CN115708235A - 用于燃料电池的隔板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃料电池的隔板。隔板包括：隔板主体，以板形状形成，使得隔板主体的第一表面形成反应表面，隔板主体的第二表面形成冷却表面，隔板主体的中央部具有反应区域，并且隔板主体在反应区域的相对侧形成有分别引入或排出反应气体或冷却剂的多个歧管穿过的一对歧管区域，并且在隔板主体中，在反应区域和一对歧管区域之间形成有使反应气体或冷却剂的流动扩散的一对扩散区域；以及多个流路引导垫片，形成在一对扩散区域上，并被构造成形成从分别形成在一对歧管区域上的至少一对歧管扩散到反应区域的多个扩散流路。

Description

用于燃料电池的隔板

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的隔板。特别地，本文提供的隔板能够防止其形状因冷却剂的流动压力而在扩散区域变形。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中包含的化学能通过堆中的电化学反应转化为电能的发电装置，不仅可以为工业、家庭和车辆供应驱动电力，而且可以用于为诸如便携式设备的小型电子产品供应电力。此外，近年来，燃料电池的使用领域正逐渐向高效清洁能源扩展。

典型的燃料电池堆具有位于其最内部的膜电极组件(MEA)。MEA包括能够传输氢质子(proton)的聚合物电解质膜以及涂覆在聚合物电解质膜的相对表面上以使氢和氧可以反应的催化剂层，即阳极(anode)和阴极(cathode)。

另外，气体扩散层(GDL)层叠在MEA的阳极和阴极位于的外部，并且每个具有用于供应燃料和排出MEA中的反应产生的水的流路的隔板分别位于GDL的外部。此外，端板被组装到MEA的最外部，以在结构上支撑和固定上述各组件。此时，垫片以各种图案形成以保持隔板中流动的氢和氧(空气)的气密性。

另一方面，隔板通常被制造成使得用作支撑件的槽脊(land)和用作流体的流动路径的通道(流路)交替重复。

例如，典型的隔板具有槽脊和通道以蛇形交替重复的结构。因此，隔板的与GDL相对的一侧的通道被用作诸如氢或空气的反应气体流过的空间，而另一侧的通道被用作诸如冷却剂的冷却介质流过的空间。因此，一个单元电池可以由总共两个隔板形成，一个隔板具有氢/冷却剂通道，一个隔板具有空气/冷却剂通道。

图1是示出传统隔板的视图，图2是示出传统隔板的扩散区域的截面图。

如图1所示，在传统隔板10的中央部层叠有MEA和GDL，从而形成作为反应气体的空气和氢反应的反应区域10a。在反应区域10a的相对侧形成有一对歧管区域10b，分别引入或排出反应气体或冷却剂的多个歧管11a至11f穿过一对歧管区域10b。另外，在歧管区域10b和反应区域10a之间形成有一对扩散区域10c，扩散区域10c被构造成使反应气体或冷却剂的流动扩散。

此时，形成在歧管区域10b上的多个歧管11a至11f被分类为引入或排出作为反应气体的氢的歧管11d和11c、引入或排出作为反应气体的空气的歧管11a和11f以及引入或排出冷却剂的歧管11e和11b。

另外，形成有围绕反应区域10a和歧管11a至11f中的每一个的密封线L。

另外，在一对扩散区域10c中形成有多个扩散流路13a。多个扩散流路13a被构造成使从入口侧的歧管11a、11d和11e引入的反应气体和冷却剂扩散并流向反应区域10a，并且被构造成使从反应区域10a排出的反应气体和冷却剂被收集并流向出口侧的歧管11b、11c和11f。

此时，扩散流路13a形成为使得通过使扩散区域10c弯曲来形成槽脊12a和通道12b，并且通过弯曲形成的通道12b成为反应气体通过的扩散流路13a。

特别地，隔板10的第一表面形成反应表面10A并且隔板10的第二表面形成冷却表面10B。因此，如图2所示，一对隔板10和20彼此相对设置，各隔板10和20的冷却表面10B和20B彼此相对设置。此时，一对隔板10和20中的一个是阴极隔板10，另一个是阳极隔板20。

