用于燃料电池的双极板结构制造技术

本发明专利技术提供了用于燃料电池的双极板结构。该双极板结构包括阴极双极板，所述阴极双极板具有第一流场部分以在第一流场部分和第一气体扩散层之间形成阴极通道，并具有第一接合部分以形成冷却剂通道。阳极双极板具有第二流场部分以在第二流场部分和第二气体扩散层之间形成阳极通道，并具有第二接合部分以形成冷却剂通道。阴极通道具有相互交叉的通道结构，而阳极通道具有平行的通道结构。在阴极和阳极双极板中沿着反应区域的两个长边边缘部分中的一个形成空气入口歧管孔。沿着反应区域的两个长边边缘部分中的另一个形成空气出口歧管孔。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容涉及用于燃料电池的双极板结构(bipolar plate structure)。更特别地，本公开内容涉及能够在整个反应区域中实现均匀的发电、增加极限电流密度和功率密度、并改进燃料电池的性能和效率的用于燃料电池的双极板结构。
技术介绍
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)通过作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的氧气(或空气)之间的电化学反应来发电。与其他类型的燃料电池相比，PEMFC具有高效率、高电流密度、高功率密度、短启动时间、以及对负载变化的快速响应。因此，PEMFC已经用于多种应用，诸如用于零排放车辆的电源、独立发电站和军用电源中。通常，燃料电池具有其中将电池堆叠并装配以便满足所需功率水平的堆结构(组结构，stack structure)。因此，安装在车辆中的燃料电池也具有其中堆叠几百个电池以便满足所需高功率水平的堆结构。将膜电极组件(MEA)定位在燃料电池堆(燃料电池组，fuel cell stack)的每个单元电池的中心。MEA包括固体聚合物电解质膜和催化剂电极，运送氢阳离子(质子)使其通过固体聚合物电解质膜，通过在电解质膜的两个表面上施加催化剂来配置催化剂电极。即，催化剂电极包括阳极(氢电极)和阴极(空气电极)。另外，将气体扩散层(GDL)、用于防止漏气的垫圈等堆叠在MEA之外，即位于阳极和阴极所处的外部。双极板具有流场，反应物气体、冷却剂和通过反应产生的水流过该流场，并且双极板与GDL的外侧结合。根据如上所述的传统技术，在燃料电池堆的阳极中发生作为燃料的氢气的氧化反应以产生氢离子和电子。将产生的氢离子和电子分别通过电解质膜和双极板传送至阴极。因此，通过电子流动产生电能，通过电化学反应产生水和热量，其中，从阳极传送的氢离子和电子与空气中的氧气在阴极中混合(participate)。双极板在燃料电池堆中划分单元电池，同时，用作单元电池之间的电流通路(用于转移产生的电的通路)。形成于双极板中的流场用作用于将反应物气体转移至GDL的通路、用于冷却剂通过的通路、以及用于排出水的通路，水由电化学反应产生并通过GDL排出至外部。这种双极板包括由石墨材料制成的石墨双极板、以及由金属材料诸如不锈钢制成的金属双极板。考虑到可加工性和大规模生产，用金属双极板代替石墨双极板的研究正积极地进行。然而，通过压力加工制造的金属双极板难以实现复杂形状。为此，金属双极板使用薄板材料，从而可以减小双极板的厚度和重量以及单元电池的体积。通常，在通过在模具中经由压力加工以金属板材料形成浮雕/凹雕图案来制造双极板之后，使两个双极板彼此连接。因此，冷却剂在通过双极板的接触而限定的通道空间中流动，将GDL设置在双极板的两侧，使得氢气和氧气在限定于GDL和双极板之间的相应的通道空间中流动以便转移反应物气体。图1是示出了用于燃料电池的典型的金属双极板结构的顶视图。参考图1，双极板10通常具有矩形形状。双极板10具有反应区域11，该反应区域11具有用于空气、氢气和冷却剂的流场。反应区域11的相对端部分具有入口歧管孔(inlet manifold hole)12、14和16以及出口歧管孔13、15和17，空气、氢气和冷却剂分别通过入口歧管孔12、14和16以及出口歧管孔13、15和17进入和离开。将加湿的空气和氢气作为反应物气体从堆的外部源通过空气和氢气入口歧管孔12和14供应，以操作燃料电池。除了供应的反应物气体以外，在燃料电池中产生的气相或液相水通过空气和氢气出口歧管孔13和15排出至堆的外部。即，将反应物气体和在电池中产生的水通过空气出口歧管孔13排出，并将反应物气体和在阴极中产生且然后渗入电解质膜以传送至阳极的水通过氢气出口歧管孔15排出。在燃料电池堆的每个双极板中，将反应物气体(包括作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的氧气的空气)和通过入口歧管孔12、14和16供应的冷却剂分配至每个电池的流场(阴极/阳极/冷却剂通道)，以进行反应并被冷却。然后，使反应物气体和冷却剂在出口歧管孔13、15和17中合并，以排出至堆的外部，如图2中所示。图3A和图3B是燃料电池的横截面图，其示出了反应物气体所流过的阴极通道和阳极通道、以及冷却剂通道。参考数字21指的是包括催化剂层(催化剂电极，即，阴极和阳极)的MEA。在这里，双极板10与GDL 22接触的每个部分指的是接合部分(连接部分，焊接区部分，连接盘部分，land section)10a，一个双极板与另一个双极板接触的每个部分指的是通道部分(channel section)10b。另外，由通道部分10b形成的流场指的是反应物气体所流过的通道，其是空气(氧气)所流过的阴极通道(空气通道)11a和氢气所流过的阳极通道(氢气通道)11b。由接合部分10a形成的流场指的是冷却剂所流过的冷却剂通道11c。将双极板的流场分成阴极通道11a、阳极通道11b和冷却剂通道11c，并且空气、氢气和冷却剂在平行的方向上流至双极板的流场。通过使用压制处理金属材料来制造的双极板会由于双极板本身的形状而导致设计限制。金属双极板具有以各种方式设计的流场，因为难以实现复杂形状，但是流场图案具有与典型的通道形状相同的形式。