CN117895019A - 用于燃料电池的隔膜 - Google Patents

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Abstract

本公开的示例性实施方式提供一种用于燃料电池的隔膜，隔膜层叠在包括膜电极组件(MEA)的反应层上。隔膜包括：板体，其层叠在反应层上；波形图案，其设置在板体的面对反应层的一个表面上，波形图案被配置为限定反应通道，反应通道设置在反应层和板体之间并且在提供反应气体的第一方向上设置，使得反应气体沿反应通道流动；以及槽脊，其沿波形图案的横向端设置并且设置成与反应层接触，从而获得提高性能和运行效率的有益效果。

Description

用于燃料电池的隔膜
技术领域
本公开涉及一种用于燃料电池的隔膜(separator)，更具体地，涉及一种能够提高性能和运行效率的用于燃料电池的隔膜。
背景技术
燃料电池组是指一种通过燃料(例如，氢)的化学反应而产生电能的发电装置，并且可以通过串联层叠数十个或数百个燃料电池(单元电池)来配置燃料电池组。
燃料电池可以包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件具有被配置为允许氢正离子移动通过的电解质膜、以及联接到电解质膜的两个相对表面并且被配置为能够实现氢和氧之间的反应的电极(催化剂电极层)。燃料电池还可以包括：气体扩散层(GDL)，其设置成与膜电极组件的两个相对表面紧密接触并且被配置为分配反应气体并传输所产生的电能；以及隔膜(双极板)，其设置成与气体扩散层紧密接触并且被配置为限定流动路径。
隔膜可以包括用于提供作为燃料的氢的阳极隔膜和用于提供作为氧化剂的空气的阴极隔膜。隔膜可以包括燃料或氧化剂流过的通道、以及与气体扩散层接触并且用作电通路的槽脊(land)。
此外，为了最大化燃料电池组的性能，需要增加提供到膜电极组件的反应气体的反应面积，并且提高传输反应气体的效率。
具体地，燃料电池组的性能和输出根据待传输至膜电极组件的反应气体的传输流量来确定。因此，为了提高燃料电池组的性能和输出，需要确保待传输到膜电极组件的反应气体的足够的传输流量。
然而，在现有技术中，提供到膜电极组件和隔膜之间的反应气体被配置为在平行于膜电极组件的方向上移动，这使得难以提供从隔膜朝向膜电极组件引导的反应气体的流动。因此，存在的问题在于难以确保待传输到膜电极组件的反应气体的足够传输流量(即，难以确保待提供到膜电极组件的反应气体的反应面积并且确保传输反应气体的效率)，这使得难以提高燃料电池组的性能和输出。
此外，在现有技术中，为了最大化燃料电池组的性能，已经提出了一种方法，其通过在隔膜(例如，阴极隔膜)上设置多孔构件(诸如金属泡沫或金属丝网)而使膜电极组件的表面压力均匀分布，以提高使反应气体扩散并且排出产生的水(冷凝水)的性能。然而，在现有技术中，单独的多孔构件需要设置在气体扩散层和隔膜之间，这使得隔膜的结构和制造隔膜的工艺复杂化，并且增加了制造成本。
因此，近来，已经进行了各种研究以简化隔膜的结构，同时确保反应气体的反应面积和传输反应气体的效率，但是研究结果仍不充分。因此，需要开发一种技术来简化隔膜的结构，同时确保反应气体的反应面积和传输反应气体的效率。
发明内容
本公开致力于提供一种燃料电池的隔膜，其能够提高燃料电池组的性能(输出)和运行效率。
具体地，本公开致力于确保待提供给膜电极组件(反应层)的反应气体的反应面积，并确保传输反应气体的效率。
其中，本公开致力于在确保反应气体在隔膜的平面方向(第一方向)上的流动的同时，提供反应气体在隔膜的厚度方向(即，从隔膜朝向膜电极组件的第三方向)上的流动。
本公开还致力于简化结构和制造工艺并且降低制造成本。
本公开还致力于提高排出冷凝水和抑制溢流的性能。
本公开还致力于确保冷却剂的平稳流动并且提高冷却性能和冷却效率。
本公开还致力于提高稳定性和可靠性。
实施方式要实现的目的不限于上述目的，还包括可以从下述的方案或实施方式中理解的目的或效果。
本公开的示例性实施方式提供一种用于燃料电池的隔膜，隔膜层叠在包括膜电极组件(MEA)的反应层上，隔膜包括：板体，其层叠在反应层上；波形图案，其设置在板体的面对反应层的一个表面上，波形图案被配置为限定反应通道，反应通道设置在反应层和板体之间并且在提供反应气体的第一方向上设置，使得反应气体沿反应通道流动；以及槽脊，其沿波形图案的横向端设置并且设置成与反应层接触。
这是为了提高燃料电池组的性能和运行效率。
也就是说，燃料电池组的性能和输出取决于待传输至膜电极组件(反应层)的反应气体的传输流量来确定。因此，为了提高燃料电池组的性能和输出，需要最大限度地确保待传输至膜电极组件的反应气体的传输流量。
然而，在现有技术中，在膜电极组件和隔膜之间所提供的反应气体被配置为在平行于膜电极组件的方向上移动，这使得难以提供从隔膜朝向膜电极组件引导的反应气体的流动。因此，存在的问题在于难以确保待传输到膜电极组件的反应气体的足够传输流量(即，难以确保待提供到膜电极组件的反应气体的反应面积并且难以确保传输反应气体的效率)，从而难以提高燃料电池组的性能和输出。
此外，在现有技术中，为了最大化燃料电池组的性能，已经提出了一种方法，其通过在隔膜(例如，阴极隔膜)上设置多孔构件(例如，金属泡沫或金属丝网)而使膜电极组件的表面压力均匀分布，以提高使反应气体扩散并且排出产生的水(冷凝水)的性能。然而，在现有技术中，单独的多孔构件需要设置在气体扩散层和隔膜之间，这使得隔膜的结构和制造隔膜的工艺复杂化，并且增加了制造成本。
