本公開(kāi)總體上涉及一種燃料電池，并且更具體地，涉及一種能夠在整個(gè)反應(yīng)區(qū)上分布反應(yīng)氣體和冷卻水的均勻流并且順暢地排出通過(guò)燃料電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的冷凝水的燃料電池。

背景技術(shù)：

燃料電池通常包括具有催化層的膜電極組件(MEA)，催化層引起氫與氧之間的化學(xué)反應(yīng)。雙極板布置在MEA的兩個(gè)側(cè)表面處并且在將氫和氧供應(yīng)至MEA中時(shí)便于水的排出。

MEA和分別選擇性地供應(yīng)氫或氧且布置在MEA的兩個(gè)側(cè)表面處的雙極板形成一個(gè)燃料電池。燃料電池多個(gè)堆疊以形成燃料電池堆。

為了使燃料電池的性能最大化，雙極板的多孔構(gòu)件均勻地分散表面壓力并且改善擴(kuò)散反應(yīng)氣體和排出所產(chǎn)生的水的性能。多孔構(gòu)件包括具有以下結(jié)構(gòu)的構(gòu)件：導(dǎo)電多孔體的微孔結(jié)構(gòu)，諸如，由金屬或碳材料制成并且具有微孔的三維結(jié)構(gòu)；具有通過(guò)將金屬線編織成網(wǎng)狀而形成的多孔結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)；通過(guò)在金屬薄板上形成孔或者刮擦金屬薄板而形成的三維結(jié)構(gòu)等。所有的構(gòu)件均勻地分散表面壓力。

然而，在相關(guān)技術(shù)中，由于多孔構(gòu)件的應(yīng)用，可能不能控制反應(yīng)氣體和所產(chǎn)生的水的流，并且反應(yīng)區(qū)不能被有效地利用。此外，當(dāng)將燃料電池 中的水分保持在過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，多孔構(gòu)件的微孔被堵住從而降低了燃料電池的穩(wěn)定性和效率。

相關(guān)技術(shù)描述的內(nèi)容僅用于幫助理解本公開(kāi)的背景，而不應(yīng)被視為與本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的相關(guān)技術(shù)對(duì)應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

考慮到相關(guān)技術(shù)中出現(xiàn)的上述問(wèn)題而做出本公開(kāi)，并且本公開(kāi)旨在提出一種能夠在整個(gè)反應(yīng)區(qū)上分布反應(yīng)氣體和冷卻水的均勻流并且順暢地排出在燃料電池內(nèi)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的冷凝水的燃料電池。

根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施方式，一種燃料電池包括：反應(yīng)層，包括：膜電極組件(MEA)和氣體擴(kuò)散層(GDL)，每個(gè)氣體擴(kuò)散層布置在MEA的兩個(gè)側(cè)表面處；多孔分離層，具有附著于反應(yīng)層的一個(gè)表面并且被供給反應(yīng)氣體的一個(gè)表面；以及陰極雙極板，具有面板形狀并且附著于多孔分離層的一個(gè)表面，該陰極雙極板具有前端部，該前端部設(shè)置有被供給反應(yīng)氣體的歧管并且具有多個(gè)擴(kuò)散通道，反應(yīng)氣體通過(guò)多個(gè)擴(kuò)散通道從歧管向多孔分離層引導(dǎo)。一些擴(kuò)散通道延伸至后端部。陰極雙極板具有將多孔分離層分開(kāi)的分隔壁通道，該分隔壁通道在反應(yīng)氣體流動(dòng)所沿的方向上延伸，并且在對(duì)角方向上延伸。

在其中分隔壁通道應(yīng)用于燃料電池的狀態(tài)中，陰極雙極板的分隔壁通道可以在對(duì)角方向上延伸，該對(duì)角方向是從頂部向底部引導(dǎo)的重力方向。