即，反应物气体所流过的流场具有形成于平且薄的金属板材料上的浮雕和凹雕图案(relief and intaglio pattern)，冷却剂或其他气体流过形成于其相对表面上的流场。另外，传统的双极板通常具有平行地布置在反应区域中的长通道，或具有倾斜的流场。根据双极板的流场的设计，双极板在性能、压力特征和排放特征方面具有优点和缺点。然而，具有矩形横截面、梯形横截面或与其类似的横截面的流场，通常形成于与双极板的反应区域对应的部分中，使得通过其供应反应物气体。双极板具有流场形成于其中的部分和流场不形成于其中的另一个部分。流场形成于其中的部分是具有用于反应物气体的流场的流场部分(包括以上通道)，流场不形成于其中的另一个部分是接合部分。在双极板中流场部分典型地与接合部分区别开。由于流场部分和接合部分之间的流量差异(流动差异)的原因，转移至GDL的气体的扩散量会变化。这种不均匀性会在其中发生电化学反应的MEA中在流场部分和接合部分之间产生浓度差异。由于此原因，由于电化学反应中的差异而难以期望整个反应区域中均匀地发电。在传统的双极板中，反应物气体诸如空气和氢气在垂直于其中将物质转移至催化剂层的方向的方向上流动，电化学反应发生在催化剂层中。由于此原因，双极板具有的缺点在于：将物质转移至催化剂层，仅取决于由于浓度差异的扩散以及在通道11a和11b与MEA 21之间的分压力差。即，由于反应物气体的流动方向垂直于其中将物质转移至催化剂层(其中发生电化学反应)的方向，所以仅使用由于用于反应物气体的流场通道11a和11b之间的入口和出口处的压力差的扩散以及通道11a和11b与催化剂层之间的浓度差，将物质通过GDL 22转移至催化剂层。这种方法在将反应物气体供应至所需部分方面是被动转移方法。因此，难以在双极板中通过流动将物质转移至催化剂层。因此，燃料电池的极限电流密度减小，从而燃料电池的性能可能劣化。另外，在高功率部分中可能不会提高燃料电池的性能，并且难以将水作为由电化学反应产生的副产物排出，因为难以去除G本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的双极板结构，包括：阴极双极板，所述阴极双极板具有第一流场部分以在所述第一流场部分和第一气体扩散层之间形成阴极通道、并具有第一接合部分以在其中所述第一接合部分与所述第一气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道；以及阳极双极板，所述阳极双极板具有第二流场部分以在所述第二流场部分和第二气体扩散层之间形成阳极通道，并具有第二接合部分以在其中所述第二接合部分与所述第二气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道，其中，所述阴极通道具有相互交叉的通道结构，而所述阳极通道具有其中流场彼此平行地布置的平行的通道结构，其中，在所述阴极双极板和所述阳极双极板中沿着反应区域的两个长边边缘部分中的一个形成空气入口歧管孔，在所述反应区域中形成所述第一流场部分和所述第二流场部分以及所述第一接合部分和所述第二接合部分，并且沿着所述反应区域的两个长边边缘部分中的另一个形成空气出口歧管孔，并且其中，所述阴极通道中的每一个的纵向方向是所述反应区域的宽度方向。

【技术特征摘要】
2015.05.20 KR 10-2015-00702631.一种用于燃料电池的双极板结构，包括：阴极双极板，所述阴极双极板具有第一流场部分以在所述第一流场部分和第一气体扩散层之间形成阴极通道、并具有第一接合部分以在其中所述第一接合部分与所述第一气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道；以及阳极双极板，所述阳极双极板具有第二流场部分以在所述第二流场部分和第二气体扩散层之间形成阳极通道，并具有第二接合部分以在其中所述第二接合部分与所述第二气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道，其中，所述阴极通道具有相互交叉的通道结构，而所述阳极通道具有其中流场彼此平行地布置的平行的通道结构，其中，在所述阴极双极板和所述阳极双极板中沿着反应区域的两个长边边缘部分中的一个形成空气入口歧管孔，在所述反应区域中形成所述第一流场部分和所述第二流场部分以及所述第一接合部分和所述第二接合部分，并且沿着所述反应区域的两个长边边缘部分中的另一个形成空气出口歧管孔，并且其中，所述阴极通道中的每一个的纵向方向是所述反应区域的宽度方向。2.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，在所述阴极双极板和所述阳极双极板中的每一个中沿着所述反应区域的两个短边边缘部分中的一个形成氢气入口歧管孔，并沿着所述两个短边边缘部分中的另一个形成氢气出口歧管孔。3.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，所述阴极通道中的每一个的纵向方向与所述阳极通道中的每一个的纵向方向相交。4.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，所述阳极通道中的每一个的纵向方向是所述反应区域的纵向方向，使得所述阴极通道中的每一个的纵向方向垂直于所述阳极通道中的每一个的纵向方向。5.根据权利要求4所述的双极板结构，其中，当所述第一接合部分和所述第二接合部分的表面分别与两个相邻燃料电池的所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层结合时，在所述第一接合部分和所述第二接合部分的每个表面的相对表面上以锯齿形通路形式形成冷却剂通道，使得所述冷却剂通道的纵向通路和横向通路交替地重复。6.根据权利要求1所述的双...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑熙锡，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR