CN107810572B - 隔板、其制造方法和包括隔板的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隔板、其制造方法和包括该隔板的燃料电池堆。本发明的一个方面提供一种隔板，包括：多个通道，所述多个通道分别沿着第一方向延伸为长条形状；以及多个脊状元件，所述多个脊状元件被设置为沿着与所述第一方向垂直的第二方向连接两个相邻的通道的侧壁，其中，所述连接两个相邻的通道的侧壁的多个脊状元件沿着所述第一方向以预定的间隔隔开，并且隔板设置有第一开口，该第一开口设置在沿着所述第一方向彼此相邻的两个脊状元件之间。

Description

隔板、其制造方法和包括隔板的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种隔板、其制造方法和包括隔板的燃料电池堆。
本申请要求基于2015年7月3日提交的韩国专利申请No.10-2015-0094967和2016年6月30日提交的韩国专利申请No.10-2016-0082317的优先权的权益，这两项申请的公开内容通过引用全部并入本申请中。
背景技术
通常，燃料电池是通过燃料与氧化剂之间的电化学反应产生电能的能量转换装置，并且具有只要连续地供应燃料就可以不断地产生电力的优点。
与其它类型的燃料电池相比，使用能够渗透氢离子的聚合物膜作为电解质的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有约100℃以下的较低的操作温度，并且具有能量转换效率高、输出密度高和响应快的特性的优点。此外，由于它可以小型化，因此，其可以设置为便携式的、车用和家用电源。
聚合物电解质膜燃料电池堆包括：具有电极层的膜电极组件(MEA)，该膜电极组件通过在由聚合物材料构成的电解质膜周围分别设置阳极和阴极来形成；气体扩散层(GDL)，用于将反应气体均匀地分布在整个反应区域中并且将由阳极的氧化反应产生的电子传递至阴极；隔板(双极板)，用于将反应气体供应至气体扩散层并且将由电化学反应产生的水排放至外部；以及具有弹性的橡胶材料的垫片(gasket)，通过将其设置在隔板或膜电极组件中的反应区域的外周上来防止反应气体和冷却水的泄漏。
用于燃料电池堆的常规隔板被设置为使得反应气体的气流和产生的水的水流通过二维通道沿相同的方向流动，或者通过相交的三维立体形状被分布和排放。然而，常规隔板具有不适合在不同的操作条件下有效地排放可变化的量的水的结构，因此具有使燃料电池堆的性能劣化的问题。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种隔板、其制造方法和包括该隔板的燃料电池堆，所述隔板通过设置脊状元件(riblet element)，能够通过流体的层流-湍流过渡流(laminar-turbulent transition flows)和阻力最小化，促进燃料电池反应表面中反应气体的传质。
此外，本发明的另一目的是提供一种能够改善传热和传质特性的隔板、其制造方法和包括该隔板的燃料电池堆。
此外，本发明的另一目的是提供一种能够有效地排放冷凝水的隔板、其制造方法和包括该隔板的燃料电池堆。
技术方案
为了解决上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种隔板，包括：多个通道，所述多个通道分别沿着第一方向延伸为长条形状；以及多个脊状元件，所述多个脊状元件被设置为沿着与所述第一方向垂直的第二方向连接两个相邻的通道的侧壁。
此外，所述连接两个相邻的通道的侧壁的多个脊状元件沿着第一方向以预定的间隔隔开，并且在沿着第一方向的两个相邻的脊状元件之间设置有第一开口。
此外，所述脊状元件被设置为具有平行四边形形状。
此外，沿着第二方向的两个相邻的脊状元件被设置为基于所述通道具有对称的或反对称的形状。
此外，所述脊状元件沿着第二方向的宽度可以形成为大于所述通道的宽度。
此外，第一开口可以被设置为具有平行四边形形状。
此外，第一开口可以被设置为使得一对长对边中的各边相对于第一方向和第二方向倾斜。
此外，所述脊状元件可以被设置为使得一对长对边中的各边相对于第一方向和第二方向倾斜。
此外，所述脊状元件沿着第一方向的长度可以形成为大于所述第一开口的长度。
此外，可以设置连接至所述第一开口并且在所述通道的侧壁中形成的第二开口。
此外，第二开口可以具有平行四边形形状。
另外，根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池堆，包括：膜电极组件；设置在所述膜电极组件的一侧上的气体扩散层；以及被设置为在一些区域中与所述气体扩散层接触的隔板。
