燃料电池用隔板及包括其的燃料电池的制作方法
燃料电池用隔板及包括其的燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种燃料电池用隔板及包括其的燃料电池，尤其涉及一种能够提高燃 料或者氧化剂的水平分配并且能够确保有效流动面积的燃料电池用隔板及包括其的燃料 电池。
【背景技术】
[0002] 通常，燃料电池是将燃料的化学能转换为电能的发电系统，例如在负极（anode) 侧供应氢燃料，在正极（cathode)注入氧化剂，并利用这些在发生反应时所产生的化学能 来转换为电能。
[0003] 根据工作温度、电解质的种类，这种燃料电池可被划分为低温型和高温型，其中 具有代表性的低温型为主要在汽车等中使用的PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，具有代表性的高温型为 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell)、S0FC(Solid Oxide Fuel Cell)、及利用 SOFC 的逆反应的 S0EC(solid oxide electrolysis cell)。
[0004] 燃料电池10在被持续注入燃料（氢气）和氧化剂的过程中，可连续地发电，考虑 到发电效率、经济性需提高燃料的利用率才可以提高商业价值。
[0005] 现有的燃料电池10用隔板20、30包括设置有用于使燃料或者氧化剂流动的路径 的平板部22、32,在该平板部22、32的一侧端部设置有用于使燃料或者氧化剂流入的入口 侧歧管（manifo 1 d) 24、34，在与入口侧歧管24、34相对置的另一侧端部设置有用于排出燃 料或者氧化剂的出口侧歧管26、36。
[0006] 这种燃料电池10用隔板20、30被交替层叠并被设置为堆叠形状。
[0007] 另一方面，现有的燃料电池10根据隔板20、30的配置形状等区分为多种形式， 代表性地使用如下示例：如图1所示，将燃料和氧化剂流入的方向配置成相同方向的并 向流（co-flow)方式；如图2所示，将燃料和氧化剂流入的方向配置成相反方向的逆向 流（count-flow)方式；及图3所示，将燃料和氧化剂流入的方向配置成互相垂直的错流 (cross-flow)方式。
[0008] 但是，对于现有的燃料电池10而言，根据隔板20、30的结构或者配置形状等确定 燃料及氧化剂的流动方向和运行条件（负荷、利用率等），并由此确定发生电化学反应的部 分。
[0009] 而且在现有技术中，因隔板20、30在结构上的限制，发生电化学反应的部分倾向 于一侧，因此温度梯度也以倾向于一侧的形式发生。
[0010] 因此，对于现有的燃料电池10而言，整体堆叠的热应力分布以非对称的形式形 成，由此发电效率因燃料或者氧化剂的不均匀的流向或者偏向的流向而降低，并且随着持 续形成这种不均衡，最终成为在堆叠的热循环过程中对堆叠的结构稳定性产生不良影响的 原因。
[0011] 因此，如图4至图6所示，近年来，作为用于解决并向流（co-flow)方式、逆向流 (count-flow)方式、及错流（cross-flow)方式的结构上的限制的方式，提出了交叉移动流 (cross-shiftflow)方式。
[0012] 交叉移动流方式的燃料电池50通过交替地形成位于奇数位的电池单元（unit battery cell)和位于偶数位的电池单元的歧管结构，降低整体上的温度梯度的不均匀性。
[0013] 即，在位于第奇数位的电池单元51中，在燃料或者氧化剂进行循环的隔板60的一 部分区域配置有用于使燃料或者氧化剂流入的流入歧管62、72,其余区域配置有用于排出 燃料或者氧化剂的排出歧管64、74。
[0014]另外，在位于偶数位的电池单元55中，燃料或者氧化剂进行循环的隔板80、90与 位于奇数位的电池单元51的隔板60、70对称交叉地配置有流入歧管82、92及排出歧管84、 94〇
[0015] 这种交叉移动流方式的燃料电池50可以在某种程度上消除温度梯度的不均匀 性，但由于是以流入歧管82、92及排出歧管84、94中的一部分被对应的单电池（cell)挡住 的结构形成，因此水平方向的流动分配劣化，由此燃料不能均匀地供应至整个单电池面积， 从而降低燃料电池50的整体性能。
[0016] 因此，开发了如下技术：将流入歧管82、92及排出歧管84、94分散为多个而配置， 从而使流动更均匀地在整个单电池面积上扩散。
