CN106935884B - 燃料电池分离板的多孔面板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开燃料电池分离板的多孔面板，该多孔面板是对板状的原材料进行加工而形成，在与气体的流动方向交叉的方向上反复配置有凹凸线，凹凸线弯曲且以上方凹凸和下方凹凸反复出现的方式弯曲，在凹凸形状中在以凹凸线为中心的两侧面上形成有允许气体贯通的贯通孔，凹凸线构成为与气体的流动方向形成锐角并交叉的形状。根据本发明的燃料电池分离板的多孔面板，进一步提高反应气体扩散性，并且以与反应气体的流量无关的方式维持多孔体的扩散性提高效果，能够提高排水性且减少压差。另外，通过从直线凹凸线变为波形凹凸线，从而与气体扩散层的接触面积增大，通过改善分离板/气体扩散层间的导电性能够实现性能的提高。

Description

燃料电池分离板的多孔面板
技术领域
本发明提供在微通道分隔表面上规则地排列有多个孔的燃料电池分离板微流路结构，涉及使通道具有预定的角度而能够使反应气体的扩散性提高的燃料电池分离板的多孔面板。
背景技术
能够代替现有通道形状的流路，将开放式流场(Open flow field)形式的微多孔结构体嵌入到燃料电池堆的分离板内来增加燃料电池堆的反应效率。在现有的传统的通道分离板的情况下，存在如下优点：对形成作为反应气体移动通路的通道的阳极/阴极分离板进行层压来形成反应气体和冷却水通路，从而能够简化燃料电池的电池结构。但是，由于流路的通道/岛(land，台阶)形状而产生面压(表面压力)不均匀，从而不仅电阻增加，还存在由于过多的应力集中在岛部而气体扩散层的结构被破坏从而反应气体的扩散性降低的缺点。
另一方面，在多孔体流路分离板的情况下，如果代替现有的通道形状的流路，将如金属/碳泡沫(Metal/Carbon foam)、丝网(Wire mesh)等的微细气孔结构嵌入到反应表面，则反应气体和产生的水的移动变得容易，使气体扩散层(GDL：Gas Diffusion Layer)均匀地压缩而使面压分散，从而能够将电阻最小化来最大化提高燃料电池性能。但是，现有的微流路多孔结构体不仅制作费用高而且重量和体积增加，因此量产性降低。
图1是以往的多孔体结构分离板的截面结构，图2是从上方垂直地观察以往的分离板的图。燃料电池由中央的膜-电极组件(MEA)10和气体扩散层(GDL)30构成，对此结合有多孔面板50并结合有分离板70。以往的分离板的多孔面板50是在与长度方向(气体流动方向)垂直的直线凹凸线52的左右侧面上以预定间隔反复交错有多个贯通孔54而形成的。以往的分离板的多孔面板50的特征在于，使这种直线凹凸线在气体流动方向(长度方向)上反复，从而使反应表面内的气体扩散增加。特别是，在燃料消耗多的强电流区间带中，流速也相应地增加，从而基于多孔体形状的流阻效果增加，因此使多孔体的效果实现最大化。
通过了一侧侧面的贯通孔的反应气体被通道壁面阻挡，因此为了转到下一个通道，如G2那样产生向相邻贯通孔所处的宽度方向的流动。因此，由于这种流动反复而产生曲折流动，从而能够使反应气体扩散性增大。
当对搭载燃料电池堆的车辆的行驶模式进行分析时，反应气体的流量少的低～中电流区间的行驶区域带占据70％以上。因此，为了使成型多孔体的效果最大化，不仅在燃料扩散问题重要的强电流区间，在低～中电流区间带上也需要体现出多孔体的效果。
多孔体的基本概念在于，由于在通道侧面上以预定间隔交错形成的贯通孔的流动扰动，因此对多孔体的效果产生大影响的设计因素为多孔体内的贯通孔的宽度(a)和间距(b)。
如果孔宽(a)比相邻的旁边的孔间的间距(b)宽，则会产生相邻通道之间的孔重复区间。该情况下，占据燃料电池行驶区域的大部分的低～中电流区间上的流阻不大，从而不会产生曲折流动，流体如G1那样大部分通过反复交错的孔的重复区域而流出。因此，虽然成型多孔体的概念好，但是当考虑实际驾驶燃料电池车辆的驾驶者的驾驶模式时，燃料电池车辆中的多孔体的实际获益减少。
相反，如果使孔间距(b)比孔宽(a)大，则相邻通道间的重复区间消失。因此，流阻增加而与流动的强度无关，从而如G2那样持续产生曲折流动，因此能够使多孔体的扩散性提高效果最大化。但是，随着孔间的间距变宽，在整个行驶区域带中流路长度增加，导致整体的压差增加，由此由于用于驱动燃料电池的辅助机械的增加而导致燃料电池系统效率的降低。
另外，随着孔间距增加，液滴过多地停滞在流动相对弱的孔之间，这会引起低温行驶稳定性的降低和车辆冷启动性变差。