然而，在本公开的实施方式中，波形图案设置在板体的面向反应层的一个表面上，并且反应气体沿波形图案流动。因此，可以获得确保传输反应气体的效率和待提供到膜电极组件(反应层)的反应气体的反应面积的有益效果。
其中，根据本公开的实施方式，反应气体沿波形图案的不平坦表面流动。因此，可以在确保反应气体在隔膜的平面方向(第一方向)上的流动的同时，提供反应气体在隔膜的厚度方向(从隔膜朝向膜电极组件的第三方向)上的流动。因此，可以获得进一步提高将物质传输到膜电极组件的性能(反应气体的传输流量)和提高燃料电池组的性能和运行效率的有益效果。
此外，在本公开的实施方案中，因为排除了多孔构件并且隔膜与气体扩散层直接接触，所以可以降低气体扩散层和隔膜之间的接触阻抗(电阻)并且使应力集中最小化。结果，可以获得在紧固燃料电池组时最小化气体扩散层的变形和损坏并且提高耐用性的有益效果。
此外，在本公开的实施方式中，因为可以排除多孔构件，所以可以排除将多孔构件联接到隔膜的焊接工艺。结果，可以获得简化隔膜的结构和制造隔膜的工艺的有益效果。
波形图案可以具有表面不平坦(诸如凹凸部分)的各种结构。
根据本公开的示例性实施方式，波形图案可以包括：波峰部分，其从板体的面向反应层的一个表面突出；以及波谷部分，其基于第一方向连接到波峰部分的端部并且被配置为与波峰部分一起限定连续波形。
波峰部分可以具有能够从板体的一个表面突出的各种结构。
根据本公开的示例性实施方式，波峰部分可以包括：第一倾斜部分，其被配置为将反应气体导向反应层；以及第二倾斜部分，其设置在第一倾斜部分的下游侧，并且被配置为将已经穿过第一倾斜部分的反应气体导向板体。根据本公开的示例性实施方式，波峰部分可以包括设置在第一倾斜部分和第二倾斜部分之间的平坦部分。
根据所需条件和设计规格，波峰部分的基准高度(隔膜厚度方向上的高度)可以进行各种改变。
例如，波峰部分可被限定为在作为板体厚度方向的第三方向上具有预设基准高度。
根据本公开的示例性实施方式，波形图案可以设置为多个波形图案，槽脊可以设置为多个槽脊，并且多个波形图案和多个槽脊可以在与第一方向相交的第二方向上交替设置。
根据本公开的示例性实施方式，用于燃料电池的隔膜可以包括冷却通道，其设置在板体的另一表面中并且被配置为允许冷却剂从冷却通道中流过。
根据所需条件和设计规格，冷却通道可以具有各种结构。根据本公开的示例性实施方式，可以沿槽脊的内部空间限定冷却通道。
根据本公开的示例性实施方式，用于燃料电池的隔膜可以包括连接冷却通道，其设置在板体的另一表面中并配置为连接相邻的冷却通道，使得相邻的冷却通道彼此连通。
根据本公开的示例性实施方式，可以沿波峰部分的内部空间限定连接冷却通道。
如上所述，在本公开的实施方式中，相邻的冷却通道通过连接冷却通道彼此连通，这使得可以进一步提高冷却剂的移动性。因此，可以获得进一步提高由冷却剂实现的冷却性能和冷却效率的有益效果。
其中，在本公开的实施方式中，连接冷却通道横穿波峰部分的内部空间，使得隔膜的对应于波形通道的另一表面可以被直接冷却，这使得可以进一步提高由冷却剂实现的冷却性能和冷却效率。
此外，在本公开的实施方式中，因为不同冷却通道通过连接冷却通道彼此连通，所以沿不同冷却通道流动的冷却剂可以通过连接冷却通道彼此混合。因此，可以获得使沿不同冷却通道流动的冷却剂之间的温度偏差最小化并且将隔膜的整个区域冷却到均匀温度的有益效果。
根据本公开的示例性实施方式，多个波形图案和多个槽脊可以在第二方向(Y方向)上交替设置，并且各个波形图案的波峰部分可以在第二方向上设置在不同线上。
如上所述，在本公开的实施方式中，构成不同波形图案的多个波峰部分交替地设置在不同线上，使得可以促进反应通道之间的反应气体的流动(具体地，沿特定反应通道流动的反应气体可以经由气体扩散层平稳地流动到另一反应通道)。因此，可以进一步提高反应气体的反应效率，并且提高从反应层排出冷凝水的性能。结果，可以获得提高燃料电池组的输出性能并且提高稳定性和可靠性的有益效果。
根据本公开的示例性实施方式，因为各个波形图案的波峰部分在第二方向上设置在不同线上，所以沿波峰部分的内部空间限定的连接冷却通道也可以在第二方向上设置在不同线上。
如上所述，在本公开的实施方式中，沿各个波峰部分的内部空间限定的连接冷却通道交替地设置在不同线上。因此，可以获得在确保冷却剂在不同冷却通道之间流动的同时，确保冷却剂在第一方向上平稳流动(减小冷却通道之间的压差)的有益效果。
第一倾斜部分和第二倾斜部分构成波峰部分，并且根据所需条件和设计规格，第一倾斜部分的第一角度和第二倾斜部分的第二角度可以不同地改变。
根据本公开的实施方式，构成波形图案的波峰部分可以包括第一倾斜部分和第二倾斜部分，第一倾斜部分可以被限定为具有第一角度，并且第二倾斜部分可以被限定为具有不同于第一角度的第二角度。
具体地，第一倾斜部分的第一角度可以被限定为小于第二倾斜部分的第二角度。
如上所述，在本公开的实施方式中，因为第一倾斜部分的第一角度小于第二倾斜部分的第二角度，所以可以最小化当反应气体与第一倾斜部分接触时引起的反应气体的压力损失(压降)。此外，在反应气体经过第一倾斜部分之后，反应气体可以更快地沿第二倾斜部分流动。因此，可以获得提高移动(提供)反应气体的效率的有益效果。
根据本公开的示例性实施方式，反应通道可以包括：入口部分，通过其引入反应气体；中央部分，其限定在入口部分的下游侧；以及出口部分，其限定在中央部分的下游侧并且被配置为允许反应气体通过其排出，并且波峰部分可以设置在入口部分、中央部分和出口部分中的至少任何一个中。
根据本公开的示例性实施方式，波峰部分可以设置为多个波峰部分，多个波峰部分可以在第一方向上彼此间隔开。入口部分、中央部分和出口部分可以被限定为在相邻的波峰部分之间的基准距离彼此不同。
