隔板和具有隔板的燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的示例性實施例涉及燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆。更具體地，本發(fā)明涉及具有微孔結(jié)構(gòu)的隔板(separator)和包括隔板的燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]如本領(lǐng)域已知的，燃料電池是由從氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)生成電能的單元電池組成。這種燃料電池可以在兩側(cè)布置具有在其間的膜-電極組件(MEA:membrane-electrode assembly)的隔板來結(jié)構(gòu)化。用于向膜電極組件提供燃料和反應(yīng)氣體(例如空氣)的反應(yīng)通道和用于傳遞冷卻水的冷卻通道形成在隔板中。用于擴散反應(yīng)氣體的氣體擴散層形成在膜-電極組件的兩側(cè)。
[0003]為最大化燃料電池的性能，氣體擴散層和膜-電極組件的表面壓力需要通過將隔板反應(yīng)通道之間的間隙縮小而實現(xiàn)的均勻性，并且均勻滲透性在氣體擴散層的反應(yīng)面中實現(xiàn)。然而，在減小隔板的反應(yīng)通道之間間隙以防止在隔板形成過程中導(dǎo)致的各種缺陷上是有限的，并且降低燃料電池性能的以下因素由于該實際問題而產(chǎn)生。
[0004]首先，當(dāng)在反應(yīng)通道之間的間隙很大時，應(yīng)力集中在隔板和氣體擴散層之間的接觸面上。因此，氣體擴散層的多孔結(jié)構(gòu)可能破損，從而使用于反應(yīng)氣體的滲透率變差，并且擴散反應(yīng)氣體的能力和排出產(chǎn)物水的能力可能降低。此外，由于應(yīng)力在反應(yīng)通道形成的表面上是最小的，所以氣體擴散層從隔板的通道部分突出，導(dǎo)致流體的流動性可能劣化。
[0005]第二，由于在隔板接觸表面上的匯集導(dǎo)致氣體擴散層的結(jié)構(gòu)破損，碳纖維可能通過破損區(qū)域滲透到膜-電極組件的電極層，導(dǎo)致電極層可能損壞。
[0006]第三，在具有暴露的氣體擴散層的通道部分中，反應(yīng)氣體被充分供給，并且活性化學(xué)反應(yīng)可能發(fā)生，但是由于在氣體擴散層和膜-電極組件之間表面壓力的缺乏，接觸電阻可能增加，導(dǎo)致在由反應(yīng)產(chǎn)生的電子運動中的潛在困難。
[0007]為了改善上述問題，通過在大致薄金屬板中形成通道和具有微孔的多孔結(jié)構(gòu)，具有三維(3D)多孔結(jié)構(gòu)的成形多孔構(gòu)件已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中使用。此外，插入微孔結(jié)構(gòu)以均勻分布表面壓力和改善擴散反應(yīng)氣體并且排出產(chǎn)物水，而不是插入具有反應(yīng)通道的隔板的方法已被使用。因為諸如金屬泡沫和金屬絲網(wǎng)的微孔結(jié)構(gòu)具有基本上高的孔徑比，并且分布表面壓力，所以氣體擴散層可以被均勻壓縮。
[0008]在這些材料中，金屬泡沫具有與在金屬材料內(nèi)彼此連接的大量泡沫，并且因此可以傳遞流體，并且具有相當(dāng)高的每體積和強度的表面積比，并且因此它適合于在燃料電池中的隔板材料。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，金屬泡沫的最重要缺點是，由于內(nèi)部氣泡的隨機連接，它可能無法控制反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水的流動，并且因此可能難以有效地利用整個反應(yīng)面。
[0009]此外，由于微孔結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)中被用于隔板，所以在隔板中的壓力差顯著增加，并且因此燃料電池系統(tǒng)的寄生功率增加，燃料電池在體積上增加，并且微孔可能被堵塞，其中燃料電池采用水(冷凝水)過飽和，使得燃料電池的操作安全性降低。
[0010]在本部分中公開的上述信息僅僅用于增強對本發(fā)明背景的理解，并且因此它可能包含對在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員不形成對該國已公知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供:一種隔板以及包括該隔板的燃料電池，該隔板優(yōu)點在于能更均勻地分布微孔結(jié)構(gòu)的反應(yīng)氣體流，并且甚至在諸如由于水過度凝結(jié)導(dǎo)致的水突然流入的外部干擾下也能使燃料電池更穩(wěn)定地操作。
[0012]本發(fā)明的示例性實施例提供用于燃料電池的隔板，該隔板布置在膜-電極組件的兩側(cè)，并且被配置成向膜-電極組件提供反應(yīng)氣體。隔板可包括:傳導(dǎo)性(導(dǎo)電)的微孔體，其形成在與膜-電極組件對應(yīng)的反應(yīng)面上；以及通道單元，其被連接到用于反應(yīng)氣體向內(nèi)側(cè)和外側(cè)流動的入口歧管和出口歧管，并且引導(dǎo)反應(yīng)氣體到反應(yīng)面。