因此，需要能够与流动的强度无关地使多孔体的气体扩散效果最大化的同时能够减少分离板内的压差并提高排水性的分离板的凹凸结构。
上述的作为背景技术说明的事项仅用于提高对本发明的背景的理解，不应被解释为对于本领域技术人员是已知的现有技术。
现有技术文献
专利文献1：KR10-2013-0066795A
发明内容
所要解决的课题
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于，提供如下的燃料电池分离板的多孔面板：该多孔面板是在微通道分隔表面上规则地排列有多个孔而成的燃料电池分离板微流路结构，使通道具有一定的角度而能够提高反应气体的扩散性。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的燃料电池分离板的多孔面板，是对板状的原材料进行加工而形成，在上述多孔面板上在与气体的流动方向交叉的方向上反复配置有凹凸线，凹凸线弯曲且以上方凹凸和下方凹凸反复出现的方式弯曲，在凹凸形状中在以凹凸线为中心的两侧面上形成有允许气体贯通的贯通孔，凹凸线构成为与气体的流动方向形成锐角且交叉的形状。
凹凸线可以形成为以分开预定距离的状态彼此平行地反复。
凹凸线可以具有以角部向一侧和另一侧交替地反复的方式弯曲的形状。
凹凸线可以形成为连接配置在一侧和另一侧的角部的倾斜区间。
凹凸线可以具有以直线区间、向一侧弯曲的区间、直线区间、向另一侧弯曲的区间反复的方式弯曲的形状。
凹凸线可以构成为具有配置在一侧和另一侧的直线区间和连接直线区间的倾斜区间。
凹凸线可以具有向一侧和另一侧交替地弯曲的曲线的波浪形状。
以凹凸线为中心的一侧的贯通孔和另一侧的贯通孔可以以端部彼此重叠的方式形成。
贯通孔可以具有沿着以凹凸线为中心的两侧凹凸面所形成的长度长的孔形状。
形成在导入气体的一侧的凹凸线和形成在排出气体的一侧的凹凸线与气体的流动方向所构成的角度的大小可以彼此不同。
形成在导入气体的一侧的凹凸线与气体的流动方向所构成的角度，可以比形成在排出气体的一侧的凹凸线与气体的流动方向所构成的角度大。
发明效果
根据本发明的燃料电池分离板的多孔面板，在波形凹凸线的垂直截面的左右侧面以预定间隔反复交错形成有多个流路贯通孔，因此在以往的多孔体流路的曲折流动上根据波形而额外产生二次性流动，从而进一步提高反应气体扩散性。
另外，与贯通孔的间距和大小无关，不会在与气体流动垂直的方向上产生直线流动。由此，以与反应气体的流量无关的方式维持多孔体的扩散性提高效果，能够提高排水性且减少压差。
另外，通过从直线凹凸线变为波形凹凸线，从而与气体扩散层的接触面积增大，通过改善分离板/气体扩散层间的导电性能够实现性能的提高。
附图说明
图1是示出以往的多孔体结构分离板的截面的图。
图2是从上方垂直地观察以往的多孔面板的图。
图3是从上方垂直地观察本发明的一实施例的燃料电池分离板的多孔面板的图。
图4是图3所示的燃料电池分离板的多孔面板的截面图。
图5至图7是示出本发明的各种实施例的燃料电池分离板的多孔面板的凹凸线的图。
图8是示出本发明的一实施例的燃料电池分离板的多孔面板的图。
图9是示出图2所示的以往的多孔面板的多孔面板的等流速线(Velocitycontour)的图。
图10是示出图3所示的本发明的实施例的多孔面板的等流速线的图。
图11是示出到达图2所示的以往的多孔面板的反应表面的氧气浓度的图。
图12是示出到达图3所示的本发明的实施例的多孔面板的反应表面的氧气浓度的图。
具体实施方式
图3是从上方垂直地观察本发明的一实施例的燃料电池分离板的多孔面板的图，图4是图3所示的燃料电池分离板的多孔面板的截面图，图5至图7是示出本发明的各种实施例的燃料电池分离板的多孔面板的凹凸线的图，图8是示出本发明的一实施例的燃料电池分离板的多孔面板的图，图9是示出图2所示的以往的多孔面板的等流速线的图，图10是示出图3所示的本发明的实施例的多孔面板的等流速线的图，图11是示出到达图2所示的以往的多孔面板的反应表面的氧气浓度的图，图12是示出到达图3所示的本发明的实施例的多孔面板的反应表面的氧气浓度的图。
图3是从上方垂直地观察本发明的一实施例的燃料电池分离板的多孔面板的图，图4是图3所示的燃料电池分离板的多孔面板的截面图。如图3所示，本发明的燃料电池分离板的多孔面板是对板状的原材料进行加工而形成的。可以主要利用压力机(pressingmachine)等形成凹凸形状的同时加工贯通孔，也可以首先通过模具加工凹凸形状之后再次通过二次加工形成贯通孔。
