專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組、 熱交換器、重整器、以及容納上述燃料電池組、熱交換器和重整器的殼 體。
背景技術(shù)：
通常，固體氧化物燃料電池(SOFC)采用諸如穩(wěn)定氧化鋯的離子導(dǎo) 電型固體氧化物的電解質(zhì)。該電解質(zhì)插設(shè)在陽極和陰極之間以形成電解 質(zhì)電極組件(單元電池)。電解質(zhì)電極組件插設(shè)在隔板(雙極板)之間。 在使用中，將預(yù)定數(shù)量的單元電池和隔板堆疊在一起以形成燃料電池組。
在該燃料電池中，將含氧氣體或空氣供應(yīng)至陰極。含氧氣體中的氧 在陰極與電解質(zhì)之間的界面處被電離，并且氧離子(02')通過電解質(zhì)朝 向陽極運(yùn)動(dòng)。將諸如含氫氣體或CO的燃料氣體供應(yīng)至陽極。氧離子與 含氫氣體中的氫反應(yīng)而生成水，或者與CO反應(yīng)而生成C02。反應(yīng)中釋放 的電子通過外部電路流動(dòng)至陰極，從而產(chǎn)生DC電能。
作為這種類型的燃料電池，例如在日本特開平10-92457號(hào)公報(bào)(下 文稱為"傳統(tǒng)技術(shù)1")中公開了一種一體式的、節(jié)省空間的小型燃料電 池發(fā)電設(shè)備，該發(fā)電設(shè)備的熱輻射損失較小。如圖18所示，根據(jù)傳統(tǒng)技 術(shù)l的燃料電池發(fā)電設(shè)備包括燃料預(yù)熱裝置l、重整器2、燃料電池3、 催化燃燒室4、以及容納燃料預(yù)熱裝置l、重整器2、燃料電池3和催化 燃燒室4的壓力容器(未示出)。
重整器2堆疊在燃料電池3上。燃料預(yù)熱裝置1和催化燃燒室4設(shè) 置在燃料電池3周圍。燃料電池3和重整器2夾在上下緊固板5a、 5b之 間。緊固板5a、 5b之間的構(gòu)件受到壓縮，并且通過多個(gè)連接桿6而被緊 固在一起，從而向燃料電池3和重整器2施加預(yù)定的表面壓力。
在傳統(tǒng)技術(shù)1中，燃料預(yù)熱裝置1和重整器2通過燃料氣體管7a和
重整氣體管7b連接。燃料預(yù)熱裝置1和燃料電池3通過重整氣體管7c 連接。另外，燃料電池3和催化燃燒室4通過陽極排氣管7d和陰極排氣 管7e連接。催化燃燒室4和重整器2通過燃燒氣體管7f連接。
如上所述，在傳統(tǒng)技術(shù)l中，設(shè)置了包括燃料氣體管7a在內(nèi)的多個(gè) 管。因此，由于管的熱輻射而使熱效率降低。另外，雖然燃料電池3和 重整器2平行設(shè)置，但燃料預(yù)熱裝置1和催化燃燒室4設(shè)置在燃料電池3 的兩側(cè)。因此，燃料電池發(fā)電設(shè)備的整體尺寸較大。
在日本特開2003-229164號(hào)公報(bào)(下文稱為"傳統(tǒng)技術(shù)2")中，公 開了一種固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。所提出的固體氧化物燃料電池系統(tǒng) 試圖減小尺寸，并且盡可能地降低熱損失。如圖19所示，傳統(tǒng)技術(shù)2的 固體氧化物燃料電池系統(tǒng)包括垂直布置在熱絕緣容器4a中的固體氧化物 燃料電池(SOFC)組la、 一體式催化燃燒熱交換器2a以及預(yù)重整器3a。
一體式催化燃燒熱交換器2a包括設(shè)置在預(yù)重整器3a上的第一熱交 換器2b、設(shè)置在第一熱交換器2b上的催化燃燒層2c、設(shè)置在催化燃燒 層2c上的第二熱交換器2d。
燃料沿著燃料供應(yīng)管線5c流動(dòng)，并將重整后的燃料氣體供應(yīng)至 SOFC組la。作為含氧氣體的空氣沿著空氣供應(yīng)管線6a流動(dòng)，并供應(yīng)至 SOFC組la。廢燃料從SOFC組la通過廢燃料管線7g排出。從SOFC 組la排出的廢空氣通過廢空氣管線8供應(yīng)至廢燃料管線7g中的中間點(diǎn)。
在該結(jié)構(gòu)中，來自SOFC組la的廢燃料和廢空氣通過廢燃料管線7g 和廢空氣管線8供應(yīng)至催化燃燒層2c。然后，在催化燃燒層2c處燃燒的 燃燒氣體從第一熱交換器2b流向預(yù)重整器3a，并用作加熱預(yù)重整器3a 的熱源。
燃料通過燃料供應(yīng)管線5c流向預(yù)重整器3a以產(chǎn)生重整氣體。在第 一熱交換器2b處進(jìn)行重整氣體與燃燒氣體之間的熱交換。然后，在第二 熱交換器2d處進(jìn)行重整氣體與廢空氣之間的熱交換。之后，將重整氣體 供應(yīng)至SOFC組la。
然而，在傳統(tǒng)技術(shù)2中，利用燃燒氣體(燃燒后的廢燃料和燃燒后
的廢空氣)作為用于加熱預(yù)重整器3a的熱源。因此，預(yù)重整器3a容易
損壞。燃燒氣體具有相當(dāng)高的溫度并包含水蒸汽。因此，燃燒氣體容易
使預(yù)重整器3a氧化而降低其耐久性。為此，預(yù)重整器3a由昂貴且不經(jīng) 濟(jì)的高度抗氧化材料制成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的總體目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)并減小該燃料電池系 統(tǒng)的整體尺寸，在該燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池組和流體單元可有利地 安裝在較小空間中。