因此，通过分别从阴极隔板10的表面和阳极隔板20的表面向各反应表面10A和20A突出的槽脊12a和22a形成反应气体流过的反应气体扩散流路13a和23a。另外，在阴极隔板10的冷却表面10B和阳极隔板20的冷却表面20B中，通过槽脊12a和22a以及通道12b和22b形成冷却剂流路13b和23b。此外，冷却剂流过冷却剂流路13b和23b以及阴极隔板10的冷却表面10B和阳极隔板20的冷却表面20B之间的空间。

另一方面，如图2所示，反应气体流过的反应气体扩散流路13a和23a以及冷却剂流过的冷却剂流路13b和23b通过形成在隔板10和20上的槽脊12a和22a以及通道12b和22b的弯曲形状形成。

因此，当冷却剂以预定压力在阴极隔板10和阳极隔板20之间的空间流动时，压力被施加到冷却剂流路13b和23b，并且发生压力朝向反应气体扩散流路13a和23a推动隔板10和20的问题。

当发生隔板10和20因冷却剂的流动压力而在反应表面10A和20A的方向上变形的问题时，冷却剂和反应气体的分布性变差。因此，发生电压稳定性和气密性变差的问题。

前述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，并不旨在表示本发明落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。

发明内容

在优选方面，提供一种用于燃料电池的隔板，在该隔板中，通过使用由橡胶材料形成的垫片在隔板主体的表面上形成使反应气体和冷却剂扩散的流路，从而隔板能够防止隔板主体因冷却剂的流动压力而在扩散区域变形。

在一方面，提供一种用于燃料电池的隔板，隔板包括：(i)隔板主体，以板形状形成，使得隔板主体的第一表面形成反应表面，隔板主体的第二表面形成冷却表面，隔板主体的中央部具有反应区域，隔板主体在反应区域的相对侧形成有分别引入或排出反应气体或冷却剂的多个歧管穿过的一对歧管区域，并且在隔板主体中，在反应区域和一对歧管区域之间形成有使反应气体或冷却剂的流动扩散的一对扩散区域；以及(ii)多个流路引导垫片，形成在一对扩散区域上，并被构造成形成从分别形成在一对歧管区域上的至少一对歧管扩散到反应区域的多个扩散流路。

流路引导垫片可以形成在隔板主体的反应表面中的一对扩散区域上，并可以包括多个用于反应气体的流路引导垫片，多个用于反应气体的流路引导垫片形成在反应区域和多个歧管中引入反应气体的一个歧管之间并且形成在反应区域和多个歧管中排出反应气体的一个歧管之间。

隔板主体的扩散区域可以形成为平坦的，并且流路引导垫片可以形成在隔板主体的冷却表面中的一对扩散区域上，并可以进一步包括多个用于冷却剂的流路引导垫片，多个用于冷却剂的流路引导垫片形成在反应区域和多个歧管中引入冷却剂的一个歧管之间并且形成在反应区域和多个歧管中排出冷却剂的一个歧管之间。

用于反应气体的流路引导垫片和用于冷却剂的流路引导垫片可以分别从歧管连续形成到反应区域。

在隔板主体的扩散区域，向反应表面突出并以槽形状形成的多个冷却剂通道可以形成在反应区域和多个歧管中引入冷却剂的一个歧管之间并且可以形成在反应区域和多个歧管中排出冷却剂的一个歧管之间，从而使冷却剂流向冷却表面。

冷却剂通道可以分别从引入或排出冷却剂的歧管连续形成到反应区域，并且用于反应气体的流路引导垫片可以分别从歧管形成到反应区域并可以在与冷却剂通道接触的部分处不连续地形成。

