CN100536198C - 用于燃料电池的隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于燃料电池的隔离器。所述隔离器包括一板，该板被配置以面对燃料电池的阳极电极和阴极电极，该燃料电池通过氢气和氧气之间的电化学反应来产生电。所述隔离器包括流体可流经的通道和形成所述通道的肋条。所述肋条中的至少一个包括在其出口端处的斜坡端。所述斜坡端具有相对所述板的表面的第一倾斜角。在阴极电极中产生的水被很容易地排放，并且空气被通畅地供给到所述阴极电极，从而提高所述燃料电池的发电效率。

Description

用于燃料电池的隔离器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年5月3日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2006-0040221的权益，该申请的公开内容通过引用以其整体并入于此。
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体地说，涉及一种用于燃料电池的隔离器。
背景技术
燃料电池分类为：聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)；磷酸燃料电池(PAFC)；熔融碳燃料电池(MCFC)；固态氧化物燃料电池(SOFC)；等等。这些燃料电池通常以相同的原理运行，不过它们在燃料类型、催化剂、电解质等等方面有所不同。
通常，燃料电池是发电系统，其利用H2(下文中的“氢气”)和O2(下文中的“氧气”)之间的电化学反应将化学能直接转化成电能。在向燃料电池系统供给氢气的过程中，氢气可直接用于反应中，或者可对诸如甲醇、乙醇、天然气之类的碳氢化合物进行重整以提供氢气。进一步，在向燃料电池系统供给氧气的过程中，可直接使用氧气，或者可供给含氧气的空气。在供给氧气的过程中，可使用空气泵或类似物。同时，直接甲醇燃料电池(DMFC)系统使用甲醇和水的混合物作为燃料。
发明内容
本发明的一方面提供一种用于燃料电池的隔离器。所述隔离器包括：板，其具有第一边缘和与所述第一边缘相对的第二边缘；入口，其邻近所述第一边缘而形成；出口，其邻近所述第二边缘而形成；和多个肋条，其形成于所述板的表面上，所述肋条位于所述入口与所述出口之间，并沿着从所述第一边缘到所述第二边缘的方向延伸，从而限定它们之间的通道，每个所述肋条包括邻近所述入口的第一端部分和邻近所述出口的第二端部分，其中所述肋条的第二端部分中的至少一个包括至少一个基本不与垂直于所述方向的表面相平行的表面。
所述至少一个表面可包括与所述垂直于所述方向的表面形成一角度的表面，并且所述角度可在大约35°和大约55°之间。所述第二端部分中的所述至少一个可包括台阶。所述第二端部分中的所述至少一个可包括圆滑表面。
所述第二端部分中的所述至少一个可包括侧表面，该侧表面大致垂直于所述板的表面并且大致垂直于所述与所述方向相垂直的表面，并且所述第二端部分中的所述至少一个可呈锥形，使得所述侧表面朝向所述第二边缘变窄。所述侧表面可变窄，从而在液滴由于重力作用而沿着从所述第一端部分到所述第二端部分的方向行进时，充分地抑制所述液滴停留在所述侧表面上。所述侧表面可具有三角形形状，该三角形的顶点指向所述第二边缘。所述三角形可包括直角三角形。
所述板可包括形成于所述板的表面上的凹部，并且所述多个肋条可形成于所述凹部中。所述凹部可包括：第一凹陷部分，其允许所述入口与所述通道之间流体连通；和第二凹陷部分，其允许所述通道与所述出口之间流体连通，并且所述第二凹陷部分可朝向所述出口变窄，使得当所述入口的位置高于所述出口时，来自所述通道的至少一个的流体流向所述出口。
所述第二凹陷部分可包括至少一个基本不与所述板的表面相平行的表面，并且所述至少一个表面可基本不与所述垂直于所述方向的表面相平行。
所述至少一个表面可基本平坦。所述至少一个表面可与所述垂直于所述方向的表面可形成一角度，并且该角度可在大约30°和大约45°之间。
