CN106169591B - 燃料电池用多孔分隔板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池用多孔分隔板，其特征在于，在流场板中形成流路孔的形状。改进的流路孔的形状使因应力集中而导致的气体扩散层或膜电极组件的破坏最小化。多孔分隔板具有流场板，其包括：与气体扩散层或膜电极组件接触的第一接触部；与冷却剂通道接触的第二接触部；以及在第一接触部和第二接触部之间连接的连接部。此外，在连接部中形成流路孔，其中流路孔的内表面的一部分朝着流路孔的中心突出。

Description

燃料电池用多孔分隔板

技术领域

本发明涉及燃料电池用多孔分隔板，更具体涉及以下燃料电池用多孔分隔板，在其中多孔分隔板具有改进的流路孔，由此使因应力集中而导致的对气体扩散层或膜电极组件的破坏最小化。

背景技术

车辆用燃料电池堆包括多个彼此连接的单体电池(cell)。燃料和冷却剂从燃料电池堆的一侧供应，并从另一侧排出。在燃料电池堆的每个单体电池中，分隔板布置在由气体扩散层覆盖的膜电极组件(MEA)的各个主表面上。具有上述结构的单体电池串联堆叠，从而形成燃料电池堆。

此外，MEA是由空气电极和燃料电极覆盖的电解质膜，使氢和氧之间发生反应。MEA设置在燃料电池堆的单体电池的中心。在空气电极和燃料电极的外表面上堆叠有气体扩散层。此外，在各气体扩散层的外部布置有分隔板，在气体扩散层和分隔板之间插入有垫圈，每个分隔板具有流场(flow field)，其允许燃料通过它被引入到单体电池中或者允许因氢-氧反应产生的水通过它排出。

分隔板通常被构造为，与气体扩散层紧密接触的脊部(land)和用作流体的流路的通道(流场)交替布置。由于脊部和通道(流场)交替布置并且都迂回曲折，因此分隔板的面向气体扩散层的一个表面中的通道用于使诸如氢或空气等反应气体流过其中，并且分隔板的另一表面中的通道用于使冷却剂流过其中。

在燃料电池堆中，氢的氧化反应在产生质子和电子的燃料电极处进行。所产生的氢离子和电子通过电解质膜和分隔板移动到空气电极。因此，从燃料电极提供的氢离子和电子与存在于空气中的氧在空气电极处经历电化学反应。该反应产生水和电能，并且此时电子的流动产生电能。

根据该结构，由于用作反应气体和冷却剂用流场的通道是通过将阳极用分隔板和阴极用分隔板堆叠在彼此之上来形成的，因此燃料电池堆的单体电池的结构被简化。然而，由于在分隔板中形成通道和脊部而使分隔板的表面不平坦，从而导致表面压力不均匀，引起电阻增大，脊部周围应力过度集中。这会导致气体扩散层的破坏和反应气体的扩散性的劣化。

当将带有微孔的结构(例如，金属/碳泡沫或铁丝网)插入到反应表面，而不是具有通道形状的常规流场时，反应气体和水的移动变得更容易。此外，气体扩散层均匀地压缩以分配表面压力，由此最小化电阻并最大化燃料电池的性能。然而，与常规的流场结构相比，现有的带微孔的流场结构具有制造成本高以及重量和体积增大的缺点。因此，使流场结构的批量生产力劣化。

图1示出根据现有技术的常规多孔分隔板。常规多孔分隔板具有在流场板40的斜面(例如，在侧斜面上)中形成的多个流路孔43。流路孔在流场板40的长度方向(longitudinal direction)(例如，气流方向)上以预定间隔布置。由于在纵向上重复布置有凹凸结构，因此燃料可以在流场板40的反应表面平滑地扩散。特别地，由于反应气体的流量在燃料消耗高的大电流条件下大大增加，因此流阻因多孔板中的凹凸结构而增大。换句话说，使多孔板的效果最大化。

此外，通过在流场板的一侧斜面中形成的流路孔的反应气体，在另一侧斜面(例如，斜率具有相反的倾度或角度)停止。因此，反应气体沿着流场板的宽度方向(widthwisedirection)移动，以移到下一通道中的邻近孔。由于反应气体沿“Z”字形路线流动，因此反应气体的扩散性增大。微孔流场被设置成邻近单体电池中的气体扩散层。穿过多孔流场引入的反应气体经过气体扩散层并到达发生反应的MEA。

