CN103165920B - 燃料电池用多孔隔板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池用多孔隔板。该多孔隔板包括流板和平板。流板包括向上倾斜且具有多个第一流孔的第一流面和向下倾斜且具有多个第二流孔的第二流面，该第一流面和第二流面沿流板的纵向重复布置。流板布置在燃料电池的气体扩散层与平板之间，以密封流板，并在其中生成用于氢气或空气的流路。

Description

燃料电池用多孔隔板

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用多孔隔板。更具体地，本发明涉及一种多孔隔板，其具有引起反应气体的湍流的形状，并具有使用性优异的改进结构。

背景技术

参照示出燃料电池组的传统结构的图6，膜电极组件(MEA)布置在燃料电池组的中间。该MEA包括允许氢质子通过的聚合物电解质膜10，以及阴极12和阳极14，该阴极12和阳极14为涂布在电解质膜两侧的催化剂层，使得氢气和氧气相互反应。

同时，气体扩散层(GDL)16堆叠在电极膜即阴极12和阳极14的外侧，并且其中形成有流场的隔板20布置在气体扩散层16的外侧，以提供燃料并排出由反应产生的水，同时允许垫片(gasket)18置于隔板20之间。端板30布置在燃料电池组的最外侧，以支撑并固定上述部件。

在燃料电池组的阳极14内，进行氢气的氧化反应以产生质子和电子，该质子和电子分别通过聚合物电解质膜10和隔板20移动到阴极12。来自阳极14的质子、电子以及空气中的氧气在阴极12中发生电化学反应产生水，并且同时由电子的流动产生电能。

通常，隔板20可具有如下结构，其中重复布置平台(land)(由气体扩散层和起到流体流路作用的通道(流场)紧密支撑)。具体地，由于典型的隔板具有平台和通道(流场)重复地弯曲的结构，在面向气体扩散层的一侧的通道用作反应气体例如氢气和空气流动的空间，并且在相对侧的通道用作冷却水流动的空间。因此，一个单元电池可包括两个隔板，一个隔板具有用于氢气/冷却水的通道，并且另一个隔板具有用于氧气/冷却水的通道。

例如，韩国专利申请公开第10-2011-0091520号(2011年9月9日)教导了一种多孔隔板，其中反应气体形成湍流，并且比典型的隔板更容易扩散到气体扩散层中。下文中，将参照图5和图6对其进行详细说明。

在上述专利申请中，使用蚀刻工艺在金属板上形成多个流孔，然后使用模具进行压制工艺，该模具具有浮雕形状，其中重复形成凸部和凹部。如图5所示，通过该工艺制备的多孔隔板20具有布置成之字形并且穿透多孔隔板20的多个流孔23。同时，紧密附着至平板24的凸部21和紧密附着至气体扩散层16的凹部22b形成为之字形。

在这种情况下，平板24起到用于氢气或氧气通道的密封隔板的作用，并且一个电池中包括的平板24与另一电池中包括的平板24之间的空间变为由垫片等密封的冷却水通道。因此，反应气体可以沿凸部和凹部在垂直和水平方向上流动，同时通过多孔隔板的流孔，对反应气体引起湍流。通过向气体扩散层输送湍流中的反应气体，结果反应气体的扩散得以增加，从而提高了燃料电池的性能。

然而，由于在该上述多孔隔板中，不仅流孔，而且凸部和凹部都形成为之字形，多孔隔板的整体形状和结构非常复杂，导致制造压制模具更加困难且制造成本更高。因此，大大需要提供相似结果的更加简单的设计。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供燃料电池用多孔隔板，该隔板对反应气体引起湍流，因形状简单而易于制造，并可减少反应气体的流阻。

一方面，本发明提供一种燃料电池用多孔隔板，包括：流板，其可具有向上倾斜且具有多个流孔的第一流面和向下倾斜且具有多个流孔的第二流面，并且紧密附着至燃料电池的气体扩散层的外表面，该第一流面和第二流面沿流板的纵向重复布置。多孔隔板还可包括与流板的外表面连接的平板，以密封起到氢气或空气通道作用的流板。

