[发明专利]燃料电池系统及其电堆

说明书

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匀的。

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匀。

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匀。

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。