該燃料電池可以進(jìn)一步包括：陽(yáng)極雙極板，被配置為附著于陰極雙極板的一個(gè)表面并且在一個(gè)側(cè)向方向和相反的側(cè)向方向上反復(fù)地彎曲以形成氣體通道和冷卻通道，反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)氣體通道通向陽(yáng)極雙極板的一側(cè)的第一敞開(kāi)空間，冷卻介質(zhì)經(jīng)過(guò)冷卻通道通向陽(yáng)極雙極板的另一側(cè)的第二敞開(kāi)空間。

陽(yáng)極雙極板的冷卻通道和氣體通道可具有分別連接到歧管以被供給冷卻介質(zhì)和反應(yīng)氣體的前端部。

陰極雙極板的分隔壁通道具有在從陽(yáng)極雙極板的一側(cè)至另一側(cè)的方向上凹入以形成第三敞開(kāi)空間的凹入部分，其中第二敞開(kāi)空間與第三敞開(kāi)空間重疊以與分隔壁通道共享冷卻通道的冷卻介質(zhì)。

陽(yáng)極雙極板的冷卻通道和氣體通道可以在直線方向上從歧管延伸并且陰極雙極板的分隔壁通道可以在對(duì)角方向上從歧管延伸，使得一個(gè)分隔壁通道與多個(gè)不同的冷卻通道重疊。

陰極雙極板的分隔壁通道可以在直線方向上延伸以朝向反應(yīng)氣體流動(dòng)的方向并且然后在對(duì)角方向上延伸。

反應(yīng)層和多孔分離層可以在直線方向上延伸以朝向反應(yīng)氣體流動(dòng)的方向并且然后在對(duì)角方向上延伸。

歧管可以包括設(shè)置在陰極雙極板的前端部處的入口側(cè)歧管以及設(shè)置在陰極雙極板的后端部處的出口側(cè)歧管。

如從以上說(shuō)明顯而易見(jiàn)的，該燃料電池的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在整個(gè)反應(yīng)區(qū)上均勻地分布反應(yīng)氣體和冷卻水的流并且通過(guò)燃料電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的冷凝水可以順暢地排出，從而防止了反應(yīng)氣體的流由于冷凝水而堵塞。

附圖說(shuō)明

從下文結(jié)合附圖做出的詳細(xì)描述中將更加清楚地理解本公開(kāi)的上述及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。

圖1是根據(jù)本公開(kāi)的第一示例性實(shí)施方式的燃料電池的平面配置圖。

圖2和圖3是圖1中示出的燃料電池的部分橫截面配置圖。

圖4是用于描述圖1中示出的燃料電池的示圖。

圖5是示出了根據(jù)本公開(kāi)的第二示例性實(shí)施方式的燃料電池的示圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參照附圖描述根據(jù)本公開(kāi)的一示例性實(shí)施方式的燃料電池。

圖1是根據(jù)本公開(kāi)的第一示例性實(shí)施方式的燃料電池的平面配置圖，圖2和圖3是圖1中示出的燃料電池的部分橫截面配置圖，圖4是用于描述圖1中示出的燃料電池的示圖，以及圖5是示出了根據(jù)本公開(kāi)的第二示例性實(shí)施方式的燃料電池的示圖。

根據(jù)一示例性實(shí)施方式的燃料電池被供應(yīng)由氧化劑氣體和氫氣形成的反應(yīng)氣體并且采用氫和氧的化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。

在此，熱作為反應(yīng)副產(chǎn)物而產(chǎn)生，并且所產(chǎn)生的水被作為冷凝水而排出。

根據(jù)本公開(kāi)的一示例性實(shí)施方式，通過(guò)排出在燃料電池內(nèi)產(chǎn)生的水并且通過(guò)順暢地移動(dòng)冷卻熱的冷卻介質(zhì)的流來(lái)提高冷卻效率。