另外，本發(fā)明的主要目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)并利用經(jīng)濟(jì)的 結(jié)構(gòu)改進(jìn)重整器的耐久性，在該燃料電池系統(tǒng)中，有效地利用來自燃料 電池組的廢熱。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置了燃料電池組、熱交換器、重整器和殼體。所述 燃料電池組通過沿堆疊方向堆疊多個(gè)燃料電池而形成。每個(gè)所述燃料電 池都包括電解質(zhì)電極組件和將該電解質(zhì)電極組件夾在中間的隔板。所述 電解質(zhì)電極組件包括陽極、陰極和插設(shè)在所述陽極和陰極之間的電解質(zhì)。 所述熱交換器加熱待供應(yīng)到所述燃料電池組的含氧氣體。所述重整器重 整燃料以產(chǎn)生燃料氣體。所述殼體容納所述燃料電池組、所述熱交換器 和所述重整器。在所述殼體中，在所述燃料電池組的一側(cè)上設(shè)置至少包 括所述熱交換器和所述重整器的流體單元。
優(yōu)選的是，所述流體單元關(guān)于所述燃料電池組的中心軸線對(duì)稱設(shè)置。 另外優(yōu)選的是，在所述流體單元中，所述重整器設(shè)置在所述熱交換器內(nèi)。
優(yōu)選的是，在所述燃料電池組的另一側(cè)上設(shè)置載荷施加機(jī)構(gòu)，用于 沿堆疊方向向所述燃料電池施加緊固載荷。另外優(yōu)選的是，所述載荷施 加機(jī)構(gòu)關(guān)于所述燃料電池組的中心軸線對(duì)稱設(shè)置。
從所述燃料電池組排出的廢氣與含氧氣體之間的熱交換在所述熱交 換器處進(jìn)行，并且在熱交換之后，含氧氣體加熱所述重整器，然后供應(yīng) 至所述燃料電池組。
另外優(yōu)選的是，設(shè)置含氧氣體通道件。該含氧氣體通道件形成用于
允許在熱交換之后從所述熱交換器排出的含氧氣體圍繞所述重整器流動(dòng) 的通道。另外優(yōu)選的是，設(shè)置一管件，該管件用于允許在熱交換之后從 所述熱交換器排出的含氧氣體流入所述重整器。
另外優(yōu)選的是，設(shè)置廢氣通道件。該廢氣通道件形成用于允許從所 述熱交換器排出的廢氣在熱交換之后圍繞所述重整器流動(dòng)的通道。
另外優(yōu)選的是，所述燃料電池組包括沿著堆疊方向延伸并用于將燃 料氣體供應(yīng)至所述陽極的燃料氣體供應(yīng)單元以及沿著堆疊方向延伸并用 于將含氧氣體供應(yīng)至所述陰極的含氧氣體供應(yīng)單元，并且所述燃料氣體 供應(yīng)單元設(shè)置在該含氧氣體供應(yīng)單元內(nèi)。另外優(yōu)選的是，所述含氧氣體 供應(yīng)單元和所述燃料氣體供應(yīng)單元設(shè)置在所述燃料電池組的大致中央。
在本發(fā)明中，因?yàn)橹辽侔ㄋ鰺峤粨Q器和所述重整器的流體單元 設(shè)置在所述燃料電池組的一側(cè)上，所以所述熱交換器和所述重整器彼此 相鄰。從而，所述燃料電池組和所述流體單元可設(shè)置在所述殼體中的較 小空間內(nèi)。因此，降低了所述燃料電池系統(tǒng)的整體尺寸。另外，因?yàn)橛?效減少了管的數(shù)量和管的長(zhǎng)度，所以降低了熱損失，從而有效地進(jìn)行發(fā) 電。
另外在本發(fā)明中，通過在所述熱交換器處與廢氣進(jìn)行熱交換而被加 熱的含氧氣體用作加熱所述重整器的熱源。因此，有效地利用了來自所 述燃料電池組的廢熱。所述重整器不暴露于熱的廢氣，從而提高了該重 整器的耐久性。因此，利用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)順利地進(jìn)行期望的重整反應(yīng)。
結(jié)合附圖，從以下描述將更加清楚本發(fā)明的上述和其它目的、特征 和優(yōu)點(diǎn)，附圖中以說明性示例示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的局部剖視圖;
圖2是示意性地表示燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的立體圖； 圖3是表示燃料電池組的燃料電池的分解立體圖； 圖4是表示燃料電池中的氣體流動(dòng)的局部分解立體圖； 圖5是表示隔板的一個(gè)表面的視圖6是表示隔板的另一個(gè)表面的視圖7是表示形成在隔板上的第一突起和第二突起的立體圖8是表示燃料電池組的剖視圖； 圖9是示意性表示燃料電池的操作的剖視圖； 圖IO是示意性表示固定至隔板的通道件的視圖； 圖11是表示燃料電池組的端板的正視圖12是表示燃料電池系統(tǒng)的載荷施加機(jī)構(gòu)的局部分解立體圖； 圖13是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池的 分解立體圖14是表示通過堆疊多個(gè)燃料電池而形成的燃料電池組的剖視圖； 