專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種燃料電池，特別是關于一種溫場均布的燃料電池系統(tǒng)。
技術背景燃料電池(Fuel Cdl)—種將燃料(如氫氣、曱醇等)及氧氣經由電化學反應 而產生電能的發(fā)電裝置。其常見的種類一般區(qū)分為質子交換膜燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 或稱Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,縮寫為PEMFC,亦稱為PEM)或直接曱醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,縮寫為DMFC)。直接甲醇燃料電池的膜電極組件(Membrane Electrode Assemble,縮寫為 MEA)包括陽極表面及陰極表面，其陰極燃料為氧氣。氧氣的供應可為純氧 氣或利用空氣中的氧氣，由導風裝置(如泵浦或風扇)導入空氣至該陰極表面， 導風裝置除了能供應燃料電池反應所需的氧氣之外，亦能同時將燃料電池反 應時所產生的熱能帶出。請參閱圖1及圖2所示，常規(guī)平面堆疊型燃料電池組100包括殼體1、 導風裝置2以及多個燃料電池模塊3。其中，殼體l包括出氣口區(qū)ll及進氣 口區(qū)12,兩者分別開設在殼體1的相對的側壁上。導風裝置2(例如軸流風扇)配置于出氣口區(qū)11。各個燃料電池模塊3呈 平板結構型態(tài)，相鄰的燃料電池模塊3之間具有預定間隔。每一個燃料電池 模塊3包括多個沿延伸方向I間隔排列的膜電極組件31a、 31b、 31c,各個 膜電極組件31a、 31b、 31c由框體33予以定位。各個膜電極組件31a、 31b、 31c的陰極表面32暴露于該殼體1的容置空間13。延伸方向I平行于導風裝 置2的轉軸的方向。當導風裝置2運轉時，導入氣流AI經由進氣口區(qū)12沿延伸方向I導入 至殼體1的容置空間13,然后導入氣流AI順序地流經各個膜電極組件31a、 31b、 31c的陰極表面32，再由出氣口區(qū)11導出一導出氣流AO。對燃料電池而言，膜電極組件反應的溫度越高，其發(fā)電的效能越高，但若在同一燃料電池系統(tǒng)中，各個膜電極組件彼此溫差過大，造成溫場不均一 的狀況時，除影響到操作效能之外，亦影響到膜電極組件的壽命。然而，常 規(guī)平面堆疊型燃料電池組100將導風裝置2裝設于殼體1的兩相對側壁，使得導入氣流AI沿膜電極組件31a、 31b、 31c間隔排列的延伸方向I流動，單 向的導入氣流AI流經每一膜電極組件的陰極表面后，其上游(即鄰近進氣口 區(qū)12)熱量累積至下游(即鄰近出氣口區(qū)11),而使得下游的空氣溫度越高， 使位于下游的膜電極組件31b、 31c溫度亦累積越高，故造成各個膜電極組 件的溫場不一，致使各個膜電極組件的發(fā)電量不同，且單位面積的發(fā)電密度 亦為不同，此一狀況對于燃料電池的電性特性及發(fā)電效能均為不利。且也會 造成各個膜電極組件的壽命不同。再者，燃料電池組由各膜電極組件的陽極燃料(例如曱醇)與膜電極組 件表面的催化劑反應解離產生氫離子與電子，而陽極反應生成的氳離子與電 子在陰極與空氣中的氧氣反應生成水，使殼體10的出氣口區(qū)11的導風裝置 2所產生的氣流再將陰極的水帶走。若各個膜電極組件產生反應的溫場不均 一，風流越下游則空氣所含的水氣越多，其陰極生成物越接近飽和越不易排 出，造成"水滿溢，，(Flooding)的問題，而降低膜電極組件的壽命。再就常規(guī)平面堆疊型燃料電池組的流阻過高，故風扇需維持在較高的轉 速下運轉，如此增加了系統(tǒng)的用電負荷，且風扇在高速及高負荷運轉狀況下， 將產生更大的噪音。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)，以解決已知的問題。 為達到上述目的，本發(fā)明一實施例的燃料電池系統(tǒng)包括至少一燃料電池 組，燃料電池組包括殼體、燃料電池膜組及導風裝置，殼體具有容置空間、 出氣口區(qū)及至少兩個進氣口區(qū)，出氣口區(qū)設置于殼體的第一板，燃料電池模 塊設置于容置空間中并包括有多個膜電極組件，各個膜電極組件沿殼體的第 一側板至第二側板間隔排列在殼體的容置空間的 一平面上，每一膜電極組件 對應一進氣口區(qū)，而導風裝置設置在殼體上并用以產生氣流，氣流由殼體的 進氣口區(qū)導入至殼體的容置空間后，通過燃料電池模塊的各個膜電極組件的 陰極表面，再經由殼體的出氣口區(qū)導出。