所述第一凹陷部分可随着其从所述入口向所述通道延伸而变宽。所述第二凹陷部分中的至少一部分可被涂布以亲水材料。所述通道中的至少一个可被涂布以亲水材料。
所述隔离器可进一步包括形成于所述板的另一表面上的其它多个肋条，所述其它多个肋条位于所述入口和所述出口之间，并沿着从所述第一边缘到所述第二边缘的方向延伸，从而限定它们之间的通道，所述其它多个肋条中的每一个均包括邻近所述入口的第一端部分和邻近所述出口的第二端部分，其中所述其它多个肋条的第二端部分中的至少一个包括至少一个基本不与垂直于所述方向的表面相平行的表面。
本发明的另一方面提供一种燃料电池，包括：电极板；和上文所述的隔离器，所述隔离器采用面向所述电极的所述板的表面而附到所述电极板。
本发明的又一方面提供一种操作上文所述的燃料电池的方法。所述方法包括：对所述燃料电池进行定向，使得所述入口位置高于所述出口；经所述入口供给反应物；激活所述电极以形成液态产物；以及经所述出口排出所述液态产物。
本发明的另一方面提供一种燃料电池，包括：第一电极板；第二电极板；和上文所述的隔离器，所述隔离器介于所述第一电极板与第二电极板之间，并附到所述第一和第二电极板。
本发明的又一方面提供一种包含上文所述的隔离器的装置，其中，所述装置从由独立燃料电池系统、包含燃料电池的电子或电气器件，和包含燃料电池的运输车辆组成的组中选出。
本发明的进一步方面提供一种用于燃料电池的阴极隔离器，其具有一使水从阴极电极通畅地排出的结构。
本发明的另一方面提供一种用于燃料电池的阴极隔离器，其中，形成通道的肋条的水出口被形成而具有斜坡，使得在阴极电极中产生并沿着通道流动的水通畅地在所述水出口中排放。
本发明的又一方面提供一种用于燃料电池的阴极隔离器，其中，出口头的底边缘相对水平线给出了预定斜度，使得在阴极电极中产生并从一肋条的水出口排放的水通畅地流向出口。
在一些实施例中，前述的隔离器包括板，其中设置有该板的燃料电池通过含氢燃料的诸如氢气的还原剂和诸如氧气的氧化剂之间的电化学反应产生电，并形成以流体可流经的通道，所述隔离器包括：肋条，其构建所述通道，其中所述肋条包括位于其出口端处并具有相对所述板的表面的第一倾斜角的斜坡端。
在一个实施例中，斜坡端的第一倾斜角处于从大约40°到大约50°的范围中。在一个实施例中，所述板包括引入反应物的入口，以及将入口和通道相连接以使二者彼此连通的入口头。进一步，所述板包括反应物反应所产生的产物被排放所经过的出口，以及将出口与通道相连接以使二者彼此连通的出口头。在另一实施例中，斜坡端面对出口头。
在一些实施例中，出口头包括底边缘，该底边缘具有相对所述通道的朝向出口的第二倾斜角。进一步，第二倾斜角处于从大约30°到大约45°的范围中。在一些实施例中，所述通道被涂布以亲水材料，并且出口头被涂布以亲水材料。在一些实施例中，所述板朝向引入氧化剂的阴极电极，并且所述产物包括水。在一些实施例中，通过从所述出口的周界到所述通道，部分切除所述板的表面至预定深度，形成所述出口头，并且所述肋条的高度等于所述出口头的深度。在一些实施例中，通过从所述入口的周界到所述通道，部分切除所述板的表面至预定深度，形成所述入口头。
附图说明
从下文中结合附图而对特定实施例的描述中，本发明的这些和其它方面以及优势将变得明显，并且更加易于理解，所述附图中：
图1是根据一实施例的阴极隔离器的俯视图；
图2a是根据一实施例的阴极隔离器的透视图；
图2b-2e是根据另一实施例的肋条的第二端部分的透视图；
图3是根据另一实施例的阴极隔离器的俯视图；
图4是单元电池的示意性剖视图；和
图5是在图4的燃料电池中使用的阴极隔离器的俯视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述本发明的各个实施例，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且将根据需要避免重复描述。在所图示的实施例中，扩大了附图中所示的元件和特征件的形状和尺寸。
图4为单元燃料电池配置的示意性剖视图。参照图4，单元电池包括膜电极组件370、阴极隔离器300、和阳极隔离器390。通常，膜电极组件370包括阳极电极381、阴极电极382以及置于阳极电极381与阴极电极382之间的电解质膜380。
