CN109478657B - 分隔板和包括该分隔板的燃料电池堆 - Google Patents

分隔板和包括该分隔板的燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及分隔板和包括该分隔板的燃料电池堆。根据本发明的一个方面，提供了一种分隔板，其包括：多个凸部和多个凹部，多个凸部和多个凹部沿第一方向依次布置，其中，第一开口部沿与第一方向正交的第二方向以预定间隔布置在各个凸部的上表面上，并且其中，两个相邻凸部的第一开口部分别设置成参照平行于第一方向的第一假想线不位于同轴上。

Description

分隔板和包括该分隔板的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及分隔板(separator)，以及包括该分隔板的燃料电池堆。
本申请要求2016年7月25日提交的韩国专利申请No.10-2016-0093977的优先权，通过引用将该韩国专利申请公开的全部内容并入本文。
背景技术
通常，燃料电池是这样一种能量转换设备，即通过燃料和氧化剂之间的电化学反应产生电能，且具有只要连续供应燃料就能连续产生电力的优点。
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)采用能够渗透氢离子的聚合物膜作为电解质，与其他类型的燃料电池相比具有约100℃或更低的低操作温度，并且具有能量转换效率高、输出密度高和响应特性快的优点。此外，聚合物电解质膜燃料电池由于可以小型化，因此可以供作便携式电源、车辆电源和家用电源。
聚合物电解质燃料电池堆可以包括：膜电极组件(MEA)，具有通过在由聚合物材料构成的电解质膜周围分别施加阳极和阴极而形成的电极层；气体扩散层(GDL)，用于将反应气体均匀地分配到反应区域并将阳极电极的氧化反应产生的电子向阴极电极转移；分隔板(双极板)，用于将反应气体供应到气体扩散层并将由电化学反应产生的水排放到外部；以及具有弹性的橡胶材料垫圈，设置在分隔板或膜电极组件的反应区域的外周上以防止反应气体和冷却水的泄露。
用于燃料电池堆的传统分隔板配置成使得反应气体和所产生的水的流动通过二维通道在相同的方向上行进或者通过相交的三维立体形状分配和排放。然而，该传统的分隔板具有不适于在各种操作条件下有效排放可变量的水的结构，从而具有使燃料电池堆的性能变差的问题。
尤其是，存在以下技术问题：在高输出区域中出现燃料电池中的水传输(供应/产生/排放)不平衡，并且出现反应表面中的反应气体的高传质阻力(通常是扩散阻力)。
此外，在传统的分隔板，例如，由金属网、多孔金属板(expanded metal)等实施的分隔板的情况下，反应气体和冷凝水(所产生的水)的传输通道未被清楚地区分，从而造成由于微通道中冷凝水堵塞所引起的反应气体供应效率降低和性能不稳定的问题。
发明内容
技术问题
本发明要解决的问题是提供一种能够将反应气体直接传输到电极表面的分隔板，以及包括该分隔板的燃料电池堆。
另外，本发明要解决的另一个问题是提供一种能够提高反应气体传输速率和水排放性能的分隔板，以及包括该分隔板的燃料电池堆。
再者，本发明要解决的另一个问题是提供一种能够充分确保与气体扩散层接触的接触面积并同时降低接触电阻的分隔板，以及包括该分隔板的燃料电池堆。
此外，本发明要解决的另一个问题是提供一种能够通过对流/扩散混合流动提高传热和传质特性的分隔板，以及包括该分隔板的燃料电池堆。
另外，本发明要解决的另一个问题是提供一种能够有效排放冷凝水的分隔板，以及包括该分隔板的燃料电池堆。
再者，本发明要解决的另一个问题是提供一种能够通过有效的水分管理来提高反应气体供应效率并且能够防止性能不稳定的分隔板，以及包括该分隔板的燃料电池堆。
技术方案
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种分隔板，其包括多个凸部以及多个凹部，所述多个凸部和所述多个凹部沿第一方向依次设置，其中，在所述凸部中，第一开口沿着与所述第一方向正交的第二方向以预定间隔分别设置在顶面上，并且两个相邻凸部的第一开口分别设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴布置。
此时，所述第一开口形成为沿着所述第一方向的长度大于沿着所述第二方向的宽度。
另外，所述第一开口形成在所述顶面上以及分隔壁(partition)的部分区域上。
