燃料電池用多孔隔板的製作方法

2023-10-31 03:37:42 3

專利名稱：燃料電池用多孔隔板的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池用多孔隔板。更具體地，本發明涉及一種多孔隔板，其具有引起反應氣體的湍流的形狀，並具有使用性優異的改進結構。
背景技術：
參照示出燃料電池組的傳統結構的圖6，膜電極組件(MEA)布置在燃料電池組的中間。該MEA包括允許氫質子通過的聚合物電解質膜10，以及陰極12和陽極14，該陰極12和陽極14為塗布在電解質膜兩側的催化劑層，使得氫氣和氧氣相互反應。同時，氣體擴散層(GDL) 16堆疊在電極膜即陰極12和陽極14的外側，並且其中形成有流場的隔板20布置在氣體擴散層16的外側，以提供燃料並排出由反應產生的水，同時允許墊片(gasket) 18置於隔板20之間。端板30布置在燃料電池組的最外側，以支撐並固定上述部件。在燃料電池組的陽極14內，進行氫氣的氧化反應以產生質子和電子，該質子和電子分別通過聚合物電解質膜10和隔板20移動到陰極12。來自陽極14的質子、電子以及空氣中的氧氣在陰極12中發生電化學反應產生水，並且同時由電子的流動產生電能。通常，隔板20可具有如下結構，其中重複布置平臺(land)(由氣體擴散層和起到流體流路作用的通道(流場)緊密支撐)。具體地，由於典型的隔板具有平臺和通道(流場)重複地彎曲的結構，在面向氣體擴散層的一側的通道用作反應氣體例如氫氣和空氣流動的空間，並且在相對側的通道用作冷卻水流動的空間。因此，一個單元電池可包括兩個隔板，一個隔板具有用於氫氣/冷卻水的通道，並且另一個隔板具有用於氧氣/冷卻水的通道。例如，韓國專利申請公開第10-2011-0091520號(2011年9月9日)教導了一種多孔隔板，其中反應氣體形成湍流，並且比典型的隔板更容易擴散到氣體擴散層中。下文中，將參照圖5和圖6對其進行詳細說明。在上述專利申請中，使用蝕刻工藝在金屬板上形成多個流孔，然後使用模具進行壓制工藝，該模具具有浮雕形狀，其中重複形成凸部和凹部。如圖5所示，通過該工藝製備的多孔隔板20具有布置成之字形並且穿透多孔隔板20的多個流孔23。同時，緊密附著至平板24的凸部21和緊密附著至氣體擴散層16的凹部22b形成為之字形。在這種情況下，平板24起到用於氫氣或氧氣通道的密封隔板的作用，並且一個電池中包括的平板24與另一電池中包括的平板24之間的空間變為由墊片等密封的冷卻水通道。因此，反應氣體可以沿凸部和凹部在垂直和水平方向上流動，同時通過多孔隔板的流孔，對反應氣體引起湍流。通過向氣體擴散層輸送湍流中的反應氣體，結果反應氣體的擴散得以增加，從而提高了燃料電池的性能。然而，由於在該上述多孔隔板中，不僅流孔，而且凸部和凹部都形成為之字形，多孔隔板的整體形狀和結構非常複雜，導致製造壓制模具更加困難且製造成本更高。因此，大大需要提供相似結果的更加簡單的設計。
上述在該背景技術部分公開的信息僅用於增強對本發明背景的理解，因此其可能含有不構成在該國本領域普通技術人員已經知曉的現有技術的信息。

發明內容
本發明提供燃料電池用多孔隔板，該隔板對反應氣體引起湍流，因形狀簡單而易於製造，並可減少反應氣體的流阻。一方面，本發明提供一種燃料電池用多孔隔板，包括:流板，其可具有向上傾斜且具有多個流孔的第一流面和向下傾斜且具有多個流孔的第二流面，並且緊密附著至燃料電池的氣體擴散層的外表面，該第一流面和第二流面沿流板的縱向重複布置。多孔隔板還可包括與流板的外表面連接的平板，以密封起到氫氣或空氣通道作用的流板。在示例性實施方式中，當組成燃料電池的多個電池堆疊在彼此之上時，各個電池的平板之間的間隙可起到冷卻水通道的作用。同時，形成在流板的第一流面中的流孔以及形成在流板的第二流面中的流孔布置成之字形。在一些示例性實施方式中，第一流面和第二流面可互相連接以形成波形部分。本發明的其它方面和示例性實施方式在下面進行說明。