阴极隔离器300被放置以接触阴极电极382，并形成空气流通道360，氧气通过该通道供给到阴极电极382。燃料电池的电化学反应在阴极电极382处生成水。反应中产生的水沿着阴极隔离器300的通道360流动，并被排放到外部。
阳极隔离器390被放置以接触阳极电极381，并形成通道391，燃料通过该通道供给到阳极电极381。燃料电池在阳极电极381处的反应生成二氧化碳或类似物，其沿着阳极隔离器390的通道391流动并被排放到外部。
图5是阴极隔离器300的一种配置的俯视图。参照图5，阴极隔离器300包括入口320、出口330和多个肋条361，这些肋条设置在形成于阴极隔离器300中的凹部内。在图示的配置中，所述凹部由包括顶边缘341和底边缘351在内的四个边缘所限定。顶边缘341大致平行于阴极隔离器300的顶边缘310。空气经入口320被引入凹部空间，并通过被称为入口头340的空间沿着由肋条361形成的通道360向下流动。然后，经过通道360的空气通过被称为出口头350的另一空间经出口330被排放，出口头350大致平行于阴极隔离器300的顶边缘310。
进一步，如上文所述，在阴极电极382(参照图4)中产生的水由于其重力而沿着通道360流到出口头350，并经出口330排放到外部。不过，因为底边缘351平行于顶边缘310，一些流到出口头350的水不会轻易地经出口330排出。因此，一些水可能残留在出口头350中，并可能阻碍空气流经通道360。这种阻碍会干扰空气向阴极电极382(参照图4)的供给，并可以进一步影响燃料电池系统的发电效率。
另外，在阴极电极382中产生的水有时候并不经通道360流出，而可能停留在通道360的下端部分，这是因为在水滴和通道360的表面之间存在表面张力。停留在通道360中的水干扰了空气向阴极电极382的各个区域的顺利供给，因而降低了燃料电池系统的发电效率。
图1是根据本发明一实施例的阴极隔离器的俯视图。图2a是图1中的阴极隔离器的透视图。参照图1和2a，根据一实施例的阴极隔离器100具有板110，该板包括在其表面上的凹部。板110包括在凹部中的入口120、入口头140、多个通道160、多个肋条161、出口头150和出口130。
入口120位于凹部的左上边角处，如图1所示。入口120被配置以穿透板110。可以理解的是，可以根据隔离器的设计改变入口120的配置和定位。
入口头140指的是板110的凹部的上部分上的空间。入口头140具有凹陷于板110中的底表面。可以通过部分切除板110的在入口120周围的表面至预定深度来形成所述底表面。所述预定深度可在大约1mm和大约2mm之间。入口头140的顶边缘141大致平行于板110的顶边缘。
多个肋条161位于入口头140下方且凹部的大致中央区域中。肋条161彼此大致平行且大致垂直于入口头140的顶边缘141而延伸。肋条161从板110的凹部的底表面突出。在一个实施例中，所形成的肋条161以预定间距彼此平行。所述预定间距W可在大约0.8mm和大约2mm之间。相邻肋条161之间的空间形成空气和水可流经的通道。肋条161可具有的高度H(图2a)约等于凹部的入口头140的深度D(图2a)。在一个实施例中，肋条161具有的高度在大约1mm和大约2mm之间，并且具有的长度L(图1)在大约32mm和大约36mm之间。
图示肋条161中的每一个均具有位于入口头140正下方的上端，以及与该上端相对的下端。在一个实施例中，肋条161中的至少一个包括在下端处的斜坡端161a，如图2a所示。斜坡端161a的倾斜表面具有朝向板110的凹陷表面的预定斜度。肋条161的斜坡端161a用于将水的表面张力最小化。另外，斜坡端161a具有相对板的底表面的预定倾斜角161b(图2a)，例如大约35°到大约55°，优选大约40°到大约50°。所述预定角度可从35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°、50°、51°、51°、52°、53°、54°，和55°中选出一个。