根据本发明的另一个方面，提供了一种分隔板，其包括多个凸部和多个凹部，所述多个凸部和所述多个凹部沿第一方向依次设置，其中，在所述凸部中，第一开口沿着与所述第一方向正交的第二方向以预定间隔分别设置在顶面上，至少一个凸部包括连接到相邻凹部的分隔壁和连接到所述分隔壁的顶面，至少一个凹部包括连接到相邻凸部的分隔壁和连接到所述分隔壁的底面，所述顶面和所述底面分别设置成相对于所述分隔壁以预定角度倾斜，并且两个相邻凸部的第一开口分别设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴布置。
根据本发明的另一个方面，也提供了一种燃料电池堆，其包括：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；以及分隔板，所述分隔板设置成使得至少一些区域与所述气体扩散层接触。这里，所述分隔板包括与所述气体扩散层接触的多个凸部以及不与所述气体扩散层接触的多个凹部，其中，所述凸部和所述凹部沿所述第一方向按顺序依次设置，并且在所述凸部中，第一开口沿着与所述第一方向正交的第二方向以预定间隔分别设置在顶面上，并且两个相邻凸部的第一开口分别设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴布置。
有益效果
如上所述，与本发明的一个实施例有关的分隔板以及包括该分隔板的燃料电池堆具有以下效果。
与本发明的一个实施例有关的分隔板包括具有相对于电极表面以一定角度倾斜的斜面和平坦的顶面的基本单元，并且具有基本单元沿预定方向交叉重复对齐的形状。此时，可以通过分隔板中设置的第一开口将反应气体直接传输到电极表面。
另外，通过交叉对齐结构诱导反应气体的对流/扩散混合流动，可以提高传热和传质特性。
再者，能够充分确保与气体扩散层接触的接触面积并同时降低接触电阻(欧姆电压损失降低)。
此外，分隔板中的气体流动(反应气体)和液体(例如水)流动可以通过第一开口和第二开口得到有效地分配，并且气体流动和液体(例如水)流动可以得到优化。也可以防止冷凝水积聚在分隔板中。具体地，基本单元在反应气体的主要流动方向上倾斜，并形成了冷凝水排放流路，从而冷凝水排放被有效地执行。
附图说明
图1是与本发明的一个实施例有关的燃料电池堆的剖视图。
图2是与本发明的一个实施例有关的分隔板的透视图。
图3是与本发明的一个实施例有关的分隔板的底部透视图。
图4是与本发明的一个实施例有关的分隔板的平面图。
图5是用于说明构成燃料电池堆的分隔板中气体和冷凝水的流动的透视图。
图6是与本发明的一个实施例有关的分隔板的侧视图。
具体实施方式
下文将参照附图详细描述根据本发明的一个实施例的分隔板以及包括该分隔板的燃料电池堆。
此外，无论附图标记如何，给予相同或相应的部件以相同的或相似的附图标记，其中将省略多余的说明，并且为了便于说明，每个构成部件的尺寸和形状可能被放大或缩小。
图1是与本发明的一个实施例有关的燃料电池堆(1)的剖视图，图2是与本发明的一个实施例有关的分隔板(100)的透视图，并且图3是与本发明有关的分隔板(100)的底部透视图。
图4是与本发明的一个实施例有关的分隔板(100)的平面图，图5是用于说明构成燃料电池堆(1)的分隔板(100)中反应气体和冷凝水的流动的透视图，并且图6是与本发明的一个实施例有关的分隔板(100)的侧视图。
与本发明的一个实施例有关的燃料电池堆(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)、以及分隔板(100)。此外，分隔板(100)设置成使得至少一些区域与气体扩散层(20)接触。另外，燃料电池堆(1)包括基于分隔板(100)在与气体扩散层(20)相反的方向上设置的底板(30)。
参照图1和图2，分隔板(100)包括与气体扩散层(20)接触的多个凸部(110)以及不与气体扩散层(20)接触的多个凹部(130)。再者，凸部和凹部沿第一方向(L)按顺序依次形成。例如，沿第一方向(L)，第一凸部(110-1)、第一凹部(130-1)、第二凸部(110-2)、第二凹部(130-2)、第三凸部(110-3)和第四凹部(130-3)可以按顺序依次设置。例如，凸部和凹部的侧截面(见图1和图6)可以在彼此相反的方向上具有大致呈韩语字母
Figure BDA0001948576400000051
的形状。
分隔板(100)可以为具有第一表面(101)和与第一表面(101)相对的第二表面(102)的波型板。此时，凸部(110)可以具有朝向第一表面(101)突出的结构，并且凹部(130)可以具有朝向第二表面(102)凹陷的形状。另外，第一表面(101)设置成在至少一些区域与气体扩散层(20)接触，并且第二表面(102)设置成在至少一些区域与底板(30)接触。也就是说，分隔板(100)设置在气体扩散层(20)和底板(30)之间。此时，分隔板(100)的第一表面(101)和气体扩散层(20)之间的边界区域设置成执行反应气体的通道功能，并且分隔板(100)的第二表面(102)和底板(30)之间的边界区域设置成执行冷凝水(所产生的水)的排放通道功能。
参照图1至图3，分隔板(100)包括多个凸部(110：110-1、110-2、110-3)和多个凹部(130：130-1、130-2、130-3)，该多个凸部和多个凹部沿第一方向(L)依次设置。此时，多个凸部(110：110-1、110-2、110-3)可以设置成在至少一些区域(例如顶面)中与气体扩散层(20)接触，并且多个凹部(130：130-1、130-2、130-3)可以设置成在至少一些区域(例如底面)中与底板(30)接触。
参照图2，在凸部(110：110-1、110-2、110-3)中，第一开口(120：120-1、120-2、102-3)沿与第一方向(L)正交的第二方向以预定间隔设置在顶面(111)上。两个相邻凸部(110-1、110-2)的第一开口(120-1、120-2)分别设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线不同轴布置。
另外，至少一个凸部(110)包括连接到相邻凹部(130)的分隔壁(112)和连接到分隔壁(112)的顶面(111)。例如，至少一个凸部(110)可以包括分别连接到在两侧上相邻的凹部(130)的一对分隔壁(112)和将该一对分隔壁(112)连接的顶面(111)。例如，所述一对分隔壁(112)和所述顶面(111)连接以形成大致呈韩语字母
Figure BDA0001948576400000061
的形状。此时，凸部(110)的顶面(111)形成为平坦面而非曲面。此外，分隔板(100)设置成使得顶面(111)与气体扩散层(20)接触。另外，分隔壁(112)和顶面(111)的边界边缘可以是圆形的。
此外，第一开口(120)可以形成为沿着第一方向(L)的长度大于沿着第二方向的宽度。第一开口(120)可以具有如狭缝一样的形状。另外，凸部(110)的顶面(111)设置成使得第一开口(120)不与气体扩散层(20)接触。也就是说，凸部(110)的顶面(111)在除了第一开口(120)之外的其他区域中与气体扩散层(20)接触。因此，与气体扩散层(20)的接触面积可通过调整第一开口(120)的数量、间隔、尺寸等来调整。由此，可以通过如上的接触结构防止由接触电阻引起的性能损失，并且例如，可以确保反应区域的约50％或更多的接触面积。
此外，第一开口(120)可以形成在顶面(111)上以及分隔壁(112)的部分区域上。第一开口(120)也可以形成在顶面(111)上以及连接到顶面(111)的一对分隔壁(112)的各自的部分区域上。另外，第一开口(120)可以形成在顶面(111)上、连接到顶面(111)的一对分隔壁(112)的各自的部分区域上、以及相邻凹部(130)的底面(131)的部分区域上。
此外，在三个相邻凸部(110-1、110-2、110-3)中第一开口(120-1、120-2、120-3)中的彼此互不相邻的两个第一开口(120-1、120-3)可以设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线同轴布置。例如，当第一凸部(110-1)、第二凸部(110-2)和第三凸部(110-3)沿第一方向(L)依次布置时，其中两个彼此相邻的、第一凸部(110-1)和第二凸部(110-2)的第一开口(120-1、120-2)可以分别设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线不同轴布置，并且其中两个彼此相邻的、第二凸部(110-2)和第三凸部(110-3)的第一开口(120-2、120-3)可以分别设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线不同轴布置。或者，基于任一个凸部(例如第二凸部)的第一开口，分别位于所述凸部两侧的凸部(例如第一凸部和第三凸部)的第一开口可以设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线同轴布置。即，基于任一个凸部，两侧的凸部可以具有对称的形状。
另一方面，参照图3，在凹部(130：130-1、130-2、130-3)中，第二开口(140：140-1、140-2、140-3)沿着与第一方向(L)正交的第二方向以预定间隔分别设置在底面(131)上。另外，两个相邻凹部(130-1、130-2)的第二开口(140-1、140-2)分别设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线不同轴布置。