在示例性实施方式中，当组成燃料电池的多个电池堆叠在彼此之上时，各个电池的平板之间的间隙可起到冷却水通道的作用。同时，形成在流板的第一流面中的流孔以及形成在流板的第二流面中的流孔布置成之字形。在一些示例性实施方式中，第一流面和第二流面可互相连接以形成波形部分。

本发明的其它方面和示例性实施方式在下面进行说明。

附图说明

现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池用多孔隔板的透视图；

图2为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池用多孔隔板的俯视图；

图3为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池用多孔隔板的倾视图；

图4为示出根据本发明的示例性实施方式的装配成燃料电池组的燃料电池用多孔隔板的透视图；

图5为示出相关的燃料电池用多孔隔板的示意图；并且

图6为示出燃料电池组的传统结构的示意图。

附图中提到的附图标记包括对如下进一步说明的下列元件的参考，：

10：电解质膜

12：阴极

14：阳极

16：气体扩散层

18：垫片

20：隔板

21：凸部

22：凹部

23：流孔

24：平板

30：端板

40：流板

41：第一流面

42：第二流面

43：流孔

50：平板

52：冷却介质通道

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

下面讨论本发明的上述和其它特征。

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。

图1为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池用多孔隔板的透视图。图2为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池用多孔隔板的俯视图。图3为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池用多孔隔板沿线A-A和B-B的侧视图。

如图1至3所示，根据本发明的实施方式的多孔隔板可包括流板40，其中以抛物线方式向上倾斜的第一流面41和向下倾斜第二流面42沿纵向(气流方向)重复布置。更具体地，向上倾斜的第一流面向上升直至与第二流面交会，从而形成由多个抛物线形构成的连续正弦曲线形状。

更具体地，流板40可制备成具有如下结构，其中向上倾斜的第一流面41和向下倾斜的第二流面42沿流板40的纵向重复布置，该向上倾斜的第一流面41具有穿透第一流面41的多个流孔43，并且该向下倾斜的第二流面42具有穿透第二流面42的多个流孔43。

可经由通过化学刻蚀或机械冲压使多个流孔穿透金属平板的工艺，和在压制模具中压制具有流孔的金属板的工艺来制造流板40。在压制工艺后，流板40可具有如下结构，其中向上倾斜的第一流面41和向下倾斜的第二流面42重复布置以形成波形结构。因此，流板必须由能够模压成型的材料制成，例如铝，或其它任何可模制的材料。

可以将在流板40的第一流面41中形成的流孔43以均匀的间隔沿第一流面41的纬向布置，并且也可以将第二流面42中形成的流孔43以均匀的间隔沿第一流面41的纬向布置。在这种情况下，第一流面41的流孔43和第二流面42的流孔43可以沿流板40的纵向布置成之字形。流板40可紧密附着至气体扩散层(图4中16)的外表面，以起到氢气或空气通道的作用，氢气或空气流过该通道。

当流板40起到氢气或空气通道的作用时，密封流板40，使得氢气或空气不泄漏到通道外侧。为此，隔板20可包括平板50，其由金属形成并且堆叠在流板40的外表面上并与其连接。

因此在本发明的示例说明的实施方式中，由于隔板20的结构形成为波形，流过其中的氢气或空气有效地形成湍流，同时提供了可成本效益更高地制造并且不需要使用模具的更简单的设计。

图4示出根据本发明的示例性实施方式的装配成燃料电池组的多孔隔板。如图4所示，当阴极12和阳极14布置在聚合物电解质膜10的两个表面上以起到氢气和氧气在其中相互反应的催化剂层的作用，并与气体扩散层16在其外侧连接时，构成隔板20的流板40可堆叠在气体扩散层16上。在这种情况下，流板40的向上倾斜的第一流面41和向下倾斜的第二流面42彼此连接的部分(波形结构的最低点)可与气体扩散层16线性接触。之后，构成隔板20的平板50可堆叠在流板40的外侧。更具体地，平板50可与流板40的向上倾斜的第一流面41和向下倾斜的第二流面42彼此连接的部分(波形结构的最高点)线性接触，从而形成燃料电池组的一个电池，即，单元电池。

