CN102473928B - 燃料电池用空冷式金属分离板及利用该分离板的燃料电池堆栈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无需冷却水的空冷式金属分离板。本发明的空冷式金属分离板，其特征在于，包括通道部，其在金属板的中心部包括反应气体通道和空气流路，上述反应气体通道从前表面向背面突出而形成，上述空气流路形成于向背面突出的上述反应气体通道之间；第一垫片，其连续地形成于上述通道部的前表面的边部；以及第二垫片，其非连续地形成于上述通道部的背面的边部，以使上述非连续的部分成为空气的移动通路。

Description

燃料电池用空冷式金属分离板及利用该分离板的燃料电池堆栈
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用金属分离板(MetalSeparator)，更具体地涉及一种通过空气冷却方式，无需供应冷却水，能够适用用于支撑空气的移动通道及分离板的非连续的垫片(gasket)的空冷式金属分离板。
背景技术
燃料电池(FuelCell)是指，将因燃料氧化而产生的化学能直接转化为电能的电池。针对近来，为了克服化石燃料的枯竭问题，二氧化碳等造成的温室效应以及全球变暖等问题，正在进行太阳能电池等诸多研究。
通常，燃料电池利用氢气与氧气的氧化、还原反应来将化学能转化为电能。在负极，氢气被氧化而分离成氢离子与电子，氢离子通过电解质移动到正极。此时，电子通过电路移动至正极。在正极发生由氢离子、电子及氧气进行反应而成为水的还原反应。
燃料电池的单位电池(UnitCell)由于电压低而导致实用性降低，因此通常将数个甚至数百个单位电池层压使用。在层压单位电池时，促使在各个单位电池之间形成电连接，并起到分离出反应气体的作用的正是分离板(Separator)，而连接多个该分离板的通常被称为燃料电池堆栈(Stack)。
以往的燃料电池用分离板是通过对石墨(Graphite)根据其流路形成进行铣削加工而制成的。在这种情况下，石墨材质的分离板占整个堆栈的百分比为，费用占50％以上，重量则占80％以上。因此，石墨材质的分离板具有费用高、体积大等问题。
为了克服上述石墨材质的分离板中所存在的问题，开发出了金属材质的金属分离板，金属分离板具有容易加工、能降低制造单价等的各种优点。
普通的燃料电池用金属分离板如下。
首先，在矩形形态的金属板的中心部形成反应气体通道及冷却水通道，并形成包围这些通道的周边的垫片。通常，包括反应气体通道与冷却水通道而称为通道部。通常，反应气体通道经过冲压工序从金属板的前表面向背面突出而形成，冷却水通道则利用向金属板的背面突出的反应气体通道之间的区域形成。如此形成的通道部的结构，使得反应气体在金属板的前表面上流动，使得冷却水在金属板的背面上流动。由此，还将金属板的前表面称为反应气体流动面，将金属板的背面称为冷却水流动面。
采用这种结构的金属分离板作为水冷式(water-cooled)金属分离板结构，流入位于通道部的一侧的冷却水流入歧管的冷却水一边通过冷却水通道，一边对由于燃料电池工作时的活性损耗(activationloss)、正极的还原反应及焦耳加热(JouleHeating)等原因而产生的热进行冷却。冷却水经过上述冷却过程后，通过位于通道部的另一侧的冷却水排出歧管，向分离板外部排出。
采用这种水冷式金属分离板的情况下，为了冷却燃料电池工作时产生的热，应持续向金属分离板供应冷却水。这种情况下，需要用于供应冷却水的泵、离子去除器、热交换器等装置，由此导致燃料电池系统的制造费用增加。为了改善这些水冷式金属分离板中存在的问题，对空冷式金属分离板进行了持续的研究。
另一方面，就现有的空冷式分离板而言，通过加工石墨分离板的冷却面，来制作空气的流入/排出部。但这种情况下，存在随着分离板的体积变大，堆栈的体积也随之变大的缺点。
