燃料電池用空冷式金屬分離板及利用該分離板的燃料電池堆棧的製作方法

2023-05-12 21:55:56

專利名稱：燃料電池用空冷式金屬分離板及利用該分離板的燃料電池堆棧的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池用金屬分離板(Metal S印arator)，更具體地涉及一種通過空氣冷卻方式，無需供應冷卻水，能夠適用用於支撐空氣的移動通道及分離板的非連續的墊片(gasket)的空冷式金屬分離板。
背景技術：
燃料電池(Fuel Cell)是指，將因燃料氧化而產生的化學能直接轉化為電能的電池。針對近來，為了克服化石燃料的枯竭問題，二氧化碳等造成的溫室效應以及全球變暖等問題，正在進行太陽能電池等諸多研究。通常，燃料電池利用氫氣與氧氣的氧化、還原反應來將化學能轉化為電能。在負極，氫氣被氧化而分離成氫離子與電子，氫離子通過電解質移動到正極。此時，電子通過電路移動至正極。在正極發生由氫離子、電子及氧氣進行反應而成為水的還原反應。燃料電池的單位電池(Unit Cell)由於電壓低而導致實用性降低，因此通常將數個甚至數百個單位電池層壓使用。在層壓單位電池時，促使在各個單位電池之間形成電連接，並起到分離出反應氣體的作用的正是分離板(Separator)，而連接多個該分離板的通常被稱為燃料電池堆棧(Mack)。以往的燃料電池用分離板是通過對石墨(Graphite)根據其流路形成進行銑削加工而製成的。在這種情況下，石墨材質的分離板佔整個堆棧的百分比為，費用佔50%以上， 重量則佔80%以上。因此，石墨材質的分離板具有費用高、體積大等問題。為了克服上述石墨材質的分離板中所存在的問題，開發出了金屬材質的金屬分離板，金屬分離板具有容易加工、能降低製造單價等的各種優點。普通的燃料電池用金屬分離板如下。首先，在矩形形態的金屬板的中心部形成反應氣體通道及冷卻水通道，並形成包圍這些通道的周邊的墊片。通常，包括反應氣體通道與冷卻水通道而稱為通道部。通常，反應氣體通道經過衝壓工序從金屬板的前表面向背面突出而形成，冷卻水通道則利用向金屬板的背面突出的反應氣體通道之間的區域形成。如此形成的通道部的結構，使得反應氣體在金屬板的前表面上流動，使得冷卻水在金屬板的背面上流動。由此，還將金屬板的前表面稱為反應氣體流動面，將金屬板的背面稱為冷卻水流動面。採用這種結構的金屬分離板作為水冷式(water-cooled)金屬分離板結構，流入位於通道部的一側的冷卻水流入歧管的冷卻水一邊通過冷卻水通道，一邊對由於燃料電池工作時的活性損耗(activation loss)、正極的還原反應及焦耳加熱(Joule Heating)等原因而產生的熱進行冷卻。冷卻水經過上述冷卻過程後，通過位於通道部的另一側的冷卻水排出歧管，向分離板外部排出。採用這種水冷式金屬分離板的情況下，為了冷卻燃料電池工作時產生的熱，應持續向金屬分離板供應冷卻水。這種情況下，需要用於供應冷卻水的泵、離子去除器、熱交換器等裝置，由此導致燃料電池系統的製造費用增加。為了改善這些水冷式金屬分離板中存在的問題，對空冷式金屬分離板進行了持續的研究。另一方面，就現有的空冷式分離板而言，通過加工石墨分離板的冷卻面，來製作空氣的流入/排出部。但這種情況下，存在隨著分離板的體積變大，堆棧的體積也隨之變大的缺點。並且，就對金屬薄板進行成型而製成的分離板而言，存在很難另行製作類似石墨的冷卻流路的缺點。因此，需要提出一種在製造工序中能夠容易實現能夠讓作為冷卻流體的空氣順暢地流入/排出的結構的方法。

發明內容
