CN109478658B - 分隔板以及包括该分隔板的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分隔板以及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，所述分隔板包括多个单元体，所述多个单元体沿第一方向连续布置并且沿与所述第一方向正交的第二方向以其间的预定间隔隔开布置，其中，每个所述单元体具有包括第一斜面和第二斜面的楔形形状，所述第一斜面和所述第二斜面在顶点部处以预定角度连接，并且沿所述第二方向相邻的两个单元体布置成使得每个顶点部相对于平行于所述第二方向的虚拟线不同轴对齐。

Description

分隔板以及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。

本申请要求基于2016年8月12日提交的韩国专利申请No.10-2016-0102844的优先权权益，通过引用将该韩国专利申请的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装置，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可以持续产生电力的优点。

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)利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，本发明要解决的问题是提供一种能够通过对流/扩散混合来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，其包括多个单元体，所述多个单元体沿第一方向连续布置并且沿与所述第一方向正交的第二方向以预定间隔分开(apart)布置，其中，每个所述单元体为具有第一斜面和第二斜面的楔形形状，所述第一斜面和所述第二斜面以预定角度在顶点部处连接，并且沿所述第二方向相邻的两个单元体布置成使得每个顶点部相对于平行于所述第二方向的虚拟线不同轴设置。

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，所述分隔板包括多个单元体，所述多个单元体沿第一方向连续布置并且沿与所述第一方向正交的第二方向以预定间隔分开布置，其中，每个所述单元体为具有第一斜面和第二斜面的楔形形状，所述第一斜面和所述第二斜面以预定角度在顶点部处连接，并且沿所述第二方向相邻的两个单元体布置成使得每个顶点部相对于平行于所述第二方向的虚拟线不同轴设置。

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各种角度倾斜的多个斜面的单元体，并具有多个单元体沿预定方向重复交叉对齐的形状。此外，与气体扩散层接触的区域可以具有之字形(zigzag)形状，并且通过将楔形形状的单元体与气体扩散层相接触，能够增加由于与气体扩散层接触的相邻区域中的流速差所引起的剪切力，在该楔形形状的单元体中倾斜角和倾斜面积中的至少一个不同。

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。

此外，能够充分确保与气体扩散层接触的接触面积，并能够同时降低接触电阻(欧姆电压损失降低)。

此外，冷凝水(所产生的水)也可以通过重力沿单元体的斜面和槽沟(trough)流动以覆盖缺水，或者也可以通过排水孔被排放到堆的外部。

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平面图；

图3是与本发明的一个实施例有关的分隔板的透视图；

图4和图5是用于说明构成燃料电池堆的分隔板中反应气体和冷凝水的流动的透视图；

图6是与本发明的另一个实施例有关的分隔板的平面图；

图7是用于说明图6中描绘的分隔板中反应气体和冷凝水的流动的透视图；

图8是图6中描绘的分隔板的透视图。

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)的平面图，并且图3是与本发明有关的分隔板(100)的透视图。

参照图1，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)设置成使得在一些区域中与气体扩散层(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2和图3，分隔板(100)包括多个单元体(110)，多个单元体(110)沿第一方向(x轴方向)连续布置，且沿与第一方向正交的第二方向(y轴方向)以预定间隔分开布置。

分隔板(100)具有如图2所示的第一表面(平面)和与第一表面(101)相反的第二表面(背面)，并且可以是沿着第一方向和第二方向连续弯曲的波型板。

每个单元体(110)具有在顶点部(113)处以预定角度连接的多个斜面。具体来讲，每个单元体(110)为具有第一斜面(111)和第二斜面(112)的楔形形状，第一斜面(111)和第二斜面(112)以预定角度在顶点部(113)处连接。此时，分隔板(100)设置成使得每个单元体(110)的顶点部(113)与气体扩散层(20)接触。

此外，沿第二方向相邻的两个单元体(110)(110-1、110-3)布置成使得每个顶点部相对于平行于第二方向(y轴方向)的虚拟线不同轴设置。具体地，多个单元体(110)沿第一方向连续设置，而沿第二方向相邻的两个单元体(110)(110-1、110-3)布置成使得每个顶点部沿着第二方向(y轴方向)具有之字形形状。

