CN110036514A - 隔板及包括该隔板的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隔板及包括该隔板的燃料电池堆，根据本发明的一个方面，提供一种隔板，其包括：多个通道，所述通道包括形成流动空间供反应气体流动的底面以及连接到底面的一对侧壁；以及多个肋部，所述肋部设置成连接两个相邻通道的侧壁，其中，蓄水部在通道的侧壁中向内凹陷，并且包括以第一角度连接的第一倾斜面和第二倾斜面。

Description

隔板及包括该隔板的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种隔板及包括该隔板的燃料电池堆。
本申请要求基于2016年12月2日提交的韩国专利申请No.10-2016-0163608的优先权，其公开内容全体通过引用并入本文。
背景技术
一般地说，燃料电池是一种能量转换装置，它通过燃料与氧化剂之间的电化学反应产生电能，并且具有只要连续供给燃料就能持续产生电力的优点。
与其他类型的燃料电池相比，使用能透过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℃或更低的低工作温度，并且具有高能量转换效率、高输出密度以及快速响应特性的优点。此外，由于它能够小型化，因此能够作为便携的车辆和家用电源。
聚合物电解质燃料电池堆可以包括：膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件具有在聚合物材料所构成的电解质膜周围分别设置阳极和阴极而形成的电极层；气体扩散层(GDL)，所述气体扩散层用于在反应区上均匀地分配反应气体并且将阳极电极的氧化反应所产生的电子转移到阴极电极；隔板(双极板)，所述隔板用于将反应气体供给到气体扩散层并且将电化学反应所产生的水排出到外部；以及橡胶材料垫圈，所述橡胶材料垫圈具有弹性，设置在所述隔板或所述膜电极组件的反应区的外周上，以防止反应气体和冷却水泄漏。
另一方面，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)需要水分的连续供给以维持电解质聚合物膜的离子导电性能，但是，以太大流速产生并滞留在反应气体流路中的水会引起阻碍反应气体移动和排出的问题(例如，溢流)。
此外，为了改善水排出性能，已经开发出各种形状的隔板，但是没有隔板能够同时满足有效排水以及确保电解质膜加湿所用水分的目的。
发明内容
技术问题
本发明要解决的问题是，提供一种隔板及包括该隔板的燃料电池堆，该隔板设置成能够再次利用反应气体流路中所产生的水、以加湿电解质膜而不干扰反应气体的流动。
此外，本发明要解决的另一个问题是，提供一种隔板及包括该隔板的燃料电池堆，该隔板能够有效地排出所产生的水并使溢流最小化。
此外，本发明要解决的另一个问题是，提供一种隔板及包括该隔板的燃料电池堆，该隔板能够在低加湿或无加湿的工作条件下提高水管理效率并使电解质膜干燥最小化。
技术方案
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供一种隔板，其包括：多个通道，所述通道包括形成流动空间供反应气体流动的底部以及连接到底部的一对侧壁；以及多个肋部，所述肋部设置成连接两个相邻通道的侧壁。
另外，所述通道的侧壁设置有蓄水部，所述蓄水部向内凹陷并且具有以第一角度连接的第一倾斜面和第二倾斜面。
进一步，所述蓄水部可以具有楔形形状。
另外，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面可以具有“V”形状。
所述第一倾斜面和所述第二倾斜面也可以由平坦表面构成。
另外，多个蓄水部可以以预定间隔设置在所述通道的两个侧壁上，使得沿着反应气体的流动方向对称。
或者，多个蓄水部可以以预定间隔设置在所述通道的两个侧壁上，使得沿着反应气体的流动方向不对称。
另外，所述第一角度可以是锐角。进一步，所述第一角度的半角和任何一个倾斜面的接触角之和可以是90°或更小。