此处，所述隔板包括：多个通道，所述多个通道分别沿着第一方向延伸为长条形状；以及多个脊状元件，所述多个脊状元件被设置为沿着与所述第一方向垂直的第二方向连接两个相邻的通道的侧壁，并且被设置为与所述气体扩散层接触。
此外，连接两个相邻的通道的侧壁的多个脊状元件沿着第一方向以预定间隔隔开，其中，在沿着第一方向的两个相邻的脊状元件之间设置有第一开口，并且在通道的侧壁中设置有连接至所述第一开口的第二开口。
此外，所述脊状元件被设置为具有平行四边形形状，其中，沿着第二方向的两个相邻的脊状元件被设置为基于所述通道具有对称的或反对称的形状。
另外，根据本发明的又一方面，提供一种隔板的制造方法，包括以下步骤：在板上沿其长度方向形成具有对称的或反对称的形状的一对开口图案；以及沿着所述板的长度方向对该板进行冲压，使得对应于开口图案区域的脊状元件和对应于与所述开口图案相邻的区域的通道具有台阶式结构(steppedstructure)。
此处，开口被设置为具有平行四边形形状。
此外，所述开口图案可以通过蚀刻或冲压形成。
有益效果
如上所述，关于本发明的一个实施方案的隔板、其制造方法和包括该隔板的燃料电池堆具有以下效果。
可以在隔板中有效地分布气体流和液体(例如，水)流，并且可以使隔板中的气体流和液体(例如，水)流最优化。特别地，可以防止冷凝水在隔板中积累，并且可以通过脊状元件上端的对流和弯曲流路来有效地排放冷凝水。
另外，可以通过层流-湍流过渡流、涡流形成和湍流边界层干扰诱导来改善传热和传质特性。特别地，可以通过流过具有平行四边形形状的反应气体流路的流体的壁面碰撞来形成涡流，并且可以通过反应气体的双扩散对流效应来促进传热/传质并且可以诱导脊状元件上端的冷凝水的排放。
此外，可以降低隔板的制造成本和制造时间。
附图说明
图1是关于本发明的一个实施方案的隔板的俯视图；
图2是图1中示出的隔板的透视图；
图3是关于本发明的一个实施方案的燃料电池堆的截面图；
图4是用于说明构成燃料电池堆的隔板中的水流的透视图；
图5是用于说明构成燃料电池堆的隔板中的气体流的透视图；
图6是用于说明在脊状元件的上端形成涡流的模拟结果；
图7和图8是用于说明隔板的制造方法的板的俯视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述根据本发明的一个实施方案的隔板、该隔板的制造方法和包括该隔板的燃料电池堆。
另外，相同或相似的附图标记分配给相同或相应的部件，而与附图标记无关，其中，将省略多余的解释，并且为了便于说明，示出的各个构成部件的尺寸和形状可以放大或缩小。
图1是关于本发明的一个实施方案的隔板(100)的俯视图，图2是图1中示出的隔板(100)的透视图，图3是关于本发明的一个实施方案的燃料电池堆的截面图。
图4是用于说明构成燃料电池堆的隔板(100)中的水流(蓝色箭头)的透视图，图5是用于说明构成燃料电池堆的隔板(100)中的气体流(红色箭头)的透视图，图6是用于说明在脊状元件的上端形成涡流的模拟结果。
关于本发明的一个实施方案的燃料电池堆(1)包括：膜电极组件(10)；设置在膜电极组件(10)的一侧上的气体扩散层(20)；以及隔板(100)。隔板(100)被设置为在一些区域中与气体扩散层(20)接触。
关于本发明的一个实施方案的隔板(100)包括：多个通道(110)，多个通道(110)分别沿着第一方向(x轴方向或长度方向)延伸为长条形状；以及多个脊状元件(120)，脊状元件(120)被设置为沿着与第一方向垂直的第二方向(y轴方向或宽度方向)连接两个相邻的通道(110)的侧壁(112)。通道(110)具有朝脊状元件(120)敞开的结构。通道(110)包括底部(111)和侧壁(112)。底部(111)和各个侧壁(112)可以被设置为彼此垂直。此外，通道(110)的底部(111)和脊状元件(120)可以设置为平行。
连接两个相邻的通道(110)的侧壁(112)的多个脊状元件(120)沿着第一方向以预定间隔隔开，并且在沿着第一方向的两个相邻的脊状元件(120)之间设置有第一开口(130)。
此处，脊状元件(120)沿着第二方向的宽度(V1)可以形成为大于通道(110)的宽度(V2)，并且可以通过该结构防止冷凝水积累。第一开口(130)可以具有多种形状，例如，圆形、椭圆形或多边形。在一个实施方案中，第一开口(130)可以被设置为具有平行四边形形状。具体地，第一开口(130)可以被设置为使得一对长对边中的各边相对于第一方向和第二方向倾斜。
另外，脊状元件(120)可以具有由相邻的第一开口(130)的形状确定的形状。在一个实施方案中，脊状元件(120)可以具有多边形形状，具体地，脊状元件(120)可以被设置为具有平行四边形形状，其中，脊状元件(120)可以被设置为使得一对长对边中的各边相对于第一方向和第二方向倾斜。
