专利名称：用于燃料电池的分隔器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于燃料电池的分隔器。更具体涉及这样一种用于燃料电池的分隔器，通过改进反应气体在其中流动的流场的结构，使气体扩散层中的区域之间的气体扩散和浓度差最小，并且在整个反应区域上获得均匀的电化学反应并产生电力。
背景技术：
利用聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFCs)，以通过使作为反应气体的氢气和氧气(或空气)发生电化学反应而生电。由于与其它类型的燃料电池相比，PEMFCs具有高效率、高电流密度和功率密度、短起动时间以及对于负载变化的快速响应特性，因此PEMFCs可用于多种领域，例如用于无污 染车辆的电源和用于独立发电、运输以及军事的电源。通常，燃料电池以堆叠的形式使用，其中将单元电池堆叠起来以满足必要的功率级。由于安装在车辆中的燃料电池还需要高功率，因此数百个电池被堆叠以满足需要。薄膜-电极组件(MEA)布置在燃料电池堆的单元电池结构的最内层部分中。MEA包括固体聚合物电解质薄膜和催化剂电极，即阳极和阴极，其通过在电解质薄膜的两个表面上涂覆催化剂而进行配置。气体扩散层(在下文中表示为⑶L)、衬垫以及类似结构布置在MEA的外部，即阳极和阴极的外部。分隔器也布置在GDL的外部以提供用于供应反应气体并排出反应产生水的流场。在此结构中，在燃料电池的阳极中进行氢气的氧化反应以产生质子和电子。所产生的质子和电子分别穿过电解质薄膜移动至阴极和分隔器。因而，通过电化学反应产生水，在该电化学反应中，包括转换由阳极传递的质子和电子以及来自空气的氧气，且在电化学反应过程中，伴随着水一起产生热量。另外，电子流动产生电能。另一方面，分隔器是分隔燃料电池堆中的单元电池并充当电池之间的电流通道的部件。形成在分隔器中的流场充当用于将反应气体输送至GDL的供应通道和用于排出来自⑶L的水的排出通道。分隔器的例子包括由石墨材料形成的石墨分隔器和由例如不锈钢等金属材料形成的金属分隔器。近年来，考虑到可使用性和大规模生产，进行了许多研究以使用金属分隔器来代替石墨分隔器。图1是示出典型金属分隔器的横截面图，其中MEA11、⑶L12和分隔器20彼此结
口 ο如图所示，分隔器20包括直接被结合到GDL12的槽脊(land)(接触)部和用作反应气体的供应通道(空气和氢气的通道)和槽脊部之间的水的排出通道的通道部。典型的分隔器20的通道部被布置成在燃料电池的整个反应区域上彼此基本平行，或者被布置成形成倾斜的流场。根据用于设计该流场的方法，在例如电池性能、压力和排水的特性中存在优点和缺点，但是，通常利用在与反应区域相对应的部分通过处理矩形截面结构和与之类似的其它结构的流场来供应反应气体的方法。在这种分隔器中，槽脊部和通道部沿着纵向布置，因而，其中槽脊部被结合到⑶L的区域和其中形成通道部的流场(反应气体的供应通道和水的排出通道)区域均具有纵向结构。同时，槽脊部和通道部彼此明显地隔开。在此情形下，由于通道部的内表面是光滑的，因此通道部中的反应气流显示层流的特性。在反应气体沿着长的流场流动时，反应气体通过压力差或浓度差被输送并扩散至GDL而不会因流动而产生任何力。同时，由于槽脊部与通道部之间的流动差而输送到GDL的气体的扩散量还根据槽脊部与通道部被接合到的GLD的区域而变化，且来自GDL的水的排出性能还显示出槽脊部和通道部之间的差异。 燃料电池中已经公知，通过分隔器的流场供应的反应气体最好在⑶L的整个区域上均匀扩散，而由反应产生的水最好迅速排出到外部，因为水会抑制在燃料电池的电解质薄膜中发生的化学反应。然而，在典型分隔器的情形下，由于槽脊部具有被接合到GDL 12的较大区域，因此气体扩散量在槽脊部被接合到的较宽的GDL区域与接触通道部的流场的GDL区域之间变化。参照图1，反应气体(空气和氢气)从通道部的流场扩散至⑶L 12。在这样的结构中，气体扩散量不可避免地分别在接触槽脊部和通道部GDL 12的区域之间改变。