用于反应气体的流路引导垫片的形成高度可以大于冷却剂通道的形成高度。

流路引导垫片可以通过将橡胶材料注射在隔板主体的表面上形成。

在隔板主体的表面上，可以通过注射橡胶材料使得通过围绕反应区域和每个歧管形成密封线来形成密封垫片。特别地，密封垫片和流路引导垫片可以通过注射相同类型的橡胶材料形成。

密封垫片和流路引导垫片可以由三元乙丙橡胶(ethylene propylene dienemonomer，EPDM)或氟橡胶(fluoro elastomer)形成。

根据本发明的各种示例性实施例，在隔板主体的扩散区域通过使用橡胶材料在隔板主体的表面上形成流路引导垫片，从而可以使隔板主体的成形工艺最小化。因此，可以实现防止隔板主体的形状因冷却剂的流动压力而在扩散区域变形的效果。

另外，由于可以防止隔板主体的变形，所以可以均匀地保持反应表面的表面压力分布。

另外，通过流路引导垫片，可以直接确保使反应气体和冷却剂扩散的流路，从而可以提高气体流动的扩散性。

另外，由于流路引导垫片的形状不限于隔板主体的形状并且是自由设计的，因此可以提高歧管的设计自由度。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征和其它优点将从以下结合附图的详细描述中被更清楚地理解，其中：

图1是示出传统隔板的视图；

图2是示出传统隔板的扩散区域的截面图；

图3A是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的反应表面的视图；

图3B是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的冷却表面的视图；

图4是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的扩散区域的截面图；

图5A是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的反应表面的视图；

图5B是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的冷却表面的视图；

图6A是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的扩散区域的截面图；以及

图6B是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的扩散区域的部分截面立体图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。然而，本发明不限于以下公开的实施例并将以彼此不同的不同形式实施，并且这些实施例仅使本发明的公开完整并向本领域技术人员充分告知本公开的范围。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

理解的是，如本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、巴士、卡车、各种商用车的乘用车，包括各种轮船和船舰的水运工具，航空器等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其它替代燃料(例如，除石油以外的资源衍生的燃料)车辆。如本文所指，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如汽油和电双动力车辆。

本文提供一种隔板，用于提高反应气体或冷却剂的扩散性，同时防止隔板主体在扩散区域变形，该扩散区域形成为将反应气体或冷却剂扩散并引入到反应表面。此外，隔板可以应用于形成有扩散区域的各种形状的隔板。例如，隔板可以应用于在反应区域上形成有各种形状的流路的流路型隔板，或者也可以应用于在反应区域上附加地设置有孔的多孔型隔板。另外，歧管的形状和设置位置不限于特定的结构，并且可以应用于在歧管和反应区域之间形成有扩散区域的所有各种形状的隔板。

还提供一种阴极隔板，例示和描述作为反应气体的空气在阴极隔板中被引导流动。根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板不限于阴极隔板，并且本发明的技术思想也可以应用于阳极隔板。

在下文中，在根据本发明的各种示例性实施例的用于燃料电池的隔板中，例示和描述阴极隔板。

图3A是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的反应表面的视图，图3B是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的冷却表面的视图，图4是示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的隔板的扩散区域的截面图。

如图所示，用于燃料电池的隔板包括隔板主体100和形成在隔板主体100上的多个流路引导垫片200。

隔板主体100以与传统隔板相同的板形状形成。此外，隔板主体100的第一表面形成反应表面100a，隔板主体100的第二表面形成冷却表面100b。另外，以反应气体或冷却剂流动的纵长方向为基准，在隔板主体100的中央部层叠有膜电极组件和气体扩散层，从而形成作为反应气体的空气和氢反应的反应区域110。此外，在反应区域110的相对侧形成有一对歧管区域120，引入或排出反应气体或冷却剂的多个歧管121a至121f分别穿过一对歧管区域120。另外，在反应区域110和一对歧管区域120之间形成有一对扩散区域130，一对扩散区域130被构造成使反应气体或冷却剂的流动扩散。