如在圖1和圖2中示出的，根據(jù)本公開(kāi)的一示例性實(shí)施方式的燃料電池包括：反應(yīng)層100，具有膜電極組件(MEA)120和氣體擴(kuò)散層(GDL)140，氣體擴(kuò)散層中的每個(gè)均布置在MEA 120的兩個(gè)側(cè)表面處。多孔分離層200具有這樣一個(gè)表面，即，該表面附著于反應(yīng)層100的一個(gè)表面，并且被供應(yīng)反應(yīng)氣體。陰極雙極板300具有面板形狀并且附著于多孔分離層200的另一個(gè)表面。陰極雙極板300包括前端部，該前端部具有被供給反 應(yīng)氣體的歧管320并具有多個(gè)擴(kuò)散通道340，反應(yīng)氣體通過(guò)該擴(kuò)散通道從歧管320向多孔分離層200引導(dǎo)。一些擴(kuò)散通道340延伸至陰極雙極板300的后端部。陰極雙極板300進(jìn)一步包括將多孔分離層200分開(kāi)的分隔壁通道342。分隔壁通道342在反應(yīng)氣體流動(dòng)所沿的方向上延伸并且然后在對(duì)角方向上延伸。

反應(yīng)層100的MEA 120和GDL 140通過(guò)包括氫氣和氧化劑氣體的反應(yīng)氣體中的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。此外，多孔分離層200附著于反應(yīng)層100的一個(gè)表面，被供給反應(yīng)氣體，并且根據(jù)流將反應(yīng)氣體供應(yīng)至反應(yīng)層100。在此，多孔分離層200可以由金屬或碳材料制成，形成為線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，或者由形成有多個(gè)微小開(kāi)口的材料制成，這些微小開(kāi)口通過(guò)在金屬薄板上形成孔或者刮擦金屬薄板而形成。

上述反應(yīng)層100和多孔分離層200在燃料電池領(lǐng)域所屬領(lǐng)域是顯而易見(jiàn)的，并且因此，將省去對(duì)它的詳細(xì)說(shuō)明。

根據(jù)本公開(kāi)，為了使反應(yīng)氣體的流和所產(chǎn)生的水的排出高效，陰極雙極板300具有面板形狀并且附著于多孔分離層200的一個(gè)表面。陰極雙極板300的前端部具有被供給反應(yīng)氣體的歧管320并且具有多個(gè)擴(kuò)散通道340，反應(yīng)氣體通過(guò)該多個(gè)擴(kuò)散通道從歧管320向多孔分離層200引導(dǎo)。一些擴(kuò)散通道340延伸至陰極雙極板300的后端部。陰極雙極板300進(jìn)一步包括將多孔分離層200分開(kāi)的分隔壁通道342。分隔壁通道342在反應(yīng)氣體流動(dòng)所沿的方向上延伸并且然后在對(duì)角方向上延伸。

陰極雙極板300的前端部具有歧管320，該歧管包括設(shè)置在陰極雙極板300的前端部處的入口側(cè)歧管322和設(shè)置在陰極雙極板300的后端部處的出口側(cè)歧管324。即，從入口側(cè)歧管322供應(yīng)反應(yīng)氣體以產(chǎn)生電能，并且通過(guò)出口側(cè)歧管324排出所產(chǎn)生的水等。

具體地，陰極雙極板300具有多個(gè)擴(kuò)散通道340以從歧管320向多孔分離層200引導(dǎo)從而將從歧管320供應(yīng)的反應(yīng)氣體供應(yīng)至多孔分離層200，其中一些擴(kuò)散通道340延伸至后端部并且穿過(guò)多孔分離層200以形成將多孔分離層200分開(kāi)的分隔壁通道342。

在其中分隔壁通道應(yīng)用于燃料電池的狀態(tài)中，分隔壁通道342可以在對(duì)角方向上延伸，對(duì)角方向是從頂部向底部引導(dǎo)的重力方向。根據(jù)本公開(kāi)，在其中燃料電池堆布置在重力方向的垂直方向上的狀態(tài)中，如在圖1中所示，為了容易排出通過(guò)多孔分離層200與反應(yīng)層100之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的水，由多孔分離層200產(chǎn)生的水在通過(guò)從頂部至底部對(duì)角地延伸的分隔壁通道342在重力方向上向下流動(dòng)的同時(shí)可以順暢地排出以從前部向后端引導(dǎo)。這樣，在過(guò)度產(chǎn)生所產(chǎn)生的水的情況下，由于所產(chǎn)生的水通過(guò)分隔壁通道342移動(dòng)，因此所產(chǎn)生的水被排出到出口側(cè)歧管324以便不堆積在燃料電池內(nèi)部，從而保持燃料電池的效率。