[0017] 但是，在现有的交叉移动流方式的燃料电池50设置有用于密封流入歧管62、72、 82、92和排出歧管64、74、84、94之间的密封材料63、73、83、93,因此，在从流入歧管62、72、 82、92流出的燃料或者氧化剂流向单电池的反应表面的过程中，密封材料63、73、83、93会 妨碍燃料或者氧化剂的水平流动扩散，最终导致在歧管孔所存在的部分和歧管孔被挡住的 部分之间存在流动偏差。
[0018] 另一方面，为了使水平流动的扩散变得更均匀，在交叉移动流方式的燃料电池50 中，例如对位于奇数位的电池单元51的燃料或者氧化剂进行循环的隔板60'进行改进，使 流入歧管62位于中央部，并使排出歧管分割形成为排出歧管64a、64b。
[0019] 另外，例如对位于偶数位的电池单元55的燃料或者氧化剂进行循环的隔板80'进 行改进，使流入歧管82位于中央部，并使排出歧管分割形成为排出歧管84a、84b。此时，流 入歧管82和排出歧管84a、84b由密封材料63、83保持密封。
[0020] 另一方面，参照图9,现有的交叉移动流方式的燃料电池50,随着流入及排出歧管 的数量的增加，会均匀地进行水平流动扩散，但这也会使密封材料63、83所占有的面积增 加，从而用于进行实际流动的有效面积将会减少，据此整体上的反应效率及燃料利用率降 低。
[0021] 即，如果将流入及排出歧管的宽度设为LH，密封材料的宽度设为Ls，则相对于歧管 的数量n的具有相同宽度的密封材料的数量需为n-1。
[0022] 燃料电池的有效流动面积的宽度L如数学式1所示。
[0023] 数学式1
[0024]
[0025]因此，需要将现有的燃料电池开发成具有能够提高燃料或者氧化剂的水平分配， 并且不减少燃料电池的有效流动面积L的结构。
【发明内容】
[0026] 技术问题
[0027] 本发明的一实施例提供一种被改善成能够提高燃料或者氧化剂的水平分配，并且 能够确保有效流动面积的燃料电池用隔板及包括其的燃料电池。
[0028] 技术方案
[0029] 根据本发明的一个方面的燃料电池用隔板包括：隔板主体；第一流入歧管，其设 置在所述隔板主体的一侧；第二流入歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在与所述第一 流入歧管分开的空间；第一排出歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在所述第二流入歧 管的外侧；及第二排出歧管，其在所述隔板主体的一侧的所述第一流入歧管的外侧设置在 与所述第一排出歧管分开的空间。
[0030] 另外，所述隔板主体可设置有至少一个的所述第一流入歧管和至少一个的所述第 二流入歧管。
[0031] 另外，所述第一排出歧管和所述第二排出歧管可以以细长的形状延伸形成在所述 隔板主体的宽度方向上。
[0032]另外，在所述隔板主体的内部，可以在所述第一流入歧管和所述第一排出歧管之 间形成有循环路径。
[0033] 另外，根据本发明的另一方面，在层叠至少一个电池单元而形成的燃料电池中，所 述电池单元可包括如上所述的多个燃料电池用隔板，所述燃料电池用隔板垂直地交叉而层 叠，由此使作为燃料或者氧化剂的气体交叉循环。
[0034]另外，在所述燃料电池用隔板主体的内部，在所述第一流入歧管和所述第一排出 歧管之间形成有循环路径。
[0035] 另外，所述循环路径可以以允许从所述第一流入歧管所供应的气体穿过所述第二 流入歧管之间并向所述第一排出歧管排出的方式设置。
[0036] 在所述燃料电池用隔板中，所述第二流入歧管可与其他隔板的第一流入歧管密封 并连接，所述第二排出歧管可与其他隔板的第一排出歧管密封并连接。
[0037] 有益效果
[0038] 根据本发明的一实施例，流入歧管和排出歧管以两列配置，由此确保能够使来自 流入歧管的燃料或者氧化剂扩散的可用空间，从而能够确保有效面积且能提高水平分配； 并且能够减少由于排出歧管设置成一个而在排出歧管可能会发生由基于反应的流量变化 等引起的偏流现象。因此，本实施例的燃料电池能够提高整体的水平分配，并且通过有效面 积的确保及偏流现象的减少来可以提高整体上的燃料的反应效率及利用率。
【附图说明】
[0039] 图1是现有技术中的并向流方式的燃料电池的工作示意图。
[0040] 图2是现有技术中的逆向流方式的燃料电池的工作示意图。
[0041] 图3是现有技术中的错流方式的燃料电池的工作示意图。
[0042] 图4是现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的立体图。
