燃料电池的单元电池。
燃料供应单元120包括用来储存前述燃料的燃料箱121、与燃料箱121相连的燃料泵122、以及与燃料箱121相连以由燃料产生含氢重整气体并且将该重整气体提供给至少一个发电单元111的重整器123。
氧供应单元130包括至少一台用来泵入空气并将泵入的空气提供给至少一个发电单元111的空气泵131。
燃料供应单元120的重整器123具有用来通过利用热能的化学催化反应由燃料产生重整气体并用来降低重整气体中含有的一氧化碳浓度的结构。
例如，重整器123可以通过如蒸汽重整反应、部分氧化反应和/或自放热反应之类的催化反应由燃料产生重整气体。
而且，重整器123可以通过利用如水气转移(WGS)反应和/或优选氧化(PROX)反应之类的催化反应，和/或通过利用分隔膜的氢纯化过程降低重整气体中含有的一氧化碳的浓度。
作为选择，本发明的燃料电池系统100也可以利用能够直接将燃料提供给至少一个发电单元111以发电的直接氧化燃料电池型式。
与前述的聚合物电解质膜燃料电池型式不同，采用直接氧化燃料电池型式的燃料电池系统不需要如图1中所示的重整器123。取而代之的是，燃料供应单元120将储存在燃料箱121中的燃料通过燃料泵122直接提供给电池堆110(或提供给至少一个发电单元111)。
图2是图1所示的电池堆110的分解透视图，图3是图2所示的发电单元111之一的部分横截面图。
电池堆110包括彼此邻接地堆叠成为一个整体的多个发电单元111。
在每一发电单元111中，设置在两块隔板116和116’之间的MEA 112由电解质膜112a、与电解质膜112a的一侧表面相连的阳极112b以及与电解质膜112a的另一(或其它)侧表面相连的阴极112c构成。
被夹在MEA 112之间的两块隔板116和116’分别被设置成与MEA 112两侧表面紧密接触，从而使氢通道116a和空气通道116b分别与MEA 112的两侧面耦连。
可将氢通道116a设置在MEA 112的阳极112b侧，将空气通道116b设置在MEA 112的阴极112c侧。
除了将氢和空气中的氧提供给MEA 112的功能以外，两块隔板116和116’还具有将阳极112b和阴极112c串联连接的功能。
每一隔板116和116’可被分成第一区域A和第二区域B，第一区域是隔板116或116’的、上面形成有氢通道116a或空气通道116b的一个表面，第二区域是隔板116或116’的外部边缘(见图2)。
压板113和113’与电池堆110的最外部分耦连以紧压并使多个发电单元111结合为彼此紧密接触。此外，将氢通道116a和空气通道116b设置在压板113和113’上(或作为一部分)，从而使压板113和113’也具有与前述的隔板116和116’基本相同的功能。
此时，可将与螺钉啮合的啮合杆(未示出)与压板113和113’一起使用，以充分压紧并使多个发电单元111与压板113和113’结合为紧密接触。
作为选择，也可不使用压板113和113’，可以使多个发电单元111中最外面的那些发电单元的隔板116和116’设有前述的啮合杆，以使多个发电单元111彼此紧密相贴并接合。
此外，用于密封MEA 112和两块隔板116和116’之间的空间的垫片119与MEA 112和两个隔板116和116’之间的各边缘耦连。
具体地说，使垫片119与隔板116各自的第二区域B耦连，以防止通过隔板116和116’的氢通道116a和空气通道116b提供给MEA 112的氢和空气泄漏出去或相互混合。
垫片119可以由如橡胶之类的弹性材料制成，例如由硅橡胶、氟橡胶和/或烯烃橡胶制成。
在组装电池堆110的过程中，当通过压板113和113’将多个发电单元111压紧和相贴附使其彼此紧密接触时，对隔板116和116’施加力，然后，垫片119在其弹性范围内适当地收缩以保持用来气密封隔板116和116’与MEA 112之间的空间所需要的表面压力，从而防止在电池堆110工作过程中从隔板116和116’与MEA 112之间泄漏气体泄漏。
此外，在隔板116和116’施加到垫片119上的压力在垫片119整个区域分布不均匀的情况下，或者在隔板116和116’两者的压力之间存在压差的情况下，设置密封件118以密封在隔板116和116’与MEA 112之间形成的缝隙。
在该实施方式中，密封件118具有设置在隔板116和116’的第二区域B与MEA 112之间的密封层117，以保持MEA 112与隔板116之间的密封。
更具体地说，将具有预定厚度的密封层117涂覆在附着到隔板116和116’中的每一个(或者至少其中之一)的第二区域B上的垫片119的表面上。在该实施方式中，用喷嘴喷涂由焦油构成的密封材料将密封层117涂覆在垫片119的表面上，使垫片119的表面上形成具有预定厚度的密封层117。
作为选择，密封层117也可以由真空润滑油构成。
换句话说，为了不使密封性能恶化，本发明的密封层117可用在高温下能保持稳定状态的材料构成。
在具有前述结构的燃料电池系统100中，由于在隔板116和116’的第二区域B与垫片119之间设置了密封层117，因此，当设置在MEA 112附近的隔板116和116’受到紧压并且彼此贴附时，密封层117贴附在隔板116和116’的第二区域B上以及垫片119的相应表面上，从而能够改善隔板116和116’与垫片119之间的密封性能。
因此，即使施加到隔板116和116’上的压力不均匀，密封层117仍能紧密地贴附在垫片119的相应贴附表面以及隔板116和116’的贴附表面上。因此，通过隔板116和116’施加的有效压力能够更加均匀地分布到垫片119上以及垫片119与隔板116和116’之间的密封上，从而改善了MEA 112与隔板116和116’之间的密封。