參照?qǐng)D2，燃料電池可以進(jìn)一步包括陽(yáng)極雙極板400，該陽(yáng)極雙極板附著于陰極雙極板300的一個(gè)表面并且在一個(gè)方向和相反的方向上反復(fù)地彎曲以形成氣體通道420和冷卻通道440，反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)氣體通道通向陽(yáng)極雙極板的一側(cè)的敞開(kāi)空間422，冷卻介質(zhì)經(jīng)過(guò)冷卻通道通向陽(yáng)極雙極板的相對(duì)側(cè)的敞開(kāi)空間442。

陽(yáng)極雙極板400的冷卻通道440和氣體通道420具有分別連接至歧管320以被供給冷卻介質(zhì)和反應(yīng)氣體的前端部。

即，陽(yáng)極雙極板400附著于陰極雙極板300的一個(gè)表面并且在一個(gè)方向和相反的方向上反復(fù)地彎曲以形成氣體通道420和冷卻通道440。在此，從歧管320供應(yīng)的反應(yīng)氣體通向形成在陽(yáng)極雙極板400的一側(cè)處的氣體通道420并且冷卻介質(zhì)通向形成在陽(yáng)極雙極板的另一側(cè)處的冷卻通道440。通過(guò)這種方式，反應(yīng)氣體被供給至反應(yīng)層100，該反應(yīng)層附著于陽(yáng)極雙極 板400的一側(cè)，并且此外，形成了使冷卻介質(zhì)通過(guò)附著于陽(yáng)極雙極板400的另一側(cè)的陰極雙極板300移動(dòng)的空間，從而使冷卻介質(zhì)順暢地移動(dòng)。

具體地，如在圖3中示出的，由于陰極雙極板300的分隔壁通道342突出至相對(duì)側(cè)以在一側(cè)處形成敞開(kāi)空間344并且陽(yáng)極雙極板400的冷卻通道400在另一側(cè)處具有敞開(kāi)空間442，因此與冷卻通道440的重疊部分可以形成在分隔壁通道342的延伸線上以與分隔壁通道342共同使用冷卻通道440的冷卻介質(zhì)。

通過(guò)這樣做，陰極雙極板300的分隔壁通道342具有在一側(cè)敞開(kāi)的空間344并且在另一側(cè)處形成陽(yáng)極雙極板400的冷卻通道440的敞開(kāi)空間442。具體地，分隔壁通道342在對(duì)角方向上延伸以形成分隔壁通道342和冷卻通道440在分隔壁通道342的延伸線上重疊的部分以與分隔壁通道342共同使用冷卻通道440的冷卻介質(zhì)，從而改善了冷卻效率。

即，陽(yáng)極雙極板400的冷卻通道440和氣體通道420在直線方向上從歧管320延伸并且陰極雙極板300的分隔壁通道342在對(duì)角方向上從歧管320延伸，使得一個(gè)分隔壁通道342與多個(gè)不同的冷卻通道440重疊。如在圖3中示出的，分隔壁通道342可以在對(duì)角方向上延伸以便不與任何冷卻通道440共同使用敞開(kāi)的空間并且與其他冷卻通道440共同使用敞開(kāi)的空間，從而防止在冷卻通道440中流動(dòng)的冷卻介質(zhì)過(guò)度循環(huán)至分隔壁通道342側(cè)。

如此，由于陽(yáng)極雙極板400的冷卻通道440在直線方向上延伸，因此通過(guò)氣體通道420、多孔分離層200、以及反應(yīng)層100中的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱可以冷卻。具體地，如在圖4中示出的，由于分隔壁通道342在對(duì)角方向上延伸，因此出現(xiàn)了其中一個(gè)分隔壁通道342與多個(gè)冷卻通道440重疊的部分，并且因此，冷卻通道440的冷卻介質(zhì)通過(guò)分隔壁通道342移動(dòng)以減小由于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)而引起的不同的壓力，從而提高了冷卻效率。因此，通過(guò)陽(yáng)極雙極板400的冷卻通道440移動(dòng)的冷卻介質(zhì)還可以分 布在分隔壁通道342中以防止冷卻水由于過(guò)大的壓差而滲入在其中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的空間中。