圖15是示意性地表示燃料電池的操作的剖視圖； 圖16是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的局部剖視圖； 圖17是表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的局部剖視圖； 圖18是表示根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)1的燃料電池發(fā)電設(shè)備的立體圖；以及 圖19是示意性地表示根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)2的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的 視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10的局部剖視 圖。圖2是示意性地表示燃料電池系統(tǒng)10的燃料電池組12的立體圖。 燃料電池組12通過沿著箭頭A所示的方向堆疊多個(gè)燃料電池11而形成。
燃料電池系統(tǒng)10用在各種應(yīng)用中，包括固定應(yīng)用和移動(dòng)應(yīng)用。例如， 燃料電池系統(tǒng)10安裝在車輛上。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)10包括燃 料電池組12、熱交換器14、重整器16以及殼體18。在含氧氣體供應(yīng)至 燃料電池組12之前，熱交換器14加熱該含氧氣體。重整器16重整燃料 以產(chǎn)生燃料氣體。燃料電池組12、熱交換器14和重整器16布置在殼體 18中。
在殼體18中，在燃料電池組12的一側(cè)上布置至少包括熱交換器14 和重整器16的流體單元19，并且在燃料電池組12的另一側(cè)上布置用于
沿著箭頭A所示的堆疊方向向燃料電池11施加緊固載荷的載荷施加機(jī)構(gòu) 21。流體單元19和載荷施加機(jī)構(gòu)21關(guān)于燃料電池組12的中心軸線對(duì)稱 地設(shè)置。
燃料電池ll是固體氧化物燃料電池(SOFC)。如圖3和圖4所示， 燃料電池11包括電解質(zhì)電極組件26。每個(gè)電解質(zhì)電極組件26都包括陰 極22、陽極24和插設(shè)在陰極22與陽極24之間的電解質(zhì)(電解質(zhì)板)20。 例如，電解質(zhì)20由諸如穩(wěn)定氧化鋯的離子導(dǎo)電型固體氧化物制成。電解 質(zhì)電極組件26具有圓盤形狀。至少在電解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周邊緣(隔 板28的中心部分)處設(shè)置阻擋層(未示出)，用于防止含氧氣體進(jìn)入。
在一對(duì)隔板28之間插設(shè)多個(gè)(例如八個(gè))電解質(zhì)電極組件26以形 成燃料電池11。這八個(gè)電解質(zhì)電極組件26與穿過隔板28的中心延伸的 燃料氣體供應(yīng)通路(燃料氣體供應(yīng)單元)30同心。
例如，在圖3中，每個(gè)隔板28包括例如不銹鋼或碳板制成的金屬板。 隔板28具有第一小直徑端部32。燃料氣體供應(yīng)通路30延伸穿過第一小 直徑端部32的中心。第一小直徑端部32通過多個(gè)第一橋接部34與均具 有相對(duì)較大直徑的圓盤36成一體。第一橋接部34從第一小直徑端部32 以等角(間隔)徑向向外延伸。圓盤36和電解質(zhì)電極組件26具有大致 相同的尺寸。如圖3、圖5和圖6所示，相鄰的圓盤36通過狹縫38彼此 分開。
每個(gè)圓盤36在其接觸陽極24的表面36a上具有第一突起48 (見圖 5)。第一突起48形成用于沿著陽極24的電極表面供應(yīng)燃料氣體的燃料 氣體通道46。每個(gè)圓盤36在其接觸陰極22的表面36b上都具有第二突 起52 (見圖6)。第二突起52形成用于沿著陰極22的電極表面供應(yīng)含氧 氣體的含氧氣體通道50。如圖7所示，第一突起48和第二突起52彼此 遠(yuǎn)離地突出。
第一突起48是環(huán)形突起，第二突起52是山形突起。第二突起(山 形突起)52被第一突起(環(huán)形突起)48環(huán)繞。第二突起52在形成與第 一突起48對(duì)應(yīng)的凹部53的表面上形成。因此，第二突起52設(shè)置在凹部 53中。
如圖8和圖9所示，設(shè)有多個(gè)第一突起48和第二突起52，第一突 起48的高度H1小于第二突起52的高度H2 (HKH2)。因此，含氧氣體 通道50的容積大于燃料氣體通道46的容積。
或者，第一突起48可以是山形突起，并且第二突起52可以是環(huán)形 突起。在這種結(jié)構(gòu)中，環(huán)形突起的高度優(yōu)選大于山形突起的高度。
如圖3至圖6所示，在各圓盤36中設(shè)置燃料氣體入口 54。燃料氣 體通過燃料氣體入口 54流入燃料氣體通道46。燃料氣體入口 54的位置 確定成使燃料氣體可均勻分布。例如，燃料氣體入口 54設(shè)在圓盤36的 中心。