根据本公开的示例性实施方式，波峰部分之间的基准距离可以被限定为基于第一方向朝向下游侧减小。
这是基于以下事实：反应气体的浓度基于第一方向(例如，在从入口部分到出口部分的方向上)朝向反应通道的下游侧降低。波峰部分之间的基准距离基于第一方向朝向反应通道的下游侧减小，即，波峰部分以基于第一方向朝向反应通道的下游侧变短的间隔密集地设置，这使得可以调节穿过膜电极组件的反应气体的流速(或流量)。因此，可以获得在反应通道的整个区段中均匀地保持反应效率和将物质传输到膜电极组件的性能(反应气体的传输流量)的有益效果。
根据本公开的示例性实施方式，通过不同地限定构成波形图案的波峰部分的基准高度，以使得反应通道的各个区段(例如，入口部分、中央部分和出口部分)的基准高度彼此不同，可以针对反应通道的每个区段调节将物质传输到膜电极组件的性能。
根据本公开的示例性实施方式，波形图案可以包括：第一波峰部分，其设置在板体的一个表面上，并且被限定为在板体的厚度方向上具有第一基准高度；以及第二波峰部分，其在第一方向上与第一波峰部分间隔开，设置在第一波峰部分的下游侧，并且被限定为具有不同于第一基准高度的第二基准高度。
具体地，第二波峰部分的第二基准高度可以被限定为大于第一波峰部分的第一基准高度。
因为如上所述，位于第一波峰部分的下游侧的第二波峰部分的第二基准高度大于第一波峰部分的第一基准高度，所以即使反应气体的浓度朝向反应通道的下游侧降低，也可以调节穿过膜电极组件的反应气体的流速(或流量)。因此，可以获得在反应通道的整个区段中均匀地保持反应效率和将物质传输到膜电极组件的性能(反应气体的传输流量)的有益效果。
附图说明
图1是说明根据本公开的实施方式的用于燃料电池的隔膜所应用的燃料电池组的视图。
图2是说明根据本公开的实施方式的用于燃料电池的隔膜的视图。
图3是说明根据本公开的实施方式的用于燃料电池的隔膜的波形图案的视图。
图4和图5是说明根据本公开的实施方式的用于燃料电池的隔膜的连接冷却通道的视图。
图6、图7、图8和图9是说明根据本公开的实施方式的用于燃料电池的隔膜的波形图案的变型例的视图。
附图标号：
10：燃料电池堆100：反应层110：膜电极组件120：气体扩散层
200：隔膜210：板体220：波形图案221：反应通道
221a：入口部分221b：中央部分221c：出口部分222：波峰部分
222'：第一波峰部分222"：第二波峰部分222a、222a'、222a"：第一倾斜部分222b、222b'、222b"：平坦部分222c、222c'、222c"：第二倾斜部分
224：波谷部分230：槽脊240：冷却通道250：连接冷却通道
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的示例性实施方式。
然而，本公开的技术精神不限于本文描述的一些实施方式，而是可以以各种不同的形式实现。在本公开的技术精神的范围内，可以选择性地组合和替换使用实施方式中的一个或更多个组成元件。
此外，除非另有具体明确的限定和说明，否则可以将本公开的实施方式中使用的术语(包括技术术语和科学术语)解释为本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义。可以考虑现有技术的上下文含义来解释常用术语(诸如词典中限定的术语)的含义。
此外，在本公开的实施方式中使用的术语是用于解释实施方式的，而不是用于限制本公开的。
在本说明书中，除非特别说明，否则单数形式也可以包括复数形式。表述“A、B和C中的至少一个(或一个或更多个)”可以包括能够通过组合A、B和C而得到的所有组合中的一个或更多个。
此外，诸如第一、第二、A、B、(a)和(b)之类的术语可以用于描述本公开的实施方式的组成元件。
这些术语仅用于区分一个组成元件与另一个组成元件，并且组成元件的性质、顺序或次序不受这些术语的限制。
此外，当一个组成元件被描述为“连接”、“联接”或“附接”到另一个组成元件时，所述一个组成元件可以直接连接、联接或附接到另一个组成元件，或者通过插入其间的又一个组成元件连接、联接或附接到另一个组成元件。
此外，表述“一个组成元件设置或布置在另一个组成元件的上方(之上)或下方(之下)”不仅包括两个组成元件彼此直接接触的情况，还包括在两个组成元件之间设置或布置一个或更多个其它组成元件的情况。表述“上方(之上)或下方(之下)”可以表示基于一个组成元件的向下方向和向上方向。
参照图1至图9，根据本公开的实施方式的燃料电池组10包括：反应层100，其包括膜电极组件(MEA)110；板体210，其层叠在反应层100上；波形图案220，其设置在板体210的面向反应层100的一个表面上，波形图案220被配置为限定设置在反应层100和板体210之间的反应通道221，并且在提供反应气体的第一方向(X方向)上设置，使得反应气体沿反应通道221流动；以及槽脊230，其沿波形图案220的横向端设置并且设置为与反应层100接触。
作为参考，可以通过沿基准方向(例如，基于图1的向上/向下方向(Z方向))层叠多个单元电池来配置燃料电池组10。
燃料电池(单元电池)可以包括反应层100和分别层叠在反应层100的两个相对侧上的隔膜200。可以通过沿基准方向层叠多个燃料电池，然后将端板(未示出)与多个燃料电池的两个相对端组装在一起来配置燃料电池组10。
更具体地，反应层100包括膜电极组件(MEA)110，其被配置为使得其中发生电化学反应的催化剂电极层附接到氢离子在其中移动的电解质膜的两个相对侧。反应层100还可以包括气体扩散层(GDL)120，其层叠在膜电极组件110上并且被配置为使反应气体均匀分布并传输所产生的电能。