图4是本发明的改型的实施方式的电池堆的分解透视图，图5是图4所示的发电单元结构的组装横截面图。在图4和5中，用与图2和3中相同的附图标记表示具有相同功能的相同元件，并省略对它们的详细描述。
参考图4和5，与图2和3的前述实施方式不同，设置在各隔板116和116’与各垫片119之间的密封层117A没有涂覆在垫片119上，取而代之的是，通过将具有预定厚度的密封层117A涂覆在每一隔板116和116’的第二区域B上而构成密封件118A。
在该改型的实施方式中，其它部件及工作情况与前述实施方式相同，因此不再赘述。
一般而言，本发明的燃料电池系统由于在隔板与垫片之间设置了密封层以在电池堆的形成过程中将通过隔板施加的压力均匀地分布在垫片的表面上，因此在垫片与隔板之间不会形成缝隙，从而在电池堆的工作过程中能更有效地阻止氢或氧从垫片与隔板之间泄露出去。
因此，本发明的燃料电池系统能够获得与电池堆独特的性能条件相称的电能，并可防止提供给MEA的氢和氧的压力降低，从而能够进一步提高燃料电池系统的性能。
此外，本发明能够减少由于氢和氧的泄露引起的导致灾难性事故的不可控放热反应的发生。
虽然上面已结合一些示例性实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该理解，本发明并不限于所公开的实施方式，相反，本发明可涵盖在所附的权利要求的构思和保护范围内的各种改型及其等同改型。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括具有通过氢和氧之间的电化学反应产生电能的发电单元的电池堆；用来将含氢燃料提供给所述电池堆的燃料供应单元；用来将氧气提供给所述电池堆的氧气供应单元，其中，所述发电单元包括膜电极组件和设置在所述膜电极组件侧表面的隔板；设置在所述膜电极组件与所述隔板的边缘之间的垫片；及设置在所述垫片与所述隔板之间、用以保持所述膜电极组件与所述隔板之间密封的密封件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述隔板具有与所述膜电极组件相对应的第一区域和与所述垫片相对应且处于所述第一区域外边缘的第二区域；所述密封件被设置在所述垫片与所述第二区域之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述密封件具有涂覆在与所述第二区域相对应的所述垫片的表面上的密封层。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述密封件具有涂覆在所述隔板的与所述垫片的表面相对应的所述第二区域上的密封层。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述密封层由焦油构成。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述密封层由焦油构成。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料供应单元包括用来储存含氢燃料的燃料箱；及与该燃料箱相连的燃料泵。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述氧气供应单元包括至少一台用来泵送空气和用来将空气提供给所述发电单元的空气泵。
9.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述燃料供应单元包括与所述发电单元和所述燃料箱相连以接收来自所述燃料箱的燃料、从所述燃料产生含氢的重整气体并将该重整气体提供给所述电池堆的重整器。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统利用聚合物电解质膜燃料电池型式构成。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统利用直接氧化燃料电池型式构成。
12.一种用于燃料电池系统的电池堆，该电池堆包括至少一个具有膜电极组件和设置在所述膜电极组件表面上的隔板的发电单元；设置在所述膜电极组件与所述隔板之间的边缘上的垫片；及设置在所述垫片与所述隔板之间以保持所述膜电极组件与所述隔板之间的密封的密封件。
13.根据权利要求12所述的电池堆，其中，所述隔板具有与所述膜电极组件相对应的第一区域和与所述垫片相对应的第二区域；所述密封件被设置在所述垫片的贴附部分与所述第二区域之间。
14.根据权利要求13所述的电池堆，其中，所述密封件具有涂覆在与所述第二区域相对应的所述垫片的贴附表面上的密封层。
15.根据权利要求13所述的电池堆，其中，所述密封件具有涂覆在所述隔板的与所述垫片的贴附表面相对应的第二区域上的密封层。
16.根据权利要求14所述的电池堆，其中，所述密封层由焦油构成。
17.根据权利要求15所述的电池堆，其中，所述密封层由焦油构成。
全文摘要
本发明公开了一种用于燃料电池系统的电池堆，其包括至少一个具有膜电极组件和分别设置在膜电极组件两个表面上的隔板的发电单元，在膜电极组件与两个隔板之间的边缘上设置垫片，在各垫片与各隔板之间设置密封件以保持膜电极组件与隔板之间的密封。由于在隔板与垫片之间设置了密封层，垫片与隔板之间不会形成缝隙，在电池堆工作的过程中能更有效地阻止氢或氧从垫片与隔板之间泄露出去，进而能获得与电池堆独特的性能条件相称的电能。本发明还公开了使用所述电池堆的燃料电池系统。
文档编号H01M8/24GK1770529SQ20051012910
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年10月4日
发明者徐东明 申请人:三星Sdi株式会社