技術問題本發明的一個目的是提供一種空冷式金屬分離板，該空冷式金屬分離板通過非連續的墊片結構，不需要用於對當燃料電池工作時產生的熱進行冷卻的冷卻水，能夠實現分離板的空冷。本發明的再一個目的是提供一種燃料電池堆棧，該燃料電池堆棧由上述空冷式金屬分離板和膜-電極組件(Membrane Electrode Assembly, MEA)依次層壓而形成，具有有效的冷卻結構。技術解決方案為了達到上述一個目的，本發明的一個實施例的燃料電池用空冷式金屬分離板， 其特徵在於，包括通道部，其在金屬板的中心部包括反應氣體通道和空氣流路，上述反應氣體通道從前表面向背面突出而形成，上述空氣流路形成於向背面突出的上述反應氣體通道之間；第一墊片，其連續地形成於上述通道部的前表面的邊部；以及第二墊片，其非連續地形成於上述通道部的背面的邊部，以使上述非連續的部分成為空氣的移動通路。此時，上述燃料電池用空冷式金屬分離板包括反應氣體流入歧管和反應氣體排出歧管的反應氣體歧管分別以開口的形態形成在上述金屬板的兩側邊緣，上述反應氣體流入歧管向上述反應氣體通道導入反應氣體，上述反應氣體排出歧管排出已通過上述反應氣體通道的反應氣體，並且，上述燃料電池用空冷式金屬分離板還可包括第三墊片，該第三墊片連續地形成於上述反應氣體流入歧管和反應氣體排出歧管的前表面和背面的邊部。為了達到上述再一個目的，本發明的一個實施例的燃料電池堆棧，其特徵在於，該燃料電池堆棧由上述空冷式金屬分離板及膜-電極組件(Membrane Electrode Assembly, MEA)依次層壓而形成。為了達到上述再一個目的，本發明的再一個實施例的燃料電池堆棧，其特徵在於， 該燃料電池堆棧通過由兩個上述空冷式金屬分離板以各自的前表面相向的形態接合而成的分離板構造物和膜-電極組件(MEA)依次層壓而形成。發明的效果本發明的空冷式金屬分離板，具有能夠通過非連續的墊片實現分離板的空冷，不需要用於對當燃料電池工作時生成的熱進行冷卻的冷卻水的優點。並且，由本發明的將空冷式金屬分離板及膜-電極組件(Membrane ElectrodeAssembly, MEA)依次層壓而形成的燃料電池堆棧，由於在上述空冷式金屬分離板的空氣流動面配置用於防止金屬本體的變形並確保空氣移動通路的非連續的墊片，因而具有實現有效的冷卻結構的優點。


圖1至圖4簡要表示本發明的一個實施例的燃料電池用空冷式金屬分離板。圖5及圖6表示本發明的一個實施例的空冷式金屬分離板的前表面及背面。圖7至圖12表示適用本發明的空冷式金屬分離板的燃料電池堆棧的例子。圖13是表示多層空冷式金屬分離板結構體的例子的側視圖。
具體實施例方式以下，參照附圖具體說明本發明的燃料電池用空冷式金屬分離板及利用該分離板的燃料電池堆棧。在說明過程中，為了說明的明確性及便利性，附圖所示出的線條的厚度或結構要素的大小等會有所放大。並且，本發明所使用的術語是鑑於其在本發明中的功能而進行定義的術語，對這些術語的解釋會因使用者、運用者的用意或慣例而異。因此，關於這些術語的定義，應基於本說明書的整體內容而定。圖1至圖4簡要表示本發明的一個實施例的燃料電池用空冷式金屬分離板。本發明的空冷式金屬分離板包括通道部210、第一墊片220以及第二墊片230。通道部210在金屬板201的中心部包括反應氣體通道20 和空氣流路202b，上述反應氣體通道20 從前表面201a向背面201b突出而形成，上述空氣流路202b形成於向背面201b突出的上述反應氣體通道20 之間。第一墊片220為了賦予反應氣體通道20 的氣密性，連續地形成於上述通道部 210前表面201a的邊部。第二墊片230為了實現空氣在空氣流路202b的流動以及在層壓時支撐金屬分離板，非連續地形成於通道部210背面201b的邊部。圖1至圖4表示根據供反應氣體流動的金屬分離板的長度方向的寬度方向截面。參照圖1，在通道部210兩側邊部的前表面201a形成有第一墊片220，在通道部 210兩側邊部的背面201b形成有第二墊片230。