膜电极组件110用于通过作为第一反应气体的燃料(例如，氢)和作为第二反应气体的氧化剂(例如，空气)之间的氧化还原反应而发电。
根据所需条件和设计规格，膜电极组件110可以在结构和材料上进行各种改变，并且本公开不受膜电极组件110的结构和材料的限制或约束。
例如，膜电极组件110包括氢离子移动通过的电解质膜和附接到电解质膜的两个相对表面的催化剂电极层，并且在催化剂电极层中发生电化学反应。
气体扩散层(GDL)120层叠在膜电极组件110的两个相对侧上，并且用于使反应气体均匀分布并传输产生的电能。
气体扩散层120可以具有能够使反应气体扩散的各种结构。例如，气体扩散层120可以具有多孔结构，该多孔结构具有各自具有预定尺寸的孔。
根据所需条件和设计规格，气体扩散层120的孔的尺寸和材料可以不同地改变，并且本公开不受气体扩散层120的孔的尺寸和材料的限制或约束。
设置隔膜200以不仅用于阻挡(分离)作为反应气体的氢气和空气，而且用于确保反应气体的流动路径并将电流传输到外部电路。
此外，隔膜200还可以用于将燃料电池(单元电池)中产生的热量分配到整个燃料电池，并且过量产生的热量可以通过沿隔膜200之间的冷却通道240流动的冷却剂排出到外部。
在本公开的示例性实施方式中，可以将隔膜200限定为包括具有作为燃料的氢的流动路径的阳极隔膜和具有作为氧化剂的空气的流动路径的阴极隔膜。
例如，隔膜200可以由薄膜金属(例如，不锈钢、铬镍铁合金(Inconel)或铝)制成。隔膜200(阳极隔膜和阴极隔膜)与反应层100一起可以构成单个燃料电池(单元电池)，并且各自独立地限定氢、空气和冷却剂的流动路径。根据本公开的另一实施方式，隔膜可以由诸如石墨或碳复合材料之类的另一种材料制成。
作为参考，作为燃料的氢和作为氧化剂的空气分别通过隔膜200(阴极隔膜和阳极隔膜)的反应通道221提供到膜电极组件110的阳极(未示出)和阴极(未示出)。氢可以提供给阳极，而空气可以提供给阴极。
提供到阳极的氢通过分别设置在电解质膜的两个相对侧上的电极层中的催化剂分解成氢离子(质子)和电子。仅氢离子通过作为阳离子交换膜的电解质膜选择性地传输到阴极，同时，电子通过作为导体的气体扩散层120和隔膜200传输到阴极。
在阴极处，通过电解质膜提供的氢离子和通过隔膜200传输的电子与由空气提供装置提供给阴极的空气中的氧相遇，从而产生生成水的反应。由于氢离子的移动，电子流过外部导线，并且由于电子的流动而产生电流。
例如，参照图1，用于提供氢的隔膜200(例如，阳极隔膜)可以设置在膜电极组件110的一个表面上，并且用于提供空气的隔膜200(例如，阴极隔膜)可以设置在膜电极组件110的另一个表面上。
更具体地，隔膜200包括：板体210，其层叠在反应层100的外表面(即，层叠在膜电极组件上的气体扩散层的外表面)上；波形图案220，其设置在板体210的面向反应层100的一个表面上，波形图案220被配置为限定反应通道221，反应通道221设置在反应层100和板体210之间并且在提供反应气体的第一方向(X方向)上设置，使得反应气体沿反应通道221流动；以及槽脊230，其沿波形图案220的横向端设置并设置成与反应层100接触。
参照图1至图3，板体210可以以平坦的薄膜板的形式设置。本公开不受板体210的尺寸、材料和结构的限制或约束。
例如，板体210可以以平坦四边形板的形式设置，并且由典型的金属材料(例如，不锈钢、铬镍铁合金或铝)制成。
波形图案220设置在板体210的面向反应层100的一个表面(即，基于图2的板体的上表面)上，并且被配置为限定在提供反应气体的第一方向(X方向)上设置的反应通道221，使得反应气体沿反应通道221流动。
作为参考，在本公开的实施方式中，可以将第一方向(X方向)限定为从隔膜200的一端向隔膜200的内部(或隔膜的另一端)提供反应气体的方向。
波形图案220可以具有表面不平坦(诸如凹凸部分)的各种结构。本公开不受波形图案220的结构和形状的约束或限制。
根据本公开的实施方式，波形图案220可以包括：波峰部分222，其从板体210的面向反应层100的一个表面突出；以及波谷部分224，其基于第一方向(X方向)连接到波峰部分222的端部，并且被配置为与波峰部分222一起限定连续的波形。
波峰部分222可以具有能够从板体210的一个表面突出的各种结构。本公开不受波峰部分222的结构和形状的约束或限制。
根据本公开的实施方式，波峰部分222可以包括：第一倾斜部分222a，其被配置为将反应气体导向反应层100；第二倾斜部分222c，其设置在第一倾斜部分222a的下游侧，并且被配置为将已经通过第一倾斜部分222a的反应气体导向板体210；以及平坦部分222b，其设置在第一倾斜部分222a和第二倾斜部分222c之间。第一倾斜部分222a、第二倾斜部分222c和平坦部分222b可以共同限定近似梯形形状。
例如，第一倾斜部分222a可以具有第一角度θ1的近似直线形状，并且第二倾斜部分222c可以具有第二角度θ2的近似直线形状。根据本公开的另一实施方式，第一倾斜部分和第二倾斜部分可以各自具有弯曲形状(例如，圆弧形状)或者直线形状和弯曲形状的组合。
根据所需条件和设计规格，第一倾斜部分222a的第一角度θ1和第二倾斜部分222c的第二角度θ2可以不同地改变。本公开不受第一角度θ1和第二角度θ2的约束或限制。例如，参照图3，第一倾斜部分222a的第一角度θ1和第二倾斜部分222c的第二角度θ2可以限定为彼此相等。