相对于所述通道的侧壁，所述第一倾斜面的倾斜角度和所述第二倾斜面的倾斜角度可以是相同的大小。或者，相对于所述通道的侧壁，所述第一倾斜面的倾斜角度和所述第二倾斜面的倾斜角度可以具有彼此不同的大小。
根据本发明的另一方面，还提供一种燃料电池堆，其包括：膜电极组件；气体扩散层，所述气体扩散层设置在膜电极组件的一侧；以及隔板，所述隔板设置成在至少一部分区域中接触气体扩散层。这里，所述隔板包括：多个通道，所述通道包括形成流动空间供反应气体流动的底部以及连接到底部的一对侧壁；以及多个肋部，所述肋部设置成连接两个相邻通道的侧壁并且接触气体扩散层。另外，所述通道的侧壁设置有用于贮存水的蓄水部，所述蓄水部向内凹陷并且具有以第一角度连接的第一倾斜面和第二倾斜面。水可以是燃料电池堆的工作期间在所述通道中生成的生成水。
进一步，所述蓄水部可以具有楔形形状。
另外，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面可以连接成具有“V”形状。
所述第一倾斜面和所述第二倾斜面也可以由平坦表面构成。
进一步，所述蓄水部中的水(生成水)可以沿着所述第一倾斜面和所述第二倾斜面朝向气体扩散层和膜电极组件移动。因此，所述蓄水部中贮存的生成水可被再次利用，用以加湿电解质膜。
技术效果
如上所述，与本发明的一个实施例有关的隔板及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配气体流和液体(例如，生成水)流，尤其是可以防止生成水(冷凝水)在隔板的通道中发生溢流。
在反应气体流路中产生的生成水可以被再次利用，用以加湿电解质膜而不干扰反应气体的流动，并且在低加湿或无加湿条件下能够提高水管理效率并且能够使电解质膜的干燥最小化。
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示意图；
图2是与本发明的一个实施例有关的隔板的平面图；
图3和图4是图2中所示的蓄水部的立体图；
图5是用于说明燃料电池堆的一个工作状态的概念图；
图6是用于说明反应气体流路和冷却水流路的平面图；
图7是示出各种形式的通道的示意图；
图8和图9是用于说明蓄水部的布置的示意图；
图10和11是用于说明蓄水部中水上升原理的概念图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的一个实施例的隔板、该隔板的制造方法及包括该隔板的燃料电池堆。
另外，无论附图标记如何，对相同或相应的部件赋予相同或相似的附图标记，省略这些部件的冗余的说明，并且，为了便于说明，各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)的示意图，图2是与本发明的一个实施例有关的隔板(100)的平面图。
图3和4是图2中所示的蓄水部(200)的立体图，图5是用于说明燃料电池堆(1)的一个工作状态的概念图。
图6是用于说明反应气体流路(A)和冷却水流路(B)的平面图，图7是示出各种形式的通道(110-1，110-2，110-3)的示意图，图8和图9是用于说明蓄水部的布置的示意图。
图10和11是用于说明在蓄水部(200)中水(生成水)上升原理的概念图。
与本发明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)一侧的气体扩散层(20)、以及隔板(100)。隔板(100)设置成在至少一部分区域中与气体扩散层(20)接触。
参照图1和图2，与本发明的一个实施例有关的隔板(100)包括：多个通道(110)，通道(110)包括形成流动空间供反应气体流动的底部(111)以及连接到底部(111)的一对侧壁(112)；以及多个肋部(120)，所述肋部(120)设置成连接两个相邻通道(110)的侧壁(112)。通道(110)具有朝向肋部(120)侧开放的结构。也就是说，通道(110)具有朝向气体扩散层(20)侧开放的结构。
通道(110)可以设置成底部(111)与每个侧壁(112)正交。另外，通道(110)的底部(111)与肋部(120)可以平行设置。另外，每个肋部(120)设置成与气体扩散层(20)接触。