例如，在形成在反应区域110的相对侧的一对歧管区域120中，通过穿过一对歧管区域120而形成有引入或排出反应气体或冷却剂的多个歧管121a至121f。

此时，形成在歧管区域120上的多个歧管121a至121f被分类为引入或排出作为反应气体的氢的歧管121d和121c、引入或排出作为反应气体的空气的歧管121a和121f以及引入或排出冷却剂的歧管121e和121b。

此外，形成有图1所示的围绕反应区域10a和歧管11a至11f中的每一个的密封线(图1中的“L”)。此时，密封线形成为通过注射橡胶材料形成的密封垫片。密封垫片通过注射三元乙丙橡胶(EPDM)或氟橡胶形成。

另一方面，多个流路引导垫片200形成在隔板主体100的扩散区域130上，并且使从入口侧的歧管121a、121d和121e引入的反应气体和冷却剂扩散，从而使反应气体和冷却剂流向反应区域110。此外，多个流路引导垫片200形成多个扩散流路，多个扩散流路收集从反应区域110排出的反应气体和冷却剂，并使反应气体和冷却剂流向出口侧的歧管121b、121c和121f。

流路引导垫片200包括：用于反应气体的流路引导垫片210，该流路引导垫片形成在隔板主体100的反应表面100a中的一对扩散区域130上，并被构造成引导反应气体的扩散流动；以及用于冷却剂的流路引导垫片220，该流路引导垫片形成在隔板主体100的冷却表面100b中的一对扩散区域130上，并被构造成引导冷却剂的扩散流动。

用于反应气体的流路引导垫片210被构造成引导反应气体的扩散流动。如图3A所示，在隔板主体100的反应表面100a中，多个用于反应气体的流路引导垫片210形成在反应区域110和多个歧管中引入反应气体的歧管121a之间并且形成在反应区域110和多个歧管中排出反应气体的歧管121f之间。

另外，用于冷却剂的流路引导垫片220被构造成引导冷却剂的扩散流动。如图3B所示，在隔板主体100的冷却表面100b中，多个用于冷却剂的流路引导垫片220形成在反应区域110和多个歧管中引入冷却剂的歧管121e之间并且形成在反应区域110和多个歧管中排出冷却剂的歧管121b之间。

此时，如图4所示，隔板主体100的扩散区域130优选形成为平坦的。

由于用于反应气体的扩散流动的用于反应气体的流路引导垫片210和用于冷却剂的扩散流动的用于冷却剂的流路引导垫片220分别独立地形成在反应表面100a和冷却表面100b上，因此用于反应气体的流路引导垫片210的形状和用于冷却剂的流路引导垫片220的形状是自由设计的。因此，用于反应气体的流路引导垫片210的形状和用于冷却剂的流路引导垫片220的形状不限于特定的形状。

然而，为了在层叠燃料电池堆时提高反应气体或冷却剂的扩散性并保持扩散区域130的均匀表面压力，用于反应气体的流路引导垫片210和用于冷却剂的流路引导垫片220可以从歧管121a至121f连续形成到反应区域110。

另外，彼此相邻的用于反应气体的流路引导垫片210之间的间隔可以被设计为从引入或排出反应气体的歧管121a和121f到反应区域110逐渐均匀地变宽。

类似地，彼此相邻的用于冷却剂的流路引导垫片220之间的间隔可以被设计为从引入或排出冷却剂的歧管121e和121b到反应区域110逐渐均匀地变宽。

另一方面，由于用于反应气体的流路引导垫片210和用于冷却剂的流路引导垫片220不需要气密性，因此可以应用能够通过注射形成的各种材料。例如，用于反应气体的流路引导垫片210和用于冷却剂的流路引导垫片220可以通过将橡胶材料注射到隔板主体100的表面上来形成。此时，用于反应气体的流路引导垫片210和用于冷却剂的流路引导垫片220可以使用作为与形成密封线的密封垫片相同类型的材料的橡胶材料。优选地，用于反应气体的流路引导垫片210和用于冷却剂的流路引导垫片220通过注射EPDM或氟橡胶形成。