現在將參考附示的本發明的某些示例性實施方式來詳細地描述本發明的上述和其它特徵，下文給出的這些實施方式僅僅用於示例說明，因此不是對本發明的限制，其中:圖1為示出根據本發明的示例性實施方式的燃料電池用多孔隔板的透視圖；圖2為示出根據本發明的示例性實施方式的燃料電池用多孔隔板的俯視圖；圖3為示出根據本發明的示例性實施方式的燃料電池用多孔隔板的傾視圖；圖4為示出根據本發明的示例性實施方式的裝配成燃料電池組的燃料電池用多孔隔板的透視圖；圖5為示出相關的燃料電池用多孔隔板的示意圖；並且圖6為示出燃料電池組的傳統結構的示意圖。附圖中提到的附圖標記包括對如下進一步說明的下列元件的參考，:10:電解質膜12:陰極14:陽極16:氣體擴散層18:墊片20:隔板21:凸部22:凹部23:流孔24:平板30:端板
40:流板41:第一流面42:第二流面43:流孔50:平板52:冷卻介質通道應當理解到，所附的附圖並非必然是按比例的，其說明了本發明基本原理的各種優選特徵的一定程度上簡化的代表。本文公開的本發明的具體設計特徵，包括，例如，具體大小、方向、位置和形狀將部分取決於具體的既定用途和使用環境。在附圖中，附圖標記在幾張圖中通篇指代本發明的相同或等同部件。
具體實施例方式下面將詳細地參照本發明的各個實施方式，其實施例圖示在所附附圖中，並在下文加以描述。儘管將結合示例性實施方式描述本發明，但應當理解，本說明書無意於將本發明局限於這些示例性實施方式。相反，本發明不僅要涵蓋這些示例性實施方式，還要涵蓋由所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內的各種替代形式、修改、等效形式和其它實施方式。應理解，本文使用的術語「車輛」或「車輛的」或其它類似術語包括通常的機動車，例如，包括多功能運動車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務車的客車，包括各種船隻和船舶的水運工具，飛行器等等，並且包括混合動力車、電動車、插入式混合電動車、氫動力車和其它代用燃料車(例如，來源於石油以外的資源的燃料)。如本文所提到的，混合動力車是具有兩種或多種動力源的車輛，例如，具有汽油動力和電動力的車輛。下面討論本發明的上述和其它特徵。在下文中，將參照附圖詳細描述本發明的示例性實施方式。圖1為示出根據本發明的示例性實施方式的燃料電池用多孔隔板的透視圖。圖2為示出根據本發明的示例性實施方式的燃料電池用多孔隔板的俯視圖。圖3為示出根據本發明的示例性實施方式的燃料電池用多孔隔板沿線A-A和B-B的側視圖。如圖1至3所示，根據本發明的實施方式的多孔隔板可包括流板40，其中以拋物線方式向上傾斜的第一流面41和向下傾斜第二流面42沿縱向(氣流方向)重複布置。更具體地，向上傾斜的第一流面向上升直至與第二流面交會，從而形成由多個拋物線形構成的連續正弦曲線形狀。更具體地，流板40可製備成具有如下結構，其中向上傾斜的第一流面41和向下傾斜的第二流面42沿流板40的縱向重複布置，該向上傾斜的第一流面41具有穿透第一流面41的多個流孔43，並且該向下傾斜的第二流面42具有穿透第二流面42的多個流孔43。可經由通過化學刻蝕或機械衝壓使多個流孔穿透金屬平板的工藝，和在壓制模具中壓制具有流孔的金屬板的工藝來製造流板40。在壓制工藝後，流板40可具有如下結構，其中向上傾斜的第一流面41和向下傾斜的第二流面42重複布置以形成波形結構。因此，流板必須由能夠模壓成型的材料製成，例如鋁，或其它任何可模製的材料。可以將在流板40的第一流面41中形成的流孔43以均勻的間隔沿第一流面41的緯向布置，並且也可以將第二流面42中形成的流孔43以均勻的間隔沿第一流面41的緯向布置。在這種情況下，第一流面41的流孔43和第二流面42的流孔43可以沿流板40的縱向布置成之字形。流板40可緊密附著至氣體擴散層(圖4中16)的外表面，以起到氫氣或空氣通道的作用，氫氣或空氣流過該通道。當流板40起到氫氣或空氣通道的作用時，密封流板40，使得氫氣或空氣不洩漏到通道外側。為此，隔板20可包括平板50，其由金屬形成並且堆疊在流板40的外表面上並與其連接。因此在本發明的示例說明的實施方式中，由於隔板20的結構形成為波形，流過其中的氫氣或空氣有效地形成湍流，同時提供了可成本效益更高地製造並且不需要使用模具的更簡單的設計。圖4示出根據本發明的示例性實施方式的裝配成燃料電池組的多孔隔板。如圖4所示，當陰極12和陽極14布置在聚合物電解質膜10的兩個表面上以起到氫氣和氧氣在其中相互反應的催化劑層的作用，並與氣體擴散層16在其外側連接時，構成隔板20的流板40可堆疊在氣體擴散層16上。