CN106207216A - 用于燃料电池的多孔通道结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的多孔通道结构，其包括通道板，该通道板包括以沿着气体的流动方向形成波形截面的方式接触气体扩散层(GDL)的多个平台部和接触平板以维持水密性的多个通道部，并且具有反应气体通过的通道孔。通道孔以包括多个平台部中的一个平台部和多个通道部中的一个通道部中至少一者的一部分的方式被穿孔。

Description

用于燃料电池的多孔通道结构
技术领域
本发明总体涉及用于燃料电池的多孔通道结构，且更具体地，涉及能够允许水平和垂直的反应气体流动的用于燃料电池的多孔通道结构。
背景技术
如图1和图2中所示，应用金属双极板的燃料电池1通常具有膜电极组件(MEA)3布置在形成有用于反应气体和冷却水的通道的金属双极板6和7以及帮助反应气体扩散的气体扩散层(GDL)2之间的结构。在膜电极组件3中产生化学反应。金属双极板6和7重复设置有在与反应气体的流动相同的方向上不与GDL接触的通道部4和与GDL接触的平台(land)部5。此外，金属双极板划分成分别对应于阳极和阴极的阳极双极板6和阴极双极板7。阳极双极板6和阴极双极板7堆叠并结合，使得通道部4和平台部5彼此对称，从而形成冷却水流过其中的冷却通道8。
因此，作为各反应气体的通路的阳极双极板6和阴极双极板7的通道部4和4′沿同一条线存在。在阳极双极板6′的通道部4′中流动的反应气体与在阴极双极板7的通道部4中流动的反应气体在相同方向或相反方向上流动。一般地，为使燃料电池的性能最大化，在各双极板中流动的反应气体反方向流动。
此外，为使燃料电池的性能最大化，在通道部4与平台部5之间的间隔密集地形成。在这种情况下，这可使施加于GDL 2和MEA 3的表面压力均匀，并可使GDL 2在整个表面上具有恒定的透过率。然而，为防止在成型期间发生缺陷(例如，裂纹，使形状返回原先形状的回弹现象等)，在减少通道部4与平台部5之间的间隔方面可存在限制。
如下所述，由于制造限制发生燃料电池性能的降低。例如，当由通道部4和平台部5重复一次的长度定义的通道节距较大时，应力可集中在金属双极板6和7与GDL 2彼此接触的平台面，从而使表面压力不均匀。因此，GDL 2的多孔结构将被毁坏，并且因此，GDL 2的渗透性恶化，同时反应气体的扩散性和生成水的排出性也恶化。此外，GDL 2渗透至通道部4中，从而阻碍反应气体的流动。通道节距大，由此使应力集中在平台面上。因此，当GDL 2被毁坏时，碳纤维从平台部5渗透至MEA 3，从而导致MEA 3损坏。此外，通道部的GDL 2与MEA 3之间的表面压力不足，增加了接触电阻，从而使生成的电子难以移动。
与此同时，为了解决上述常规燃料电池的问题，代替现有的金属双极板，已出现如图3中所示，在将GDL与冷却水通路分开的板之间插入形成有多个通道孔9的、具有开放流场形状的多孔结构10的技术。然而，在包括现有的多孔结构10的燃料电池中，由于通道孔9仅存在于通道截面的斜面上，因此通过通道孔的反应气体11被该结构停止而水平方向形成湍流。因此，反应气体11朝向MEA/GDL的流动发展不足。
发明内容
已做出本发明来解决现有技术中出现的上述问题，同时由现有技术实现的优点保持完整无缺。
本发明的一方面提供了一种用于燃料电池的多孔通道结构，其能够通过解决作为多孔结构插入的常规燃料电池的缺点的、反应气体在MEA/GDL中的流动发展不足的问题，提高燃料电池的效率。
根据本发明的实施例，用于燃料电池的多孔通道结构包括通道板，该通道板包括以沿着气体的流动方向形成波形截面的方式接触气体扩散层(GDL)的多个平台部和接触平板以维持水密性的多个通道部，并且具有反应气体通过的通道孔。通道孔以包括多个平台部中的一个平台部和多个通道部中的一个通道部中至少一者的一部分的方式被穿孔。
通道孔可包括：第一类通道孔，其配置成以包括平台部中接触GDL的部分的方式被穿孔；和第二类通道孔，其配置成以包括通道部中接触平板的部分的方式被穿孔。
第一类通道孔和第二类通道孔可沿着通道板的波向彼此等距地形成为多个。
第一类通道孔和第二类通道孔可形成为沿着通道板的对角线布置。
当反应气体通过第一类通道孔时，反应气体可沿着多个平台部中任一者的曲面有方向性地移动，并向平板垂直流动。
当反应气体通过第二类通道孔时，反应气体可沿着多个通道部中任一者的曲面有方向性地移动，并向GDL垂直流动。