例如，如图4所示，当一对隔板主体，即阴极隔板主体100的冷却表面100b和阳极隔板主体300的冷却表面300b被设置为彼此相对时，通过用于反应气体的流路引导垫片210在阴极隔板主体100的反应表面100a上形成作为反应气体的空气流过的扩散流路。此外，在阴极隔板主体100的冷却表面100b和阳极隔板主体300的冷却表面300b之间，通过用于冷却剂的流路引导垫片220形成冷却剂流过的扩散流路。

另外，在阳极隔板主体300的反应表面300a上，通过形成在阳极隔板主体300的反应表面300a的用于反应气体的流路引导垫片310形成作为反应气体的氢流过的扩散流路。此时，可以在阳极隔板主体300的冷却表面300b上形成另外的用于冷却剂的流路引导垫片，也可以在不形成另外的用于冷却剂的流路引导垫片的情况下，仅由形成在阴极隔板主体100的冷却表面100b的用于冷却剂的流路引导垫片220与阳极隔板主体300的冷却表面300b相对并接触。

另一方面，另外的用于冷却剂的流路引导垫片可以不形成在隔板主体上，并且可以通过执行使隔板主体弯曲的成形工艺来形成冷却剂流过的扩散流路。

图5A是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于燃料电池的隔板的反应表面的视图，图5B是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于燃料电池的隔板的冷却表面的视图，图6A是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于燃料电池的隔板的扩散区域的截面图，图6B是示出根据本发明的另一示例性实施例的用于燃料电池的隔板的扩散区域的部分截面立体图。

与上述用于燃料电池的隔板相同，根据本发明的另一示例性实施例的用于燃料电池的隔板包括隔板主体100和形成在隔板主体100上的多个流路引导垫片200。但是，形成在隔板主体100上的多个流路引导垫片200不形成另外的用于冷却剂的流路引导垫片220，并且仅形成用于反应气体的流路引导垫片210。

为此，在隔板主体100的扩散区域130中形成有多个冷却剂通道131，多个冷却剂通道131向反应表面100a突出并且以槽形状形成在冷却表面100b，使得冷却剂流向冷却表面100b。此外，多个冷却剂通道131形成在反应区域110和多个歧管中引入冷却剂的歧管121e之间并且形成在反应区域110和多个歧管中排出冷却剂的歧管121b之间。

此外，如图6B所示，冷却剂通道131中的每一个可以从引入或排出冷却剂的歧管121e和121b连续地形成到反应区域110。

另外，如图6B所示，形成在反应表面100a上的用于反应气体的流路引导垫片210中的每一个可以从歧管121a和121f形成到反应区域110，并且可以在与冷却剂通道131接触的部分处不连续地形成。

此时，优选地，可以将彼此相邻的冷却剂通道131之间的间隔设计为从引入或排出冷却剂的歧管121e和121b到反应区域110逐渐均匀地变宽。

另外，虽然彼此相邻的用于反应气体的流路引导垫片210不连续地形成，但是彼此相邻的用于反应气体的流路引导垫片210之间的间隔可以被设计为从引入或排出反应气体的歧管121a和121f到反应区域110逐渐均匀地变宽。

然而，冷却剂通道131可以具有向隔板主体100的反应表面100a突出的形状，并且用于反应气体的流路引导垫片210可以具有被注射在隔板主体100的反应表面100a上并突出的形状。因此，如图6A和图6B所示，用于反应气体的流路引导垫片210的形成高度可以形成为大于冷却剂通道131的形成高度。

因此，如图6A和图6B所示，当一对隔板主体，即阴极隔板主体100的冷却表面100b和阳极隔板主体300的冷却表面300b被设置为彼此相对时，可以通过用于反应气体的流路引导垫片210在阴极隔板主体100的反应表面100a上形成作为反应气体的空气流过的扩散流路。此外，在阴极隔板主体100的冷却表面100b和阳极隔板主体300的冷却表面300b之间，可以形成冷却剂流过的流路，在该流路中冷却剂流过形成在阴极隔板主体100上的冷却剂通道131以及阴极隔板主体100的冷却表面100b和阳极隔板主体300的冷却表面300b之间的空间。

