燃料電池用隔板及包括其的燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種燃料電池用隔板及包括其的燃料電池，尤其涉及一種能夠提高燃 料或者氧化劑的水平分配并且能夠確保有效流動面積的燃料電池用隔板及包括其的燃料 電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，燃料電池是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，例如在負(fù)極（anode) 側(cè)供應(yīng)氫燃料，在正極（cathode)注入氧化劑，并利用這些在發(fā)生反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的化學(xué)能 來轉(zhuǎn)換為電能。
[0003] 根據(jù)工作溫度、電解質(zhì)的種類，這種燃料電池可被劃分為低溫型和高溫型，其中 具有代表性的低溫型為主要在汽車等中使用的PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，具有代表性的高溫型為 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell)、S0FC(Solid Oxide Fuel Cell)、及利用 SOFC 的逆反應(yīng)的 S0EC(solid oxide electrolysis cell)。
[0004] 燃料電池10在被持續(xù)注入燃料（氫氣）和氧化劑的過程中，可連續(xù)地發(fā)電，考慮 到發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)性需提高燃料的利用率才可以提高商業(yè)價(jià)值。
[0005] 現(xiàn)有的燃料電池10用隔板20、30包括設(shè)置有用于使燃料或者氧化劑流動的路徑 的平板部22、32,在該平板部22、32的一側(cè)端部設(shè)置有用于使燃料或者氧化劑流入的入口 側(cè)歧管（manifo 1 d) 24、34，在與入口側(cè)歧管24、34相對置的另一側(cè)端部設(shè)置有用于排出燃 料或者氧化劑的出口側(cè)歧管26、36。
[0006] 這種燃料電池10用隔板20、30被交替層疊并被設(shè)置為堆疊形狀。
[0007] 另一方面，現(xiàn)有的燃料電池10根據(jù)隔板20、30的配置形狀等區(qū)分為多種形式， 代表性地使用如下示例：如圖1所示，將燃料和氧化劑流入的方向配置成相同方向的并 向流（co-flow)方式；如圖2所示，將燃料和氧化劑流入的方向配置成相反方向的逆向 流（count-flow)方式；及圖3所示，將燃料和氧化劑流入的方向配置成互相垂直的錯(cuò)流 (cross-flow)方式。
[0008] 但是，對于現(xiàn)有的燃料電池10而言，根據(jù)隔板20、30的結(jié)構(gòu)或者配置形狀等確定 燃料及氧化劑的流動方向和運(yùn)行條件（負(fù)荷、利用率等），并由此確定發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的部 分。
[0009] 而且在現(xiàn)有技術(shù)中，因隔板20、30在結(jié)構(gòu)上的限制，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的部分傾向 于一側(cè)，因此溫度梯度也以傾向于一側(cè)的形式發(fā)生。
[0010] 因此，對于現(xiàn)有的燃料電池10而言，整體堆疊的熱應(yīng)力分布以非對稱的形式形 成，由此發(fā)電效率因燃料或者氧化劑的不均勻的流向或者偏向的流向而降低，并且隨著持 續(xù)形成這種不均衡，最終成為在堆疊的熱循環(huán)過程中對堆疊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響的 原因。
[0011] 因此，如圖4至圖6所示，近年來，作為用于解決并向流（co-flow)方式、逆向流 (count-flow)方式、及錯(cuò)流（cross-flow)方式的結(jié)構(gòu)上的限制的方式，提出了交叉移動流 (cross-shiftflow)方式。
[0012] 交叉移動流方式的燃料電池50通過交替地形成位于奇數(shù)位的電池單元（unit battery cell)和位于偶數(shù)位的電池單元的歧管結(jié)構(gòu)，降低整體上的溫度梯度的不均勻性。