脊状元件(120)沿着第一方向的长度(H2)可以形成为大于第一开口(130)的长度(H1)。
另外，沿着第二方向的两个相邻的脊状元件(120)可以被设置为基于通道(110)(第一方向)具有对称的形状。此外，连接至第一开口(130)的第二开口(140)可以设置在通道(110)的侧壁(112)区域中。第二开口(140)可以具有多种形状，并且可以具有，例如，圆形、椭圆形或多边形形状。在一个实施方案中，第二开口(140)可以具有平行四边形形状。
如上所述，设置在脊状元件(120)之间的开口可以被称为第一开口(130)，设置在通道的侧壁上的开口可以被称为第二开口(140)。具体地，连接两个相邻的通道(110)的侧壁(112)的多个脊状元件(120)沿着第一方向以预定间隔隔开，在沿着第一方向的两个相邻的元件(120)之间设置第一开口(130)，并且在通道(110)的侧壁(112)中设置连接至第一开口的第二开口(140)。
另外，燃料或反应气体(也被称为“气体”)可以被供应为沿着第二方向流经隔板(100)的第二开口(140)。在这种情况下，气体可以流经在通道(110)的侧壁中形成的第二开口(140)。由于脊状元件(120)具有平行四边形形状，因此，沿着第二方向相邻的第二开口(140)可以形成弯曲(波状)流路，而不形成直流路。
参照图6，可以证实，由于通过平行四边形形状的反应气体流路的流体的壁面碰撞而形成涡流，并且通过这种结构，可以通过反应气体的双扩散对流效应来促进传热/传质并且可以诱导在脊状元件(120)上端的冷凝水的排放。
隔板(100)也可以被设置为使得脊状元件(120)与气体扩散层(20)接触，并且使得在隔板(100)被倒置的状态下，通道(110)与气体扩散层(20)接触。具有相同结构的隔板(100)可以沿着相对于气体扩散层(20)向前或向后的方向设置。
当脊状元件(120)被设置为与气体扩散层(20)接触时，隔板(100)包括：多个通道(110)，多个通道(110)分别沿着第一方向延伸为长条形状；以及多个脊状元件(120)，脊状元件(120)被设置为沿着与第一方向垂直的第二方向连接两个相邻的通道的侧壁，并且被设置为与气体扩散层(20)接触。此处，连接两个相邻的通道(110)的侧壁(112)的多个脊状元件(120)沿着第一方向以预定间隔隔开，在两个相邻的脊状元件(120)之间设置第一开口(130)，并且在通道(110)的侧壁(112)中设置连接至第一开口(130)的第二开口(140)。换言之，通道(110)被设置为朝向气体扩散层(20)敞开，并且通道(110)的底部(111)与气体扩散层(20)隔开。
当通道(110)已经被设置为与气体扩散层(20)接触时，隔板(100)包括：多个通道(110)，多个通道(110)分别沿着第一方向延伸为长条形状，并且多个通道(110)被设置为与气体扩散层(20)接触；以及多个脊状元件(120)，脊状元件(120)被设置为沿着与第一方向垂直的第二方向连接两个相邻的通道(110)的侧壁，并且与气体扩散层(20)隔开。具体地，隔板(100)被设置为使得通道(110)的底部(111)与气体扩散层(20)接触。此外，连接两个相邻的通道(110)的侧壁的多个脊状元件(120)沿着第一方向以预定间隔隔开，在沿着第一方向的两个相邻的脊状元件(120)之间设置第一开口(130)，并且在通道(110)的侧壁(112)中设置连接至第一开口(130)的第二开口(140)。
图7和图8是用于说明隔板的制造方法的板(200)的俯视图。板(200)可以是金属/碳基薄板。此时，作为用于图案加工的板(200)，可以广泛使用金属片、石墨箔/片材、金属丝网、钢板网等。
隔板的制造方法包括在板(200)上沿其长度方向形成具有对称形状的一对开口(210)图案的步骤(参见图7)。一对开口(210)以预定的间隔隔开，并且它们之间的区域形成为上述通道(110)。术语开口(210)图案指多个开口(210)被排布为具有一定的规则。图7中的开口(210)可以对应于隔板(100)的第一开口(130)和第二开口(140)。另一方面，开口(210)可以具有圆形、椭圆形或多边形形状(例如，平行四边形形状)。开口(210)图案可以通过蚀刻或冲压形成。
参照图8，所述制造方法包括沿着所述板的长度方向对该板进行冲压的步骤，使得对应于开口(210)图案区域的脊状元件(120，参见图1)和对应于与开口图案(210)相邻的区域的通道(110，参见图1)具有台阶式结构。
如图7中所示，可以通过蚀刻或冲压工艺形成开口图案来在板中形成2D流路，并且可以通过冲压工艺将隔板(100)成型为具有最终的3D脊状形状。特别地，在冲压工艺中，由于采用简单的线性成型流路的形状，因此，可以降低模具的制造成本，可以使模具制造公差的灵敏度的影响最小化，并且可以降低成型难度。