參照圖2及圖3，在通道部210兩側邊部的前表面201a形成有第一墊片220，僅在通道部210 —側邊部的背面201b形成有第二墊片230。參照圖4，在通道部210兩側邊部的前表面201a形成有第一墊片220，在通道部 210兩側邊部的背面201b未形成有第二墊片230。S卩，形成於通道部210兩側邊部的前表面201a的第一墊片220用於實現氣密性， 因此應沿著金屬分離板的長度方向連續地形成。相反，形成於通道部210兩側邊部的背面201b的第二墊片230，根據空冷式的特性，可有可無。但完全未形成有第二墊片230的情況下，為了製造燃料電池堆棧而將金屬分離板和膜-電極組件依次層壓時，由於無法支撐通道部的邊部部分，因而導致金屬分離板的變形。由此，第二墊片230非連續地形成於通道部210兩側邊部的背面201b，而在不妨礙空氣在空氣流路的流動的同時支撐金屬分離板。如此非連續地形成的第二墊片230，能夠沿著金屬分離板的長度方向，向兩側對稱地形成，但也可以沿著金屬分離板的長度方向，向兩側非對稱地形成。以往的水冷式金屬分離板為了對由於燃料電池工作時的活性損耗(activation loss)、正極的還原反應及焦耳加熱(Joule Heating)等原因而生成的熱進行冷卻，應持續向冷卻水通道供應冷卻水。但本發明的空冷式金屬分離板由於通過空氣實現冷卻，因而無需供應冷卻水，並且分離板背面的墊片的形成目的不在於賦予氣密性，而在於支撐分離板來防止分離板的變形。在分離板背面的墊片中，非連續的部分成為空氣的移動通路。圖5及圖6表示本發明的一個實施例的空冷式金屬分離板的前表面及背面。首先，參照圖5，該圖表示供反應氣體流動的空冷式金屬分離板的前表面，在矩形形態的金屬板310的中心部形成通道部，該通道部包括反應氣體通道340及空氣流路345， 並且連續地形成包圍通道部周邊的邊部的第一墊片331。在這裡，圖5及圖6中省略了矩形形態的金屬板310在長度方向上的一部分。反應氣體通道340通過衝壓工序形成為從金屬板的前表面向背面突出的形態，空氣流路345形成於背面的反應氣體通道340之間，包括反應氣體通道340及空氣流路345 而形成通道部。空氣流路345利用向金屬板310的背面突出的反應氣體通道340之間的區域而形成或者通過衝壓工序以使得反應氣體通道340之間的部分向金屬板310的前表面突出的方式形成。通過上述通道部的結構，反應氣體在金屬板310的前表面上流動，空氣在金屬板的背面上流動。接著，參照圖6，該圖表示供空氣流動的空冷式金屬分離板的背面，與圖5的結構幾乎相同，在通道部的兩側非連續的形成有第二墊片332。第一墊片331是為了實現反應氣體的氣密性而連續地形成，而第二墊片332並不要求氣密性，它的目的在於支撐分離板，因此非連續地形成。圖6表示非連續地形成的第二墊片332向通道部的兩側對稱地形成的例子，但還可以非對稱地形成。另外，參照圖5及圖6，包括向反應氣體通道340導入反應氣體的反應氣體流入歧管和用於從反應氣體通道340排出反應氣體的反應氣體排出歧管的反應氣體歧管分別以開口的形態形成在通道部的長度方向的兩側，其中，上述反應氣體流入歧管形成在通道部的長度方向的一側，上述反應氣體排出歧管形成在通道部的長度方向的另一側。本發明涉及一種空冷式金屬分離板，因此不需要以往的冷卻水流入歧管或冷卻水排出歧管。具體而言，反應氣體流入歧管分割形成有氧氣流入歧管320及氫氣流入歧管328， 並且，在氧氣流入歧管320或氫氣流入歧管328與通道部之間形成有反應氣體流入孔325。 同樣，反應氣體排出歧管分割形成有氧氣排出歧管360及氫氣排出歧管368，並且，在氧氣排出歧管360或氫氣排出歧管368與通道部之間形成有反應氣體排出孔365。