作为参考，在以上示出和描述的本公开的实施方式中，已经描述了波峰部分222包括第一倾斜部分222a、第二倾斜部分222c和平坦部分222b的示例。然而，根据本公开的另一实施方式，可以在没有平坦部分的情况下仅由第一倾斜部分和第二倾斜部分构成具有近似三角形形状的波峰部分。
根据所需条件和设计规格，波峰部分222的基准高度(隔膜的厚度方向上的高度)H可以不同地改变。本公开不受波峰部分222的基准高度H的约束或限制。
作为参考，随着波峰部分222的基准高度增加，在流过波峰部分222的同时传输到反应层100的反应气体的浓度会增加。随着波峰部分222的基准高度增加，待传输到反应层100的反应气体的浓度会增加。然而，波峰部分222会使反应气体在第一方向(X方向)上的流动减少(压差可增加)。因此，可以在可以确保反应气体在第一方向(X方向)上平稳流动的条件下确定波峰部分222的基准高度。
例如，构成波形图案220的多个波峰部分222可以被配置为在第三方向(Z方向)(即，板体210的厚度方向)上具有相同的预设基准高度H。
波谷部分224可以具有能够与波峰部分222一起限定连续波形的各种结构。本公开不受波谷部分224的结构和形状的约束或限制。
例如，波谷部分224可以具有近似平坦的直线形状。根据本公开的另一实施方式，波谷部分可以具有凹形形状或弯曲的曲线形状。
具体地，波峰部分222和波谷部分224可以在第一方向(X方向)上交替设置。
例如，多个波峰部分222可以设置成在第一方向(X方向)上以预设基准距离(节距)P彼此间隔开。在这种情况下，可以将波峰部分222之间的基准距离(节距)P限定为第一倾斜部分222a在第一方向(X方向)上的直线长度(底边的长度)、平坦部分222b在第一方向(X方向)上的长度、第二倾斜部分222c在第一方向(X方向)上的直线长度(底边的长度)以及波谷部分224在第一方向(X方向)上的直线长度的总和。
根据所需条件和设计规格，波形图案220可以以各种方式设置。特别地，通过局部加工(例如，压制)板体210的一部分，可以将波形图案220与板体210一体地设置。
更具体地，通过局部加工(例如，压制)板体210的一部分，可以在板体210的一个表面上设置波形图案220作为浮雕。此外，波形图案220可以具有与板体210相同的厚度。
因为如上所述，通过局部加工板体210的一部分来设置波形图案220，所以可以获得简化设置波形图案220的制造工艺并且降低其制造成本的有益效果。
根据本公开的另一实施方式，波形图案可以通过压铸或切割而设置在板体上。另选地，波形图案可以与板体分开制造，然后附接或联接到板体上。
沿波形图案220的横向端设置槽脊230。槽脊230的表面(与反应层相邻的最上表面)(未示出)与反应层100(反应层的气体扩散层)接触。
槽脊230可以具有能够与反应层100接触的各种结构。本公开不受槽脊230的形状和结构的限制或约束。
例如，槽脊230可以沿波形图案220的横向端连续设置，以便具有近似四边形的直块形状。根据本公开的另一实施方式，槽脊可以具有弯曲形状或其它形状。
根据本公开的实施方式，多个波形图案220和多个槽脊230可以在与第一方向(X方向)相交的第二方向(Y方向)上交替设置。
此外，可以将第二方向(Y方向)限定为在同一平面上与第一方向(X方向)相交的各种方向。具体地，可以将第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)限定为彼此垂直(正交)。
在下文中，将描述各个波形图案220的波峰部分222在第二方向(Y方向)上设置在同一条线C上的示例。
此外，根据所需条件和设计规格，槽脊230的宽度(在第二方向上的宽度)和槽脊230的高度(在隔膜的厚度方向上的高度)可以不同地改变。本公开不受槽脊230的高度和宽度的约束或限制。
根据所需条件和设计规格，可以以各种方式设置槽脊230。具体地，可以通过局部加工(例如，压制)板体210的一部分而与板体210一体地设置槽脊230。具体地，波形图案220和槽脊230可以通过单个工艺一起设置。
与波形图案220相同，可以通过局部加工板体210的一部分而在板体210的一个表面(面对反应层的表面)上设置槽脊230作为浮雕。槽脊230可以与波形图案220和板体210具有相同的厚度。
因为如上所述，通过局部加工板体210的一部分而设置槽脊230，所以可以获得简化设置槽脊230的制造工艺并且降低其制造成本的有益效果。
根据本公开的另一实施方式，槽脊可以通过压铸或切割而设置在台阶部分上。否则，槽脊可以与板体分开制造，然后附接或联接到板体。
反应通道221限定在板体210和反应层100之间，并设置在相邻的槽脊230之间。提供到隔膜200的反应气体可以沿反应通道221在第一方向(X方向)上流动。
如上所述，根据本公开的实施方式，提供到隔膜200的反应气体沿具有不平坦表面的波形图案220流动。因此，可以确保反应气体在隔膜200的平面方向(第一方向)上的流动，并提供反应气体在隔膜200的厚度方向(从隔膜朝向膜电极组件的第三方向)上的流动(图2和图3中的GF1)。因此，可以获得提高将物质传输到膜电极组件110的性能(反应气体的传输流量)以及提高燃料电池组10的性能和运行效率的有益效果。
具体地，在本公开的实施方式中，当反应气体流过波峰部分222时，反应气体的流动GF1被限定在从隔膜200到反应层100的方向上。结果，可以获得进一步提高将反应气体传输到反应层100的性能的有益效果。
参照图1至图2，根据本公开的实施方式，燃料电池的隔膜200可以包括冷却通道240，其设置在板体210的另一表面上并且被配置为允许冷却剂从中流过。
