CN106887624B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，包括反应层，该反应层包括：膜电极组件(MEA)；以及气体扩散层(GDL)，每个气体扩散层布置在MEA的两个侧表面处。多孔分离层具有附着于反应层的一个表面并且被供给反应气体的一个表面，并且阴极双极板具有面板形状并附着于多孔分离层的另一个表面。阴极双极板的前端部具有被供给反应气体的歧管并且具有多个扩散通道，反应气体通过多个扩散通道从歧管向多孔分离层引导。阴极双极板具有将多孔分离层分开的分隔壁通道，该分隔壁通道在反应气体流动所沿的方向上延伸，并且该分隔壁通道在对角方向上从歧管延伸。

Description

燃料电池
技术领域
本公开总体上涉及一种燃料电池，并且更具体地，涉及一种能够在整个反应区上分布反应气体和冷却水的均匀流并且顺畅地排出通过燃料电池内的化学反应产生的冷凝水的燃料电池。
背景技术
燃料电池通常包括具有催化层的膜电极组件(MEA)，催化层引起氢与氧之间的化学反应。双极板布置在MEA的两个侧表面处并且在将氢和氧供应至MEA中时便于水的排出。
MEA和分别选择性地供应氢或氧且布置在MEA的两个侧表面处的双极板形成一个燃料电池。燃料电池多个堆叠以形成燃料电池堆。
为了使燃料电池的性能最大化，双极板的多孔构件均匀地分散表面压力并且改善扩散反应气体和排出所产生的水的性能。多孔构件包括具有以下结构的构件：导电多孔体的微孔结构，诸如，由金属或碳材料制成并且具有微孔的三维结构；具有通过将金属线编织成网状而形成的多孔结构的三维结构；通过在金属薄板上形成孔或者刮擦金属薄板而形成的三维结构等。所有的构件均匀地分散表面压力。
然而，在相关技术中，由于多孔构件的应用，可能不能控制反应气体和所产生的水的流，并且反应区不能被有效地利用。此外，当将燃料电池中的水分保持在过饱和状态时，多孔构件的微孔被堵住从而降低了燃料电池的稳定性和效率。
相关技术描述的内容仅用于帮助理解本公开的背景，而不应被视为与本领域技术人员已知的相关技术对应。
发明内容
考虑到相关技术中出现的上述问题而做出本公开，并且本公开旨在提出一种能够在整个反应区上分布反应气体和冷却水的均匀流并且顺畅地排出在燃料电池内通过化学反应产生的冷凝水的燃料电池。
根据本公开的一个实施方式，一种燃料电池包括：反应层，包括：膜电极组件(MEA)和气体扩散层(GDL)，每个气体扩散层布置在MEA的两个侧表面处；多孔分离层，具有附着于反应层的一个表面并且被供给反应气体的一个表面；以及阴极双极板，具有面板形状并且附着于多孔分离层的一个表面，该阴极双极板具有前端部，该前端部设置有被供给反应气体的歧管并且具有多个扩散通道，反应气体通过多个扩散通道从歧管向多孔分离层引导。一些扩散通道延伸至后端部。阴极双极板具有将多孔分离层分开的分隔壁通道，该分隔壁通道在反应气体流动所沿的方向上延伸，并且在对角方向上延伸。
在其中分隔壁通道应用于燃料电池的状态中，阴极双极板的分隔壁通道可以在对角方向上延伸，该对角方向是从顶部向底部引导的重力方向。
该燃料电池可以进一步包括：阳极双极板，被配置为附着于阴极双极板的一个表面并且在一个侧向方向和相反的侧向方向上反复地弯曲以形成气体通道和冷却通道，反应气体经过气体通道通向阳极双极板的一侧的第一敞开空间，冷却介质经过冷却通道通向阳极双极板的另一侧的第二敞开空间。
阳极双极板的冷却通道和气体通道可具有分别连接到歧管以被供给冷却介质和反应气体的前端部。
阴极双极板的分隔壁通道具有在从阳极双极板的一侧至另一侧的方向上凹入以形成第三敞开空间的凹入部分，其中第二敞开空间与第三敞开空间重叠以与分隔壁通道共享冷却通道的冷却介质。
阳极双极板的冷却通道和气体通道可以在直线方向上从歧管延伸并且阴极双极板的分隔壁通道可以在对角方向上从歧管延伸，使得一个分隔壁通道与多个不同的冷却通道重叠。
阴极双极板的分隔壁通道可以在直线方向上延伸以朝向反应气体流动的方向并且然后在对角方向上延伸。
反应层和多孔分离层可以在直线方向上延伸以朝向反应气体流动的方向并且然后在对角方向上延伸。
歧管可以包括设置在阴极双极板的前端部处的入口侧歧管以及设置在阴极双极板的后端部处的出口侧歧管。
如从以上说明显而易见的，该燃料电池的优点在于，可以在整个反应区上均匀地分布反应气体和冷却水的流并且通过燃料电池内的化学反应产生的冷凝水可以顺畅地排出，从而防止了反应气体的流由于冷凝水而堵塞。
