CN105226303A - 燃料电池隔板及包含该隔板的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池隔板和包括燃料电池隔板的燃料电池。燃料电池隔板包括多个通道和入口和出口，该入口和出口沿通道的第一侧和第二侧形成使得被引入通道的反应物垂直于通道流动。特别地，入口位于比出口更高的位置。

Description

燃料电池隔板及包含该隔板的燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池隔板和包含该隔板的燃料电池，更具体地，涉及这样的燃料电池隔板，即通过引导反应物垂直于形成于隔板中的通道的长度侧流动，而改善反应物的扩散能力和反应效率。

背景技术

典型地，当将金属隔板应用于燃料电池时，其结构包括具有用于反应物和冷却水的通道的金属隔板、用于促进反应物的扩散的一对气体扩散层(GDL)和产生化学反应并且被设置在气体扩散层之间的膜电极组件。

一般来说，在每个隔板内，重复地形成通道和槽脊(land)，其中反应物按与冷却水的流动方向相同的方向流经通道，槽脊与GDL接触。阳极隔板和阴极隔板的通道是对称的，所以隔板间的空间被用作冷却通道。

此外，为提高燃料电池的性能，可以期望的是通过减少隔板中的通道间隙而使施加在GDL和MEA上的表面压力更均匀，并提供在整个反应表面上大致恒定传输的GDL，。然而，由于在制造期间所造成的诸如裂纹和回弹的缺点，可使隔板中的通道间隙的减少受到限制。另外，其它问题可使性能恶化。

例如，反应物的扩散以及产生的水的排放可能减少。当通道间距较大时，应力可集中于在隔板和GDL之间接触的槽脊上，因此造成不均匀的表面压力。因此，GDL的多孔结构可被破坏并且GDL中的传输可能恶化，使得扩散反应物和排放产生的水的能力可能降低。此外，随着通道内的应力减小，GDL可渗透至通道，从而抑制反应物的流动。此外，当碳纤维在被损伤的GDL的槽脊部分渗透到电极膜时，可能损坏电极膜。

此外，可能出现导电率的不均匀。在露出GDL的通道内，可充分供应反应物，从而可积极产生化学反应。同时，由于GDL和MEA间的不充足的表面压力可增加接触电阻，使得通过反应形成的电子不能移动至集电极。.

上述仅旨在增强对本发明的背景的理解，并非旨在本发明落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池隔板，其具有垂直于反应物的流动而形成的通道，沿通道的侧面形成以形成用于反应物的流动路径的多个孔。特别地，用于反应物流入和流出的孔可形成为不同的高度。在另一个方面，本发明提供了包括燃料电池隔板的燃料电池。

在示例性实施例中，燃料电池隔板可包括：多个通道；以及入口和出口，所述入口和出口沿通道的第一侧和第二侧形成使得被引入至通道的反应物垂直于通道流动。具体地，在通道中，入口可位于比出口更高的位置。

入口和出口不位于同一线上。特别地，入口和出口可分别沿通道的第一长度侧和第二长度侧形成，并且可以彼此间隔预定的距离形成。入口的中心点可位于比出口的中心点高的位置。隔板可被弯成具有弯曲顶部和弯曲底部的锯齿形状。因此，可被进一步提供在燃料电池中的催化剂层可与隔板的弯曲底部的下表面接触，并且通道可被形成作为隔板与催化剂层之间的闭合区间(closed-section)。

入口的中心点可大致位于比催化剂层和隔板的弯曲顶部之间的中心点更高的位置。出口的中心点可位于比催化剂层和隔板的弯曲顶部之间的中心点更低的位置(例如下方)。入口可延伸至隔板的弯曲顶部，使得隔板的弯曲顶部可包括入口的一部分。出口可延伸至隔板的弯曲底部，使得隔板的弯曲底部可包括出口的一部分。隔板可形成为锯齿形，并且可与隔板的弯曲顶部接触的面板可被设置在隔板的顶部上。

在另一个示例性实施例中，燃料电池可包括具有上述结构的燃料电池隔板。特别地，因为燃料电池隔板的入口和出口可交替地布置，并且不在同一线上，所以，可改善燃料电池中的反应物的扩散，并且可增加与燃料电池的催化剂层的反应效率。根据各种示例性实施例，通过在入口和出口之间做出高度差，可以实质上改善经入口流入的反应物和催化剂层之间的反应效率。