此外，至少一个凹部(130)包括连接到相邻凸部(110)的分隔壁(112)和连接到该分隔壁(112)的底面(131)。例如，至少一个凹部(130)可以包括分别连接到在两侧上相邻的凸部(110)的一对分隔壁(112)和将该一对分隔壁(112)连接的底面(131)。例如，所述一对分隔壁(112)和所述底面(131)连接以形成大致呈韩语字母
Figure BDA0001948576400000071
的形状。此时，凹部(130)的底面(131)可以形成为平坦面而非曲面。另外，分隔板(100)设置成使得底面(131)与底板(30)接触。此外，分隔壁(112)和底面(131)的边界边缘也可以是圆形的。
此外，第二开口(140)可以形成为沿着第一方向(L)的长度大于沿着第二方向的宽度。第二开口(140)可以具有如狭缝一样的形状。
另外，第二开口(140)可以形成在底面(131)上以及分隔壁(112)的部分区域上。此外，第二开口(140)可以形成在底面(131)上以及连接到底面(131)的一对分隔壁(112)的各自的部分区域上。此外，第二开口(120)可以形成在底面(131)上、连接到底面(131)的一对分隔壁(112)的各自的部分区域上、以及相邻凸部(110)的顶面(111)的部分区域上。
此外，在三个相邻的凹部(130-1、130-2、130-3)中第二开口(140-1、140-2、140-3)中的彼此互不相邻的两个第二开口(140-1、140-3)可以设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线同轴布置。例如，当第一凹部(130-1)、第二凹部(130-2)和第三凹部(130-3)沿第一方向(L)依次布置时，其中两个彼此相邻的、第一凹部(130-1)和第二凹部(130-2)的第二开口(140-1、140-2)也可以设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线不同轴布置，并且其中两个彼此相邻的、第二凹部(130-2)和第三凹部(130-3)的第二开口(140-2、140-3)也可以设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线不同轴布置。或者，基于任一个凹部(例如第二凹部)的第二开口，位于所述凹部两侧的凹部(例如第一凹部和第三凹部)的第二开口可以设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线同轴布置。即，基于任一个凹部，两侧的凹部可以具有对称的形状。
此外，凸部(110)和凹部(130)的彼此相邻的第一开口(120)和第二开口(140)也可以设置成基于平行于第一方向(L)的虚拟的第一线不同轴布置。
总之，沿着第一方向，两个相邻的第一开口(120)可以以之字(zigzag)形交替布置，并且两个相邻的第二开口(140)可以以之字形交替布置。
此外，分隔壁(112)可以相对于底面(131)以预定角度倾斜，并且分隔壁(112)可以相对于顶面(111)以预定角度倾斜。另外，凹部(130)的底面(131)和凸部(110)的顶面(111)可以平行设置。例如，凸部(130)可以设置成朝向第一方向(L)倾斜。
参照图4和图5，可以提供为使得反应气体(氧化气体)沿着第一方向(L)被供应到分隔板(100)。这里的第一方向(L)可以指反应气体的流动方向(主要流动方向)。另外，分隔板(100)可以设置成使得与第一方向(L)相反的方向是重力方向。通过如此的配置结构，冷凝水(所产生的水)的流动方向可以确定为重力方向(即第一方向(L)的反方向)。
参照图5和图6，冷凝水由于重力在分隔板(100)上向下流动。尤其是，冷凝水沿着底板(30)和凹部(130)的底面(131)之间的边界区域流动，并且流经第二开口部分(140)。此时，由于第二开口(140)沿重力方向以之字形交叉排列，在冷凝水沿重力方向流动的过程中，穿过任一个第二开口(140)的冷凝水与分隔壁(112)碰撞并执行诸如分流到两侧的第二开口(140)中或再次汇合的一系列过程。此外，由于分隔壁形成为相对于底面(131)倾斜的斜面，因此分隔壁可以具有如下结构，使冷凝水在该斜面的下端暂时收集，然后再次执行流动，如图6中所示。