根据所需条件和设计规格，冷却通道240可以具有各种结构，并且本公开不受冷却通道240的限制或约束。
具体地，沿槽脊230的内部空间连续地限定冷却通道240。
在这种情况下，其中将冷却通道240限定为槽脊230的内部空间的配置可以理解为这样的构造，其中当槽脊230设置在板体210上时，冷却通道240被提供为设置在板体210的另一表面中以对应于槽脊230的空间(凹陷空间)。
因为如上所述，槽脊230和冷却通道240一起设置在板体210上，所以可以获得简化隔膜200的结构和制造隔膜200的工艺的有益效果。
具体地，至少两个板体210可以设置成彼此紧密接触，并且分别设置在板体210中的冷却通道240可以设置成彼此连通。
例如，两个板体210可以彼此紧密接触(板体的另一表面可以在彼此面对的同时彼此紧密接触)以限定不同的单元电池。分别设置在板体210中的冷却通道240可以在彼此连通的同时限定公共冷却通道(未示出)。
因为如上所述，两个冷却通道240彼此连通，所以可以提供具有进一步扩大的横截面积(例如，冷却通道的横截面积的两倍)的公共冷却通道，从而提高冷却剂的流动性。结果，可以获得提高由冷却剂实现的冷却性能和冷却效率的有益效果。
根据本公开的实施方式，用于燃料电池的隔膜200可以包括连接冷却通道250，其设置在板体210的另一表面中并且被配置为连接相邻的冷却通道240，使得相邻的冷却通道240彼此连通。
连接冷却通道250可以具有能够连接相邻冷却通道240，使得相邻冷却通道240彼此连通的各种结构。本公开不受连接冷却通道250的约束或限制。
根据本公开的实施方式，可以沿波峰部分222的内部空间限定连接冷却通道250。
在这种情况下，其中将连接冷却通道250限定为波峰部分222的内部空间的配置可以理解为这样的配置，其中当波峰部分222设置在板体210上时，冷却通道250被提供为设置在板体210的另一表面中以对应于波峰部分222的空间(凹陷空间)。因为如上所述，波峰部分222和连接冷却通道250一起设置在板体210上，所以可以获得简化隔膜200的结构和制造隔膜200的工艺的有益效果。
如上所述，在本公开的实施方式中，相邻的冷却通道240通过连接冷却通道250彼此连通，这使得可以进一步提高冷却剂的移动性。因此，可以获得进一步提高由冷却剂实现的冷却性能和冷却效率的有益效果。
其中，在本公开的实施方式中，连接冷却通道250横穿波峰部分222的内部空间，使得隔膜200的对应于波形通道的另一表面可以被直接冷却，这使得可以进一步提高由冷却剂实现的冷却性能和冷却效率。
此外，在本公开的实施方式中，因为不同冷却通道240通过连接冷却通道250彼此连通，所以沿不同冷却通道240流动的冷却剂可以通过连接冷却通道250彼此混合。因此，可以获得最小化沿不同冷却通道240流动的冷却剂之间的温度偏差并且将隔膜200的整个区域冷却到均匀温度的有益效果。
在以上示出和描述的本公开的实施方式中，已经描述了多个波形图案220和多个槽脊230在第二方向(Y方向)上交替设置，并且各个波形图案220的波峰部分222在第二方向(Y方向)上设置在同一条线C上的示例。然而，根据本公开的另一实施方式，各个波形图案的波峰部分可以在第二方向上设置在不同线上。
参照图4和图5，根据本公开的实施方式，多个波形图案220和多个槽脊230可以在第二方向(Y方向)上交替设置，并且各个波形图案220的波峰部分222可以在第二方向(Y方向)上设置在不同线上。
例如，构成多个波形图案220中的至少任何一个的波峰部分222可以基于第一线C1在第二方向(Y方向)上设置。构成多个波形图案220中的另一个的波峰部分222可以基于与第一线C1间隔开的第二线C2在第二方向(Y方向)上设置。
如上所述，在本公开的实施方式中，构成不同波形图案220的多个波峰部分222交替地设置在不同线上，从而可以促进反应通道之间的反应气体的流动(沿特定反应通道流动的反应气体可以经由气体扩散层平稳地流动到另一反应通道)。因此，可以进一步提高反应气体的反应效率，并且提高从反应层排出冷凝水的性能。结果，可以获得提高燃料电池组10的输出性能并且提高其稳定性和可靠性的有益效果。
此外，参照图4，因为各个波形图案220的波峰部分222在第二方向(Y方向)上设置在不同线上，所以沿波峰部分222的内部空间限定的连接冷却通道250也可以在第二方向(Y方向)上设置在不同线上。
如上所述，在本公开的实施方式中，沿各个波峰部分222的内部空间限定的连接冷却通道250交替地设置在不同线上。因此，可以获得在确保冷却剂在不同冷却通道240之间流动的同时，确保冷却剂在第一方向(X方向)上平稳流动(减小冷却通道之间的压差)的有益效果。
此外，在以上示出和描述的本公开的实施方式中，已经描述了构成波峰部分222的第一倾斜部分222a的第一角度θ1等于构成波峰部分222的第二倾斜部分222c的第二角度θ2的示例。然而，根据本公开的另一实施方式，构成波峰部分的第一倾斜部分的第一角度可以不同于构成波峰部分的第二倾斜部分的第二角度。
参照图6至图9，根据本公开的实施方式，构成波形图案220的波峰部分222’和222”分别包括第一倾斜部分222a’和222a”以及第二倾斜部分222c’和222c”。可以将第一倾斜部分222a’和222a”限定为分别具有第一角度θ1’和θ1”，并且可以将第二倾斜部分222c’和222c”限定为分别具有不同于第一角度θ1’和θ1”的第二角度θ2’和θ2”。
具体地，可以将第一倾斜部分222a’和222a”的第一角度θ1’和θ1”限定为小于第二倾斜部分222c’和222c”的第二角度θ2’和θ2”。
