[发明专利]燃料电池隔板

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池隔板。更具体地，涉及燃料电池隔板，其中在隔板的通道表面形成涡旋产生结构，诱导流过通道的流体(即，氢气和空气)产生涡流，由此，便于反应气体供应和从气体扩散层(GDL)中去除水滴。

背景技术

氢燃料电池汽车作为环境友好型汽车的研究和开发在继续进步，应用于氢燃料电池汽车的燃料电池系统包括通过反应气体间的电化学反应产生电流的燃料电池组，为燃料电池组供应作为燃料的氢气的燃料处理系统(FPS)，为燃料电池组中电化学反应提供作为氧化剂的氧气(包括空气)的空气处理系统(APS)，从燃料电池系统中把反应热排除到燃料电池系统外部、控制燃料电池组的工作温度和执行水管理功能的热管理系统(TMS)，和用来控制燃料电池系统整体工作的系统控制器。

下面，参考图7和图8描述燃料电池组的一个单元电池的结构。

膜电极组件(MEA)安置在燃料电池组的每个单元电池的中央。MEA包括输送氢离子(质子)的聚合物电解质隔膜10，和电极/催化剂层，例如分别设置在聚合物电解质隔膜10两侧的空气电极12(阴极)和燃料电极14(阳极)，在此，发生电化学反应。

气体扩散层(GDL)16和衬垫18依次叠放在空气电极12和燃料电极14的外侧。包括提供燃料和释放反应产生的水分的流场的隔板20被堆叠在GDL 16的外侧。进一步，用来支持上述元件的端板30连接在最外端。

氢的氧化反应发生在燃料电池组的燃料电极14，产生氢离子(质子)和电子，产生的氢离子和电子分别通过电解质隔膜10和隔板20被传送到空气电极12。在空气电极12，从燃料电极14传送来的氢离子和电子与空气中的氧发生反应产生水。电子流动产生的电能通过端板30的集流体(未标出)提供给需要电能的负载。

如图7所示，隔板20包括作为与GDL16直接接触的平面部(flat portion)的槽脊(land)22，和作为在通过氢和空气(氧)的槽脊22之间的空间的通道24。隔板20的功能是提供如氢和空气的反应气体，从GDL16除去空气电极12产生的水，同时向外电路输送电流。

隔板的类型分为由机械加工形成的石墨隔板和冲压加工形成的金属隔板。通道24具有如图7a所示的矩形横截面或图7b所示的梯形横截面。每个通道24的表面都是平滑的，因此反应气体的实际流动具有层流特性。

然而，层流是通道侧壁的流速小于中心的流速的流动，因此不能确保水滴平滑的薄膜流动，其使去除在GDL的孔中捕获的水变得困难。

提出了在隔板的通道表面涂布亲水材料以形成薄膜流动以解决上述问题。然而，涂层可能会在燃料电池组长时间工作过程中被反应气体流磨损或分离，并因此由涂层中的亲水材料的减少而导致隔板的水去除效率降低。从而，在燃料电池组的每个单元电池中发生溢流(flooding)，这会减小产生的电流并加速电极、电解质隔膜等的劣化。

另一种推荐的隔板包括一个用于诱导反应气体的环流和具有集流功能的圆柱形式的突起，代替通道结构。然而，反应气体流动很难精确控制，并根据燃料电池组中每个单元电池的工作状况发生不均匀流动，这会引起电极和电解质隔膜的局部破坏。此外，很难去除GDL的孔中捕获的水。

还有一种推荐的隔板，包括蛇形的通道、具有至少一段弯曲部的直线或波形通道，以提高反应物气体的利用率和减少寄生功率(parasitic power)。然而，尽管易于去除水，但是寄生功率的量却在增长。因此，通道表面具有光滑面或多个亚微米级尺寸的突起。

上述现有技术的隔板可通过通道壁去除通道中的水滴或去除两相流(two-phase flow)中的水滴，其中水滴混合在反应气体中。然而，通道中反应气体的实际流动保持层流，因此很难从GDL的开孔中去除小水滴。

上述在背景部分公开的信息只用于增加对本发明背景的理解，因此可能包括某些还没有形成对于本国本领域技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明结合现有技术努力解决上述问题。因此，本发明提供一种燃料电池隔板，其中在隔板的通道的表面整体地形成涡旋产生装置，以使流过通道的反应气体产生涡旋，由此，有利于通过反应气体的涡流从气体扩散层去除水滴。

一方面，本发明提供一种燃料电池隔板，其包括：接触气体扩散层的槽脊；形成在两个槽脊之间并用作反应气体通路的通道；和在通道表面整体形成的用于诱导反应气体的涡旋的涡旋产生结构。

涡旋产生结构可以形成在通道的整个或部分表面上。同样，涡旋产生结构可以在通道表面经过冲压过程整体形成或预先单独形成。