尽管参照附图和上述各种示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此，而是由所附权利要求书限制。因此，本领域技术人员可以在不背离所附权利要求书的技术思想的情况下对本发明进行各种修改和改变。

Claims (12)

1.一种用于燃料电池的隔板，所述隔板包括：

隔板主体，以板形状形成，使得所述隔板主体的第一表面形成反应表面，所述隔板主体的第二表面形成冷却表面，所述隔板主体的中央部具有反应区域，所述隔板主体在所述反应区域的相对侧形成有分别引入或排出反应气体或冷却剂的多个歧管穿过的一对歧管区域，并且在所述隔板主体中，在所述反应区域和一对歧管区域之间形成有使所述反应气体或所述冷却剂的流动扩散的一对扩散区域；以及

多个流路引导垫片，形成在所述一对扩散区域上，并形成从分别形成在所述一对歧管区域上的至少一对歧管扩散到所述反应区域的多个扩散流路。

2.根据权利要求1所述的隔板，其中，

所述流路引导垫片形成在所述隔板主体的反应表面中的所述一对扩散区域上，并包括多个用于反应气体的流路引导垫片，多个所述用于反应气体的流路引导垫片形成在所述反应区域和多个所述歧管中引入所述反应气体的一个歧管之间并且形成在所述反应区域和多个所述歧管中排出所述反应气体的一个歧管之间。

3.根据权利要求2所述的隔板，其中，

所述隔板主体的扩散区域形成为平坦的，并且

所述流路引导垫片形成在所述隔板主体的冷却表面中的所述一对扩散区域上，并进一步包括多个用于冷却剂的流路引导垫片，多个所述用于冷却剂的流路引导垫片形成在所述反应区域和多个所述歧管中引入所述冷却剂的一个歧管之间并且形成在所述反应区域和多个所述歧管中排出所述冷却剂的一个歧管之间。

4.根据权利要求3所述的隔板，其中，

所述用于反应气体的流路引导垫片和所述用于冷却剂的流路引导垫片分别从所述歧管连续形成到所述反应区域。

5.根据权利要求2所述的隔板，其中，

在所述隔板主体的扩散区域，向所述反应表面突出并以槽形状形成的多个冷却剂通道形成在所述反应区域和多个所述歧管中引入所述冷却剂的一个歧管之间并且形成在所述反应区域和多个所述歧管中排出所述冷却剂的一个歧管之间，从而使所述冷却剂流向所述冷却表面。

6.根据权利要求5所述的隔板，其中，

所述冷却剂通道分别从引入或排出所述冷却剂的所述歧管连续形成到所述反应区域，并且

所述用于反应气体的流路引导垫片分别从所述歧管形成到所述反应区域并在与所述冷却剂通道接触的部分处不连续地形成。

7.根据权利要求6所述的隔板，其中，

所述用于反应气体的流路引导垫片的形成高度大于所述冷却剂通道的形成高度。

8.根据权利要求1所述的隔板，其中，

所述流路引导垫片通过将橡胶材料注射在所述隔板主体的表面上形成。

9.根据权利要求8所述的隔板，其中，

在所述隔板主体的表面上，通过注射所述橡胶材料使得通过围绕所述反应区域和每个所述歧管形成密封线来形成密封垫片，

所述密封垫片和所述流路引导垫片通过注射相同类型的所述橡胶材料形成。

10.根据权利要求9所述的隔板，其中，

所述密封垫片和所述流路引导垫片由三元乙丙橡胶即EPDM或氟橡胶形成。

11.一种燃料电池，包括根据权利要求1所述的隔板。

12.一种车辆，包括根据权利要求11所述的燃料电池。

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