[0013] 即，在位于第奇數(shù)位的電池單元51中，在燃料或者氧化劑進(jìn)行循環(huán)的隔板60的一 部分區(qū)域配置有用于使燃料或者氧化劑流入的流入歧管62、72,其余區(qū)域配置有用于排出 燃料或者氧化劑的排出歧管64、74。
[0014]另外，在位于偶數(shù)位的電池單元55中，燃料或者氧化劑進(jìn)行循環(huán)的隔板80、90與 位于奇數(shù)位的電池單元51的隔板60、70對稱交叉地配置有流入歧管82、92及排出歧管84、 94〇
[0015] 這種交叉移動流方式的燃料電池50可以在某種程度上消除溫度梯度的不均勻 性，但由于是以流入歧管82、92及排出歧管84、94中的一部分被對應(yīng)的單電池（cell)擋住 的結(jié)構(gòu)形成，因此水平方向的流動分配劣化，由此燃料不能均勻地供應(yīng)至整個(gè)單電池面積， 從而降低燃料電池50的整體性能。
[0016] 因此，開發(fā)了如下技術(shù)：將流入歧管82、92及排出歧管84、94分散為多個(gè)而配置， 從而使流動更均勻地在整個(gè)單電池面積上擴(kuò)散。
[0017] 但是，在現(xiàn)有的交叉移動流方式的燃料電池50設(shè)置有用于密封流入歧管62、72、 82、92和排出歧管64、74、84、94之間的密封材料63、73、83、93,因此，在從流入歧管62、72、 82、92流出的燃料或者氧化劑流向單電池的反應(yīng)表面的過程中，密封材料63、73、83、93會 妨礙燃料或者氧化劑的水平流動擴(kuò)散，最終導(dǎo)致在歧管孔所存在的部分和歧管孔被擋住的 部分之間存在流動偏差。
[0018] 另一方面，為了使水平流動的擴(kuò)散變得更均勻，在交叉移動流方式的燃料電池50 中，例如對位于奇數(shù)位的電池單元51的燃料或者氧化劑進(jìn)行循環(huán)的隔板60'進(jìn)行改進(jìn)，使 流入歧管62位于中央部，并使排出歧管分割形成為排出歧管64a、64b。
[0019] 另外，例如對位于偶數(shù)位的電池單元55的燃料或者氧化劑進(jìn)行循環(huán)的隔板80'進(jìn) 行改進(jìn)，使流入歧管82位于中央部，并使排出歧管分割形成為排出歧管84a、84b。此時(shí)，流 入歧管82和排出歧管84a、84b由密封材料63、83保持密封。
[0020] 另一方面，參照圖9,現(xiàn)有的交叉移動流方式的燃料電池50,隨著流入及排出歧管 的數(shù)量的增加，會均勻地進(jìn)行水平流動擴(kuò)散，但這也會使密封材料63、83所占有的面積增 加，從而用于進(jìn)行實(shí)際流動的有效面積將會減少，據(jù)此整體上的反應(yīng)效率及燃料利用率降 低。
[0021] 即，如果將流入及排出歧管的寬度設(shè)為LH，密封材料的寬度設(shè)為Ls，則相對于歧管 的數(shù)量n的具有相同寬度的密封材料的數(shù)量需為n-1。
[0022] 燃料電池的有效流動面積的寬度L如數(shù)學(xué)式1所示。
[0023] 數(shù)學(xué)式1
[0024]
[0025]因此，需要將現(xiàn)有的燃料電池開發(fā)成具有能夠提高燃料或者氧化劑的水平分配， 并且不減少燃料電池的有效流動面積L的結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026] 技術(shù)問題
[0027] 本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種被改善成能夠提高燃料或者氧化劑的水平分配，并且 能夠確保有效流動面積的燃料電池用隔板及包括其的燃料電池。
[0028] 技術(shù)方案
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的燃料電池用隔板包括：隔板主體；第一流入歧管，其設(shè) 置在所述隔板主體的一側(cè)；第二流入歧管，其在所述隔板主體的另一側(cè)設(shè)置在與所述第一 流入歧管分開的空間；第一排出歧管，其在所述隔板主體的另一側(cè)設(shè)置在所述第二流入歧 管的外側(cè)；及第二排出歧管，其在所述隔板主體的一側(cè)的所述第一流入歧管的外側(cè)設(shè)置在 與所述第一排出歧管分開的空間。
[0030] 另外，所述隔板主體可設(shè)置有至少一個(gè)的所述第一流入歧管和至少一個(gè)的所述第 二流入歧管。
[0031] 另外，所述第一排出歧管和所述第二排出歧管可以以細(xì)長的形狀延伸形成在所述 隔板主體的寬度方向上。
[0032]另外，在所述隔板主體的內(nèi)部，可以在所述第一流入歧管和所述第一排出歧管之 間形成有循環(huán)路徑。