通道孔的形状可以是圆形、椭圆形和四边形中的一种
此外，根据本发明的实施例，用于燃料电池的多孔通道结构包括通道板，该通道板包括以沿着气体的流动方向形成波形截面的方式接触气体扩散层(GDL)的多个平台部和接触平板以维持水密性的多个通道部，并且具有反应气体通过的通道孔。通道孔形成为同时贯穿多个平台部中的一个平台部和多个通道部中的一个通道部。
通道孔的长度可形成为等于或大于节距长度，该节距长度是平台部的宽度与通道部的宽度的总和。
反应气体可通过通道孔，以同时形成垂直湍流和水平湍流。
通道孔可包括沿着由通道形成的谷部彼此等距地形成为多个的多个孔。
附图说明
从以下结合附图进行的详细说明中，本发明的以上和其他目的、特征和优点将更加显而易见：
图1是常规燃料电池的主要部分的截面图；
图2是常规燃料电池的主要部分的透视图和截面图；
图3是包括在常规燃料电池中的多孔结构的俯视图和包括在常规燃料电池中的多孔结构的主要部分的截面图；
图4是根据本发明的实施例的用于燃料电池的多孔通道结构的主要部分的透视图；
图5是图4的用于燃料电池的多孔通道结构的俯视图；
图6是沿图5的线A-A′所取的截面图；
图7是沿图5的线B-B′所取的截面图；并且
图8是示出应用常规多孔结构和根据本发明的实施例的用于燃料电池的多孔通道结构的燃料电池的性能的曲线图。
附图中各元件的附图标记
100：平台部
200：通道部
300：平板
400：GDL(气体扩散层)
500：通道孔
510：第一类通道孔
520：第二类通道孔
600：通道板
700：反应气体
具体实施方式
以下将参照附图详细说明本发明的实施例。如本领域的技术人员所意识到的，在均未背离本发明的实质或范围的情况下，所述实施例可以各种不同的方式修改。此外，贯穿说明书，同样的附图标记表示同样的元件。
本文所使用的专有名词仅是为了说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部组合。
现在参照本发明的实施例，如图4至图8中所示，根据本发明的实施例的用于燃料电池的多孔通道结构包括通道板600，通道板600配置成重复地设置有接触气体扩散层(GDL)400以形成波形截面的多个平台部100和接触平板300以维持水密性的多个通道部200，并且规则地设置有反应气体700通过的至少一个微细形成的通道孔500，其中通道孔500的长度以作为平台部100的长度与通道部200的长度的总和的节距的约1/2形成。通道孔500的长度可基于通道孔500之间的间隔和反应气体700的流动分析结果来确定。
至少一个微细形成的通道孔500包括第一类通道孔510和第二类通道孔520，第一类通道孔510中的一些包括平台部100，第二类通道孔520中的一些包括通道部200。根据本发明的实施例，第一类通道孔510被穿孔成包括平台部100中接触GDL 400的部分，而第二类通道孔520被穿孔成包括通道部200中接触平板300的部分。
第一类通道孔510和第二类通道孔520沿着通道板600的波向彼此等距地形成为多个。在这种情况下，第一类通道孔510和第二类通道孔520形成连接通道板600的垂直侧与水平侧的任意对角线(例如，沿着通道板600)，并被重复布置以便形成多个通道孔500。更具体地，在以第一类通道孔510或第二类通道孔520的中心为中心点、与第一类通道孔510或第二类通道孔520的纵向中心轴形成0°～90°角的任意延长线上，重复地形成多个第一类通道孔510和多个第二类通道孔520。此外，具有相同形状的通道孔500沿着由平台部100或通道部200形成的谷部彼此等距地形成为多个。
通过第一类通道孔510的反应气体700沿着平台部100的曲面移动，从而引起方向性和平板300中的垂直流动。通过第二类通道孔520的反应气体700沿着通道部200的曲面移动，从而引起方向性和GDL400中的垂直流动。即，垂直地形成湍流，并且通过第一类通道孔510和第二类通道孔520的反应气体700在GDL 400中流动，因此可提高GDL 400中的反应气体的流量。
与此同时，通过至少一个微细形成的通道孔500的反应气体沿着通道孔500的形状水平地流动。即，水平地形成湍流。特别地，当通道孔500形成为矩形、更准确为菱形时，通道孔500与反应气体700之间的摩擦增大，并且水平湍流的大小相应地增大。通道孔500的形状可以是圆形、椭圆形和四边形中的任一种。通过通道孔500的反应气体700沿着通道部200或平台部100的曲面移动，以形成垂直湍流。此外，由通道孔500的形状以及向通道部200和平台部100的扩散形成水平湍流。