圖1是常規(guī)平面堆疊型燃料電池系統(tǒng)的側視圖； 圖2是圖1常規(guī)平面堆疊型燃料電池系統(tǒng)的俯視圖； 圖3是本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的第一實施例立體圖； 圖4是本發(fā)明第一實施例燃料電池系統(tǒng)的立體分解圖； 圖5是本發(fā)明第一實施例燃料電池系統(tǒng)的俯視圖； 圖6是本發(fā)明第 一 實施例燃料電池系統(tǒng)的氣流分布圖； 圖7至圖9是本發(fā)明第一實施例燃料電池系統(tǒng)的不同進風口區(qū)設置的側 視圖；圖IO是本發(fā)明具有三個膜電極組件的燃料電池系統(tǒng)的頂視圖； 圖11是圖IO燃料電池系統(tǒng)的側視圖；圖12是本發(fā)明具有另一燃料電池模塊結構的燃料電池系統(tǒng)的立體分解 圖；以及圖13是本發(fā)明第二實施例燃料電池系統(tǒng)的側視圖。 附圖標記說明200、 200，、 200"、 200"，燃料電池組200a、 200b燃并十電池組30Q、 400燃料電池組1殼體10第一板11出氣口區(qū)12進氣口區(qū)13容置空間2導風裝置3燃泮+電池才莫塊31a、 31b、 31c膜電極組件32陰極表面33框體4、 4a、 4b殼體40容置空間41a第一板41b側板41c側板41d第二板42出氣口區(qū)43a、43b進氣口區(qū)44a、44b進氣口區(qū)45a、45b進氣口區(qū)46進氣口區(qū)5導風裝置51轉軸52轉軸中心6燃料電池模塊61a、61b、 61c膜電極組件62框體63陰極表面7隔板8燃料電池模塊81燃料電池單體82膜電極組件AIl、AI2、 AI3、 AI4AI5、 AI6、 AI7進氣氣流AO導出氣流I延伸方向II氣流導出方向A第一方向B第二方向C轉軸方向具體實施方式
參閱圖3及圖4所示，本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池 組200，燃料電池組200包括殼體4、導風裝置5以及至少一燃料電池模塊6。本實施例中以多個燃料電池模塊6為例說明。殼體4的內部形成有容置空間40，殼體4包括出氣口區(qū)42、至少兩個 進氣口區(qū)43a、 43b、 44a、 44b、第一板41a、相對于第一板41a的第二板41d、 連接于第一板41a與第二板41d之間的第一側板41b、第二側板41c、第三 側板41e與第四側板41f。第一側板41b相對于第二側板41c,第三側板41e 相對于第四側板41f。第一板41a、第二板41d與側板41b、 41c、 41e、 41f 相連接以形成容置空間40。本實施例中，出氣口區(qū)42設置于第一板41a。進氣口區(qū)43a、 43b、 44a、 44b為四個，且開設在殼體4的第一側板41b、第二側板41c及第二板41d 中的至少其中之一，本實施例中，進氣口區(qū)43a開設在第一側板41b，進氣 口區(qū)43b開設在第二側板41c，進氣口區(qū)44a、 44b開設在第二板41d。多個燃料電池模塊6設置在殼體4的容置空間40中。多個燃料電池模 塊6沿第三側板41e至第四側板41f(即第二方向B)間隔排列在殼體4的容置 空間40 ，且相鄰的燃料電池模塊6之間形成氣流通道。每一燃料電池模塊6包括框體62及多個膜電極組件61a、 61b?？蝮w62 用以定位膜電極組件61a、 61b。