如上所述，在本公开的实施方式中，因为第一倾斜部分222a’和222a”的第一角度θ1’和θ1”小于第二倾斜部分222c’和222c”的第二角度θ2’和θ2”(例如，θ1’<θ2’)，所以可以最小化当反应气体与第一倾斜部分222a’和222a”接触时引起的反应气体的压力损失(压降)。此外，在反应气体经过第一倾斜部分222a’和222a”之后，反应气体可以更快地沿第二倾斜部分222c’和222c”流动。因此，可以获得提高移动(提供)反应气体的效率的有益效果。
更具体地，可以将第一倾斜部分222a’和222a”中的每一个的长度(或第一倾斜部分在第一方向上的直线长度)限定为比第二倾斜部分222c’和222c”中的每一个的长度(或第二倾斜部分在第一方向上的直线长度)更长。
因为如上所述的第一倾斜部分222a’和222a”中的每一个的长度比第二倾斜部分222c’和222c”中的每一个的长度更长，所以可以确保其中基本上在隔膜200的厚度方向(从隔膜朝向膜电极组件的第三方向)上产生反应气体的流动的足够区段。因此，可以获得进一步提高将物质传输到膜电极组件110的性能(反应气体的传输流量)的有益效果。
参照图8，根据本公开的实施方式，反应通道221可以包括：入口部分221a，通过其引入反应气体；中央部分221b，其限定在入口部分221a的下游侧；以及出口部分221c，其限定在中央部分221b的下游侧，并且被配置为允许反应气体通过其排出。波峰部分222可以设置在入口部分221a、中央部分221b和出口部分221c中的至少任何一个中。
在下文中，将描述在反应通道221的整个区段(例如，入口部分、中央部分和出口部分)中设置波峰部分222的示例。根据本公开的另一实施方式，波峰部分可以仅设置在反应通道的入口部分中，或者波峰部分可以仅设置在反应通道的出口部分中。另选地，可以仅在反应通道的入口部分和反应通道的出口部分中设置波峰部分，而不在反应通道的中央部分中设置波峰部分。
根据本公开的实施方式，多个波峰部分222可以设置为在第一方向(X方向)上彼此间隔开。可以将入口部分221a、中央部分221b和出口部分221c限定为在相邻的波峰部分222之间的基准距离彼此不同。
具体地，可以将波峰部分222之间的基准距离限定为朝向第一方向(X方向)的下游侧减小。例如，可以将基准距离限定为在从入口部分221a朝向出口部分221c的方向上减小。
例如，参照图9，波形图案220可包括：第一波峰部分222’，其被限定为具有第一基准距离P1；以及第二波峰部分222”，其基于第一方向(X方向)设置在第一波峰部分222’的下游侧并且被限定为具有比第一基准距离P1更短的基准距离P2。
这基于以下事实：反应气体的浓度基于第一方向(X方向)(例如，在从入口部分到出口部分的方向上)朝向反应通道221的下游侧降低。波峰部分222之间的基准距离基于第一方向(X方向)朝向反应通道221的下游侧减小(P1>P2)，即，波峰部分222以基于第一方向(X方向)朝向反应通道221的下游侧变短的间隔密集地设置，这使得可以调节穿过膜电极组件110的反应气体的流速(或流量)(例如，增加朝向反应通道的下游侧的反应气体的流速)。因此，可以获得在反应通道221的整个区段中均匀地保持反应效率和将物质传输到膜电极组件110的性能(反应气体的传输流量)的有益效果。
在上述实施方式中，已经描述了这样的示例，其中基于波峰部分222之间的基准距离(例如，P1或P2)针对反应通道221的每个区段调节将物质传输到膜电极组件110的性能(反应气体的传输流量)。然而，根据本公开的另一实施方式，可以基于波峰部分的基准高度针对反应通道的每个区段调节将物质传输到膜电极组件的性能。
根据本公开的实施方式，通过不同地限定构成波形图案220的波峰部分222’和222”的基准高度(例如，H1和H2)使得反应通道221的各个区段(例如，入口部分、中央部分和出口部分)的基准高度彼此不同，可以针对反应通道221的每个区段调节将物质传输到膜电极组件110的性能。
更具体地，参照图9，波形图案220可以包括：第一波峰部分222’，其设置在板体210的一个表面上，并且被限定为在板体210的厚度方向上具有第一基准高度H1；以及第二波峰部分222”，其设置在第一波峰部分222’的下游侧，在第一方向(X方向)上与第一波峰部分222’间隔开，并且被限定为具有不同于第一基准高度H1的第二基准高度H2。
具体地，可以将第二波峰部分222”的第二基准高度H2限定为大于第一波峰部分222’的第一基准高度H1。
因为如上所述，位于第一波峰部分222’的下游侧的第二波峰部分222”的第二基准高度H2大于第一波峰部分222’的第一基准高度H1，所以即使反应气体的浓度朝向反应通道221的下游侧降低，也可以调节穿过膜电极组件110的反应气体的流速(或流量)(例如，增加朝向反应通道的下游侧的反应气体的流速)。因此，可以获得在反应通道221的整个区段中均匀地保持反应效率和将物质传输到膜电极组件110的性能(反应气体的传输流量)的有益效果。
根据上述本公开的上述实施方式，可以获得提高燃料电池组的性能(输出)和运行效率的有益效果。
具体地，根据本公开的实施方式，可以获得提高传输反应气体的效率和待提供到膜电极组件(反应层)的反应气体的反应面积的有益效果。
其中，根据本公开的实施方式，可以获得在确保反应气体在隔膜的平面方向(第一方向)上的流动的同时，提供反应气体在隔膜的厚度方向(从隔膜朝向膜电极组件的第三方向)上的流动的有益效果。此外，可以获得进一步提高将物质传输到膜电极组件(反应层)的性能(传输反应气体的性能)的有益效果。