并且，就对金属薄板进行成型而制成的分离板而言，存在很难另行制作类似石墨的冷却流路的缺点。
因此，需要提出一种在制造工序中能够容易实现能够让作为冷却流体的空气顺畅地流入/排出的结构的方法。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种空冷式金属分离板，该空冷式金属分离板通过非连续的垫片结构，不需要用于对当燃料电池工作时产生的热进行冷却的冷却水，能够实现分离板的空冷。
本发明的再一个目的是提供一种燃料电池堆栈，该燃料电池堆栈由上述空冷式金属分离板和膜-电极组件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)依次层压而形成，具有有效的冷却结构。
技术解决方案
为了达到上述一个目的，本发明的一个实施例的燃料电池用空冷式金属分离板，其特征在于，包括：通道部，其在金属板的中心部包括反应气体通道和空气流路，上述反应气体通道从前表面向背面突出而形成，上述空气流路形成于向背面突出的上述反应气体通道之间；第一垫片，其连续地形成于上述通道部的前表面的边部；以及第二垫片，其非连续地形成于上述通道部的背面的边部，以使上述非连续的部分成为空气的移动通路。
此时，上述燃料电池用空冷式金属分离板包括反应气体流入歧管和反应气体排出歧管的反应气体歧管分别以开口的形态形成在上述金属板的两侧边缘，上述反应气体流入歧管向上述反应气体通道导入反应气体，上述反应气体排出歧管排出已通过上述反应气体通道的反应气体，并且，上述燃料电池用空冷式金属分离板还可包括第三垫片，该第三垫片连续地形成于上述反应气体流入歧管和反应气体排出歧管的前表面和背面的边部。
为了达到上述再一个目的，本发明的一个实施例的燃料电池堆栈，其特征在于，该燃料电池堆栈由上述空冷式金属分离板及膜-电极组件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)依次层压而形成。
为了达到上述再一个目的，本发明的再一个实施例的燃料电池堆栈，其特征在于，该燃料电池堆栈通过由两个上述空冷式金属分离板以各自的前表面相向的形态接合而成的分离板构造物和膜-电极组件(MEA)依次层压而形成。
发明的效果
本发明的空冷式金属分离板，具有能够通过非连续的垫片实现分离板的空冷，不需要用于对当燃料电池工作时生成的热进行冷却的冷却水的优点。
并且，由本发明的将空冷式金属分离板及膜-电极组件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)依次层压而形成的燃料电池堆栈，由于在上述空冷式金属分离板的空气流动面配置用于防止金属本体的变形并确保空气移动通路的非连续的垫片，因而具有实现有效的冷却结构的优点。
附图说明
图1至图4简要表示本发明的一个实施例的燃料电池用空冷式金属分离板。
图5及图6表示本发明的一个实施例的空冷式金属分离板的前表面及背面。
图7至图12表示适用本发明的空冷式金属分离板的燃料电池堆栈的例子。
图13是表示多层空冷式金属分离板结构体的例子的侧视图。
具体实施方式
以下，参照附图具体说明本发明的燃料电池用空冷式金属分离板及利用该分离板的燃料电池堆栈。
在说明过程中，为了说明的明确性及便利性，附图所示出的线条的厚度或结构要素的大小等会有所放大。
并且，本发明所使用的术语是鉴于其在本发明中的功能而进行定义的术语，对这些术语的解释会因使用者、运用者的用意或惯例而异。
因此，关于这些术语的定义，应基于本说明书的整体内容而定。
图1至图4简要表示本发明的一个实施例的燃料电池用空冷式金属分离板。
本发明的空冷式金属分离板包括通道部210、第一垫片220以及第二垫片230。
通道部210在金属板201的中心部包括反应气体通道202a和空气流路202b，上述反应气体通道202a从前表面201a向背面201b突出而形成，上述空气流路202b形成于向背面201b突出的上述反应气体通道202a之间。