出口130位于凹部的右下边角处。出口130被配置以穿透板110。可以理解的是，可以根据隔离器的设计来改变出口130的配置和位置。
类似于入口头140，出口头150凹陷入板100中。在一个实施例中，可以通过部分切除板110的在出口130周围的表面至预定深度来形成出口头140。所述预定深度可在大约1mm和大约2mm之间。
出口头140被配置以与通道160流体连通。在图示的实施例中，出口头150用于将从通道160排放出的水收集到出口130中。为了加强出口头150的收集，出口头150的底边缘151朝向出口130而相对板110的底边缘形成以预定角170。进一步，出口头150具有朝向通道160的上宽度和朝向出口130的下宽度，其中上宽度比下宽度宽。在图示的实施例中，可以可选地确定角170，以便允许从通道160排出的水容易地沿着出口头150的底边缘151流向出口130。在一个实施例中，角170可在大约30°和大约45°之间。角170可从30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°，和45°中选出。
在特定实施例中，出口头150的表面可涂布以亲水材料，例如二氧化钛、硅烷联合剂、密封剂或类似物。这种亲水材料还可以应用于通道160。
根据一实施例的阴极隔离器100如下文所述地进行操作。经入口120引入的空气通过入口头140分配到通道160。然后，空气从每个通道160供给到接触阴极隔离器100的阴极电极382(图4)。在阴极电极382的表面上，空气中的氧气被还原并且产生水。然后，水由于重力作用沿着通道160流到出口头150。因为肋条161的斜坡端161a在其下部具有倾斜表面，因此水可以通畅地流到出口头150而不停留在肋条161的下部。
进一步，因为出口头150的底边缘151相对板110的底边缘形成以预定角170，因此在出口头150中收集的水可沿着出口头150的底边缘151通畅地向下流动，并可以经出口130排放到外面。在出口头150表面被涂布以亲水材料的特定实施例中，水可以更为通畅地流动并被排放。
图2b-2e为根据另一实施例的肋条的第二端部分的透视图。参照图2b，根据另一实施例的肋条161的第二端部分中的至少一个可具有台阶部分。参照图2c，根据另一实施例的肋条161的第二端部分中的至少一个可具有圆滑表面。参照图2d，根据另一实施例的肋条161的第二端部分中的至少一个可呈锥形，使得侧表面朝向第二边缘变窄。进一步，参照图2e，根据另一实施例的肋条161的第二端部分中的至少一个可具有三角形的侧表面。在此，三角形形状可包括直角三角形。
图3是根据另一实施例的阴极隔离器的俯视图。参照图3，根据该实施例的阴极隔离器200具有板210，该板210包括入口220、入口头240、通道260、肋条261、出口头250和出口230。在此，图3的阴极隔离器200具有的配置类似于图1的阴极隔离器100的配置，不同之处在于入口头240的形状。
入口头240凹陷于板210中。可通过部分切除板210的在入口220周围的表面至预定深度，来形成入口头240。所述预定深度可在大约1mm和大约2mm之间。
入口头240的顶边缘241朝向入口220而相对板210的顶边缘形成以预定角度。可以可选地确定该角度，以便允许经入口220引入的空气经入口头240均匀地分布到通道260。在一个实施例中，该角度可在大约30°和大约45°之间。
即使空气流动离开入口220，入口头240的配置可使空气阻力最小化，从而使空气均匀地供给到通道260。阴极隔离器200的其它部件的配置可参照上文针对图1的阴极隔离器100的那些部件的描述，因此省略了对该配置的描述。
在上文的实施例中，阴极隔离器包括在所述板一侧上的入口头、通道和出口头，但是不限于此。可选地，入口头、通道和出口头可形成于板的另一侧上。这种在板的两侧上均具有入口头、通道和出口头的隔离器可用于堆叠多个单元电池。
在另一实施例中，上文所提的出口头、肋条和入口头的结构可用于阳极隔离器。在这种情况下，在经形成于阳极隔离器上的通道供给到阳极电极的液态含氢燃料中，还未参与到阳极电极的化学反应中的未反应的含氢燃料，可以从所述通道通畅地排放。