各個膜電極組件61a、 61b沿第一側板41b 至第二側板41 c(即第 一方向A)間隔排列在殼體4的容置空間40的一平面上， 且各個膜電極組件61a、 61b的陰極表面63暴露于殼體4的容置空間40。每 一膜電極組件61a、 61b對應至少一進氣口區(qū)，本實施例中，以兩個膜電極 組件61a、 61b為例，且進氣口區(qū)43a、 44a對應膜電招i且件61ai殳置，進氣 口區(qū)43b、 44b對應膜電極組件61b設置(參閱第6圖)，更詳細地說，進氣口 區(qū)43a、 44a分別位于膜電極組件61a其遠離膜電極組件61b的一側及底部， 進氣口區(qū)43b、 44b分別位于膜電極組件61b其遠離膜電極組件61a的一側 及底部。導風裝置5配置在殼體4上，導風裝置5用以產生氣流，導風裝置5具 有轉軸51 ，轉軸51的轉軸方向C垂直于第一方向A與第二方向B。優(yōu)選地， 導風裝置5的轉軸中心52位于第一板41a的幾何中心位置處(參閱圖5)。導 風裝置5可為軸流風扇、幫浦、鼓風機或其它可產生氣流的等效氣流產生裝 置，本實施例中，導風裝置5為排氣用的軸流風扇并設置于出氣口區(qū)42，但 不以此為限，亦可將導風裝置5設置于進氣口區(qū)43a、 43b、 44a、 44b并采 用吸氣用的軸流風扇。再參閱圖6所示，當導風裝置5啟動運轉后，首先由殼體4的進氣口區(qū) 43a、 43b、 44a、 44b引入進氣氣流All、 AI2、 AI3、 AI4，并分別導入至殼 體4的容置空間40中，且進氣氣流All 、 AI3流經膜電極組件61a的陰極表 面63,進氣氣流AI2、 A14流經膜電極組件61b的陰極表面63,最后以一氣 流導出方向II由殼體4的第一板41a的出氣口區(qū)42導出一導出氣流AO， 使得各個膜電極組件61a、 61b的溫度及濕度相同。由于本發(fā)明采用導風裝置5的設置位置為轉軸的轉軸方向C垂直于第一 方向A，且各個膜電極組件61a、 61b具有對應的進氣口區(qū)，因此，可使導 風裝置5運轉時同時提供氣流分別冷卻各個膜電極組件61a、 61b，以使燃料 電池系統(tǒng)內部的冷卻氣流的流場對稱，進而可使各個膜電極組件61a、 61b 的溫度及濕度相同，并可確保各個膜電極組件61a、 61b間的傳熱情形相同， 且其各個膜電極組件的單位面積發(fā)電效率亦相同，而每一膜電極組件之間達到均一壽命，其燃料電池組整體的壽命亦延長。另外，由于本發(fā)明的設計使得燃料電池系統(tǒng)的容置空間40中所形成的 氣流流動的路徑減半，其流阻亦降低，且于一般的電壓操作下，氣流流量較 已知技術高，且可使保持較低的轉速運轉并減少噪音。而有關進氣口區(qū)可依 需要而做適當?shù)淖兏?，例如請參閱圖7所示，燃料電池組200，設置的進氣 口區(qū)43b、 45a、 45b為三個，即殼體4的鄰近第一側板41b的第一板41a與 第二板41 d上分別開設有相對應的進氣口區(qū)45a、 45b,殼體4的第二側板 41c開設有進氣口區(qū)43b。當導風裝置5啟動運轉時，其所產生的進氣氣流 AI2、 AI5、 AI6分別由進氣口區(qū)43b及進氣口區(qū)45a、 45b導入至殼體4的 容置空間40中，進氣氣流AI2、 AI5、 AI6通過各個膜電極組件61a、 61b的 陰極表面63并產生對稱的流場，最后由殼體4的出氣口區(qū)42導出形成導出 氣流AO。另外，請參閱圖8所示，燃料電池組200"設置的進氣口區(qū)43b、 45a、 45b、 44a、 44b為五個，即殼體4的鄰近第一側板41b的第一板41a與第二 板41d上分別開設有相對應的進氣口區(qū)45a、 45b，殼體4的第二側板41c開 設有進氣口區(qū)43b,第二板41d開設有多個進氣口區(qū)44a、 44b,且進氣口區(qū) 44a、 44b對應于燃料電池組200"中的膜電極組件61a、 61b。當導風裝置5 啟動運轉時，除了進氣氣流AI2、 AI5、 AI6夕卜，進氣口區(qū)44a、 44b另引入 進氣氣流AI3、 AI4，使得膜電極組件61a、 61b通過進氣氣流AI2、 AI3、AI4、 AI5、 AI6而使溫場更佳均勻，形成對稱流場達到溫場均一的目的。