第一垫片220为了赋予反应气体通道202a的气密性，连续地形成于上述通道部210前表面201a的边部。
第二垫片230为了实现空气在空气流路202b的流动以及在层压时支撑金属分离板，非连续地形成于通道部210背面201b的边部。
图1至图4表示根据供反应气体流动的金属分离板的长度方向的宽度方向截面。
参照图1，在通道部210两侧边部的前表面201a形成有第一垫片220，在通道部210两侧边部的背面201b形成有第二垫片230。
参照图2及图3，在通道部210两侧边部的前表面201a形成有第一垫片220，仅在通道部210一侧边部的背面201b形成有第二垫片230。
参照图4，在通道部210两侧边部的前表面201a形成有第一垫片220，在通道部210两侧边部的背面201b未形成有第二垫片230。
即，形成于通道部210两侧边部的前表面201a的第一垫片220用于实现气密性，因此应沿着金属分离板的长度方向连续地形成。
相反，形成于通道部210两侧边部的背面201b的第二垫片230，根据空冷式的特性，可有可无。但完全未形成有第二垫片230的情况下，为了制造燃料电池堆栈而将金属分离板和膜-电极组件依次层压时，由于无法支撑通道部的边部部分，因而导致金属分离板的变形。由此，第二垫片230非连续地形成于通道部210两侧边部的背面201b，而在不妨碍空气在空气流路的流动的同时支撑金属分离板。
如此非连续地形成的第二垫片230，能够沿着金属分离板的长度方向，向两侧对称地形成，但也可以沿着金属分离板的长度方向，向两侧非对称地形成。
以往的水冷式金属分离板为了对由于燃料电池工作时的活性损耗(activationloss)、正极的还原反应及焦耳加热(JouleHeating)等原因而生成的热进行冷却，应持续向冷却水通道供应冷却水。但本发明的空冷式金属分离板由于通过空气实现冷却，因而无需供应冷却水，并且分离板背面的垫片的形成目的不在于赋予气密性，而在于支撑分离板来防止分离板的变形。在分离板背面的垫片中，非连续的部分成为空气的移动通路。
图5及图6表示本发明的一个实施例的空冷式金属分离板的前表面及背面。
首先，参照图5，该图表示供反应气体流动的空冷式金属分离板的前表面，在矩形形态的金属板310的中心部形成通道部，该通道部包括反应气体通道340及空气流路345，并且连续地形成包围通道部周边的边部的第一垫片331。在这里，图5及图6中省略了矩形形态的金属板310在长度方向上的一部分。
反应气体通道340通过冲压工序形成为从金属板的前表面向背面突出的形态，空气流路345形成于背面的反应气体通道340之间，包括反应气体通道340及空气流路345而形成通道部。空气流路345利用向金属板310的背面突出的反应气体通道340之间的区域而形成或者通过冲压工序以使得反应气体通道340之间的部分向金属板310的前表面突出的方式形成。
通过上述通道部的结构，反应气体在金属板310的前表面上流动，空气在金属板的背面上流动。
接着，参照图6，该图表示供空气流动的空冷式金属分离板的背面，与图5的结构几乎相同，在通道部的两侧非连续的形成有第二垫片332。第一垫片331是为了实现反应气体的气密性而连续地形成，而第二垫片332并不要求气密性，它的目的在于支撑分离板，因此非连续地形成。
图6表示非连续地形成的第二垫片332向通道部的两侧对称地形成的例子，但还可以非对称地形成。
另外，参照图5及图6，包括向反应气体通道340导入反应气体的反应气体流入歧管和用于从反应气体通道340排出反应气体的反应气体排出歧管的反应气体歧管分别以开口的形态形成在通道部的长度方向的两侧，其中，上述反应气体流入歧管形成在通道部的长度方向的一侧，上述反应气体排出歧管形成在通道部的长度方向的另一侧。本发明涉及一种空冷式金属分离板，因此不需要以往的冷却水流入歧管或冷却水排出歧管。
