隔板和具有隔板的燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明的示例性实施例涉及燃料电池系统的燃料电池堆。更具体地，本发明涉及具有微孔结构的隔板(separator)和包括隔板的燃料电池。
【背景技术】
[0002]如本领域已知的，燃料电池是由从氢气和氧气的电化学反应生成电能的单元电池组成。这种燃料电池可以在两侧布置具有在其间的膜-电极组件(MEA:membrane-electrode assembly)的隔板来结构化。用于向膜电极组件提供燃料和反应气体(例如空气)的反应通道和用于传递冷却水的冷却通道形成在隔板中。用于扩散反应气体的气体扩散层形成在膜-电极组件的两侧。
[0003]为最大化燃料电池的性能，气体扩散层和膜-电极组件的表面压力需要通过将隔板反应通道之间的间隙缩小而实现的均匀性，并且均匀渗透性在气体扩散层的反应面中实现。然而，在减小隔板的反应通道之间间隙以防止在隔板形成过程中导致的各种缺陷上是有限的，并且降低燃料电池性能的以下因素由于该实际问题而产生。
[0004]首先，当在反应通道之间的间隙很大时，应力集中在隔板和气体扩散层之间的接触面上。因此，气体扩散层的多孔结构可能破损，从而使用于反应气体的渗透率变差，并且扩散反应气体的能力和排出产物水的能力可能降低。此外，由于应力在反应通道形成的表面上是最小的，所以气体扩散层从隔板的通道部分突出，导致流体的流动性可能劣化。
[0005]第二，由于在隔板接触表面上的汇集导致气体扩散层的结构破损，碳纤维可能通过破损区域渗透到膜-电极组件的电极层，导致电极层可能损坏。
[0006]第三，在具有暴露的气体扩散层的通道部分中，反应气体被充分供给，并且活性化学反应可能发生，但是由于在气体扩散层和膜-电极组件之间表面压力的缺乏，接触电阻可能增加，导致在由反应产生的电子运动中的潜在困难。
[0007]为了改善上述问题，通过在大致薄金属板中形成通道和具有微孔的多孔结构，具有三维(3D)多孔结构的成形多孔构件已经在现有技术中使用。此外，插入微孔结构以均匀分布表面压力和改善扩散反应气体并且排出产物水，而不是插入具有反应通道的隔板的方法已被使用。因为诸如金属泡沫和金属丝网的微孔结构具有基本上高的孔径比，并且分布表面压力，所以气体扩散层可以被均匀压缩。
[0008]在这些材料中，金属泡沫具有与在金属材料内彼此连接的大量泡沫，并且因此可以传递流体，并且具有相当高的每体积和强度的表面积比，并且因此它适合于在燃料电池中的隔板材料。然而，在现有技术中，金属泡沫的最重要缺点是，由于内部气泡的随机连接，它可能无法控制反应气体和产物水的流动，并且因此可能难以有效地利用整个反应面。
[0009]此外，由于微孔结构在现有技术中被用于隔板，所以在隔板中的压力差显著增加，并且因此燃料电池系统的寄生功率增加，燃料电池在体积上增加，并且微孔可能被堵塞，其中燃料电池采用水(冷凝水)过饱和，使得燃料电池的操作安全性降低。
[0010]在本部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，并且因此它可能包含对在本领域的普通技术人员不形成对该国已公知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0011]本发明提供:一种隔板以及包括该隔板的燃料电池，该隔板优点在于能更均匀地分布微孔结构的反应气体流，并且甚至在诸如由于水过度凝结导致的水突然流入的外部干扰下也能使燃料电池更稳定地操作。
[0012]本发明的示例性实施例提供用于燃料电池的隔板，该隔板布置在膜-电极组件的两侧，并且被配置成向膜-电极组件提供反应气体。隔板可包括:传导性(导电)的微孔体，其形成在与膜-电极组件对应的反应面上；以及通道单元，其被连接到用于反应气体向内侧和外侧流动的入口歧管和出口歧管，并且引导反应气体到反应面。