請參閱圖9所示，燃料電池組200"，設置的進氣口區(qū)44a、 44b為兩個， 即第二板41d開設有多個進氣口區(qū)44a、 44b，且進氣口區(qū)44a、 44b對應于 燃料電池組200中的膜電極組件61a、 61b，當導風裝置5啟動運轉時，進氣 氣流AI3、 AI4僅由殼體4的進氣口區(qū)44a、 44b導入，且進氣氣流AI3、 AI4 通過膜電極組件61a、 61b的陰極表面63，最后由出氣口區(qū)42導出形成導出 氣流AO。另外，且每一燃料電池組的膜電極組件的數(shù)量亦可依發(fā)電量做調整，請 參閱圖IO及圖ll所示，每一燃料電池膜組300的膜電極組件數(shù)量為三個， 即膜電極組件61a、 61b、 61c，而殼體4的第二板41d的中央區(qū)域設置進氣 口區(qū)46,且進氣口區(qū)46對應于膜電極組件61b,以供引入進氣氣流AI7至 容置空間40中；殼體4的第一側板41b設置進氣口區(qū)43a，且進氣口區(qū)43a 對應于膜電極組件61a,以供引入進氣氣流All至容置空間40中；殼體4 的第二側板41c設置進氣口區(qū)43b,且進氣口區(qū)43b對應于膜電極組件61c， 以供引入進氣氣流AI2至容置空間40中。當導風裝置5啟動運轉后，由進 氣口區(qū)43a、 43b、 46分別引入進氣氣流All、 AI2、 AI7，進氣氣流在通過 各個膜電極組件61a、 61b、 61c的陰極表面63后，最后由殼體4的出氣口 區(qū)42導出形成導出氣流AO，使得該多個膜電極組件61a、 61b、 61c達到溫 場均布的目的。圖3至圖11中，燃料電池模塊采用典型平面堆疊型燃料電池模塊的結 構，亦即每一個燃料電池模塊包括有多個以同 一平面配置的膜電極組件及用 以使膜電極組件定位的框體。然請參閱圖12，燃料電池組400中的燃料電池 模塊8亦可由多個燃料電池單體81以相間隔的方式排列于殼體4的容置空 間40中，且每一個燃料電池單體81具有膜電極組件82。請參閱圖13所示，本發(fā)明第二實施例的燃料電池系統(tǒng)與第一實施例相 同的構件乃標示以相同的元件編號，以資對應。本實施例與第一實施例不同 的處在于采用多個沿第一方向A相鄰結合的燃料電池組200a、 200b,相鄰 的燃料電池組200a、 200b之間具有隔板7，隔板7用以將燃料電池組200a、 200b的冷卻氣流隔離，本實施例中，隔板7為燃料電池組200a的第二側板 41c與燃料電池組200b的第一側斧反41b的結合而成。各燃津+電池組200a、 200b的殼體4a、 4b的第一板41a具有各自獨立的出氣口區(qū)42及裝設有各自獨立的導風裝置5。各燃料電池組200b、 200b可為燃料電池組200、 200，、 200"、 200"，、 300或400。本實施例中，以燃料電池組200a、 200b均為圖7 所示的燃料電池組200，為例，以燃料電池組200b而言，當導風裝置5啟動 運轉時，其所產生的進氣氣流AI2、 AI5、 AI6分別由進氣口區(qū)43b及進氣口 區(qū)45a、 45b導入至殼體4b的容置空間40中。進氣氣流AI2、 AI5、 AI6通 過各個膜電極組件61a、 61b的陰極表面63并產生對稱的流場，最后由殼體 4b的出氣口區(qū)42導出形成導出氣流AO。而另 一相鄰的燃料電池組200a的 氣流流場亦相同。由以上的實施例可知，本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)確具產業(yè)上的利用 價值，故本發(fā)明業(yè)已符合于專利的要件。惟以上的敘述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實 施例說明，凡本領域的技術人員當可依據上述的說明而作其它種種的改良， 惟這些改變仍屬于本發(fā)明的發(fā)明精神及以下所界定的權利要求范圍中。