气体扩散层是微孔层，其是碳纤维的聚集物。为了有助于反应气体扩散并排出因化学反应产生的水，需要使气体扩散层中的微孔结构的破坏最小化，该破坏归因于燃料电池堆的单体电池的结合力(coupling force)。另一方面，由于微孔流场还用作因化学反应生成的电力的传输通路和反应气体的流动通路，因此期望通过增加燃料电池堆的单体电池的结合力来最小化界面的接触电阻。

然而，如图2和图3所示，由于在斜面中形成有流路孔的多孔体的结构特性，流路孔43的切断部与气体扩散层(GDL)接触，并且应力集中于接触区域。出于该原因，形成气体扩散层的碳纤维被破坏。换句话说，由于多孔体的结构特性，流路孔的切断面与气体扩散层紧密接触，紧密接触引起应力集中，气体扩散层被过度破坏。因此，引起反应气体的扩散性和排水性能的劣化和对膜电极组件的物理损伤。

上述内容仅旨在帮助理解本发明的背景技术，并非意味着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

因此，本发明提供一种燃料电池用多孔分隔板，其具有改进的流路孔以防止因应力集中而导致的气体扩散层或膜电极组件的破坏。

根据一方面，一种具有流场板的燃料电池用多孔分隔板可以包括：与气体扩散层或膜电极组件接触的第一接触部；与冷却剂通道接触的第二接触部；连接在第一接触部和第二接触部之间的连接部；以及在连接部中形成的流路孔，其中流路孔的内表面的一部分朝着流路孔的中心突出。

当绘制沿流路孔的长度方向延伸的假想中心线，使其经过流路孔的在其宽度方向上的相对的中间点时，突出部可以从流路孔的第一内表面的一部分朝着假想中心线突出。突出部可以形成在流路孔的相比于第二接触部更靠近第一接触部的第一内表面上。从流路孔的第一内表面突出的突出部可以不到达流路孔的假想中心线，或者可以不在流路孔的中心线上延伸。突出部可以形成在流路孔的第一内表面的中间部分。突出部可以形成为在流路孔的第一内表面的整个长度上延伸。

此外，突出部可以与气体扩散层或膜电极组件的外表面为面接触。突出部可以形成为朝着气体扩散层或膜电极组件延伸，并且相对于突出部与气体扩散层或膜电极组件齐平的假想平面以预定倾斜角(例如，以一斜率)弯曲。突出部与假想平面之间的倾斜角可以在约1°至45°的范围内。

此外，突出部的弯曲刚度可以比气体扩散层和膜电极组件的压缩刚度弱，并且因此当组装燃料电池堆时，突出部因气体扩散层或膜电极组件的压力而在相对于假想线的预定倾斜角减小的方向上弯曲，由此最终，突出部与气体扩散层或膜电极组件的外表面成为面接触。

突出部的端部可以形成为从气体扩散层或膜电极组件的外表面朝着冷却剂通道上升，并且因此，在突出部的连接到第一接触部和第二接触部的部分形成用于将水保持在其中的滞留空间。突出部的一端可以连接到第一接触部，突出部的另一端可以形成为在与朝着第二接触部上升的连接部的形成方向相同的方向上延伸。突出部可以形成在流路孔的相比于第一接触部更靠近第二接触部的第二内表面。

根据基于本发明的示例性实施例的燃料电池用多孔分隔板，在流路孔中形成的突出部可以防止气体扩散层或膜电极组件上的应力集中，由此使气体扩散层或膜电极组件的结构性破坏最小化并增加反应气体的扩散性。此外，通过减轻反应表面上的应力集中，可以使对气体扩散层或膜电极组件的物理损伤最小化。换句话说，可以改善燃料电池堆的耐用性。

当组装燃料电池堆时，突出部可以弯曲，使得气体扩散层或膜电极组件的表面与突出部的表面齐平。因此，在燃料电池堆被完全组装后，多孔分隔板可以继续维持弹力，从而防止因燃料电池堆长期工作而导致的表面压力的减小。