特别地，在隔板的常规制造方法中，模具生产和成型需要至少2至3个月的生产周期，但是根据关于本发明的制造方法，生产可以在约两周内进行，由此，相对于常规技术，制造时间和制造成本可以降低50％以上。
公开上述本发明的优选实施例是为了说明的目的，本领域技术人员可以在本发明的构思和范围内进行修改、改变和添加，并且认为这样的修改、改变和添加落在下面的权利要求书的范围内。
工业实用性
根据本发明，可以在隔板中有效地分布气体流和液体(例如，水)流，并且可以使隔板中的气体流和液体(例如，水)流最优化。特别地，可以防止冷凝水在隔板中积累，并且可以通过脊状元件上端的对流和弯曲流路有效地排放冷凝水。

Claims (14)

1.一种隔板，包括：
多个通道，所述多个通道分别沿着第一方向延伸为长条形状；以及
多个脊状元件，所述多个脊状元件被设置为沿着与所述第一方向垂直的第二方向连接两个相邻的通道的侧壁，
其中，连接两个相邻的通道的侧壁的所述多个脊状元件沿着所述第一方向以预定的间隔隔开，并且在沿着所述第一方向的两个相邻的脊状元件之间设置有第一开口，其中，所述第一开口被设置为具有平行四边形形状，并且所述第一开口被设置为使得一对长对边中的各边相对于所述第一方向和所述第二方向倾斜，
所述脊状元件被设置为具有平行四边形形状，并且
沿着所述第二方向的两个相邻的脊状元件被设置为基于所述通道具有对称的或反对称的形状。
2.根据权利要求1所述的隔板，其中，所述脊状元件沿着所述第二方向的宽度形成为大于所述通道的宽度。
3.根据权利要求1所述的隔板，其中，所述脊状元件被设置为使得一对长对边中的各边相对于所述第一方向和所述第二方向倾斜。
4.根据权利要求1所述的隔板，其中，所述脊状元件沿着所述第一方向的长度形成为大于所述第一开口的长度。
5.根据权利要求1所述的隔板，其中，设置有连接至所述第一开口并且在所述通道的所述侧壁上形成的第二开口。
6.根据权利要求5所述的隔板，其中，所述第二开口具有平行四边形形状。
7.一种燃料电池堆，包括：
膜电极组件；
设置在所述膜电极组件的一侧上的气体扩散层；以及
被设置为在一些区域中与所述气体扩散层接触的隔板，
其中，所述隔板包括：多个通道，所述多个通道分别沿着第一方向延伸为长条形状；以及多个脊状元件，所述多个脊状元件被设置为沿着与所述第一方向垂直的第二方向连接两个相邻的通道的侧壁并且被设置为与所述气体扩散层接触，
其中，连接两个相邻的通道的侧壁的所述多个脊状元件沿着所述第一方向以预定间隔隔开，并且在沿着所述第一方向的两个相邻的脊状元件之间设置有第一开口，并且在所述通道的所述侧壁中设置有连接至所述第一开口的第二开口，其中，所述第一开口被设置为具有平行四边形形状，并且所述第一开口被设置为使得一对长对边中的各边相对于所述第一方向和所述第二方向倾斜，
所述脊状元件被设置为具有平行四边形形状，并且
沿着所述第二方向的两个相邻的脊状元件被设置为基于所述通道具有对称的或反对称的形状。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，所述脊状元件沿着所述第二方向的宽度形成为大于所述通道的宽度。
9.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，所述脊状元件被设置为使得一对长对边中的各边相对于所述第一方向和所述第二方向倾斜。
10.根据权利要求7所述的燃料电池堆，
其中，所述脊状元件沿着所述第一方向的长度形成为大于所述第一开口的长度。
11.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，所述第二开口被设置为具有平行四边形形状。
12.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，燃料或反应气体被供应为沿着所述第二方向流经所述隔板的所述第二开口。
13.一种隔板的制造方法，包括以下步骤：
在板上沿其长度方向形成具有对称的或反对称的形状的一对开口图案；以及
沿着所述板的长度方向对该板进行冲压，使得对应于所述开口图案的区域的脊状元件和对应于与所述开口图案相邻的区域的通道具有台阶式结构，
其中，所述开口被设置为具有平行四边形形状，并且所述开口被设置为使得一对长对边中的各边相对于所述长度方向和与所述长度方向垂直的方向倾斜。
14.根据权利要求13所述的隔板的制造方法，其中，所述开口图案通过蚀刻或冲压形成。
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