这种不均匀使在发生电化学反应的MEA 11的整个区域中通道部接触的区域和槽脊部接触的区域之间存在浓度差。因此，在MEA的整个区域中所产生的电化学反应的差异，使得在整个反应区域上难以期望产生均匀的电力并降低燃料电池的整体性能。另外，由于典型的分隔器仅仅主要取决于反应气体输送至⑶L的扩散，因而难以获得从分隔器至催化剂层的质量传递，因而降低燃料电池的限制电流密度并由此导致整体性能的降低。而且，由于槽脊部以较大区域被结合到水被排出的GDL，因此作为电化学反应副产物的水难以被排出。在背景技术部分披露的内容只是用来加强对本发明的背景的理解，因此其中可能包括不构成本国本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种用于燃料电池的分隔器，通过改进反应气体在其中流动的流场的结构，使气体扩散层中的区域之间的气体扩散和浓度差最小，并且在整个反应区域上获得均匀的电化学反应并产生电力。在一个方面，本发明提供一种用于燃料电池的分隔器，包括流场板，具有多孔板结构并被结合到气体扩散层的外表面以形成反应气体流场；以及主体板，被结合到流场板的外表面以密封反应气体流场，其中流场板具有突起，该突起在形成不均匀结构的同时以重复图案从流场板的两个表面突出，并且流场板具有在从流场板的一个表面突出的突起的尖端处被结合到气体扩散层的槽脊部，以及在从流场板的另一个表面突出的突起的相反尖端处被结合到主体板的结合部。在一个示例性实施例中，突起的槽脊部可以在流场板的一个表面上沿前后和左右方向彼此间隔开。在另一个示例性实施例中，突起在其倾斜侧面上可以具有孔以分别允许气体通过。在又一个示例性实施例中，孔可以沿前后和左右方向以预定间隔布置在流场板上。在又一个示例性实施例中，突起的槽脊部可以线接触状态被结合到气体扩散层。在还有的一个示例性实施例中，从流场板的一个表面突出的突起的除槽脊部以外的其它部分，可与气体扩散层间隔开。在进一步的示例性实施例中，突起的侧端与气体扩散层间隔开，使得反应气体沿横向通过突起的侧端与气体扩散层之间的间隙。本发明的其它方面和示 例性实施例将在下文中进行描述。
现参照仅仅出于说明的目的而在下文中给出附图阐释的具体示例性实施例，以详细描述本发明的以上和其它特征，而并不由此限定本发明，其中图1是示出应用典型金属分隔器的电池的横截面图；图2是示出根据本发明一个实施例的分隔器的结构的立体图；图3是根据本发明一个实施例的分隔器中的流场板的俯视图；图4是示出根据本发明一个实施例的分隔器中的流场板的反应气体的流动路径的立体图；以及图5是示出根据本发明一个实施例的多种示例性分隔器的立体图。附图中涉及的附图标记包括后面将进一步讨论的下列部件11 :薄膜-电极组件(MEA)
12 :气体扩散层(GDL)
20 :分隔器
21 :流场板
21a:突起
21b :槽脊部(land portion)
21c :结合部
21d :孔；以及
22 :主体板应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中所公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由预期的特定应用和使用环境来确定。在附图中，在全部的几张图中，附图标记始终指代本发明中的相同或等同部件。
具体实施例方式下面详细参考本发明的各种实施方式，本发明的实施例在附图中被图解并且在下面被描述。尽管本发明将结合示范性实施例被描述，然而可以理解的是，本描述并不意在将本发明限制到那些示范性实施例上。相反地，本发明意在不仅仅覆盖示范性实施例，而且覆盖各种可选形式、变型、等价形式和其它实施例，其可被包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中。可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料)。