多孔面板100位于分离板70与气体扩散层30之间，将从左侧导入的气体G向右侧引导，同时使气体G的流路以非直线形态扩散，从而使气体更可靠地与气体扩散层进行反应。
为此，在本发明的情况下，在多孔面板100上采用凹凸线140，以该凹凸线140为中心弯曲，从而，如图4所示，截面整体上具有凹凸的形状。此处，凹凸线140表示在凹凸形状中向上方突出的凹凸的中心线或向下方突出的凹凸的中心线。在如图所示从上方观察分离板时，这种凹凸线呈现延伸的一系列的线的形状。
在图4的截面的情况下，虽然示出以具有正弦波形状的方式弯曲的方式，但是根据不同情况还能够形成以凹凸线140为中心角部尖锐的凹凸。图3是从上方观察多孔面板100的图，虽然无法确认凹凸结构，但是在对其进行截取的图4中能够观察到上下重复的凹凸结构。
本发明的多孔面板100如上所述设置有虚拟的多个凹凸线140，该凹凸线140被设置为使凹凸线140在与气体G的流动方向交叉的方向反复形成。即，不是与气体的流动方向并列或垂直而是以预定角度交叉，从而使凹凸线140的形状成为从上方观察时形成曲折形状。
如上所述的多孔面板100以凹凸线140为中心弯曲，并且如图4所示以上方凹凸和下方凹凸反复的方式弯曲，在凹凸形状中以凹凸线140为中心的两侧面141、142上形成有允许气体贯通的贯通孔120，凹凸线140沿着横穿气体G的流动方向的方向形成且形成为构成曲折形状。另外，凹凸线140能够以分开预定距离的状态彼此平行地反复而形成。并且，凹凸线140与气体的流动方向构成锐角，这是指凹凸线构成为不与气体的流动方向并列或垂直而以预定锐角交叉的形状。
图3示出在气体流动方向上具有30°的波形角θ的倾斜凹凸D2和与气体流动方向垂直的直线凹凸D1反复而形成波形凹凸的多孔体的形状，由此能够获得如下的效果。
1)在波形凹凸的垂直截面的左右侧面以预定间隔反复交错形成多个贯通孔120，因此在现有的多孔体流路的曲折流动中按照波形进一步产生二次流动，进一步提高反应气体扩散性。
2)与孔间距和大小无关，在与气体流动垂直的方向上不会产生直线流动。因此，与反应气体的流量无关，能够维持多孔体的扩散性提高效果，可以提高排水性且减少压差。
3)在直线凹凸中通过改变波形凹凸来增加与气体扩散层的接触面积，通过改善多孔体/气体扩散层间的导电性而提高性能。
图5至图7是示出本发明的各种实施例的燃料电池分离板的多孔面板的凹凸线的图，如图5所示，凹凸线140可以是角部向一侧和另一侧交替地反复(或重复)的曲折形状。此时，凹凸线140可以形成为连接配置在一侧和另一侧的角部的倾斜区间。
并且，如图6所示，凹凸线140可以是直线区间向一侧和另一侧交替地反复的曲折形状。此时，凹凸线140能够具有配置在一侧和另一侧的直线区间以及连接直线区间的倾斜区间。
另外，如图7所示，凹凸线140可以是曲折延伸的曲线的波浪形状。
在图5的实施例的情况下，如果波形凹凸形状的角度过大则在波形角出现
Figure BDA0000999342610000081
的部分产生破裂的危险增加。因此，考虑到多孔体的制作性和分配性，波形的曲折角度(锐角)优选在20°～70°范围内。
在图6的实施例的情况下，波形凹凸形状可以构成为在气体流动方向上具有预定角度的倾斜凹凸区间和与气体流动方向垂直的直线凹凸区间反复出现的形状。
在图7的实施例的情况下，波形凹凸形状构成为由曲面形成的波形形状。由此去除形状的急剧变化区间，从而能够提高制作性。
另一方面，如图3所示，以凹凸线140为中心的一侧的贯通孔和另一侧的贯通孔能够以端部彼此重叠的方式形成。并且，贯通孔120可以是沿着以凹凸线140为中心的两侧面141、142长长地形成的孔形状。
另外，如图8所示，形成在导入气体的一侧的凹凸线140与形成在排出气体的一侧的凹凸线140'的曲折形状所构成的角度可以彼此不同。具体地讲，形成在导入气体的一侧的凹凸线140的曲折形状所构成的角度可以比形成在排出气体的一侧的凹凸线140'的曲折形状所构成的角度小。图8是示出本发明的一实施例的燃料电池分离板的多孔面板的图，在气体入口部的情况下，燃料流入到反应表面内的反应表面入口部分的流动不会充分活跃，相比于其他部分，向反应表面的气体扩散性降低。
并且，在气体出口部的情况下存在如下特征：随着反应气体流向出口部，流动变得充分活跃，相反通过反应生成的水的量增加。因此，使与反应表面入口相对较近的凹凸线部分的倾斜角形成得小而具有相对锐利的曲折形状，从而促进基于波形形状的流动扩散，并且使靠近出口部的凹凸线的角度形成得大而具有相对平滑的曲折形状，从而减少流阻而使水的排出变得顺畅。