通道件56通過銅焊或激光焊接在面向陰極22的表面上而固定至隔 板28。如圖3和圖10所示，通道件56包括第二小直徑端部58。燃料氣 體供應(yīng)通路30穿過第二小直徑端部58的中心延伸。八個(gè)第二橋接部60 從第二小直徑端部58沿徑向延伸。各個(gè)第二橋接部60從第一橋接部34 到圓盤36的燃料氣體入口 54固定至隔板28。
在通道件56的第二小直徑端部58上形成多個(gè)狹縫62。狹縫62沿 徑向形成在接合到隔板28的第二小直徑端部58的表面上。狹縫62連接 到燃料氣體供應(yīng)通路30。另外，狹縫62連接到形成在第二小直徑端部 58的外周區(qū)域中的凹部64。凹部64防止銅焊材料流動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)燃料氣 體的均勻流動(dòng)。燃料氣體供應(yīng)通道66形成在第一與第二橋接部34、 60 之間。燃料氣體供應(yīng)通道66通過狹縫62和凹部64連接到燃料氣體通道 46。
如圖8和圖9所示，含氧氣體通道50連接到含氧氣體供應(yīng)單元67。 含氧氣體通過電解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周邊緣與圓盤36的內(nèi)周邊緣之間 的空間沿箭頭B所示的方向供應(yīng)。含氧氣體供應(yīng)單元67由相應(yīng)的圓盤 36與第一橋接部34的內(nèi)側(cè)之間的空間形成，并且沿堆疊方向延伸。
如圖8所示，在隔板28之間設(shè)置用于密封燃料氣體供應(yīng)通路30的 絕緣密封件69。例如，絕緣密封件69由云母材料或陶瓷材料制成。廢氣 通道68沿堆疊方向穿過燃料電池11延伸到各圓盤36外側(cè)。
如圖1和圖2所示，燃料電池組12包括堆疊在一起的多個(gè)燃料電池
11，以及沿堆疊方向設(shè)置在相對(duì)端的端板70a、 70b。端板70a大致具有 圓盤形狀。在端板70a的外周區(qū)域中形成環(huán)形部分72。環(huán)形部分72從端 板70a軸向突出。在環(huán)形部分72周圍形成槽74。在環(huán)形部分72的中心 設(shè)置柱形突起76。柱形突起76和環(huán)形部分72沿相同方向從端板70a突 出。在突起76的中心形成孔78。
在端板70a中，沿著突起76周圍的假想圓交替地形成孔80和螺紋 孔82。孔80和螺紋孔82彼此隔開預(yù)定間隔(角度)。如圖U所示，孔 80和螺紋孔82設(shè)置在與第一和第二橋接部34、 60之間形成的含氧氣體 供應(yīng)單元67的各個(gè)空間對(duì)應(yīng)的位置處。如圖1所示，端板70b的直徑大 于端板70a的直徑。端板70b是導(dǎo)電薄板。
殼體18包括容納載荷施加機(jī)構(gòu)21的第一殼體單元86a和容納燃料 電池組12的第二殼體單元86b。端板70b和絕緣件夾在第一殼體單元86a 與第二殼體單元86b之間。該絕緣件設(shè)置在第二殼體單元86b—側(cè)。在 第一殼體單元86a與第二殼體單元86b之間的接合部分通過螺栓88和螺 母90緊固。
流體單元19的環(huán)形壁板92的一端接合到第二殼體單元86b，頂板 94固定至壁板92的另一端。流體單元19關(guān)于燃料電池組12的中心軸線 對(duì)稱設(shè)置。具體地說，大致柱形的重整器16在大致環(huán)形的熱交換器14 內(nèi)同軸地設(shè)置。熱交換器14和重整器16固定至壁板96，壁板96固定至 端板70a周圍的槽74。在端板70a與壁板96之間形成腔室98。
燃料氣體供應(yīng)管100和重整氣體供應(yīng)管102連接到重整器16。燃料 氣體供應(yīng)管100從頂板94延伸到外側(cè)。重整氣體供應(yīng)管102插入端板70a 的孔78中，并連接到燃料氣體供應(yīng)通路30。
空氣供應(yīng)管104和廢氣管106連接到頂板94。在殼體18中設(shè)置有 從空氣供應(yīng)管104通過熱交換器14延伸到腔室98的通道108、以及從燃 料電池組12的廢氣通道68通過熱交換器14延伸到廢氣管106的通道 110。
載荷施加機(jī)構(gòu)21包括第一緊固單元H2a和第二緊固單元112b，第 一緊固單元U2a用于向燃料氣體供應(yīng)通路30周圍(附近)的區(qū)域施加
第一緊固載荷T1，第二緊固單元112b用于向電解質(zhì)電極組件26施加第
二緊固載荷T2。第二緊固載荷T2小于第一緊固載荷T1 (T1〉T2)。
如圖1、圖2和圖12所示，第一緊固單元112a包括擰入沿著端板 70a的一個(gè)對(duì)角線設(shè)置的螺紋孔82中的較短的第一緊固螺栓114a。第一 緊固螺栓114a沿著燃料電池11的堆疊方向延伸，并與第一壓板116a接 合。第一壓板116a是窄板，并與隔板28的中央位置接合以覆蓋燃料氣 體供應(yīng)通路30。第一緊固螺栓114a設(shè)置在隔板28中的含氧氣體供應(yīng)單 元67內(nèi)。
第二緊固單元112b包括擰入沿著端板70a的另一個(gè)對(duì)角線設(shè)置的螺 紋孔82中的較長(zhǎng)的第二緊固螺栓114b。第二緊固螺栓114b的端部延伸 穿過具有曲線型外部的第二壓板U6b。螺母117裝配到第二緊固螺栓 114b的端部。第二緊固螺栓114b設(shè)置在隔板28中的含氧氣體供應(yīng)單元 67內(nèi)。與第一壓板116a相比，第二壓板116b沿堆疊方向的厚度較小。