此外，由于突出部弯曲成符合流场板的轮廓，因此可以防止应力过度集中。由于流场板的弯曲形状，形成用于保持燃料电池堆中的冷凝水的滞留空间，因此还可以在燃料电池的低温工作过程中改善排水性能并且在燃料电池的高温工作过程中防止干涸。此外，通过使用突出部增加冷却剂与流场彼此接触的接触面积，可以增加燃料电池堆的热传递。出于该原因，可以改善燃料电池堆的操作性能和耐用性。

附图说明

从下面结合附图进行的详细描述中将更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点以及其它目的、特征和优点，在附图中：

图1是根据现有技术的多孔分隔板的立体图；

图2是根据现有技术的多孔分隔板的俯视图；

图3是根据现有技术的沿图2的线A-A得到的截面图；

图4是示出形成根据本发明的一个示例性实施例的多孔分隔板的流场板并示出流路孔的形状的截面图；

图5是示出根据本发明的第一示例性实施例的在流路孔中形成的突出部的视图；

图6是示出根据本发明的第二示例性实施例的在流路孔中形成的突出部的视图；

图7是示出当组装流场板时根据一个示例性实施例的突出部的横截面的示意图；

图8是示出当组装流场板时根据另一示例性实施例的突出部的横截面图的示意图；

图9是示出根据本发明的示例性实施例的当组装流场板时突出部与冷却剂用流场板接触的结构的视图；

图10A至图10C是示出用于制造根据本发明的一个示例性实施例的流场板的装置的视图。

具体实施方式

应当理解，在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似的术语包括一般机动车辆，例如客运汽车(包括运动型多功能车辆(SUV))、公共汽车、卡车、各种商用车辆、水运工具(包括各种艇和船)、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源得到的燃料)。如在此提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，既有汽油动力又有电动力的车辆。

在此使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并非意图限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个/一种”以及“该/所述”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指出。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所叙述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其群组。如在此使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项目中的一个或多个的任何组合以及全部组合。

除非具体说明或者从上下文显而易见，否则如在此使用的，术语“大约”被理解为在本领域正常公差的范围内，例如，在平均值的2个标准方差内。“大约”可以被理解为在所叙述的值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或者0.01％内。除非从上下文清楚地得出，否则在此提供的所有数值均由术语“大约”修饰。

以下，本发明的示例性实施例将在下面参考附图描述。

本发明的特征在于，具有在流场板100中形成的流路孔110的内表面可以朝着流路孔110的中心突出的结构。参考图4，根据本发明的一个示例性实施例的多孔分隔板可以包括流场板100和平板(flat plate)200。

流场板100的第一表面面向气体扩散层300或膜电极组件400的外表面。第一表面可以与气体扩散层300或膜电极组件400紧密接触(例如，抵接)。当单体电池包括气体扩散层300时，流场板100可以与气体扩散层300紧密接触(例如，抵接)。然而，当单体电池不包括气体扩散层300时，流场板100可以不与膜电极装配400紧密接触(例如，可以不抵接)。流场板100的第二表面面向平板200的内表面。流场板100的第二表面可以与平板200的内表面紧密接触。特别地，可以在平板200的外表面中形成冷却剂通道210。

在流场板100中，与气体扩散层300或膜电极组件400接触的第一接触部100a和与冷却剂通道210接触的第二接触部100b可以连接到连接部100c。在流场板100中，第一接触部100a、连接部100c和第二接触部100b可以按该顺序沿着流场板100的长度方向布置，从而形成凹凸结构。凹凸结构可以沿流场板100的长度方向布置。在流场板100的长度方向上布置的第一接触部100a和第二接触部100b可以交替地设置为与气体扩散层300(或膜电极组件400)和冷却剂通道210接触。

如图4所示，第一接触部100a和第二接触部100b中的每个可以是设置在两个相邻的连接部100c之间的边界区域中的第一区段S1或可以是两个相邻的连接部100c之间的边界区域。连接部100c可以是设置在第一接触部100a和第二接触部100b之间的第二区段S2。流路孔110可以形成在连接部100c上。具体地，流路孔110可以形成为不延伸至第一接触部100a或第二接触部100b。多个流路孔110可以以等(regular)间隔沿流场板100的宽度方向布置。每个流路孔110可以是圆形的，椭圆形的，或矩形的。流路孔110可以按“Z”字形图案布置。

换句话说，当流路孔110被布置为多排时，例如，可以在第一排的流路孔110之间形成每个连接部110c，可以在第一排形成的连接部110c的对应位置形成第二排的流路孔110。基于流路孔的上述布置，反应气体可以通过一排的流路孔110，然后可以在宽度方向上移动，由此流进下一排的流路孔110中。