如在本文中所引用的，混合动力车辆是具有两种或多种动力来源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆二者。下文中将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。本发明涉及一种用于燃料电池的分隔器，通过改进反应气体在其中流动的流场的结构，使气体扩散层中的区域之间的气体扩散和浓度差最小，并在整个反应区域上获得均匀的电化学反应并产生电力。图2是示出根据本发明一个实施例的分隔器结构的立体图。薄膜-电极组件(MEA) 11和分隔器20可被结合到气体扩散层(⑶L)12。⑶L 12和分隔器20实际上可被结合到MEA 11的两侧，但在图中仅示出在MEA 11 —侧的⑶L 12和分隔器20。另外，尽管堆和电池结构以MEA 11、⑶L 12以及分隔器20的所有组件都彼此结合在一起的状态进行制造，然而在图2中以分解的方式示出除了 MEA 11和GDL 12之外的组件。图3是根据本发明一个实施例的分隔器中的流场板的俯视图。图4是示出根据本 发明一个实施例的通过分隔器中的流场板的反应气体的流动路径的立体图。图5是示出根据本发明一个实施例的多个示例性分隔器的立体图。如图2所示，⑶L 12可被结合到MEA 11的两个表面上，而分隔器20可被结合到⑶L 12的两个外表面。分隔器20可被分成阳极侧分隔器和阴极侧分隔器。阳极侧分隔器可结合到被结合至MEA 11的阳极的GDL 12的外表面，以供应例如氢气等燃料气体。阴极侧分隔器可结合到被结合到MEA 11的阴极侧的GDL 12的外表面，以供应例如氧气或空气等氧化气体。分隔器20可包括流场板21，具有用于形成流场的多孔板结构；以及被结合到流场板21的外侧的主体板22。流场板21的流场可充当供应通道，用于将反应气体(燃料和氧化气体)输送到GDL 12并通过GDL 12排出作为电化学反应的副产物的水。在此，流场板21可被结合到⑶L 12的外表面，而主体板22可被结合到流场板21的外侧。因而，在接触⑶L 12的表面时，主体板22与⑶L 12之间的空间可成为反应气体在其中流动的流动空间。可以通过在诸如不锈钢板等金属板上执行开孔工艺和发泡工艺(用于形成压印图案的压印工艺)来制造流场板21。流场板21可以具有这样一种结构，其中孔21d和非均匀的压印图案被重复形成。
更特别地，如图2至5所示，可以在流场板21的整个区域上以预定间隔重复地形成非均匀结构的压印图案，而沿前后和左右方向以预定间隔布置的孔21d可重复地形成在压印图案的一侧上。在此情形下，压印图案可被形成以便在前后和左右方向上重复布置。当从流场板21的每个表面观察时，在压印图案以预定间隔重复布置的位置上，各个压印图案可以包括以山形突出的突起21a。突起21a可沿前后和左右方向重复地布置，其中从流场板21的一个表面突出的突起的一个尖端可成为被结合到⑶L 12的槽脊部(land portion) 21b,而从流场板21的另一个表面突出的突起的另一个尖端可成为被结合到主体板22的结合部21c。
槽脊部21b和结合部21c可以沿前后和左右方向以预定间隔布置。特别地，槽脊部21b和⑶L 12的结合结构可以是线接触结构，其中这些线以预定间隔彼此间隔开。在图1中所示的典型分隔器中，槽脊部可被结合到具有连续平面接触结构的GDL，该连续平面接触结构在通道部之间具有较大区域和特定宽度，但在根据本发明的实施例的分隔器中，彼此间隔开的槽脊部21b可被结合到⑶L 12，作为整体具有点线图案。此外，在突起21a的倾斜表面中还可以形成有孔21d，从而以特定间隔形成重复图案。孔21d可用作反应气体和水通过的通道孔。孔21d可被形成为具有诸如圆或椭圆的多种形状。除突起21a的槽脊部21b之外的流场板的其它部分，可与⑶L 12分开。在突起21a的侧端与GDL 12之间可以形成间隙以允许反应气体沿横向流动。反应气体可以流经突起21a侧端的间隔间隙以及孔21d，因而可以在垂直、水平方向的三维路径中流动。