特别地，由于垂直湍流，与安装根据现有技术的多孔结构的情况相比，更加提高了GDL 400中的反应气体的流量。此外，由于水平湍流，在第一类通道孔510与第二类通道孔520之间的反应气体700的流动流畅地进行。
图8是示出应用常规多孔结构和根据本发明的实施例的用于燃料电池的多孔通道结构的燃料电池的性能的曲线图。
在图8的曲线图中，横轴表示电流密度而纵轴表示电压。在点A以下的区域中，在安装根据本发明的多孔结构的情况与安装现有多孔结构的情况之间相差无几。然而，在点A之后的区域中，两者之间的差异逐渐增加，并且在点B出现4.4％的电压提高效果。考虑到燃料电池的特性，可以预期该差异将朝向电流密度的区域，即超过点B的区域增加。在更大的电流密度区域中表示相同的电压，意味着即使更小的反应面积也可产生相同的输出。因此，可使燃料电池堆小型化并减小电极面积。
如上所述，根据依照本发明的实施例的用于燃料电池的多孔通道结构，通过使经过通道孔的反应气体同时垂直地和水平地形成涡流，可改善GDL中的反应气体的流动发展。
在上文中，尽管已参照实施例和附图说明了本发明，然而本发明不限于此，而是在未背离本发明的技术思想和所附权利要求的范围的情况下，可由本发明所属领域的技术人员做出各种修改和变化。

Claims (11)

1.一种用于燃料电池的多孔通道结构，包括：
通道板，其包括以沿着气体的流动方向形成波形截面的方式接触气体扩散层(GDL)的多个平台部和接触平板以维持水密性的多个通道部，并且具有反应气体通过的通道孔，
其中，所述通道孔以包括所述多个平台部中的一个平台部和所述多个通道部中的一个通道部中至少一者的一部分的方式被穿孔。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中所述通道孔包括：
第一类通道孔，其配置成以包括所述平台部中接触所述GDL的部分的方式被穿孔；以及
第二类通道孔，其配置成以包括所述通道部中接触所述平板的部分的方式被穿孔。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中所述第一类通道孔和所述第二类通道孔沿着所述通道板的波向彼此等距地形成为多个。
4.根据权利要求2所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中所述第一类通道孔和所述第二类通道孔形成为沿着所述通道板的对角线布置。
5.根据权利要求2所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中当反应气体通过所述第一类通道孔时，反应气体沿着所述多个平台部中任一者的曲面有方向性地移动，并向所述平板垂直流动。
6.根据权利要求2所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中当反应气体通过所述第二类通道孔时，反应气体沿着所述多个通道部中任一者的曲面有方向性地移动，并向所述GDL垂直流动。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中所述通道孔的形状是圆形、椭圆形和四边形中的一种。
8.一种用于燃料电池的多孔通道结构，包括：
通道板，其包括以沿着气体的流动方向形成波形截面的方式接触气体扩散层(GDL)的多个平台部和接触平板以维持水密性的多个通道部，并且具有反应气体通过的通道孔，
其中，所述通道孔形成为同时贯穿所述多个平台部中的一个平台部和所述多个通道部中的一个通道部。
9.根据权利要求8所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中所述通道孔的长度形成为等于或大于节距长度，所述节距长度是所述平台部的宽度与所述通道部的宽度的总和。
10.根据权利要求8所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中所述反应气体通过所述通道孔，以同时形成垂直湍流和水平湍流。
11.根据权利要求8所述的用于燃料电池的多孔通道结构，其中所述通道孔包括沿着由通道形成的谷部彼此等距地形成为多个的多个孔。
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