[0013]此外，通道單元可形成從入口歧管和出口歧管擴展到反應(yīng)面的通道(多個通道)。此外，通道單元可形成從入口歧管和出口歧管連接到反應(yīng)面的通道(多個通道)。入口歧管和出口歧管在對角線方向上設(shè)置，從入口歧管到出口歧管，從入口歧管擴展到反應(yīng)面的通道的長度增加，從出口歧管到入口歧管，從出口歧管擴展到反應(yīng)面的通道的長度增加，并且通道被連接到反應(yīng)面。此外，肋條可在通道之間突出，并且隔離壁可在反應(yīng)面上形成并且可將微孔體劃分成多個部分。隔離壁可以槽的形狀形成在與反應(yīng)面相反的側(cè)面上，并且可朝向反應(yīng)面突出。槽可形成為冷卻劑流動的冷卻通道。
[0014]此外，通道單元可形成從入口歧管和出口歧管連接到反應(yīng)面的通道，并且可在在通道之間形成肋條。將微孔體劃分成多個部分的隔離壁可形成在反應(yīng)面上。此外，隔離壁可與肋條連接，并且可將反應(yīng)面劃分成多個反應(yīng)區(qū)域。隔離壁也可將通道劃分成分別與反應(yīng)區(qū)域連接的多個通道組。
[0015]本發(fā)明的另一個示例性實施例提供了燃料電池，其可包括:膜-電極組件和在膜-電極組件兩側(cè)布置的隔板；以及傳導(dǎo)性(導(dǎo)電)的微孔體，其形成在與膜-電極組件對應(yīng)的隔板的反應(yīng)面上，并且被配置成向膜-電極組件提供反應(yīng)氣體，其中隔板可具有用于反應(yīng)氣體向內(nèi)側(cè)和外側(cè)流動(例如流入和流出)的入口和出口歧管，以及與入口歧管和出口歧管連接的通道單元，并且被配置成引導(dǎo)反應(yīng)氣體到反應(yīng)面。
[0016]此外，通道單元可形成從入口歧管和出口歧管擴展到反應(yīng)面的通道。入口歧管和出口歧管在對角線方向上設(shè)置，從入口歧管到出口歧管，從入口歧管擴展到反應(yīng)面的通道的長度增加，從出口歧管到入口歧管，從出口歧管擴展到反應(yīng)面的通道的長度增加，并且通道可被連接到反應(yīng)面。通道單元可在通道之間形成肋條。
[0017]此外，將微孔體劃分成多個部分的隔離壁可形成在隔板的反應(yīng)面上。隔離壁可以以槽形狀形成在與反應(yīng)面相反的側(cè)面上，并且可朝向反應(yīng)面突出。槽可形成為冷卻劑流動的冷卻通道。
[0018]此外，將微孔體劃分成多個部分的隔離壁可形成在隔板的反應(yīng)面上。隔離壁可與肋條連接，并且可將反應(yīng)面劃分成多個反應(yīng)區(qū)域。隔離壁也可將通道劃分成分別與反應(yīng)區(qū)域連接的多個通道組。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，可以通過隔板的通道單元將反應(yīng)氣體更均勻地分布到反應(yīng)面的微孔體，并且提高燃料電池的性能。此外，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，隔板的反應(yīng)面可由隔離壁劃分成多個反應(yīng)區(qū)域，微孔體可被劃分成在反應(yīng)區(qū)域中的多個部分，并且通道單元的通道可被劃分成分別與反應(yīng)區(qū)域連接的多個通道組。
[0020]因此，在本發(fā)明的示例性實施例中，能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體連續(xù)均勻分布到微孔體，并且甚至在諸如冷凝水的過度流入的來自外部的臨時干擾下也能保持燃料電池的更穩(wěn)定性能，并且能夠防止由于反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物水的部分匯集所導(dǎo)致的反應(yīng)氣體的流動停滯。此外，在本發(fā)明的示例性實施例中，由于形成隔離壁的槽可用作冷卻劑流動的冷卻通道，因此冷卻燃料電池的效率能夠增加。
【附圖說明】
[0021]在描述本發(fā)明示例性實施例時，附圖被提供用于參考，并且本發(fā)明的精神不應(yīng)僅通過附圖進行解釋。
[0022]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的燃料電池的一部分的示例性截面圖；
[0023]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的用于燃料電池的隔板的示例性視圖；
[0024]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的用于燃料電池的隔板的一部分的示例性詳細視圖；以及
[0025]圖4和圖5是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的燃料電池的運行效果的示例性曲線圖。
[0026]附圖標(biāo)記說明
[0027]10.??膜-電極組件
[0028]30...氣體擴散層
[0029]50...隔板
[0030]51...入口歧管
[0031]52...出口歧管
[0032]53...反應(yīng)面
[0033]55.