在第二壓板116b的各個(gè)圓形部分中，在與燃料電池11的圓盤36上 的電解質(zhì)電極組件26相對(duì)應(yīng)的位置處設(shè)置有彈簧118和彈簧座119。例 如，彈簧118是陶瓷彈簧。
下面將描述燃料電池系統(tǒng)10的操作。
如圖3所示，在組裝燃料電池系統(tǒng)10時(shí)，首先，將隔板28接合到 通道件56的面向陰極22的表面上。因此，在隔板28與通道件56之間 形成與燃料氣體供應(yīng)通路30相連接的燃料氣體供應(yīng)通道66。燃料氣體供 應(yīng)通道66通過燃料氣體入口 54連接到燃料氣體通道46 (見圖8)。在各 個(gè)隔板28上、圍繞燃料氣體供應(yīng)通路30設(shè)置環(huán)形絕緣密封件69。
以這種方式制造隔板28。在隔板28之間插設(shè)八個(gè)電解質(zhì)電極組件 26以形成燃料電池11。如圖3和圖4所示，電解質(zhì)電極組件26插設(shè)在 一個(gè)隔板28的表面36a與另一隔板28的表面36b之間。圓盤36的燃料 氣體入口 54位于各陽極24的中心。
多個(gè)燃料電池11沿箭頭A所示的方向堆疊，端板70a、 70b設(shè)在沿 堆疊方向的相對(duì)端處。如圖1和圖12所示，第一緊固單元U2a的第一 壓板116a設(shè)置在燃料電池11的中心。
在這種狀態(tài)下，將較短的第一緊固螺栓114a朝著端板70a插入并且 穿過第一壓板116a和端板70b。第一緊固螺栓114a的末端被擰入并裝配 到沿著端板70a的一個(gè)對(duì)角線形成的螺紋孔82內(nèi)。這樣，在燃料電池組 12中，向燃料氣體供應(yīng)通路30附近的區(qū)域施加了第一緊固載荷Tl。
然后，將彈簧118和彈簧座119與在電解質(zhì)電極組件26的相應(yīng)位置 處的圓盤36沿軸向?qū)?zhǔn)。第二緊固單元112b的第二壓板116b與設(shè)置在 彈簧118的一端的彈簧座119接合。
將較長(zhǎng)的第二緊固螺栓114b朝著端板70a插入并且穿過第二壓板 116b和端板70b。第二緊固螺栓114b的末端被擰入并裝配到沿著端板70a 的另一個(gè)對(duì)角線形成的螺紋孔82內(nèi)。將螺母117裝配到第二緊固螺栓 114b的頭部。因此，通過調(diào)節(jié)螺母117與第二緊固螺栓114b之間的螺紋 接合狀態(tài)，借助相應(yīng)彈簧118的彈力向電解質(zhì)電極組件26施加第二緊固 載荷T2。
燃料電池組12的端板70b夾在殼體18的第一殼體單元86a與第二 殼體單元86b之間。第一殼體單元86a和第二殼體單元86b通過螺栓88 和螺母卯而被固定在一起。流體單元19安裝在第二殼體86b中。流體 單元19的壁板96安裝在端板70a周圍的槽74上。因此，在端板70a與 壁板96之間形成腔室98。
如圖1所示，在燃料電池系統(tǒng)10中，從燃料氣體供應(yīng)管100供應(yīng)燃 料(甲烷、乙烷、丙垸等)和水(在需要時(shí))，并從空氣供應(yīng)管104供應(yīng) 含氧氣體(下文稱為"空氣")。
燃料在經(jīng)過重整器16時(shí)被重整以產(chǎn)生燃料氣體(含氫氣體)。燃料 氣體供應(yīng)至燃料電池組12的燃料氣體供應(yīng)通路30。燃料氣體沿箭頭A 所示的堆疊方向流動(dòng)，通過各個(gè)燃料電池11中的隔板28的狹縫62流入 燃料氣體供應(yīng)通道66 (見圖8)。
燃料氣體沿著在第一和第二橋接部34、 60之間的燃料氣體供應(yīng)通道 66流動(dòng)，并從圓盤36的燃料氣體入口 54流入燃料氣體通道46。燃料氣 體入口 54在與電解質(zhì)電極組件26的陽極24的中心區(qū)域?qū)?yīng)的位置處形 成。因此，燃料氣體從燃料氣體入口 54供應(yīng)至陽極24的大致中心位置，
并且從陽極24的中心區(qū)域沿著燃料氣體通道46向外流動(dòng)(見圖9)。
如圖1所示，空氣從空氣供應(yīng)管104流過熱交換器14的通道108， 并臨時(shí)流入腔室98?？諝饬鬟^連接到腔室98的孔80，并供應(yīng)至大致設(shè) 置在燃料電池11中心的含氧氣體供應(yīng)單元67。這時(shí)，在熱交換器14中， 如下文所述，因?yàn)榕欧诺綇U氣通道68的廢氣流過通道110，所以在廢氣 與尚未供應(yīng)到燃料電池ll的空氣之間進(jìn)行熱交換。因此，空氣被預(yù)先加 熱到期望的燃料電池工作溫度。
供應(yīng)至含氧氣體供應(yīng)單元67的含氧氣體沿箭頭B所示的方向流入電 解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周邊緣與圓盤36的內(nèi)周邊緣之間的空間，并流向 含氧氣體通道50。如圖9所示，在含氧氣體通道50中，空氣從內(nèi)周邊緣 (隔板28的中心區(qū)域)流向外周邊緣(隔板28的外區(qū)域)，即，從電解 質(zhì)電極組件26的陰極22的外周區(qū)域的一端流向另一端。