[0033] 另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在層疊至少一個(gè)電池單元而形成的燃料電池中，所 述電池單元可包括如上所述的多個(gè)燃料電池用隔板，所述燃料電池用隔板垂直地交叉而層 疊，由此使作為燃料或者氧化劑的氣體交叉循環(huán)。
[0034]另外，在所述燃料電池用隔板主體的內(nèi)部，在所述第一流入歧管和所述第一排出 歧管之間形成有循環(huán)路徑。
[0035] 另外，所述循環(huán)路徑可以以允許從所述第一流入歧管所供應(yīng)的氣體穿過所述第二 流入歧管之間并向所述第一排出歧管排出的方式設(shè)置。
[0036] 在所述燃料電池用隔板中，所述第二流入歧管可與其他隔板的第一流入歧管密封 并連接，所述第二排出歧管可與其他隔板的第一排出歧管密封并連接。
[0037] 有益效果
[0038] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，流入歧管和排出歧管以兩列配置，由此確保能夠使來自 流入歧管的燃料或者氧化劑擴(kuò)散的可用空間，從而能夠確保有效面積且能提高水平分配； 并且能夠減少由于排出歧管設(shè)置成一個(gè)而在排出歧管可能會發(fā)生由基于反應(yīng)的流量變化 等引起的偏流現(xiàn)象。因此，本實(shí)施例的燃料電池能夠提高整體的水平分配，并且通過有效面 積的確保及偏流現(xiàn)象的減少來可以提高整體上的燃料的反應(yīng)效率及利用率。
【附圖說明】
[0039] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的并向流方式的燃料電池的工作示意圖。
[0040] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的逆向流方式的燃料電池的工作示意圖。
[0041] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的錯(cuò)流方式的燃料電池的工作示意圖。
[0042] 圖4是現(xiàn)有技術(shù)中的交叉移動流方式的燃料電池的立體圖。
[0043] 圖5是示出現(xiàn)有技術(shù)中的交叉移動流方式的燃料電池的奇數(shù)位的隔板的俯視圖。
[0044] 圖6是示出現(xiàn)有技術(shù)中的交叉移動流方式的燃料電池的偶數(shù)位的隔板的俯視圖。
[0045] 圖7是對現(xiàn)有技術(shù)中的交叉移動流方式的燃料電池的隔板進(jìn)行改進(jìn)而示出的俯 視圖。
[0046] 圖8是對現(xiàn)有技術(shù)中的交叉移動流方式的燃料電池的另一隔板進(jìn)行改進(jìn)而示出 的俯視圖。
[0047] 圖9是示出現(xiàn)有技術(shù)中的交叉移動流方式的燃料電池的有效流動面積的圖。
[0048] 圖10是示出本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池用隔板的俯視圖。
[0049] 圖11是示意性地示出本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池用隔板的反應(yīng)區(qū)域的圖。
[0050] 圖12是示出本發(fā)明的另一實(shí)施例的燃料電池用隔板的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的一實(shí)施例。本發(fā)明的實(shí)施方案可以以各種不同 的形式變形，本發(fā)明的范圍并不限定于下文中描述的實(shí)施方案。在附圖中，為了更明確說 明，可以放大要素的形狀及大小等，在附圖中以相同的附圖標(biāo)記表示的要素是同一要素。
[0052] 圖10是示出本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池用隔板的俯視圖。
[0053] 參照圖10,本實(shí)施例的燃料電池100可以層疊至少一個(gè)電池單元而形成。例如，燃 料電池100可以是以如隔板、單電池、隔板、單電池的順序交替層疊的堆積結(jié)構(gòu)。
[0054] 這種電池單元可包括至少一個(gè)隔板110、120,并且可以通過向隔板110、120供應(yīng) 的燃料和氧化劑的氧化、還原反應(yīng)來產(chǎn)生能量。
[0055] 在本實(shí)施例中，燃料電池100可以具有如下結(jié)構(gòu)：各個(gè)電池單元的隔板110、120交 替層疊，并且位于偶數(shù)位的隔板互相連結(jié)，位于奇數(shù)位的隔板互相連結(jié)。
[0056] 另外，作為一例，本實(shí)施例的燃料電池100可以包