另外，可以沿分隔壁(112)向气体扩散层(20)的方向形成反应气体的流动，并且此时，由于分隔壁(112)形成为斜面，因此可以朝向气体扩散层(20)进行缓慢的向上流动。此外，在使流动通过第一开口(120)并沿第一方向(L)连续地形成流动的过程中，由于第一开口(120)的之字形布置，可以形成对流/扩散的混合流动形式。
本发明如上所述的优选实施例被公开用于说明性目的，本领域技术人员可以在本发明的思想和范围内对该优选实施例进行修改、变更和增补，并且将认为如此修改、变更和增补落入权利要求的范围内。
工业适用性
根据本发明，可以通过第一开口和第二开口对分隔板中的气体流动(反应气体)和液体(例如水)流动进行有效分配，并且可以优化该气体流动和液体(例如水)流动。

Claims (13)

1.一种分隔板，包括多个凸部以及多个凹部，所述多个凸部和所述多个凹部沿第一方向依次设置，
其中，至少一个凸部包括连接到相邻的凹部的分隔壁和连接到所述分隔壁的顶面，
其中，在所述凸部中，第一开口在与所述第一方向正交的第二方向上以预定间隔分别设置在所述顶面上，
其中，两个相邻凸部的所述第一开口分别设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴布置，
其中，所述第一开口形成为在所述第一方向上的长度大于在所述第二方向上的宽度，并且
其中，所述第一开口形成在所述顶面上以及分隔壁的部分区域上，
其中，在所述凹部中，第二开口在与所述第一方向正交的第二方向上以预定间隔分别设置在底面上，
其中，两个相邻凹部的所述第二开口设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴布置。
2.根据权利要求1所述的分隔板，
其中，所述顶面形成为平坦面。
3.根据权利要求1所述的分隔板，
其中，在三个相邻凸部中所述第一开口中的两个第一开口设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线同轴布置。
4.根据权利要求1所述的分隔板，
其中，至少一个凹部包括连接到相邻的所述凸部的分隔壁和连接到所述分隔壁的底面，并且
所述底面形成为平板。
5.根据权利要求1所述的分隔板，
其中，所述第二开口形成为在所述第一方向上的长度大于在所述第二方向上的宽度。
6.根据权利要求1所述的分隔板，
其中，所述第二开口形成在所述底面上以及所述分隔壁的部分区域上。
7.根据权利要求1所述的分隔板，
其中，在三个相邻凹部中所述第二开口中的两个第二开口设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线同轴布置。
8.根据权利要求1所述的分隔板，
其中，所述凸部和所述凹部的彼此相邻的所述第一开口和所述第二开口设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴布置。
9.根据权利要求4所述的分隔板，
其中，所述分隔壁相对于所述底面以预定角度倾斜，并且
所述分隔壁相对于所述顶面以预定角度倾斜。
10.根据权利要求9所述的分隔板，
其中，所述凹部的所述底面和所述凸部的所述顶面平行设置。
11.一种燃料电池堆，包括：
膜电极组件；
气体扩散层，所述气体扩散层设置在所述膜电极组件的一侧上；以及
分隔板，所述分隔板设置成使得至少一些区域与所述气体扩散层接触，
其中，所述分隔板包括与所述气体扩散层接触的多个凸部以及不与所述气体扩散层接触的多个凹部，
其中，所述凸部和所述凹部沿第一方向按顺序依次设置，
其中，至少一个凸部包括连接到相邻的凹部的分隔壁和连接到所述分隔壁的顶面，
其中，在所述凸部中，第一开口在与所述第一方向正交的第二方向上以预定间隔分别设置在顶面上，
其中，两个相邻凸部的所述第一开口分别设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴设置，
其中，所述第一开口形成为在所述第一方向上的长度大于在所述第二方向上的宽度，
其中，所述第一开口形成在所述顶面上以及分隔壁的部分区域上，
其中，在所述凹部中，第二开口在与所述第一方向正交的第二方向上以预定间隔分别设置在底面上，
其中，两个相邻凹部的所述第二开口设置成基于平行于所述第一方向的虚拟的第一线不同轴布置。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆，
其中，所述燃料电池堆设置成使得反应气体沿所述第一方向被供应给所述分隔板。
13.根据权利要求11所述的燃料电池堆，
其中，所述燃料电池堆设置成使得所述凸部朝向所述第一方向倾斜。
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