根据一实施例，在阴极电极中形成的水很容易地被排放。因此，可以将空气通畅地供给到阴极电极，从而提高燃料电池的发电效率。
虽然已经显示和描述了若干实施例，不过本领域的技术人员可以理解的是，在不偏离本发明的原理和精神的前提下可以对实施例进行变化，并且本发明的范围由权利要求书及其等价物所限定。

Claims (16)

1、一种用于燃料电池的隔离器，包括：
板，其具有第一边缘和与所述第一边缘相对的第二边缘；
入口，其邻近所述第一边缘而形成；
出口，其邻近所述第二边缘而形成；和
多个肋条，其形成于所述板的表面上，所述肋条位于所述入口和所述出口之间，并沿着从所述第一边缘到所述第二边缘的方向延伸，从而限定它们之间的通道，每个所述肋条均包括邻近所述入口的第一端部分和邻近所述出口的第二端部分，其中所述肋条的第二端部分中的至少一个包括至少一个不与垂直于所述方向的表面相平行的表面，其中所述第二端部分中的所述至少一个包括侧表面，该侧表面垂直于所述板的表面并且垂直于处于与所述方向相垂直的平面，并且所述第二端部分中的所述至少一个呈锥形，使得所述侧表面朝向所述第二边缘变窄。
2、根据权利要求1所述的隔离器，其中所述侧表面变窄，从而在液滴由于重力作用沿着从所述第一端部分到所述第二端部分的方向行进时，充分地抑制所述液滴停留在所述侧表面上。
3、根据权利要求1所述的隔离器，其中所述侧表面具有三角形形状，该三角形的顶点指向所述第二边缘。
4、根据权利要求3所述的隔离器，其中所述三角形包括直角三角形。
5、根据权利要求1所述的隔离器，其中所述板包括形成于所述板的表面上的凹部，并且其中所述多个肋条形成于所述凹部中。
6、根据权利要求5所述的隔离器，其中所述凹部包括：第一凹陷部分，其允许所述入口和所述通道之间的流体连通；和第二凹陷部分，其允许所述通道和所述出口之间的流体连通，并且其中所述第二凹陷部分朝向所述出口变窄，使得当所述入口的位置高于所述出口时，来自所述通道的至少一个通道的流体流向所述出口。
7、根据权利要求6所述的隔离器，其中所述第二凹陷部分包括至少一个不与所述板的表面相平行的表面，并且其中所述第二凹陷部分所包括的所述至少一个表面不与所述垂直于所述方向的表面相平行。
8、根据权利要求7所述的隔离器，其中所述第二凹陷部分所包括的所述至少一个表面平坦，其中所述至少一个表面与所述垂直于所述方向的表面成一角度，并且该角度在30°和45°之间。
9、根据权利要求6所述的隔离器，其中所述第一凹陷部分随着其从所述入口向所述通道延伸变宽。
10、根据权利要求6所述的隔离器，其中所述第二凹陷部分中的至少一部分被涂布以亲水材料。
11、根据权利要求1所述的隔离器，其中所述通道中的至少一个被涂布以亲水材料。
12、根据权利要求1所述的隔离器，进一步包括形成于所述板的另一表面上的其它多个肋条，所述其它多个肋条位于所述入口和所述出口之间，并沿着从所述第一边缘到所述第二边缘的方向延伸，从而限定它们之间的通道，所述其它多个肋条中的每一个均包括邻近所述入口的第一端部分和邻近所述出口的第二端部分，其中所述其它多个肋条的第二端部分中的至少一个包括至少一个不与垂直于所述方向的表面相平行的表面。
13、一种燃料电池，包括：
电极板；和
根据权利要求1所述的隔离器，所述隔离器利用所述板的面向所述电极的表面附到所述电极板。
14、一种操作根据权利要求13所述的燃料电池的方法，
对所述燃料电池进行定向，使得所述入口位置高于所述出口；
经所述入口供给反应物；
激活所述电极以形成液态产物；以及
经所述出口排出所述液态产物。
15、一种燃料电池，包括：
第一电极板；
第二电极板；和
根据权利要求12所述的隔离器，所述隔离器置于所述第一电极板和第二电极板之间，并附到所述第一和第二电极板。
16、一种包含根据权利要求1所述的隔离器的装置，其中，所述装置从由独立燃料电池系统、包含燃料电池的电子或电气设备，和包含燃料电池的运输车辆组成的组中选出。
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