因此，在電解質(zhì)電極組件26中，燃料氣體從陽極24的中心區(qū)域流 向外周區(qū)域，空氣在陰極22的電極表面上沿箭頭B所示的一個(gè)方向流動(dòng) (見圖9)。這時(shí)，氧離子穿過電解質(zhì)20流向陽極24，以通過電化學(xué)反 應(yīng)產(chǎn)生電。
排放至相應(yīng)的電解質(zhì)電極組件26的外側(cè)的廢氣沿堆疊方向流過廢 氣通道68。當(dāng)廢氣流過熱交換器14的通道110時(shí)，在廢氣與空氣之間進(jìn) 行熱交換。隨后，廢氣被排入廢氣管106中。
在第一實(shí)施例中，包括熱交換器14和重整器16的流體單元19 一起 設(shè)置在燃料電池組12的一側(cè)上(見圖1)。熱交換器14和重整器16彼此 相鄰。因此，燃料電池組12和流體單元19容納在殼體18中的較小空間 內(nèi)。從而容易減小燃料電池系統(tǒng)10的整體尺寸。
另外，熱交換器14通過壁板96直接連接到端板70a。因此，有效地 減少了燃料電池系統(tǒng)10中管的數(shù)量和管的長(zhǎng)度。降低了熱損失并有效地 進(jìn)行發(fā)電。
在第一實(shí)施例中，流體單元19關(guān)于燃料電池組12的中心軸線對(duì)稱 設(shè)置。因此，在流體單元19和燃料電池組12的周向上沒有溫度分布。 即，在流體單元19和燃料電池組12的周向上實(shí)現(xiàn)了均勻的溫度。因此，
可以防止燃料電池11被熱應(yīng)力損壞，從而容易改進(jìn)燃料電池11的耐久 性。在該結(jié)構(gòu)中，重整器16設(shè)置在熱交換器14內(nèi)。因此，改進(jìn)了重整 器16的熱絕緣性能。可以利用來自燃料電池ll的廢熱(廢氣)，從而提 高熱效率。
另外，在燃料電池組12的另一側(cè)上設(shè)置載荷施加機(jī)構(gòu)21。載荷施 加機(jī)構(gòu)21與流體單元19隔開，并且燃料電池組12插設(shè)在載荷施加機(jī)構(gòu) 21與流體單元19之間。因此，載荷施加機(jī)構(gòu)21不暴露于高溫。從而， 載荷施加機(jī)構(gòu)21可穩(wěn)定地向燃料電池組12施加載荷。載荷施加機(jī)構(gòu)21 的耐久性得到提高。載荷施加機(jī)構(gòu)21關(guān)于燃料電池組12的中心軸線對(duì) 稱設(shè)置。因此，載荷均勻施加到燃料電池組12，從而改進(jìn)了可靠性。
另外，在第一實(shí)施例中，在熱交換器14處進(jìn)行從燃料電池組12排 放的廢氣與空氣(在反應(yīng)消耗前的含氧氣體)之間的熱交換。因此，通 過熱交換而被加熱的熱空氣流過腔室98。當(dāng)熱空氣加熱腔室98附近的重 整器16之后，將該空氣供應(yīng)至燃料電池組12。
也就是說，使用在熱交換器14處與廢氣進(jìn)行熱交換而被加熱的空氣 作為加熱重整器16的熱源。因此，有效地利用了來自燃料電池組12的 廢熱。重整器16不暴露于熱的廢氣，從而改進(jìn)了重整器16的耐久性。
因此，在燃料電池系統(tǒng)10中，利用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)順利地進(jìn)行期望 的重整反應(yīng)。另外，重整器16可正常地長(zhǎng)期運(yùn)行。
另外，熱交換器14和重整器16設(shè)置在燃料電池組12附近，重整器 16設(shè)置在熱交換器14內(nèi)。因此，抑制了熱輻射，從而更加容易提高熱效 率。
另外，在燃料電池組12中，燃料氣體供應(yīng)通路30設(shè)置在含氧氣體 供應(yīng)單元67內(nèi)。因此，抑制了燃料氣體供應(yīng)通路30的腐蝕等。改進(jìn)了 燃料氣體供應(yīng)通路30的耐久性，并抑制了燃料氣體的泄漏。
另外，燃料氣體供應(yīng)通路30和含氧氣體供應(yīng)單元67設(shè)置在燃料電 池組12的大致中心部分。加熱的空氣和燃料氣體供應(yīng)至燃料電池組12 的中心部分。因此，在各個(gè)燃料電池ll中，熱從中心部分向外圍部分傳 遞，從而有效地利用了熱。因此，熱效率得到了提高。
圖13是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池120
的分解立體圖。圖14是表示通過堆疊多個(gè)燃料電池120而形成的燃料電 池組122的剖視圖。圖15是示意性地表示燃料電池120的操作的剖視圖。 與根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池11相同的構(gòu)成元件標(biāo)有相同的附圖標(biāo)記， 并將省略對(duì)其的描述。而且在第三和第四實(shí)施例中，與根據(jù)第一實(shí)施例 的燃料電池11相同的構(gòu)成元件標(biāo)有相同的附圖標(biāo)記，并將省略對(duì)其的描 述。
通道件124固定至燃料電池120的各個(gè)隔板28上，并位于面向陽極 24的表面上。通道件124包括固定到隔板28的第一橋接部34的第二橋 接部126。在第一橋接部34和第二橋接部126之間形成燃料氣體供應(yīng)通 道66。第二橋接部126終止在與電解質(zhì)電極組件26的陽極24的大致中 心區(qū)域相對(duì)應(yīng)的位置。在第二橋接部126的端部形成多個(gè)燃料氣體入口 128。燃料氣體入口 128通向陽極24。在隔板28的圓盤36上沒有形成第 一實(shí)施例中的燃料氣體入口 54。