在這種情況下，流板40的向上傾斜的第一流面41和向下傾斜的第二流面42彼此連接的部分(波形結構的最低點)可與氣體擴散層16線性接觸。之後，構成隔板20的平板50可堆疊在流板40的外側。更具體地，平板50可與流板40的向上傾斜的第一流面41和向下傾斜的第二流面42彼此連接的部分(波形結構的最高點)線性接觸，從而形成燃料電池組的一個電池，即，單元電池。燃料電池組可包括數十或數百堆疊在彼此之上的單元電池。當多個電池堆疊形成燃料電池時，各個電池的平板50之間的間隙起到冷卻介質通道52的作用，該通道由墊片(未示出)密封。因此，當從燃料電池組的陰極向陽極供應空氣或氫氣時，空氣或氫氣可沿流板40的第一流面41向上流動，然後沿第二流面42向下流動，從而造成垂直方向的流動。同時，空氣或氫氣可流過第一流面41的流孔43然後流過第二流面42的流孔43，同時分成左流和右流，從而造成水平方向的流動。因此，上述多孔隔板的有效結果是通過氫氣或空氣通道的湍流路徑。也就是說，由於空氣或氫氣沿第一流面41和第二流面42在垂直方向上流動，並且同時沿第一流面41和第二流面42的流孔43在水平方向上流動，生成了反應氣體(即氫氣和空氣)的湍流，從而增加了反應氣體向氣體擴散層中的擴散。同時，用於冷卻電池組的冷卻介質流過各個電池的平板50之間的冷卻介質通道52。有利地，由於根據本發明的實施方式的隔板具有如下結構，其中向上傾斜且具有多個流孔的第一流面和向下傾斜且具有多個流孔的第二流面重複布置，以沿縱向長度形成波形部分，所以可以生成反應氣體的湍流，同時使板的形狀及由此與其相關的製造成本簡化。並且，可增加反應氣體向氣體擴散層中的擴散，同時減少反應氣體的流阻。進一步地，由於簡化了隔板的形狀，製造成本得以有效減少。本發明參考其示例性實施方式進行了詳細描述。然而，本領域技術人員能夠理解，可以在不偏離本發明的原理和精神的情況下對這些實施方式進行改變，本發明的範圍由所附權利要求及其等同方式限定。
權利要求
1.一種燃料電池用多孔隔板，包括: 流板，所述流板包括向上傾斜且具有多個第一流孔的的第一流面和向下傾斜且具有多個第二流孔的第二流面，並且緊密附著至燃料電池的氣體擴散層的外表面，所述第一流面和所述第二流面沿所述流板的縱向重複布置；以及 平板，所述平板與所述流板的外表面連接，以密封起到氫氣或空氣通道作用的所述流板。
2.如權利要求1所述的多孔隔板，其中當組成所述燃料電池的多個電池堆疊在彼此之上時，各個電池的所述平板之間的間隙起到冷卻介質通道的作用。
3.如權利要求1所述的多孔隔板，其中形成在所述流板的第一流面中的所述多個第一流孔和形成在所述流板的第二流面中的所述多個第二流孔布置成之字形。
4.如權利要求1所述的多孔隔板，其中所述第一流面和所述第二流面彼此連接，以形成波形結構。
5.如權利要求1所述的多孔隔板，其中所述第一流面向上升直至所述第一流面與所述第二流面交會，以形成由多個拋物線形組成的連續正弦曲線形狀。
6.如權利要求5所述的多孔隔板，其中所述正弦曲線形狀配置成在燃料電池的一個單元中的氫氣流路中生成湍流。
7.如權利要求5所述的多孔隔板，其中所述正弦曲線形狀配置成在燃料電池的一個單元中的空氣流路中生成湍流。
8.如權利要求1所述的多孔隔板，其中所述流板由能夠模壓成型的材料製成。
9.如權利要求1所述的多孔隔板，其中所述流板布置在燃料電池的一個單元的所述平板與氣體擴散層之間。
10.一種燃料電池隔板用流板,包括: 流板，所述流板包括: 向上傾斜的多個第一流面和向下傾斜的多個第二流面，其中各個第一流面向上升直至所述第一流面與所述第二流面交會，以形成貫穿所述流板的流路的連續正弦曲線形狀；在所述第一流面和所述第二流面上重複布置成之字形的多個流孔；並且其中所述流板布置在所述燃料電池中的氣體擴散層與平板之間，以在其中形成流動通道。
全文摘要
本發明公開一種燃料電池用多孔隔板。該多孔隔板包括流板和平板。流板包括向上傾斜且具有多個第一流孔的第一流面和向下傾斜且具有多個第二流孔的第二流面，該第一流面和第二流面沿流板的縱向重複布置。流板布置在燃料電池的氣體擴散層與平板之間，以密封流板，並在其中生成用於氫氣或空氣的流路。
文檔編號H01M2/14GK103165920SQ20121025130
公開日2013年6月19日 申請日期2012年6月18日 優先權日2011年12月13日
發明者鄭熙錫 申請人:現代自動車株式會社