具体而言，反应气体流入歧管分割形成有氧气流入歧管320及氢气流入歧管328，并且，在氧气流入歧管320或氢气流入歧管328与通道部之间形成有反应气体流入孔325。同样，反应气体排出歧管分割形成有氧气排出歧管360及氢气排出歧管368，并且，在氧气排出歧管360或氢气排出歧管368与通道部之间形成有反应气体排出孔365。
形成于上述反应气体流入歧管的氧气流入歧管320及氢气流入歧管328，能够在金属板310形成事先分割的开口部，并利用该开口部而分割形成，或者借助用于形成各自的歧管的、一体化的高分子模具结构而分割形成。这同样适用于形成于反应气体排出歧管的氧气排出歧管360和氢气排出歧管368的分割形成。
并且，在反应气体流入歧管和反应气体排出歧管的前表面及背面的边部，连续地形成有第三垫片333，以密封氧气和氢气。第三垫片333能够采用与第一垫片331或第二垫片332相同的材质，为了形成垫片而进行注塑成型时，能够与第一垫片331或第二垫片332同时形成。
图7至图12表示适用本发明的空冷式金属分离板的燃料电池堆栈的例子。
图7至图10表示由一个空冷式金属分离板和膜-电极组件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)依次层压而形成的燃料电池堆栈，图11及图12表示通过由两个空冷式金属分离板以各自的前表面相向的形态接合而成的分离板构造物和膜-电极组件(MEA)依次层压而形成的燃料电池堆栈。
参照图7及图8，燃料电池堆栈由金属分离板410和膜-电极组件420依次层压而形成。在金属分离板410中，在供反应气体及空气流动的通道部的边部形成垫片，在分离板410的前表面形成有连续的第一垫片413，在分离板410的背面形成有非连续的第二垫片414。图7表示形成有第二垫片414，图8表示未形成有第二垫片414。
如上所述，形成于分离板的前表面的第一垫片413为了向反应气体通道411赋予气密性，来密封反应气体，因而连续地形成；形成于分离板的背面的第二垫片414为了起到不妨碍通过空气流路412的开放进行的空气流动的同时支撑膜-电极组件420的作用，因而非连续地形成。
图7及图8表示因第一垫片413而在反应气体通道411之间存在通路的例子，图9及图10表示通过最大限度地减少第一垫片413的厚度而使反应气体通道411之间不存在通路的例子。
在反应气体通道411之间不存在通路的结构，除了借助用于形成反应气体通道411的、从金属板的前表面向背面进行的冲压工序之外，还可以借助用于形成空气流路的、从背面向前表面进行的冲压来实现。反应气体通道411之间存在通路的情况或者封闭各个反应气体通道411的情况，根据金属分离板的具体使用环境而不同。
虽然未在附图中示出，但还能够在金属分离板410的前表面和膜-电极组件420之间包括作为多孔介质的气体扩散层(GasDiffusionLayer)，该气体扩散层将通过反应气体通道411流动的反应气体均匀地分散至膜-电极组件420表面。
图11及图12表示通过由两个空冷式金属分离板410a、410b以各自的前表面相向的形态接合而成的分离板构造物和膜-电极组件420依次层压而形成的燃料电池堆栈。图11表示因第一垫片413而在借助两个金属分离板410接合而形成的反应气体通道411之间存在通路的例子，图12表示通过最大限度地减少第一垫片413的厚度而使反应气体通道411之间不存在通路的例子。
如上所述，在反应气体通道411之间不存在通路的结构能够借助垫片的厚度实现，并且除了借助用于形成反应气体通道411的、从金属板的前表面向背面进行的冲压工序的方法之外，还可以借助用于形成空气流路的、从背面向前表面的冲压来实现。
反应气体通道411之间存在通路的情况或者封闭各个反应气体通道411的情况，根据金属分离板的具体使用环境而不同。
图13是表示多层的空冷式金属分离板结构体的例子的侧视图。