因此，由孔21d和突起21a的侧端的间隙形成的流场可以允许反应气体强制流动转换(forced flow conversion)。当被提供给分隔器20的反应气体通过流场板21时,反应气体可穿过孔21a和突起21a的侧端的间隙，以便沿垂直和水平方向流动并显示湍流状态。特别地，由于反应气体以湍流的形式移动，因此除了由流场与GDL之间的扩散引起的质量转移之外，还可产生从流场板到GDL的强制对流。因此，可通过强制流动转换来进行质量转移。因而，由于沿GDL方向的流动现象，即沿GDL方向的对流允许反应气体强制地并人为地流入到GDL，可以增加从分隔器的反应流场输送到GDL的反应气体量，从而可以将MEA的催化剂层的反应气体保持在较高浓度。在图1所示的典型分隔器中，反应气体沿着沿一个方向纵向形成的通道部中的流场间隔，以层流(其中仅存在关于流动方向的速度矢量)的方式流动，而气体转移(气体从分隔器转移到GDL)主要仅仅通过扩散来执行。然而，在根据本发明实施例的分隔器中，由于可通过强制对流而额外地执行质量转移，因此可增大反应气体的输送量，且由于流场中的湍流可产生沿GDL方向的流动速率，从而增加质量转移的效果。而且，在典型分隔器中，由于槽脊部被结合到具有大面积的连续平面接触结构的GDL上，因此在槽脊部与通道部之间会显著产生气体转移和扩散的差异。然而，在根据本发明实施例的分隔器中，由于槽脊部21b被结合到具有点线(dotted line)接触结构的GDL12，因此可以使在GDL 12中被结合到流场板的槽脊部与流场部的区域之间的气体扩散和浓度的差异最小(能够得到均匀的浓度分布)，并且在整个反应区域上能够获得均匀的气体扩散和电化学反应以及产生电力。因而，可改进燃料电池的性能，且可增加燃料电池的限制电流密度，从而与有关现有技术相比，可以以高功率工作。另外，由于槽脊部21b的接触区域即与⑶L 12的结合部明显减小，因此水可更容易地从⑶L 12中排出，并且可防止燃料电池的性能因在高电流范围上的溢流而降低。在此，用于制造流场板21的工艺可以包括通过在平坦金属板上进行蚀刻和穿孔工艺来形成重复图案的多个孔21d。金属板可以包括不锈钢板，其是用于典型的金属分隔器的材料。其次，具有重复图案的突起21a可被形成以构成槽脊部21b和结合部21c。突起21a可以以压印图案被形成，而流场板21的形状可通过利用冲压模具执行压印工艺来完成。流场板21可被结合到电池的⑶L 12，而⑶L 12可被结合到以重复图案从流场板21的一个表面突出的槽脊部21b。另一方面，主体板22可用于从电池的外部覆盖由流场板21形成的反应气体流动空间。主体板22可被结合到流场板21的一个表面上，该表面与GDL 12被结合到的流场板21的另一个表面相反。主体板22可被结合到以重复图案从流场板21的另一个表面突出的结合部21c，尽管在图中没有示出，然而主体板22还可以具有这样一种结构，其中反应气体的入口和出口纵向地形成在其一侧和另一侧上。主体板22的入口和出口是形成其中堆叠有单元电池的电池堆的内部歧管的部分。经由入口供应的反应气体可以穿过主体板22内部的流场板21，而已流经流场板21的未反应气体和副产物可以通过出口排出。另外，其中流场板21被布置于主体板22与⑶L 12之间的流动空间，必须被密封，可以沿着主体板22的边缘，即在相邻电池的主体板之间的流场板的周边，来布置衬垫或密封部件。因而，根据本发明实施例的分隔器，反应气体在由多孔板结构的流场板形成的流场处以瑞流形式流动，从而通过均勻的气体扩散和聚集(concentration),增大进入⑶L的扩散并有利于均匀地产生电。因而，可增大电流密度并改善燃料电池的性能。因此，在根据本发明一个实施例的用于燃料电池的分隔器被应用到由具有多孔板结构的流场板所形成的流场中时，反应气体以湍流形式流动，从而在通过均匀的气体扩散和聚集而有利于均匀发电的同时增大到GDL的扩散。因而，可增大电流密度并改进燃料电池的性能。参考本发明的实施例来描述本发明。然而，本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下还可以对这些实施例进行各种修改，本发明的范围由所附权利要求及其等价方式进行限定。