在第二實(shí)施例中，向燃料氣體供應(yīng)通路30供應(yīng)的燃料氣體沿著在各 隔板28與通道件124之間形成的燃料氣體供應(yīng)通道66流動(dòng)。然后，燃 料氣體從形成在通道件124端部處的燃料氣體入口 128供應(yīng)到陽極24。
因此，燃料氣體更加適當(dāng)和均勻地從陽極24的中心區(qū)域供應(yīng)至外部 區(qū)域，從而提高了發(fā)電效率。另外，因?yàn)椴恍枰诟舭?8的圓盤36中 設(shè)置燃料氣體入口，所以隔板28的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并容易降低生產(chǎn)成本。
圖16是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)130的局部剖視圖。
在燃料電池系統(tǒng)130中，在熱交換器14內(nèi)設(shè)置重整器16，并且沿 箭頭B所示的方向延伸的分隔壁132連接到重整器16的外周部分和熱交 換器14的內(nèi)周部分。分隔壁132由大致環(huán)形的板狀件制成。
在端板70a處設(shè)置第一通道件(含氧氣體通道件)134。第一通道件 134與突起76同軸地突出。第一通道件134和突起76沿著箭頭A所示 的相同方向突出。第一通道件134具有環(huán)形形狀，并且第一通道件134 的端部位于分隔壁132的附近。通過設(shè)置第一通道件134，在殼體18中
形成第一通道136。在熱交換之后，空氣從熱交換器14排出，并且流過
重整器16周圍的第一通道136。第一通道136連接到通道108和孔80。 與第一通道件134相對(duì)地設(shè)置第二通道件(廢氣通道件)138，使得 分隔壁132插設(shè)在第一通道件134與第二通道件138之間。第二通道件 138為帶有底部的筒形形狀。燃料氣體供應(yīng)管100連接到第二通道件138 底部的中央?yún)^(qū)域，廢氣管106連接到第二通道件138底部的邊緣區(qū)域。 通過設(shè)置第二通道件138，在殼體18中形成第二通道139。在熱交換之 后，廢氣從熱交換器14排出，并圍繞重整器16流過第二通道139。第二 通道139連接到通道110和廢氣管106。
在第三實(shí)施例中，供應(yīng)到空氣供應(yīng)管104的空氣流過熱交換器14的 通道108。然后，空氣供應(yīng)到第一通道136。在該結(jié)構(gòu)中，從燃料電池組 12排出的廢氣流入熱交換器14的通道110，并在空氣與廢氣之間進(jìn)行熱 交換。
從而，熱交換之后的熱空氣流過第一通道136。熱空氣圍繞重整器 16流動(dòng)，用于適當(dāng)加熱重整器16。因此，可實(shí)現(xiàn)與第一實(shí)施例的情況相 同的優(yōu)點(diǎn)。例如，有效地利用了來自燃料電池組12的廢熱，并有利地改 進(jìn)了重整器16的耐久性。
在熱交換器14處進(jìn)行熱交換之后，廢氣流過由第二通道件138形成 的第二通道139，并在圍繞重整器16的端部流動(dòng)。然后，廢氣從廢氣管 106排出。在熱交換器14處進(jìn)行熱交換之后的廢氣可再次用作加熱重整 器16的熱源。從而可更加有效地利用廢熱。
圖17是表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)140的局部剖視圖。
在燃料電池系統(tǒng)140中，在端板70a處設(shè)置分隔壁142。分隔壁142 與突起76同軸并覆蓋孔80。分隔壁142具有環(huán)形形狀，并且分隔壁142 的端部接觸重整器16，用以將通道108與孔80分開。
在重整器16中設(shè)置彎曲的管件144。管件144的一端從分隔壁142 向外延伸，并連接到熱交換器14的通道108。管件144的另一端位于分 隔壁142內(nèi)，并通向孔80。
在第四實(shí)施例中，從空氣供應(yīng)管104供應(yīng)至熱交換器14的通道108
的空氣通過與流過熱交換器14的通道110的廢氣迸行熱交換而被加熱。 熱空氣流入管件144的設(shè)置在腔室98處的一端。
管件144設(shè)置在重整器16內(nèi)。熱空氣流過管件144，用于從內(nèi)側(cè)加 熱重整器16。在空氣加熱重整器16之后，空氣流出管件144的另一端， 并通過孔80供應(yīng)到燃料電池組12中。
在第四實(shí)施例中，在空氣通過與從燃料電池組12排出的廢氣的熱交 換而被加熱之后，熱空氣通過管件144而在重整器16內(nèi)流動(dòng)。因此，可 獲得與第一至第三實(shí)施例的情況相同的優(yōu)點(diǎn)。例如，重整器16被適當(dāng)加
熱，并且有效地利用廢熱。
在第四實(shí)施例中，按照與第三實(shí)施例相同的方式，可以設(shè)置用于在 熱交換之后將廢氣供應(yīng)至重整器16周圍區(qū)域的第二通道件(未示出)， 以便用于從重整器16的兩側(cè)，即外側(cè)和內(nèi)側(cè)加熱重整器16。