如上所述，燃料電池具有其中反應(yīng)層100、陽(yáng)極雙極板400、陰極雙極板300、以及反應(yīng)層100從一側(cè)向另一側(cè)依次堆疊的結(jié)構(gòu)，其中從歧管320供應(yīng)的反應(yīng)氣體通過(guò)多孔分離層200、反應(yīng)層100、以及陽(yáng)極雙極板400的氣體通道420移動(dòng)，從而通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。從歧管320供應(yīng)的冷卻介質(zhì)分布在陽(yáng)極雙極板400的冷卻通道440和陰極雙極板300的分隔壁通道342中并且移動(dòng)，從而執(zhí)行有效冷卻并且防止冷卻水的壓差降低。

參考圖5，在本公開(kāi)的第二實(shí)施方式的燃料電池中，陰極雙極板300的分隔壁通道342可以在直線方向上朝向反應(yīng)氣體流動(dòng)所沿的方向延伸預(yù)定距離并且可以在對(duì)角方向上延伸。

即，通過(guò)入口側(cè)歧管322供應(yīng)的反應(yīng)氣體均等地分布在陰極雙極板300的擴(kuò)散通道340中。由于通過(guò)歧管320供應(yīng)的反應(yīng)氣體，因此所產(chǎn)生的水不會(huì)滯留在入口側(cè)歧管322處并且所產(chǎn)生的水從延伸預(yù)定距離的特定點(diǎn)開(kāi)始堆積。因此，由于陰極雙極板300的分隔壁通道342相對(duì)于其中由于來(lái)自歧管320的反應(yīng)氣體均等地分布而使得所產(chǎn)生的水未滯留的部分在直線方向上延伸并且從其中反應(yīng)氣體滯留的點(diǎn)開(kāi)始在對(duì)角方向上延伸以使所產(chǎn)生的水在重力方向上順暢地流動(dòng)，從而排出了所產(chǎn)生的水。

在此，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出其中產(chǎn)生并滯留根據(jù)反應(yīng)氣體的流而產(chǎn)生的水的點(diǎn)并且可以根據(jù)燃料電池的規(guī)格不同地設(shè)置。

此外，與分隔壁通道342相似，反應(yīng)層100和多孔分離層200可以在直線方向上朝向反應(yīng)氣體流動(dòng)所沿的方向延伸預(yù)定距離并且可以在對(duì)角方向上延伸。

因此，反應(yīng)層100和多孔分離層200同樣在對(duì)角方向上在其中分隔壁通道342在對(duì)角方向上延伸的點(diǎn)處延伸，并且因此，均等地分布在入口側(cè)歧管322中的反應(yīng)氣體均等地分布直至出口側(cè)歧管324并且移動(dòng)。

這時(shí)，由于反應(yīng)氣體的均等分布，不同壓力的均勻性和反應(yīng)區(qū)的使用可以得到保證，并且在特定點(diǎn)處產(chǎn)生的水可以容易地在陰極雙極板300的分隔壁通道342上流動(dòng)以被排出。

根據(jù)本公開(kāi)的示例性實(shí)施方式的燃料電池，反應(yīng)氣體和冷卻水的流可以在整個(gè)反應(yīng)區(qū)上均勻地分布并且通過(guò)燃料電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的冷凝水的排出可以順暢地進(jìn)行，從而防止了由于冷凝水而引起反應(yīng)氣體的流堵塞。

盡管已經(jīng)針對(duì)特定的示例性實(shí)施方式示出并描述了本公開(kāi)，但對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在不背離由所附權(quán)利要求限定的本公開(kāi)的精神和范圍的前提下，可對(duì)本公開(kāi)進(jìn)行各種修改和改變。