形成於上述反應氣體流入歧管的氧氣流入歧管320及氫氣流入歧管328，能夠在金屬板310形成事先分割的開口部，並利用該開口部而分割形成，或者藉助用於形成各自的歧管的、一體化的高分子模具結構而分割形成。這同樣適用於形成於反應氣體排出歧管的氧氣排出歧管360和氫氣排出歧管368的分割形成。並且，在反應氣體流入歧管和反應氣體排出歧管的前表面及背面的邊部，連續地形成有第三墊片333，以密封氧氣和氫氣。第三墊片333能夠採用與第一墊片331或第二墊片332相同的材質，為了形成墊片而進行注塑成型時，能夠與第一墊片331或第二墊片332 同時形成。圖7至圖12表示適用本發明的空冷式金屬分離板的燃料電池堆棧的例子。圖7至圖10表示由一個空冷式金屬分離板和膜-電極組件(Membrane Electrode Assembly, MEA)依次層壓而形成的燃料電池堆棧，圖11及圖12表示通過由兩個空冷式金屬分離板以各自的前表面相向的形態接合而成的分離板構造物和膜-電極組件(MEA)依次層壓而形成的燃料電池堆棧。參照圖7及圖8，燃料電池堆棧由金屬分離板410和膜-電極組件420依次層壓而形成。在金屬分離板410中，在供反應氣體及空氣流動的通道部的邊部形成墊片，在分離板410的前表面形成有連續的第一墊片413，在分離板410的背面形成有非連續的第二墊片 414。圖7表示形成有第二墊片414，圖8表示未形成有第二墊片414。如上所述，形成於分離板的前表面的第一墊片413為了向反應氣體通道411賦予氣密性，來密封反應氣體，因而連續地形成；形成於分離板的背面的第二墊片414為了起到不妨礙通過空氣流路412的開放進行的空氣流動的同時支撐膜-電極組件420的作用，因而非連續地形成。圖7及圖8表示因第一墊片413而在反應氣體通道411之間存在通路的例子，圖9 及圖10表示通過最大限度地減少第一墊片413的厚度而使反應氣體通道411之間不存在通路的例子。在反應氣體通道411之間不存在通路的結構，除了藉助用於形成反應氣體通道 411的、從金屬板的前表面向背面進行的衝壓工序之外，還可以藉助用於形成空氣流路的、 從背面向前表面進行的衝壓來實現。反應氣體通道411之間存在通路的情況或者封閉各個反應氣體通道411的情況，根據金屬分離板的具體使用環境而不同。雖然未在附圖中示出，但還能夠在金屬分離板410的前表面和膜-電極組件420 之間包括作為多孔介質的氣體擴散層(Gas Diffusion Layer)，該氣體擴散層將通過反應氣體通道411流動的反應氣體均勻地分散至膜-電極組件420表面。圖11及圖12表示通過由兩個空冷式金屬分離板410a、410b以各自的前表面相向的形態接合而成的分離板構造物和膜-電極組件420依次層壓而形成的燃料電池堆棧。圖 11表示因第一墊片413而在藉助兩個金屬分離板410接合而形成的反應氣體通道411之間存在通路的例子，圖12表示通過最大限度地減少第一墊片413的厚度而使反應氣體通道 411之間不存在通路的例子。如上所述，在反應氣體通道411之間不存在通路的結構能夠藉助墊片的厚度實現，並且除了藉助用於形成反應氣體通道411的、從金屬板的前表面向背面進行的衝壓工序的方法之外，還可以藉助用於形成空氣流路的、從背面向前表面的衝壓來實現。反應氣體通道411之間存在通路的情況或者封閉各個反應氣體通道411的情況， 根據金屬分離板的具體使用環境而不同。圖13是表示多層的空冷式金屬分離板結構體的例子的側視圖。