附图说明

结合所附附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点将从下面的详细说明中被更清楚地理解，其中：

图1示出根据本发明的示例性实施例的示例性燃料电池隔板和包括燃料电池隔板的示例性燃料电池；

图2是根据本发明的示例性实施例的示例性燃料电池隔板的平面图；

图3是根据本发明的示例性实施例的沿图1的线A-A的示例性燃料电池隔板的剖面图；

图4是根据本发明的示例性实施例的沿图1的线B-B的示例性燃料电池隔板的剖面图；

图5是根据本发明的示例性实施例，在沿图1的线A-A的示例性燃料电池隔板的截面内的反应物的示例性的流动；

图6是根据本发明的示例性实施例，在沿图1的线B-B的示例性燃料电池隔板的截面内的反应物的示例性的流动；以及

图7是根据本发明的示例性实施例的入口和出口的高度差异，比较示例性燃料电池的电压输出的图解。

具体实施方式

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不是要限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”意图在于也包括复数形式，除非上下文另有明确地指示。还应理解的是，用语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，其指所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合的存在或添加。如在此使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列事项的任何和所有组合。

下面将参考附图对根据本发明的各种实施例的燃料电池隔板和包括燃料电池隔板的燃料电池进行说明。

图1示出根据本发明的示例性实施例的示例性燃料电池隔板和包括燃料电池隔板的示例性燃料电池。图1中的燃料电池隔板100可包括：多个通道110；以及入口111和出口113，入口111和出口113沿通道110的第一侧和第二侧形成使得被引入通道110的反应物可垂直于通道110的长度侧流动。特别地，入口111可位于比出口113更高的位置(例如，在更高的水平面或上方)。

根据本发明的示例性实施例的示例性燃料电池，隔板100可被弯成具有弯曲顶部和弯曲底部的锯齿(zigzag)形状，并且可还包括与隔板100的弯曲底部的下表面接触的催化剂层200。特别地，形成于隔板100和催化剂层200之间的通道110可以是闭合区间。

此外，与隔板100的弯曲顶部接触的面板300可包括由隔板100和面板300之间的闭合区间形成的副通道130。面板300可防止流经入口111和出口113的反应物渗漏并且可维持燃料电池之间的气密性(例如，空气密封)。催化剂层200可由膜电极组件(MEA)和在MEA两侧的一对气体扩散层(GDL)组成。催化剂层200可包括MEA。当然，催化剂层200的结构可应用于各种示例性实施例中，而无限制。

入口111和出口113可被形成为穿过通道110的第一侧和第二侧的孔，使得通过入口111引入的反应物可通过通道110被排放至出口113，并且沿副通道130移动的反应物可通过它们的入口111流入相邻的通道110。反应物可包括氢气、空气、冷却水中的至少任意一种并且还可以是不包括它们的其它反应物。特别地，为了改善反应物的扩散，入口111和出口113分别不位于同一线上。也就是，如上所述，通过入口111引入的反应物可沿通道111通过预定的距离，然后通过出口113流到外侧，使得反应物可留在通道110内，以增加与催化剂层200的反应效率。如本文所用的术语“线”指垂直于通道110的线。

图2是根据本发明的示例性实施例的示例性燃料电池隔板100的平面图。图2示出入口111和出口113的布置以及反应物的流动。多个入口111和多个出口113可沿着通道110的长度侧在第一侧和第二侧分别形成，并且可彼此间隔预定的距离。特别地，可以规则的间隔布置入口111和出口113。

入口111和出口113之间的距离可以是入口111和出口113的中心点之间的距离，或者可以是入口111和出口113两侧内的相邻侧之间的距离。或者，确定入口111和出口113之间的距离的各种示例可包括于本发明内。另外，为了本发明的目的，在无任何限制的情况下，可由本领域技术人员来确定入口111和出口113之间的距离。入口111和出口113可以各种形状诸如圆形、椭圆形、矩形、菱形等形成并且可以使流动阻力最小的形状形成。例如，可形成为拐角圆滑的形状。入口111和出口113的形状或面积可以彼此不同。虽然它们的面积或形状可以不同，但是可以差异性地确定入口111和出口113的中心点的位置，并且催化剂层200和入口111的中心点之间的距离可以大于催化剂层200和出口113的中心点之间的距离。

图3是沿图1中的线A-A的示例性燃料电池隔板的剖面图，其示出入口111的剖面，并且图4是沿图1的线B-B的剖面图，其示出出口113的剖面。

在示例性实施例中，如图3和4所示，可形成入口111和出口114，使得入口111的中心点b可位于比出口113的中心点c更高的位置(例如在更高位置或上方)。当在顶部和底部上画出与催化剂层200平行的线时，中心点b和c分别指入口111和出口113的顶部和底部之间的高度差的大致中点。因为入口111可位于比出口113更高的位置，所以可生成落差(head)，当反应物流入通道110并从通道110中流出时，势能可通过落差转换成动能，并且反应物可渗透至催化剂层200，如图5所示。因此，可以改善与催化剂层200的反应活性，而不像现有技术，反应物沿通道110在催化剂层200上流动。