[0013]此外，通道单元可形成从入口歧管和出口歧管扩展到反应面的通道(多个通道)。此外，通道单元可形成从入口歧管和出口歧管连接到反应面的通道(多个通道)。入口歧管和出口歧管在对角线方向上设置，从入口歧管到出口歧管，从入口歧管扩展到反应面的通道的长度增加，从出口歧管到入口歧管，从出口歧管扩展到反应面的通道的长度增加，并且通道被连接到反应面。此外，肋条可在通道之间突出，并且隔离壁可在反应面上形成并且可将微孔体划分成多个部分。隔离壁可以槽的形状形成在与反应面相反的侧面上，并且可朝向反应面突出。槽可形成为冷却剂流动的冷却通道。
[0014]此外，通道单元可形成从入口歧管和出口歧管连接到反应面的通道，并且可在在通道之间形成肋条。将微孔体划分成多个部分的隔离壁可形成在反应面上。此外，隔离壁可与肋条连接，并且可将反应面划分成多个反应区域。隔离壁也可将通道划分成分别与反应区域连接的多个通道组。
[0015]本发明的另一个示例性实施例提供了燃料电池，其可包括:膜-电极组件和在膜-电极组件两侧布置的隔板；以及传导性(导电)的微孔体，其形成在与膜-电极组件对应的隔板的反应面上，并且被配置成向膜-电极组件提供反应气体，其中隔板可具有用于反应气体向内侧和外侧流动(例如流入和流出)的入口和出口歧管，以及与入口歧管和出口歧管连接的通道单元，并且被配置成引导反应气体到反应面。
[0016]此外，通道单元可形成从入口歧管和出口歧管扩展到反应面的通道。入口歧管和出口歧管在对角线方向上设置，从入口歧管到出口歧管，从入口歧管扩展到反应面的通道的长度增加，从出口歧管到入口歧管，从出口歧管扩展到反应面的通道的长度增加，并且通道可被连接到反应面。通道单元可在通道之间形成肋条。
[0017]此外，将微孔体划分成多个部分的隔离壁可形成在隔板的反应面上。隔离壁可以以槽形状形成在与反应面相反的侧面上，并且可朝向反应面突出。槽可形成为冷却剂流动的冷却通道。
[0018]此外，将微孔体划分成多个部分的隔离壁可形成在隔板的反应面上。隔离壁可与肋条连接，并且可将反应面划分成多个反应区域。隔离壁也可将通道划分成分别与反应区域连接的多个通道组。
[0019]根据本发明的示例性实施例，可以通过隔板的通道单元将反应气体更均匀地分布到反应面的微孔体，并且提高燃料电池的性能。此外，根据本发明的示例性实施例，隔板的反应面可由隔离壁划分成多个反应区域，微孔体可被划分成在反应区域中的多个部分，并且通道单元的通道可被划分成分别与反应区域连接的多个通道组。
[0020]因此，在本发明的示例性实施例中，能够将反应气体连续均匀分布到微孔体，并且甚至在诸如冷凝水的过度流入的来自外部的临时干扰下也能保持燃料电池的更稳定性能，并且能够防止由于反应产生的产物水的部分汇集所导致的反应气体的流动停滞。此外，在本发明的示例性实施例中，由于形成隔离壁的槽可用作冷却剂流动的冷却通道，因此冷却燃料电池的效率能够增加。
【附图说明】
[0021]在描述本发明示例性实施例时，附图被提供用于参考，并且本发明的精神不应仅通过附图进行解释。
[0022]图1是示出根据本发明示例性实施例的燃料电池的一部分的示例性截面图；
[0023]图2是示出根据本发明示例性实施例的用于燃料电池的隔板的示例性视图；
[0024]图3是示出根据本发明示例性实施例的用于燃料电池的隔板的一部分的示例性详细视图；以及
[0025]图4和图5是示出根据本发明示例性实施例的燃料电池的运行效果的示例性曲线图。
[0026]附图标记说明
[0027]10.??膜-电极组件
[0028]30...气体扩散层
[0029]50...隔板
[0030]51...入口歧管
[0031]52...出口歧管
[0032]53...反应面
[0033]55.