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參照圖13，圖示的多層的空冷式金屬分離板結構體，從其下部依次形成有連續的第一墊片510、金屬本體501、非連續的第二墊片520、金屬本體501、連續的第一墊片510、金屬本體501、非連續的第二墊片520、金屬本體501及連續的第一墊片510。在這裡，如上所述，第一墊片510為了向通道部賦予氣密性而連續地形成。相反， 與第一墊片510不同，第二墊片520非連續地形成，而向一個第二墊片與另一個第二墊片之間提供流路A。由此，形成有第二墊片520的部分起到支撐分離板的作用，未形成有第二墊片520 的部分起到能夠使空氣流動的流路的作用。這種多層結構體能夠通過接合四個金屬分離板而形成，這種情況下，一個金屬分離板的第一墊片與另一個金屬分離板的第一墊片接合，一個金屬分離板的第二墊片與另一個金屬分離板的第二墊片接合。如上所述，本發明的燃料電池用空冷式金屬分離板不需要用於驅動燃料電池時產生的熱進行冷卻的冷卻水，能夠降低燃料電池的製造費用和驅動費用。並且，本發明的依次層壓空冷式金屬分離板和膜-電極組件(MEA)而形成的燃料電池堆棧，在上述空冷式金屬分離板的空氣流動面配置非連續的墊片，從而能夠防止金屬本體的變形，並且通過墊片的非連續部分，確保空氣的移動通路。這種結構能夠通過對以往的水冷式金屬分離板的墊片結構進行變更而容易實現。以上，參照附圖所示出的實施例對本發明進行了說明，但這隻作為示例性說明，本發明所屬技術領域的普通技術人員應當理解，可以根據本發明進行各種變形及均等的其他實施例。因此，本發明的真正的技術保護範圍應由權利要求書限定。
權利要求
1.一種空冷式金屬分離板，其特徵在於，包括通道部，其在金屬板的中心部包括反應氣體通道和空氣流路，上述反應氣體通道從前表面向背面突出而形成，上述空氣流路形成於向背面突出的上述反應氣體通道之間；第一墊片，其連續地形成於上述通道部的前表面的邊部；以及第二墊片，其非連續地形成於上述通道部的背面的邊部，以使上述非連續的部分成為空氣的移動通路。
2.根據權利要求1所述的空冷式金屬分離板，其特徵在於，包括反應氣體流入歧管和反應氣體排出歧管的反應氣體歧管分別以開口的形態形成在上述金屬板的兩側邊緣，上述反應氣體流入歧管向上述反應氣體通道導入反應氣體，上述反應氣體排出歧管排出已通過上述反應氣體通道的反應氣體。
3.根據權利要求2所述的空冷式金屬分離板，其特徵在於，還包括第三墊片，該第三墊片連續地形成於上述反應氣體流入歧管和反應氣體排出歧管的前表面和背面的邊部。
4.根據權利要求2所述的空冷式金屬分離板，其特徵在於，在上述通道部與上述反應氣體流入歧管之間形成有反應氣體流入孔；在上述通道部與上述反應氣體排出歧管之間形成有反應氣體排出孔。
5.根據權利要求2所述的空冷式金屬分離板，其特徵在於，上述反應氣體流入歧管及上述反應氣體排出歧管分別分成氧氣用歧管和氫氣用歧管。
6.一種燃料電池堆棧，其特徵在於，該燃料電池堆棧由如權利要求1至5中任一項所述的金屬分離板及膜-電極組件依次層壓而形成。
7.一種燃料電池堆棧，其特徵在於，該燃料電池堆棧通過由兩個以上如權利要求1至 5中任一項所述的金屬分離板以各自的前表面或背面相向的形態接合而成的分離板構造物和膜-電極組件依次層壓而形成。
全文摘要
本發明涉及一種無需冷卻水的空冷式金屬分離板。本發明的空冷式金屬分離板，其特徵在於，包括通道部，其在金屬板的中心部包括反應氣體通道和空氣流路，上述反應氣體通道從前表面向背面突出而形成，上述空氣流路形成於向背面突出的上述反應氣體通道之間；第一墊片，其連續地形成於上述通道部的前表面的邊部；以及第二墊片，其非連續地形成於上述通道部的背面的邊部，以使上述非連續的部分成為空氣的移動通路。
文檔編號H01M8/02GK102473928SQ200980160733
公開日2012年5月23日 申請日期2009年8月4日 優先權日2009年7月31日
發明者全俞鐸, 金基貞 申請人:現代Hysco株式會社