此外，根据本公开的实施方式，可以获得降低气体扩散层和隔膜之间的接触阻抗(电阻)并且提高燃料电池组的输出的有益效果。
此外，根据本公开的实施方式，可以获得简化结构和制造工艺以及降低制造成本的有益效果。
此外，根据本公开的实施方式，可以获得提高排出冷凝水和抑制溢流的性能的有益效果。
此外，根据本公开的实施方式，可以获得确保冷却剂的平稳流动并提高冷却性能和冷却效率的有益效果。
此外，根据本公开的实施方式，可以获得提高稳定性和可靠性的有益效果。
虽然上面已经描述了实施方式，但是这些实施方式仅是例示性的，而不旨在限制本公开。本领域技术人员能够理解，在不脱离本实施方式的固有特征的情况下，可以对本实施方式进行上面没有描述的各种变型和应用。例如，在实施方式中具体描述的各个组成元件可以进行变型然后实现。此外应当理解，与变型和应用相关的差异包括在由所附权利要求限定的本公开的范围内。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年10月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2022-0131791的优先权和权益，该韩国专利申请的整体内容通过引用合并于本文中。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池的隔膜，所述隔膜层叠在包括膜电极组件MEA的反应层上，所述隔膜包括：
板体，所述板体层叠在所述反应层上；
波形图案，所述波形图案设置在所述板体的面对所述反应层的一个表面上，所述波形图案被配置为限定反应通道，所述反应通道设置在所述反应层和所述板体之间并且在提供反应气体的第一方向上设置，使得所述反应气体沿所述反应通道流动；以及
槽脊，所述槽脊沿所述波形图案的横向端设置并且设置成与所述反应层接触。
2.根据权利要求1所述的隔膜，其中，所述波形图案包括：
波峰部分，所述波峰部分从所述板体的面对所述反应层的一个表面突出；以及
波谷部分，所述波谷部分基于所述第一方向连接到所述波峰部分的端部，并且被配置为与所述波峰部分一起限定连续波形。
3.根据权利要求2所述的隔膜，其中，所述波峰部分包括：
第一倾斜部分，所述第一倾斜部分被配置为将所述反应气体导向所述反应层；以及
第二倾斜部分，所述第二倾斜部分设置在所述第一倾斜部分的下游侧，并且被配置为将已经穿过所述第一倾斜部分的所述反应气体导向所述板体。
4.根据权利要求3所述的隔膜，其中，所述第一倾斜部分被限定为相对于所述板体具有第一角度，并且所述第二倾斜部分被限定为相对于所述板体具有第二角度，所述第二角度不同于所述第一角度。
5.根据权利要求4所述的隔膜，其中，所述第一角度小于所述第二角度。
6.根据权利要求3所述的隔膜，其中，所述波峰部分包括设置在所述第一倾斜部分和所述第二倾斜部分之间的平坦部分。
7.根据权利要求2所述的隔膜，其中，所述波形图案设置为多个波形图案，所述槽脊设置为多个槽脊，并且所述多个波形图案和所述多个槽脊在与所述第一方向相交的第二方向上交替设置。
8.根据权利要求7所述的隔膜，其中，所述波峰部分在所述第二方向上设置在同一条线上。
9.根据权利要求7所述的隔膜，其中，所述波峰部分在所述第二方向上设置在不同线上。
10.根据权利要求2所述的隔膜，所述隔膜包括：
冷却通道，所述冷却通道设置在所述板体的另一表面中并且被配置为允许冷却剂从该冷却通道中流过。
11.根据权利要求10所述的隔膜，其中，沿所述槽脊的内部空间限定所述冷却通道。
12.根据权利要求10所述的隔膜，所述隔膜包括：
连接冷却通道，所述连接冷却通道设置在所述板体的另一表面中，并且被配置为连接相邻的冷却通道，使得所述相邻的冷却通道彼此连通。
13.根据权利要求12所述的隔膜，其中，沿所述波峰部分的内部空间限定所述连接冷却通道。
14.根据权利要求2所述的隔膜，其中，所述波峰部分设置为多个波峰部分，并且所述多个波峰部分在所述第一方向上以预设基准距离彼此间隔开。
15.根据权利要求2所述的隔膜，其中，所述反应通道包括：
入口部分，通过所述入口部分引入所述反应气体；
中央部分，所述中央部分限定在所述入口部分的下游侧；以及
出口部分，所述出口部分限定在所述中央部分的下游侧，并且被配置为允许所述反应气体通过该出口部分排出，并且
其中，所述波峰部分设置在所述入口部分、所述中央部分和所述出口部分中的至少任何一个中。
16.根据权利要求15所述的隔膜，其中，所述波峰部分设置为多个波峰部分，并且所述多个波峰部分在所述第一方向上彼此间隔开，并且
其中，所述入口部分、所述中央部分和所述出口部分被限定为在相邻的波峰部分之间的基准距离方面彼此不同。
17.根据权利要求16所述的隔膜，其中，所述基准距离基于所述第一方向朝向所述下游侧减小。
18.根据权利要求2所述的隔膜，其中，所述波峰部分被限定为在作为所述板体的厚度方向的第三方向上具有预设基准高度。
19.根据权利要求2所述的隔膜，其中，所述波形图案包括：
第一波峰部分，所述第一波峰部分设置在所述板体的一个表面上，并且被限定为在作为所述板体的厚度方向的第三方向上具有第一基准高度；以及
第二波峰部分，所述第二波峰部分在所述第一方向上与所述第一波峰部分间隔开，设置在所述第一波峰部分的下游侧，并且被限定为具有不同于第一基准高度的第二基准高度。
20.根据权利要求19所述的隔膜，其中，所述第二基准高度大于所述第一基准高度。
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