此外，入口111的中心点b可位于比催化剂层200和隔板100的弯曲顶部的上表面之间的中心点a更高的位置。也就是，入口111的中心点b可位于比催化剂层200和面板300之间的中心点a更高的位置。因此，当反应物通过相邻通道110的出口113排出，并且反应物经入口111流入时，可产生反应物的势能，也就是说，被排放的反应物沿低于入口111(例如，被设置在比入口要低的位置或者在其下方)的通道110的第一侧通过向上方移动可具有势能。

另外，出口113的中心点c可位于比催化剂层200和隔板100的弯曲顶部的上表面之间的中心点a更低的位置。也就是，出口113的中心点c可位于比催化剂层200和面板300之间的中心点a更低的位置。因此，如图6所示，通过入口111流入的反应物可经在出口113的上方的通道110的第二侧向下引导，并且反应物可在内部流动从而朝向催化剂层200移动，以增加反应物和催化剂层之间的反应性。

另外，如图1、3和5所示，入口111可延伸至隔板100的弯曲顶部，使得隔板100的弯曲顶部可包括入口111的一部分，因为通过出口113排放的反应物可沿着抛物曲线流动。因此，当反应物流入入口111时，通过使隔板的弯曲顶部位于反应物的流动路径的外侧可以实现平稳流入。此外，如图1、4和6所示，出口113可延伸至隔板100的弯曲底部，使得隔板100的弯曲底部可包括出口113的一部分，因为通过高于出口113的通道110的第二侧，流入入口111的反应物可沿着抛物曲线排出。因此，当反应物被排放至出口113时，可改善反应物和催化剂层之间的反应性，从而增加了催化剂层200和反应物的移动路径之间的接触表面。

根据本发明的各种示例性实施例，如上所述包括燃料电池隔板的燃料电池可获得优势。如图7所示，示出比较根据入口和出口的高度差的输出的图解，并且由于流入至催化剂层200的反应物的增加的扩散以及增加的反应性，当入口111和出口113之间形成高度差时可获得的输出比当入口和出口具有相同高度时可获得的输出更大。

根据具有上述结构的各种示例性实施例燃料电池隔板和包括燃料电池隔板的燃料电池，因为入口111和出口113形成为不位于同一线上的交替布置，所以可以改善反应物的扩散并且可以增加与催化剂层200的反应效率。此外，因为可生成入口111和出口113之间的高度差，所以可以改善通过入口111流入的反应物和催化剂层200之间的反应效率。

虽然已为了例证性目的而描述了本发明的例示性优选实施例，但本领域技术人员应明白可进行各种修改、添加和替代而不偏离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神。

Claims (11)

1.一种燃料电池隔板，包括：

多个通道；以及

入口和出口，所述入口和出口形成为通过所述通道的第一侧和第二侧，从而允许流入所述通道的反应物垂直于所述通道流动，

其中所述入口位于比所述出口更高的位置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池隔板，其中所述入口和所述出口不位于同一线上。

3.根据权利要求2所述的燃料电池隔板，其中所述入口和所述出口沿所述通道的长度侧形成，并且彼此间隔预定的距离。

4.根据权利要求1所述的燃料电池隔板，其中所述入口的中心点大致位于比所述出口的中心点更高的位置。

5.一种包括燃料电池隔板的燃料电池，其中所述燃料电池隔板包括多个通道；以及入口和出口，所述入口和出口形成为通过所述通道的第一侧和第二侧从而允许流入所述通道的反应物垂直于所述通道流动，其中所述入口位于比所述出口更高的位置，并且所述隔板被弯成具有弯曲顶部和弯曲底部的锯齿形状。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，还包括：

与所述燃料电池隔板的所述弯曲底部的下表面接触的催化剂层，

其中所述通道是在所述燃料电池隔板和所述催化剂层之间的闭合区间。

7.根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述入口的中心点大致位于比所述催化剂层和所述燃料隔板的弯曲顶部之间的中心点更高的位置。

8.根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述出口的中心点大致位于在比所述催化剂层和所述燃料电池隔板的弯曲顶部之间的中心点更低的位置。

9.根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述入口延伸至所述燃料电池隔板的所述弯曲顶部，使得所述燃料电池隔板的所述弯曲顶部包括所述入口的一部分。

10.根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述出口延伸至所述燃料电池隔板的所述弯曲底部，使得所述燃料电池隔板的所述弯曲底部包括所述出口的一部分。

11.根据权利要求5所述的燃料电池，其中与所述燃料电池隔板的弯曲顶部接触的面板被设置在所述燃料电池隔板的顶部上。