特别地，每个流路孔110的内表面的一部分可以朝着流路孔110的中心突出。换句话说，当存在沿流路孔110的长度方向延伸并经过在流路孔110的宽度方向上的流路孔110的相对的中间点的假想流路孔中心线CL时，流路孔110的内表面的一部分可以向内(例如，朝着流路孔110的中心线CL)突出。在流路孔110中向内突出的部分可以称为突出部120。每个流路孔110可以包括突出部120。突出部120可以形成在当组装燃料电池堆时，流路孔110的相对靠近(例如，接近)第一接触部100a(即，靠近气体扩散层300或膜电极组件400)的那部分内表面上。

根据上述结构，由于朝着流路孔110的中心线突出的突出部的表面可以与气体扩散层300或膜电极组件400的外表面紧密接触(例如，抵接)，可以最小化成为流路孔110的内表面的切断部与气体扩散层300或膜电极组件400接触的面积。因此，可以防止流场板100在气体扩散层300或膜电极组件400上引起应力集中。因此，可以最小化气体扩散层300或膜电极组件400的结构性破坏，由此改善反应气体的扩散性并减轻反应表面上过度的应力集中。结果，可以最小化对气体扩散层300或膜电极组件400的物理损伤，提高燃料电池堆的耐用性。

此外，突出部120可以形成为不到达或不延伸超过流路孔的中心线CL。如图5所示，突出部120可以沿流路孔的长度方向在流路孔110的内表面的中间部分形成。换句话说，突出部120可以在流路孔110的应力可能是高度集中的中间部分形成。

替换地，如图6所示，突出部120可以以在流路孔110的整个长度上延伸的方式，形成在流路孔110的靠近(例如，接近)第一接触部100a的一侧内表面上。图6所示的突出部120具有简化流路孔110的形状并防止像图5所示的突出部120的应力集中的优点。根据该结构，流场板的可制造性得以改善。

参考图7，突出部120可以形成为与气体扩散层300或膜电极组件400的外表面为面接触，使突出部120与气体扩散层300或膜电极组件400齐平。在加工流场板100的过程中，突出部120可以形成为与气体扩散层300或膜电极组件400齐平。替换地，在组装燃料电池堆的过程中，突出部120可以以被气体扩散层300或膜电极组件400弯曲的方式与气体扩散层300或膜电极组件400齐平。

如图7的上部所示，突出部120可以相对于突出部120与气体扩散层300或膜电极组件400齐平的假想平面，以预定倾斜角(例如，预定斜率)朝着气体扩散层300或膜电极组件400弯曲。突出部120和假想平面之间的预定角可以是约1°至45°。当倾斜角大于约45°时，突出部120在因组装燃料电池组时的弹力而弯曲之前，可能突出或延伸到气体扩散层300或膜电极组件400中，由此使气体扩散层300或膜电极组件400破裂。

此外，突出部120可以具有比气体扩散层300或膜电极组件140的压缩刚度弱的弯曲刚度，因此，突出部120在组装燃料电池组时可以弯曲。因此，如图7的下部所示，当组装燃料电池堆时，突出部120可以沿突出部120和假想平面之间的倾斜角因气体扩散层300或膜电极组件400的压力而减小的方向上弯曲，由此与气体扩散层300或膜电极组件400的外表面成为面接触。最后，突出部可以成为与气体扩散层300或膜电极组件400齐平。

由于即使在组装燃料电池堆之后多孔分隔板10也可以继续维持弹力，因此可以防止当燃料电池堆工作长时间段时发生的表面压力的减少，由此改善燃料电池堆的耐用性。此外，如图8所示，突出部120的端部可以形成为从气体扩散层300或膜电极组件400朝着冷却剂通道210抬起。因此，突出部120可以提供用于将水保持在第一接触部100a和连接部100c之间的滞留空间。突出部120的一端可以连接到第一接触部100a，突出部120的另一端可以沿与朝着第二接触部100b上升的连接部100c的形成方向相同的方向形成。