附图说明
从下文结合附图做出的详细描述中将更加清楚地理解本公开的上述及其他目的、特征和优点。
图1是根据本公开的第一示例性实施方式的燃料电池的平面配置图。
图2和图3是图1中示出的燃料电池的部分横截面配置图。
图4是用于描述图1中示出的燃料电池的示图。
图5是示出了根据本公开的第二示例性实施方式的燃料电池的示图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述根据本公开的一示例性实施方式的燃料电池。
图1是根据本公开的第一示例性实施方式的燃料电池的平面配置图，图2和图3是图1中示出的燃料电池的部分横截面配置图，图4是用于描述图1中示出的燃料电池的示图，以及图5是示出了根据本公开的第二示例性实施方式的燃料电池的示图。
根据一示例性实施方式的燃料电池被供应由氧化剂气体和氢气形成的反应气体并且采用氢和氧的化学反应来产生电能。
在此，热作为反应副产物而产生，并且所产生的水被作为冷凝水而排出。
根据本公开的一示例性实施方式，通过排出在燃料电池内产生的水并且通过顺畅地移动冷却热的冷却介质的流来提高冷却效率。
如在图1和图2中示出的，根据本公开的一示例性实施方式的燃料电池包括：反应层100，具有膜电极组件(MEA)120和气体扩散层(GDL)140，气体扩散层中的每个均布置在MEA 120的两个侧表面处。多孔分离层200具有这样一个表面，即，该表面附着于反应层100的一个表面，并且被供应反应气体。阴极双极板300具有面板形状并且附着于多孔分离层200的另一个表面。阴极双极板300包括前端部，该前端部具有被供给反应气体的歧管320并具有多个扩散通道340，反应气体通过该扩散通道从歧管320向多孔分离层200引导。一些扩散通道340延伸至阴极双极板300的后端部。阴极双极板300进一步包括将多孔分离层200分开的分隔壁通道342。分隔壁通道342在反应气体流动所沿的方向上延伸并且然后在对角方向上延伸。
反应层100的MEA 120和GDL 140通过包括氢气和氧化剂气体的反应气体中的电化学反应来产生电能。此外，多孔分离层200附着于反应层100的一个表面，被供给反应气体，并且根据流将反应气体供应至反应层100。在此，多孔分离层200可以由金属或碳材料制成，形成为线网结构，或者由形成有多个微小开口的材料制成，这些微小开口通过在金属薄板上形成孔或者刮擦金属薄板而形成。
上述反应层100和多孔分离层200在燃料电池领域所属领域是显而易见的，并且因此，将省去对它的详细说明。
根据本公开，为了使反应气体的流和所产生的水的排出高效，阴极双极板300具有面板形状并且附着于多孔分离层200的一个表面。阴极双极板300的前端部具有被供给反应气体的歧管320并且具有多个扩散通道340，反应气体通过该多个扩散通道从歧管320向多孔分离层200引导。一些扩散通道340延伸至阴极双极板300的后端部。阴极双极板300进一步包括将多孔分离层200分开的分隔壁通道342。分隔壁通道342在反应气体流动所沿的方向上延伸并且然后在对角方向上延伸。
阴极双极板300的前端部具有歧管320，该歧管包括设置在阴极双极板300的前端部处的入口侧歧管322和设置在阴极双极板300的后端部处的出口侧歧管324。即，从入口侧歧管322供应反应气体以产生电能，并且通过出口侧歧管324排出所产生的水等。
具体地，阴极双极板300具有多个扩散通道340以从歧管320向多孔分离层200引导从而将从歧管320供应的反应气体供应至多孔分离层200，其中一些扩散通道340延伸至后端部并且穿过多孔分离层200以形成将多孔分离层200分开的分隔壁通道342。
在其中分隔壁通道应用于燃料电池的状态中，分隔壁通道342可以在对角方向上延伸，对角方向是从顶部向底部引导的重力方向。根据本公开，在其中燃料电池堆布置在重力方向的垂直方向上的状态中，如在图1中所示，为了容易排出通过多孔分离层200与反应层100之间的电化学反应而产生的水，由多孔分离层200产生的水在通过从顶部至底部对角地延伸的分隔壁通道342在重力方向上向下流动的同时可以顺畅地排出以从前部向后端引导。这样，在过度产生所产生的水的情况下，由于所产生的水通过分隔壁通道342移动，因此所产生的水被排出到出口侧歧管324以便不堆积在燃料电池内部，从而保持燃料电池的效率。