参照图13，图示的多层的空冷式金属分离板结构体，从其下部依次形成有连续的第一垫片510、金属本体501、非连续的第二垫片520、金属本体501、连续的第一垫片510、金属本体501、非连续的第二垫片520、金属本体501及连续的第一垫片510。
在这里，如上所述，第一垫片510为了向通道部赋予气密性而连续地形成。相反，与第一垫片510不同，第二垫片520非连续地形成，而向一个第二垫片与另一个第二垫片之间提供流路A。
由此，形成有第二垫片520的部分起到支撑分离板的作用，未形成有第二垫片520的部分起到能够使空气流动的流路的作用。
这种多层结构体能够通过接合四个金属分离板而形成，这种情况下，一个金属分离板的第一垫片与另一个金属分离板的第一垫片接合，一个金属分离板的第二垫片与另一个金属分离板的第二垫片接合。
如上所述，本发明的燃料电池用空冷式金属分离板不需要用于驱动燃料电池时产生的热进行冷却的冷却水，能够降低燃料电池的制造费用和驱动费用。
并且，本发明的依次层压空冷式金属分离板和膜-电极组件(MEA)而形成的燃料电池堆栈，在上述空冷式金属分离板的空气流动面配置非连续的垫片，从而能够防止金属本体的变形，并且通过垫片的非连续部分，确保空气的移动通路。这种结构能够通过对以往的水冷式金属分离板的垫片结构进行变更而容易实现。
以上，参照附图所示出的实施例对本发明进行了说明，但这只作为示例性说明，本发明所属技术领域的普通技术人员应当理解，可以根据本发明进行各种变形及均等的其他实施例。因此，本发明的真正的技术保护范围应由权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种燃料电池堆栈，其特征在于，包括：
分离板构造物，其由两个空冷式金属分离板以各自的前表面相向的形态接合而成，
布置在上述两个空冷式金属分离板之间的膜-电极组件，以及
分别位于上述分离板构造物的两个空冷式金属分离板各自的后表面的两个膜-电极组件，
其中，每个空冷式金属分离板包括：
通道部，其形成在金属板的中心部，上述通道部包括反应气体通道和空气流路，上述反应气体通道从上述金属板的前表面向上述金属板的背面突出而形成，上述空气流路从上述金属板的背面向上述金属板的前表面突出而形成，其中上述空气流路形成于向上述金属板的背面突出的上述反应气体通道之间；
第一垫片，其连续地形成于上述通道部的前表面的边部，以使得上述第一垫片为上述反应气体通道赋予气密性；以及
第二垫片，其非连续地形成于上述通道部的背面的边部，以使上述非连续的部分成为空气的移动通路；
其中，所述燃料电池堆栈是通过层压上述分离板构造物和上述膜-电极组件而形成的，并且能够借助上述第一垫片的厚度而使相邻反应气体通道之间存在或不存在通路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆栈，其特征在于，每个空冷式金属分离板包括反应气体流入歧管和反应气体排出歧管的反应气体歧管分别以开口的形态形成在上述金属板的两侧边缘，上述反应气体流入歧管向上述反应气体通道导入反应气体，上述反应气体排出歧管排出已通过上述反应气体通道的反应气体。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆栈，其特征在于，每个空冷式金属分离板还包括第三垫片，该第三垫片连续地形成于上述反应气体流入歧管和反应气体排出歧管的前表面和背面的边部。
4.根据权利要求2所述的燃料电池堆栈，其特征在于，针对每个空冷式金属分离板：
在上述通道部与上述反应气体流入歧管之间形成有反应气体流入孔；
在上述通道部与上述反应气体排出歧管之间形成有反应气体排出孔。
5.根据权利要求2所述的燃料电池堆栈，其特征在于，每个空冷式金属分离板的上述反应气体流入歧管及上述反应气体排出歧管分别分成氧气用歧管和氢气用歧管。
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