即使突出部120可以形成为随流场板100的弯曲而弯曲从而与气体扩散层300接触，也可以通过使用这些弯曲部分为燃料电池堆中的冷却剂提供滞留空间并防止过度的应力集中。因此，可以改善燃料电池的低温工作期间的排水并防止燃料电池的高温工作期间的燃料电池堆的干涸(dry-out)。此外，参考图9，从流路孔的内表面的一部分朝着流路孔的中心线CL突出的突出部120可以形成在相对靠近(例如，接近)第二接触部(即，平板200)的内表面上。

流场板100的与接触气体扩散层300或膜电极组件400的第一表面相对的第二表面可以是与用于排出因化学反应生成的热的冷却剂通道210接触的部分。通过增加该部分的接触面积，可以改善燃料电池的内部热传递和燃料电池堆的性能及耐用性。该结构在热传递问题严重的状况中(例如，在高温工作状况中)更有优势。

如图10A、图10B和图10C所示，通过射孔工艺或刻蚀工艺可以容易地再现并形成本发明的示例性实施例教导的各种流路孔的形状，由此有助于板的批量生产。

如上所述，由于从流路孔110的一个内表面朝着流路孔110的中心线突出的突出部可以抵接气体扩散层300或膜电极组件400的外表面，因此可以最小化成为气流流路110的内表面的一部分的切断部与气体扩散层300或膜电极组件400接触的面积。因此，可以防止气体扩散层300或膜电极组件400上的应力集中。结果，可以最小化气体扩散层300或膜电极组件400的结构性破坏，由此改善反应气体的扩散性。此外，通过减轻反应表面上过度的应力集中，可以最小化对气体扩散层300或膜电极组件400的物理损伤，由此改善燃料电池堆的耐用性。

虽然出于说明性目的描述本发明的示例性实施例，本领域技术人员将明白，在不偏离所附权利要求所述公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加及替换是可行的。

Claims (12)

1.一种燃料电池用多孔分隔板，包括：

流场板，具有：与气体扩散层或膜电极组件接触的第一接触部；与冷却剂通道接触的第二接触部；和连接在所述第一接触部和所述第二接触部之间的连接部；和

在所述连接部中形成的流路孔，

其中所述流路孔的内表面的一部分朝着所述流路孔的中心突出从而形成突出部，

其中所述突出部的端部形成为从所述气体扩散层或所述膜电极组件的外表面朝着冷却剂通道上升，并且在所述突出部的连接到所述第一接触部和所述第二接触部的部分形成用于将水保持在其中的滞留空间。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用多孔分隔板，其中当假想中心线在所述流路孔的长度方向上延伸，经过在所述流路孔的宽度方向上的所述流路孔的相对的中间点时，所述突出部从所述流路孔的第一内表面的一部分朝着所述假想中心线突出。

3.根据权利要求2所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部形成在所述流路孔的相比于所述第二接触部更靠近所述第一接触部的所述第一内表面上。

4.根据权利要求3所述的燃料电池用多孔分隔板，其中从所述流路孔的所述第一内表面突出的所述突出部不到达或不延伸超过所述流路孔的所述假想中心线。

5.根据权利要求3所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部形成在所述流路孔的所述第一内表面的中间部分。

6.根据权利要求3所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部形成为在所述流路孔的所述第一内表面的整个长度上延伸。

7.根据权利要求3所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部与所述气体扩散层或所述膜电极部件的外表面为面接触。

8.根据权利要求3所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部形成为朝着所述气体扩散层或所述膜电极组件延伸，并相对于所述突出部与所述气体扩散层或所述膜电极组件齐平的假想平面以预定倾斜角弯曲。

9.根据权利要求8所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部与所述假想平面之间的所述预定倾斜角在约1°到45°的范围内。

10.根据权利要求8所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部的弯曲刚度比所述气体扩散层和所述膜电极组件的压缩刚度弱，当组装所述燃料电池堆时，所述突出部因所述气体扩散层或所述膜电极组件的压力而在相对于所述假想平面的所述预定倾斜角减小的方向上弯曲，并且所述突出部与所述气体扩散层或所述膜电极组件的外表面成为面接触。

11.根据权利要求1所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部的一端连接到所述第一接触部，所述突出部的另一端形成为在与朝着所述第二接触部上升的所述连接部的形成方向相同的方向上延伸。

12.根据权利要求2所述的燃料电池用多孔分隔板，其中所述突出部形成在所述流路孔的相比于所述第一接触部更靠近所述第二接触部的第二内表面。

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