参照图2，燃料电池可以进一步包括阳极双极板400，该阳极双极板附着于阴极双极板300的一个表面并且在一个方向和相反的方向上反复地弯曲以形成气体通道420和冷却通道440，反应气体经过气体通道通向阳极双极板的一侧的敞开空间422，冷却介质经过冷却通道通向阳极双极板的相对侧的敞开空间442。
阳极双极板400的冷却通道440和气体通道420具有分别连接至歧管320以被供给冷却介质和反应气体的前端部。
即，阳极双极板400附着于阴极双极板300的一个表面并且在一个方向和相反的方向上反复地弯曲以形成气体通道420和冷却通道440。在此，从歧管320供应的反应气体通向形成在阳极双极板400的一侧处的气体通道420并且冷却介质通向形成在阳极双极板的另一侧处的冷却通道440。通过这种方式，反应气体被供给至反应层100，该反应层附着于阳极双极板400的一侧，并且此外，形成了使冷却介质通过附着于阳极双极板400的另一侧的阴极双极板300移动的空间，从而使冷却介质顺畅地移动。
具体地，如在图3中示出的，由于阴极双极板300的分隔壁通道342突出至相对侧以在一侧处形成敞开空间344并且阳极双极板400的冷却通道400在另一侧处具有敞开空间442，因此与冷却通道440的重叠部分可以形成在分隔壁通道342的延伸线上以与分隔壁通道342共同使用冷却通道440的冷却介质。
通过这样做，阴极双极板300的分隔壁通道342具有在一侧敞开的空间344并且在另一侧处形成阳极双极板400的冷却通道440的敞开空间442。具体地，分隔壁通道342在对角方向上延伸以形成分隔壁通道342和冷却通道440在分隔壁通道342的延伸线上重叠的部分以与分隔壁通道342共同使用冷却通道440的冷却介质，从而改善了冷却效率。
即，阳极双极板400的冷却通道440和气体通道420在直线方向上从歧管320延伸并且阴极双极板300的分隔壁通道342在对角方向上从歧管320延伸，使得一个分隔壁通道342与多个不同的冷却通道440重叠。如在图3中示出的，分隔壁通道342可以在对角方向上延伸以便不与任何冷却通道440共同使用敞开的空间并且与其他冷却通道440共同使用敞开的空间，从而防止在冷却通道440中流动的冷却介质过度循环至分隔壁通道342侧。
如此，由于阳极双极板400的冷却通道440在直线方向上延伸，因此通过气体通道420、多孔分离层200、以及反应层100中的电化学反应产生的热可以冷却。具体地，如在图4中示出的，由于分隔壁通道342在对角方向上延伸，因此出现了其中一个分隔壁通道342与多个冷却通道440重叠的部分，并且因此，冷却通道440的冷却介质通过分隔壁通道342移动以减小由于冷却介质的流动而引起的不同的压力，从而提高了冷却效率。因此，通过阳极双极板400的冷却通道440移动的冷却介质还可以分布在分隔壁通道342中以防止冷却水由于过大的压差而渗入在其中进行电化学反应的空间中。
如上所述，燃料电池具有其中反应层100、阳极双极板400、阴极双极板300、以及反应层100从一侧向另一侧依次堆叠的结构，其中从歧管320供应的反应气体通过多孔分离层200、反应层100、以及阳极双极板400的气体通道420移动，从而通过电化学反应产生电能。从歧管320供应的冷却介质分布在阳极双极板400的冷却通道440和阴极双极板300的分隔壁通道342中并且移动，从而执行有效冷却并且防止冷却水的压差降低。
参考图5，在本公开的第二实施方式的燃料电池中，阴极双极板300的分隔壁通道342可以在直线方向上朝向反应气体流动所沿的方向延伸预定距离并且可以在对角方向上延伸。
即，通过入口侧歧管322供应的反应气体均等地分布在阴极双极板300的扩散通道340中。由于通过歧管320供应的反应气体，因此所产生的水不会滞留在入口侧歧管322处并且所产生的水从延伸预定距离的特定点开始堆积。因此，由于阴极双极板300的分隔壁通道342相对于其中由于来自歧管320的反应气体均等地分布而使得所产生的水未滞留的部分在直线方向上延伸并且从其中反应气体滞留的点开始在对角方向上延伸以使所产生的水在重力方向上顺畅地流动，从而排出了所产生的水。
在此，可以通过实验得出其中产生并滞留根据反应气体的流而产生的水的点并且可以根据燃料电池的规格不同地设置。
此外，与分隔壁通道342相似，反应层100和多孔分离层200可以在直线方向上朝向反应气体流动所沿的方向延伸预定距离并且可以在对角方向上延伸。