通道(110)的侧壁(112)设置有蓄水部(200)，蓄水部(200)向内凹陷并且具有以第一角度(α)连接的第一倾斜面(210)和第二倾斜面(220)。蓄水部(200)提供预定空间，通道(110)中产生的水(生成水)存储在该预定空间中。也就是说，在通道(110)中产生的生成水贮存在蓄水部(200)中，以便不干扰反应气体的流动。
另外，参照图3和图5，蓄水部(200)中滞留的生成水保持水柱(W)状，该生成水通过第一倾斜面(210)和第二倾斜面(220)接触气体扩散层(20)并扩散到气体扩散层(20)和膜电极组件(10)中，该生成水可以用于聚合物电解质膜的加湿。也就是说，蓄水部(200)中的水沿着第一和第二倾斜面(210，220)朝向气体扩散层(20)和膜电极组件(10)移动。未说明的附图标记11表示催化剂层。
进一步，蓄水部(200)可以具有楔形形状。另外，第一倾斜面(210)和第二倾斜面(220)可以具有“V”形状。另外，第一倾斜面(210)和第二倾斜面(220)可以由平坦表面构成。此外，第一倾斜面(210)与第二倾斜面(220)相连接的区域(边界区域)设置成具有“V”形状，其中该边界区域优选地不包括弯曲部分。然而，每个倾斜面(210，220)与通道(110)的侧壁(112)相连接的区域也可以包括弯曲部分。
参照图3，第一角度(α)可以是锐角。具体而言，第一角度(α)表示，例如，由直线流路的一个侧壁(112)中所产生的间隙的两个壁面(第一倾斜面和第二倾斜面)形成的角度。而且，优选地，第一角度(α)的半角和任何一个倾斜面的接触角(θ)之和为90°或更小。这种情况下，可以获得很好的效果。
另一方面，参照图3和图4，接触角(θ)表示倾斜面(210或220)接触水表面的角度。接触角(θ)可根据隔板(100)材料和气体扩散层(20)的亲水性(或疏水性)以及诸如长度a、b、c和d和/或a/d之比等设计要素调节。例如，肋部(120)的宽度(a)和高度(d)、肋部的除去蓄水部(200)后的宽度(b)、以及相邻蓄水部(200)之间的间隔(c)，a和d是影响确定第一角度(α)的因素。另外，蓄水部(200)中的水含量可以通过第一角度(α)和高度(d)确定。而且，长度b可根据隔板的材料和制造工艺以及燃料电池堆(1)的工作条件来调节。
图5示出了水从聚集在蓄水部(200)中的水柱(W)中扩散，并用于穿过气体扩散层(20)和催化剂层(11)加湿聚合物电解质膜(PEM)。
参照图6，A表示反应气体的流路和流动方向，B表示冷却水的流路和流动方向。也就是说，可以设置为，反应气体流过隔板(100)的第一表面(通道开放的表面)，而冷却水沿第一表面的相反方向流过第二表面。另外，通过形成蓄水部(200)，冷却水流路能够实现长的滞留时间和复杂的流体流动，从而能够提高冷却效果。具体地，可以在相同方向或相反方向上形成反应气体的流动(A)和冷却水的流动(B)，这可以根据隔板中通道(110)的布置结构以及反应气体和冷却水的入口/出口位置和方向来确定。
另外，参照图7，蓄水部(200)可应用于各种类型的通道(110-1，110-2，110-3)。
另一方面，参照图3，相对于通道(110)的侧壁(112)，第一倾斜面(210)的倾斜角度和第二倾斜面(220)的倾斜角度可以具有相同的大小。例如，第一倾斜面(210)和第二倾斜面(220)可以具有对称的形状，例如等腰三角形的两个斜边。
或者，参考图8，相对于通道(110)的侧壁，第一倾斜面(230)的倾斜角度和第二倾斜面(240)的倾斜角度可以具有彼此不同的大小。也就是说，另一实施例的蓄水部(210-1)可以具有第一倾斜面(230)和第二倾斜面(240)不对称的形状。另外，多个蓄水部(210-1)可以以预定间隔设置在通道的两个侧壁上，使得沿着反应气体的流动方向不对称。
或者，参照图9，多个蓄水部(210-1)可以以预定间隔设置在通道的两个侧壁上，使得沿着反应气体的流动方向对称。
图10示出了与管状实壁面接触的液面如何根据实壁面和液体接触表面的曲率进行运动。
参照图10，A侧壁面具有圆形曲面，而B侧边缘具有弯曲成V形的楔形形状。此时，与实壁面接触的液面的与B侧壁面接触的液面由于自发的毛细管现象而比A侧升得更高。如果B侧边缘处的接触角减小，则水以具有负表面能量的水柱(W)的形式保留在V形空间中，根据该原理，通道(110)的内部用作蓄水空间。如果蓄水部(200)具有与A侧相同的曲面形状，则不会发生这种现象。