权利要求
1.一种用于燃料电池的分隔器，包括 流场板，具有多孔板结构并被结合到气体扩散层的外表面以形成反应气体流场；以及 主体板，被结合到所述流场板的外表面以密封所述反应气体流场， 其中所述流场板具有突起，所述突起在形成不均匀结构的同时以重复图案从所述流场板的两个表面突出，并且所述流场板具有在从所述流场板的一个表面突出的突起的一个尖端处被结合到气体扩散层的槽脊部，以及在从所述流场板的另一个表面突出的突起的相反尖端处被结合到所述主体板的结合部。
2.如权利要求1所述的分隔器，其中所述突起的多个槽脊部在所述流场板的一个表面上沿前后和左右方向彼此间隔开。
3.如权利要求1所述的分隔器，其中所述突起在其倾斜侧面上具有孔，所述孔被配置成允许反应气体通过。
4.如权利要求3所述的分隔器，其中多个孔沿前后和左右方向以预定间隔布置在所述流场板上。
5.如权利要求3所述的分隔器，其中所述突起的所述槽脊部以线接触状态被结合到气体扩散层。
6.如权利要求1所述的分隔器，其中从所述流场板的一个表面突出的所述突起的除所述槽脊部以外的其它部分，与所述气体扩散层间隔开。
7.如权利要求6所述的分隔器，其中所述突起的侧端与所述气体扩散层间隔开，使得反应气体沿横向通过所述突起的侧端与所述气体扩散层之间的间隙。
8.一种用于燃料电池分隔器的流场板，包括 多孔板结构，具有内表面和外表面；以及 突起，在形成不均匀结构的同时以重复图案从所述流场板的两个表面突出； 其中所述内表面的槽脊部被配置成在所述内表面的突起的尖端被结合到气体扩散层的外表面以形成反应气体流场；并且 其中所述多孔板结构的所述外表面被配置成在所述外表面的突起的相反尖端被结合到主体板以密封所述反应气体流场。
9.如权利要求8所述的流场板，其中所述突起的多个槽脊部在所述流场板的一个表面上沿前后和左右方向彼此间隔开。
10.如权利要求9所述的流场板，其中所述突起在其倾斜侧面上具有孔，所述孔被配置成允许反应气体通过。
11.如权利要求10所述的流场板，其中多个孔沿前后和左右方向以预定间隔布置在所述流场板上。
12.如权利要求10所述的流场板，其中所述突起的所述槽脊部被配置成以线接触状态被结合到气体扩散层。
13.如权利要求1所述的流场板，其中从所述流场板的一个表面突出的所述突起的除所述槽脊部以外的其它部分，与所述气体扩散层间隔开。
14.如权利要求13所述的流场板，其中所述突起的侧端被配置成与所述气体扩散层间隔开，使得反应气体沿横向通过所述突起的侧端与所述气体扩散层之间的间隙。
15.一种燃料电池，包括膜电极组件(MEA)； 与所述MEA相邻的气体扩散层； 流场板，具有多 孔板结构并被结合到所述气体扩散层的外表面以形成反应气体流场； 以及 主体板，被结合到所述流场板的外表面以密封反应气体流场， 其中所述流场板具有突起，所述突起在形成不均匀结构的同时以重复图案从所述流场板的两个表面突出，并且所述流场板具有在从所述流场板的一个表面突出的突起的一个尖端处被结合到气体扩散层的槽脊部，以及在从所述流场板的另一个表面突出的突起的相反尖端处被结合到所述主体板的结合部。
全文摘要
一种用于燃料电池的分隔器，包括流场板和主体板。流场板具有多孔板结构并被结合到气体扩散层的外表面以形成反应气体流场。主体板被结合到流场板的外表面以密封反应气体流场。流场板具有突起，该突起以重复图案从流场板的两个表面突出，形成不均匀结构。流场板具有在从流场板的一个表面突出的突起的一个尖端处被结合到气体扩散层的槽脊部，以及在从流场板的另一个表面突出的突起的相反尖端处被结合到主体板的结合部。
文档编号H01M8/02GK103000918SQ20111046229
公开日2013年3月27日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年9月9日
发明者郑熙锡 申请人:现代自动车株式会社