另外，通过第一斜面和第二斜面在沿第一方向相邻的两个单元体(110-1、110-2)之间形成槽沟(120)。例如，沿第一方向相邻的两个单元体包括第一单元体(110-1)和第二单元体(110-2)，其中第一单元体(110-1)的第二斜面(112)和第二单元体(110-2)的第一斜面连接以形成槽沟(120)。此外，槽沟(120)可以具有“V”形。如下所述，槽沟(120)用作冷凝水(所产生的水)的流动通道。

此外，形成在沿第一方向相邻的两个单元体(110-1、110-2)之间的槽沟沿第二方向布置成之字形。

第一斜面(111)和第二斜面(112)的倾斜角可以定义为基于具有两个轴(x轴、y轴)作为第一方向和第二方向的虚拟平面倾斜的角度。例如，该虚拟平面可以是底板(30)，并且第一斜面111)和第二斜面(112)的倾斜角可以分别指从底板(30)朝向气体扩散层(20)倾斜的角度。

基于顶点部(113)，楔形形状的单元体(110)也可以设置成具有对称形状，也可以设置成具有非对称形状。

例如，第一斜面(111)和第二斜面(112)可以形成为具有彼此不同的倾斜角。相应地，单元体(110)可以设置成使得楔形形状具有在预定方向上倾斜的形状。此外，第一斜面(111)和第二斜面(112)可以形成为具有彼此不同的面积。

设置成与气体扩散层(20)相接触的顶点部(113)也可以形成为线，并且也可以从确保电接触的角度通过轧制(平面化)工艺形成为具有预定区域的平坦表面。

如上所述，沿第二方向相邻的两个单元体(110：110-1、110-3)可以以预定间隔分开布置。分隔板(100)包括连接部(130)，连接部(130)将沿第二方向相邻的两个单元体(110-1、110-3)连接。此时，连接部(130)可以设置成弯曲至少两次或更多次。例如，连接部(130)可以包括至少两个斜部(131、132)，用于将沿第二方向相邻的两个单元体(110-1、110-3)的第一斜面连接。另外，两个相邻的斜部(131、132)可以形成为倾斜角和面积中的至少一个彼此不同。此时，基于顶点部(113)与气体扩散层(20)相接触的多个斜面(111、112)和斜部(131、132)中的至少两个或更多个可以具有彼此不同的倾斜角、倾斜方向和面积。

另外，图4和图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。

在燃料电池堆(1)中，分隔板(100)可以设置成使得反应气体沿第二方向流动。此时，第二方向可以是与重力方向相反的方向。此外，燃料电池堆(1)中反应气体的主要流动方向可以是与重力方向相反的方向。此外，燃料电池堆(1)中冷凝水(所产生的水)的流动方向可以是重力方向，并且反应气体的主要流动方向和冷凝水的主要流动方向可以彼此相反。

反应气体可以沿着沿第二方向布置的单元体(110)的第一斜面(111)和第二斜面(112)朝向气体扩散层(20)移动。另外，反应气体可以沿连接部(130)流入沿第二方向布置的单元体(110)的斜面。如上所述，基于任一单元体(110)的顶点部(113)与气体扩散层(20)相接触的多个斜面(111、112)和斜部(131、132)中的至少两个或更多个可以具有彼此不同的倾斜角、倾斜方向和面积。此时，在与气体扩散层(20)接触的相邻区域中出现了反应气体的流速差，由此能够增加剪切力。另外，冷凝水可以沿连接部(130)和槽沟(120)向重力方向移动。

到目前为止，作为示例，已经说明了反应气体和冷凝水均在分隔板(100)的第一表面上移动且均不向第二表面移动的情况。也就是说，反应气体和冷凝水的移动仅在分隔板(100)的面向气体扩散层(20)的第一表面上得以实现。在这种结构中，冷凝水向重力方向移动，并可以起到弥补缺水的作用。照此，形成为使得可以仅在分隔板(100)的第一表面上进行所有流动的结构可以应用到用于低加湿或不加湿的燃料电池单元/堆。

图6是与本发明的另一个实施例有关的分隔板(100)的平面图，图7是用于说明图6中描绘的分隔板(100)中反应气体和冷凝水的流动的透视图，图8是图6中描绘的分隔板(100)的透视图。