權利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括至少一燃料電池組，該燃料電池組包括殼體，其內部形成容置空間，該殼體具有第一板、相對于該第一板的第二板、連接于該第一板與該第二板之間的兩個相對的第一側板及第二側板、至少兩個進氣口區(qū)及至少一出氣口區(qū)，該出氣口區(qū)設置于該第一板；至少一燃料電池模塊，設置在該容置空間中，該燃料電池模塊包括有多個膜電極組件，各個膜電極組件沿第一側板至該第二側板間隔排列在該殼體的容置空間的一平面上，且各個膜電極組件的陰極表面暴露于該殼體的容置空間，每一膜電極組件對應這些進氣口區(qū)之一；導風裝置，設置在該殼體上并用以產生氣流，該氣流由該殼體的這些進氣口區(qū)導入至該殼體的容置空間后，通過該燃料電池模塊的各個膜電極組件的陰極表面，再經由該殼體的該出氣口區(qū)導出。
2. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池模塊的數(shù)量為多個， 且該殼體還包括連接于該第 一板與該第二板之間的另兩個相對的第三側板 及第四側板，這些燃料電池模塊沿該第三側板至該第四側板間隔排列在該殼 體的容置空間。
3. 如權利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中該沿第三側板至該第四側板的方 向定義為第二方向，該導風裝置具有轉軸，該轉軸的方向垂直于該第二方向。
4. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該導風裝置設置于該殼體的該出 氣口區(qū)，該導風裝置為軸流風扇。
5. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該沿第一側板至該第二側板的方 向定義為第一方向，該導風裝置具有轉軸，該轉軸的方向垂直于該第一方向。
6. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該進氣口區(qū)開設在該殼體的第一 側板、第二側板及第二板中的至少其中之一。
7. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池模塊還包括框體，用 以定位這些力莫電才及組件。
8. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池模塊包括多個燃料電 池單體，每一個燃料電池單體具有這些膜電極組件之一，這些燃料電池單體 相間隔排列該殼體的容置空間中。
9. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池組的數(shù)量為多個，這些燃料電池組相鄰結合，且在該相鄰的燃料電池組之間具有 一 隔板。
10. 如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該導風裝置設置在該殼體的 第一板上且具有轉軸，該轉軸中心位于該第一板的幾何中心位置處。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括至少一燃料電池組，燃料電池組包括殼體、燃料電池膜組及導風裝置，殼體具有容置空間、出氣口區(qū)及至少兩個進氣口區(qū)，出氣口區(qū)設置于殼體的第一板，燃料電池模塊設置于容置空間中并包括有多個膜電極組件，各個膜電極組件沿殼體的第一側板至第二側板間隔排列在殼體的容置空間的一平面上，每一膜電極組件對應一進氣口區(qū)，而導風裝置設置在殼體上并用以產生氣流，氣流由殼體的進氣口區(qū)導入至殼體的容置空間后，通過燃料電池模塊的各個膜電極組件的陰極表面，再經由殼體的出氣口區(qū)導出。
文檔編號H01M8/10GK101281978SQ20071009204
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權日2007年4月4日
發(fā)明者李璟柏, 正 王, 許年輝, 黃金樹 申請人:中強光電股份有限公司