因此，反应层100和多孔分离层200同样在对角方向上在其中分隔壁通道342在对角方向上延伸的点处延伸，并且因此，均等地分布在入口侧歧管322中的反应气体均等地分布直至出口侧歧管324并且移动。
这时，由于反应气体的均等分布，不同压力的均匀性和反应区的使用可以得到保证，并且在特定点处产生的水可以容易地在阴极双极板300的分隔壁通道342上流动以被排出。
根据本公开的示例性实施方式的燃料电池，反应气体和冷却水的流可以在整个反应区上均匀地分布并且通过燃料电池内的化学反应产生的冷凝水的排出可以顺畅地进行，从而防止了由于冷凝水而引起反应气体的流堵塞。
尽管已经针对特定的示例性实施方式示出并描述了本公开，但对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不背离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的前提下，可对本公开进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
反应层，所述反应层包括：膜电极组件；以及气体扩散层，每个所述气体扩散层布置在所述膜电极组件的两个侧表面处；
多孔分离层，所述多孔分离层具有附着于所述反应层的一个表面并且被供给反应气体的一个表面；以及
阴极双极板，所述阴极双极板具有面板形状并且附着于所述多孔分离层的另一个表面，
其中，所述阴极双极板的前端部具有被供给所述反应气体的歧管并且具有多个扩散通道，所述反应气体通过所述多个扩散通道从所述歧管向所述多孔分离层引导，
其中，一些所述扩散通道延伸至所述阴极双极板的后端部，并且
其中，所述阴极双极板具有将所述多孔分离层分开的分隔壁通道，所述分隔壁通道在所述反应气体流动所沿的从所述阴极双极板的前端部至后端部的方向上延伸，并且所述分隔壁通道在从所述燃料电池的顶部至底部的对角方向上从所述歧管延伸，
其中，所述燃料电池进一步包括阳极双极板，所述阳极双极板附着于所述阴极双极板的一个表面并且在一个方向和相反的方向上反复地弯曲以形成气体通道和冷却通道，所述反应气体经过所述气体通道通向形成在所述阳极双极板的一侧处的第一敞开空间，冷却介质经过所述冷却通道通向形成在所述阳极双极板的另一侧处的第二敞开空间，其中，所述阴极双极板的所述分隔壁通道具有在从所述阳极双极板的一侧至另一侧的方向上凹入以形成第三敞开空间的凹入部分，其中，所述第二敞开空间与所述第三敞开空间重叠以与所述分隔壁通道共享所述冷却通道的所述冷却介质。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在其中所述分隔壁通道应用于所述燃料电池的状态中，所述阴极双极板的所述分隔壁通道在所述对角方向上延伸，所述对角方向是从所述燃料电池的顶部向底部引导的重力方向。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述阳极双极板的所述冷却通道和所述气体通道具有分别连接至所述歧管的前端部。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述阳极双极板的所述冷却通道和所述气体通道在直线方向上从所述歧管延伸并且所述阴极双极板的所述分隔壁通道在所述对角方向上从所述歧管延伸，使得一个分隔壁通道与多个不同的冷却通道重叠。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述阴极双极板的所述分隔壁通道在直线方向上延伸以朝向所述反应气体流动所沿的从所述阴极双极板的前端部至后端部的方向并且然后在所述对角方向上延伸。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中，所述反应层和所述多孔分离层在所述直线方向上延伸以朝向所述反应气体流动所沿的从所述阴极双极板的前端部至后端部的方向并且然后在所述对角方向上延伸。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述歧管包括：入口侧歧管，设置在所述阴极双极板的所述前端部处；以及出口侧歧管，设置在所述阴极双极板的所述后端部处。
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