图11对通过图10进行的说明作进一步的分析性说明，当具有两个壁面的V形楔的接触角(θ1，θ2)彼此不同时，它们具有下式1的关系。
[式1]
α+θ1+θ2＜π
此时，当θ＝θ1＝θ2时，产生下式2。
[式2]
因此，自发的毛细管现象在V形空间中比在圆形曲面中发生得更明显。
如上所述的本发明的优选实施例是出于说明的目的而公开，本领域的技术人员可以在本发明的构思和范围内对其进行变更、修改和追加，并且这样的变更、修改和追加被认为是落在下面的以下权利要求书的范围内。
工业可应用性
根据本发明，可以在隔板中有效地分配气体流和液体(例如，生成水)流，尤其是可以防止生成水(冷凝水)在隔板的通道中发生溢流。

Claims (17)

1.一种隔板，包括：多个通道，所述通道包括形成流动空间供反应气体流动的底部以及连接到所述底部的一对侧壁；以及多个肋部，所述肋部设置成连接两个相邻通道的所述侧壁，
其中，所述通道的所述侧壁设置有蓄水部，所述蓄水部向内凹陷并且具有以第一角度连接的第一倾斜面和第二倾斜面。
2.根据权利要求1所述的隔板，其中，所述蓄水部具有楔形形状。
3.根据权利要求1所述的隔板，其中，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面具有“V”形状。
4.根据权利要求3所述的隔板，其中，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面由平坦表面构成。
5.根据权利要求1所述的隔板，其中，多个蓄水部以预定间隔设置在所述通道的两个侧壁上，使得沿着所述反应气体的流动方向对称。
6.根据权利要求1所述的隔板，其中，多个蓄水部各自以预定间隔设置在所述通道的两个侧壁上，使得沿着所述反应气体的流动方向不对称。
7.根据权利要求1所述的隔板，其中，所述第一角度是锐角。
8.根据权利要求7所述的隔板，其中，所述第一角度的半角和任何一个倾斜面的接触角之和是90°或更小。
9.根据权利要求1所述的隔板，其中，相对于所述通道的所述侧壁，所述第一倾斜面的倾斜角度和所述第二倾斜面的倾斜角度具有相同的大小。
10.根据权利要求1所述的隔板，其中，相对于所述通道的所述侧壁，所述第一倾斜面的倾斜角度和所述第二倾斜面的倾斜角度具有彼此不同的大小。
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；以及
隔板，所述隔板设置成在至少一部分区域中接触所述气体扩散层，
其中，所述隔板包括：多个通道，所述通道包括形成流动空间供反应气体流动的底部以及连接到所述底部的一对侧壁；以及多个肋部，所述肋部设置成连接两个相邻通道的所述侧壁并且接触所述气体扩散层，并且
所述通道的所述侧壁设置有用于贮存水的蓄水部，所述蓄水部向内凹陷并且具有以第一角度连接的第一倾斜面和第二倾斜面。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，所述蓄水部具有楔形形状。
13.根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面具有“V”形状。
14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面由平坦表面构成。
15.根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，所述蓄水部中的水沿着所述第一倾斜面和所述第二倾斜面朝向所述气体扩散层和所述膜电极组件移动。
16.根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，所述第一角度是锐角。
17.根据权利要求16所述的燃料电池堆，其中，所述第一角度的半角和任何一个倾斜面的接触角之和是90°或更小。
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