图9是示出图2所示的以往的多孔面板的等流速线的图，图10是示出图3所示的本发明的实施例的多孔面板的等流速线的图。图9涉及具有与气体的流动垂直的凹凸线的多孔面板，图10是针对凹凸线曲折的倾斜角与气体流动构成45°角度的多孔面板的流动分析。等流速线的比较结果，根据凹凸线的形状，在图10中出现波形流动的速度场，由此能够确认曲折型凹凸形状能够使流动扩散提高。
图11是示出到达图2所示的以往的多孔面板的反应表面的氧气浓度的图，图12是示出到达图3所示的本发明的实施例的多孔面板的反应表面的氧气浓度的图。如图12所示，能够确认在凹凸线的曲折角为45°的波形凹凸形状中，氧气浓度差比较均匀地呈现，且更大量的氧气到达反应表面。这能够通过氧气浓度平均值(M，M')的比较来确认，这表示相应地更多的氧气均匀地到达反应表面，并且能够提高燃料电池的性能。
根据本发明的燃料电池分离板的多孔面板，在波形凹凸线的垂直截面的左右侧面上以预定间隔反复交错形成有多个流路贯通孔，因此在以往的多孔体流路的曲折流动上按照波形进一步产生二次性流动，从而进一步提高反应气体扩散性。
另外，与贯通孔的间距和大小无关，在与气体流动垂直的方向上不会产生直线流动。由此，以与反应气体的流量无关的方式维持多孔体的扩散性提高效果，能够提高排水性且减少压差。
另外，通过从直线凹凸线变为波形凹凸线，从而与气体扩散层的接触面积增大，通过改善分离板/气体扩散层间的导电性能够实现性能提高。
虽然对本发明的特定实施例进行了图示和说明，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离权利要求所提供的本发明的技术思想的范围内，能够对本发明进行各种改良和变化。
标号说明
100：多孔面板 120：贯通孔
140：凹凸线。

Claims (10)

1.一种燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
所述多孔面板是对板状的原材料进行加工而形成，在所述多孔面板上在与气体的流动方向交叉的方向上反复配置有凹凸线，所述凹凸线弯曲且以上方凹凸和下方凹凸反复出现的方式弯曲，在凹凸形状中在以所述凹凸线为中心的两侧面上形成有允许气体贯通的贯通孔，所述凹凸线构成为与气体的流动方向形成锐角且交叉的形状，
其中，所述凹凸线具有以角部向一侧和另一侧交替地反复的方式弯曲的形状。
2.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
所述凹凸线形成为以分开预定距离的状态彼此平行地反复。
3.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
所述凹凸线形成为连接配置在一侧和另一侧的角部的倾斜区间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
所述凹凸线具有以直线区间、向一侧弯曲的区间、直线区间、向另一侧弯曲的区间反复的方式弯曲的形状。
5.根据权利要求4所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
所述凹凸线构成为具有配置在一侧和另一侧的直线区间和连接所述直线区间的倾斜区间。
6.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
所述凹凸线具有向一侧和另一侧交替地弯曲的曲线的波浪形状。
7.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
以所述凹凸线为中心的一侧的贯通孔和另一侧的贯通孔以端部彼此重叠的方式形成。
8.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
所述贯通孔具有沿着以所述凹凸线为中心的两侧凹凸面所形成的长度长的孔形状。
9.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
形成在导入气体的一侧的凹凸线和形成在排出气体的一侧的凹凸线与气体的流动方向所构成的角度的大小彼此不同。
10.根据权利要求1所述的燃料电池分离板的多孔面板，其特征在于，
形成在导入气体的一侧的凹凸线与气体的流动方向所构成的角度，比形成在排出气体的一侧的凹凸线与气体的流动方向所构成的角度大。
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