燃料电池组可包括数十或数百堆叠在彼此之上的单元电池。当多个电池堆叠形成燃料电池时，各个电池的平板50之间的间隙起到冷却介质通道52的作用，该通道由垫片(未示出)密封。因此，当从燃料电池组的阴极向阳极供应空气或氢气时，空气或氢气可沿流板40的第一流面41向上流动，然后沿第二流面42向下流动，从而造成垂直方向的流动。同时，空气或氢气可流过第一流面41的流孔43然后流过第二流面42的流孔43，同时分成左流和右流，从而造成水平方向的流动。因此，上述多孔隔板的有效结果是通过氢气或空气通道的湍流路径。

也就是说，由于空气或氢气沿第一流面41和第二流面42在垂直方向上流动，并且同时沿第一流面41和第二流面42的流孔43在水平方向上流动，生成了反应气体(即氢气和空气)的湍流，从而增加了反应气体向气体扩散层中的扩散。同时，用于冷却电池组的冷却介质流过各个电池的平板50之间的冷却介质通道52。

有利地，由于根据本发明的实施方式的隔板具有如下结构，其中向上倾斜且具有多个流孔的第一流面和向下倾斜且具有多个流孔的第二流面重复布置，以沿纵向长度形成波形部分，所以可以生成反应气体的湍流，同时使板的形状及由此与其相关的制造成本简化。并且，可增加反应气体向气体扩散层中的扩散，同时减少反应气体的流阻。进一步地，由于简化了隔板的形状，制造成本得以有效减少。

本发明参考其示例性实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附权利要求及其等同方式限定。

Claims (8)

1.一种燃料电池用多孔隔板，包括：

流板，所述流板包括向上倾斜且具有多个第一流孔的第一流面和向下倾斜且具有多个第二流孔的第二流面，并且紧密附着至燃料电池的气体扩散层的外表面，所述第一流面和所述第二流面沿所述流板的纵向重复布置；以及

平板，所述平板与所述流板的外表面连接，以密封起到氢气或空气通道作用的所述流板，

其中形成在所述流板的第一流面中的所述多个第一流孔和形成在所述流板的第二流面中的所述多个第二流孔沿纵向方向布置成之字形，使得空气或氢气流过第一流面第一流孔，然后流过第二流面的流孔，同时分成左流和右流，从而产生水平方向的流动，并且，所述第一流面向上升直至与第二流面交会，以形成由多个抛物线形组成的连续正弦曲线形状，使得当从燃料电池组的阴极向阳极供应空气或氢气时，空气或氢气沿流板的第一流面向上流动，然后沿第二流面向下流动，从而产生垂直方向的流动。

2.如权利要求1所述的多孔隔板，其中当组成所述燃料电池的多个电池堆叠在彼此之上时，各个电池的所述平板之间的间隙起到冷却介质通道的作用。

3.如权利要求1所述的多孔隔板，其中所述第一流面和所述第二流面彼此连接，以形成波形结构。

4.如权利要求1所述的多孔隔板，其中所述正弦曲线形状配置成在燃料电池的一个单元中的氢气流路中生成湍流。

5.如权利要求1所述的多孔隔板，其中所述正弦曲线形状配置成在燃料电池的一个单元中的空气流路中生成湍流。

6.如权利要求1所述的多孔隔板，其中所述流板由能够模压成型的材料制成。

7.如权利要求1所述的多孔隔板，其中所述流板布置在燃料电池的一个单元的所述平板与气体扩散层之间。

8.一种燃料电池隔板用流板，包括：

流板，所述流板包括：

向上倾斜的多个第一流面和向下倾斜的多个第二流面，其中各个第一流面向上升直至所述第一流面与所述第二流面交会，以形成贯穿所述流板的流路的连续正弦曲线形状,使得当从燃料电池组的阴极向阳极供应空气或氢气时，空气或氢气沿流板的第一流面向上流动，然后沿第二流面向下流动，从而产生垂直方向的流动；和

在所述第一流面和所述第二流面上重复布置成之字形的多个流孔，使得空气或氢气流过第一流面流孔，然后流过第二流面的流孔，同时分成左流和右流，从而产生水平方向的流动，并且

其中所述流板布置在所述燃料电池中的气体扩散层与平板之间，以在其中形成流动通道。