上文參照優(yōu)選實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解到，在 不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行變型和修改。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組(12)，該燃料電池組通過沿堆疊方向堆疊多個(gè)燃料電池(11)而形成，所述燃料電池(11)均包括電解質(zhì)電極組件(26)和隔板(28)，所述電解質(zhì)電極組件(26)夾在隔板(28)之間，所述電解質(zhì)電極組件(26)包括陽極(24)、陰極(22)和插設(shè)在所述陽極(24)和所述陰極(22)之間的電解質(zhì)(20)；熱交換器(14)，該熱交換器用于加熱待供應(yīng)到所述燃料電池組(12)的含氧氣體；重整器(16)，該重整器用于重整燃料以產(chǎn)生燃料氣體；以及殼體(18)，該殼體容納所述燃料電池組(12)、所述熱交換器(14)和所述重整器(16)，其中在所述殼體(18)中，在所述燃料電池組(12)的一側(cè)上設(shè)置至少包括所述熱交換器(14)和所述重整器(16)的流體單元(19)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述流體單元(19) 關(guān)于所述燃料電池組(12)的中心軸線對(duì)稱設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述流體單元(19) 中，所述重整器(16)設(shè)置在所述熱交換器(14)內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述熱交換器(14) 處進(jìn)行所述含氧氣體與從所述燃料電池組(12)排出的廢氣之間的熱交 換，并且在熱交換之后，所述含氧氣體加熱所述重整器(16)，并隨后供應(yīng)至 所述燃料電池組(12)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述熱交換器(14) 和所述重整器(16)鄰近所述燃料電池組(12)設(shè)置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，該燃料電池系統(tǒng)還 包括含氧氣體通道件(134)，該含氧氣體通道件形成用于允許在熱交換 之后從所述熱交換器(14)排出的含氧氣體圍繞所述重整器(16)流動(dòng)的通道。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，該燃料電池系統(tǒng)還包括管件(144)，該管件用于允許在熱交換之后從所述熱交換器(14) 排出的含氧氣體流入所述重整器(16)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，該燃料電池系統(tǒng)還 包括廢氣通道件(138)，該廢氣通道件形成用于允許在熱交換之后從所 述熱交換器(14)排出的廢氣圍繞所述重整器(16)流動(dòng)的通道。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池組(12) 包括沿著堆疊方向延伸并用于將燃料氣體供應(yīng)至所述陽極(24)的燃料 氣體供應(yīng)單元(30)、以及沿著堆疊方向延伸并用于將含氧氣體供應(yīng)至所 述陰極(22)的含氧氣體供應(yīng)單元(67)，并且所述燃料氣體供應(yīng)單元(30)設(shè)置在所述含氧氣體供應(yīng)單元(67)內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述燃料電池 組(12)的另一側(cè)上設(shè)置載荷施加機(jī)構(gòu)(21)，用于沿堆疊方向向所述燃 料電池(11)施加緊固載荷。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述載荷施加機(jī) 構(gòu)(21)關(guān)于所述燃料電池組(12)的中心軸線對(duì)稱設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)(10)包括燃料電池組(12)。該燃料電池組(12)包括沿堆疊方向堆疊在一起的多個(gè)燃料電池(11)以及設(shè)置在燃料電池(11)的沿堆疊方向的相對(duì)端部處的端板(70a，70b)。在燃料電池組(12)的一側(cè)上設(shè)置流體單元(19)。該流體單元(19)包括用于加熱待供應(yīng)到所述燃料電池組(12)的含氧氣體的熱交換器(14)以及用于重整燃料以產(chǎn)生燃料氣體的重整器(16)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101116206SQ20058004434
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者團(tuán)功司, 本間弘樹, 角田正 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社