参照图6至图8，在槽沟(120)和连接部(130)中的至少一个中可以形成用于冷凝水的流动的排水孔。该排水孔是穿过分隔板(100)的第一表面和第二表面的通孔。该排水孔的形状可以以圆形、多边形、平行四边形等各种形式形成。

具体来讲，在连接部(130)的至少一些区域中可以形成第一排水孔(140)。此外，在槽沟(120)的至少一些区域中可以形成第二排水孔(150)。第一排水孔(140)和第二排水孔(150)的形状和尺寸可以形成为彼此相同或不同。

在这种结构中，冷凝水通过排水孔(140、150)向分隔板(100)的第二表面和底板(30)之间的空间流动，并且可以排放到燃料电池堆(1)的外部。照此，分隔板(100)的结构可以应用到中/高加湿或高功率燃料电池单元/堆。

本发明如上所述的优选实施例被公开用于说明性的目的，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，通过诱导反应气体的对流/扩散混合流动，能够提高传热和传质特性。

Claims (17)

1.一种分隔板，包括：多个单元体，所述多个单元体沿第一方向连续布置并且沿与所述第一方向正交的第二方向以预定间隔分开布置；以及连接部，所述连接部将沿所述第二方向相邻的两个单元体连接，

其中，每个所述单元体为具有第一斜面和第二斜面的楔形形状，所述第一斜面和所述第二斜面以预定角度在顶点部处连接，并且

沿所述第二方向相邻的两个单元体布置成使得每个顶点部相对于平行于所述第二方向的虚拟线不同轴设置，

其中，所述连接部包括至少两个斜部，用于将沿所述第二方向相邻的两个单元体的所述第一斜面连接。

2.根据权利要求1所述的分隔板，

其中，通过所述第一斜面和所述第二斜面在沿所述第一方向相邻的两个单元体之间形成槽沟。

3.根据权利要求2所述的分隔板，

其中，所述槽沟具有“V”形。

4.根据权利要求1所述的分隔板，

其中，所述第一斜面和所述第二斜面形成为具有彼此不同的倾斜角。

5.根据权利要求1所述的分隔板，

其中，所述第一斜面和所述第二斜面形成为具有彼此不同的面积。

6.根据权利要求1所述的分隔板，

其中，所述顶点部形成为线。

7.根据权利要求1所述的分隔板，

其中，所述顶点部形成为面。

8.根据权利要求1所述的分隔板，

其中，所述连接部设置成弯曲至少两次。

9.根据权利要求1所述的分隔板，

其中，两个相邻的斜部形成为倾斜角和面积中的至少一个彼此不同。

10.根据权利要求8所述的分隔板，

其中，在所述连接部的至少一些区域中形成第一排水孔。

11.根据权利要求2所述的分隔板，

其中，在所述槽沟的至少一些区域中形成第二排水孔。

12.一种燃料电池堆，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

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：多个单元体，所述多个单元体沿第一方向连续布置并且沿与所述第一方向正交的第二方向以预定间隔分开布置；以及连接部，所述连接部将沿所述第二方向相邻的两个单元体连接，

每个所述单元体为具有第一斜面和第二斜面的楔形形状，所述第一斜面和所述第二斜面以预定角度在顶点部处连接，并且

沿所述第二方向相邻的两个单元体布置成使得每个顶点部相对于平行于所述第二方向的虚拟线不同轴设置，

其中，所述连接部包括至少两个斜部，用于将沿所述第二方向相邻的两个单元体的所述第一斜面连接。

13.根据权利要求12所述的燃料电池堆，

其中，与所述气体扩散层接触的所述顶点部形成为线或面。

14.根据权利要求12所述的燃料电池堆，

其中，所述分隔板设置成使得反应气体沿所述第二方向流动。

15.根据权利要求12所述的燃料电池堆，

其中，在所述分隔板中，通过所述第一斜面和所述第二斜面在沿所述第一方向相邻的两个单元体之间形成槽沟。

16.根据权利要求15所述的燃料电池堆，

其中，所述连接部设置成弯曲至少两次。

17.根据权利要求16所述的燃料电池堆，

其中，在所述槽沟和所述连接部的至少一个中形成用于冷凝水的流动的排水孔。

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