[0043] 图5是示出现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的奇数位的隔板的俯视图。
[0044] 图6是示出现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的偶数位的隔板的俯视图。
[0045] 图7是对现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的隔板进行改进而示出的俯 视图。
[0046] 图8是对现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的另一隔板进行改进而示出 的俯视图。
[0047] 图9是示出现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的有效流动面积的图。
[0048] 图10是示出本发明的一实施例的燃料电池用隔板的俯视图。
[0049] 图11是示意性地示出本发明的一实施例的燃料电池用隔板的反应区域的图。
[0050] 图12是示出本发明的另一实施例的燃料电池用隔板的俯视图。
【具体实施方式】
[0051] 以下，参照附图详细说明本发明的一实施例。本发明的实施方案可以以各种不同 的形式变形，本发明的范围并不限定于下文中描述的实施方案。在附图中，为了更明确说 明，可以放大要素的形状及大小等，在附图中以相同的附图标记表示的要素是同一要素。
[0052] 图10是示出本发明的一实施例的燃料电池用隔板的俯视图。
[0053] 参照图10,本实施例的燃料电池100可以层叠至少一个电池单元而形成。例如，燃 料电池100可以是以如隔板、单电池、隔板、单电池的顺序交替层叠的堆积结构。
[0054] 这种电池单元可包括至少一个隔板110、120,并且可以通过向隔板110、120供应 的燃料和氧化剂的氧化、还原反应来产生能量。
[0055] 在本实施例中，燃料电池100可以具有如下结构：各个电池单元的隔板110、120交 替层叠，并且位于偶数位的隔板互相连结，位于奇数位的隔板互相连结。
[0056] 另外，作为一例，本实施例的燃料电池100可以包 括固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，S0FC)100。
[0057] 适用于这种燃料电池100的电池单元可以相互层叠连结以增加所供应的电压。
[0058] 燃料电池100除了用于分离燃料和氧化剂而将其供应及排出的隔板110、120以 外，还包括：电解质膜，其被设置为用于在隔板中分隔燃料和氧化剂；负极（anode)及正极 (cathode)，其以电解质膜为基准设置在电解质膜两侧。
[0059] 更详细地，在本实施例中，燃料电池100包括用于供应燃料的燃料用隔板110,在 该燃料用隔板110处连接有用于供应氧化剂的氧化剂用隔板120。
[0060] 燃料用隔板110与氧化剂用隔板120以垂直交叉的方式设置，由此使燃料或者氧 化剂互相在垂直相交的方向上交叉并进行循环。
[0061] 另一方面，隔板110、120可以包括作为隔板主体的平面板，在所述平面板的内部 具备用于引导燃料或者氧化剂移动的循环路径。
[0062] 另外，在隔板110、120主体的一侧，可以设置有用于供应作为燃料或者氧化剂的 气体的第一流入歧管112、122。
[0063]另外，在隔板110、120主体的另一侧可连接有第二流入歧管116、126,其中所述第 二流入歧管116、126形成在与第一流入歧管112、122分开的空间。第二流入歧管116、126 被设置为在隔板主体的另一侧利用密封构件等来密封，由此所述第二流入歧管116、126不 向隔板110、120供应气体，可与连接于其的其他隔板110、120的第一流入歧管112、122连 接并供应气体。
[0064] 另外，在隔板110、120主体的另一侧，即穿过单电池的有效反应区域的相反侧区 域，可设置有第一排出歧管114、124,所述第一排出歧管114、124用于使从第一流入歧管 112、122供应的气体穿过第二流入歧管116、126之间而排出。
[0065] 另外，在隔板110、120主体的一侧可设置有第二排出歧管119、128,所述第二排出 歧管在第一流入歧管112、122的外侧与第一排出歧管114、124分开的空间形成。
[0066] 另外，在隔板110、120主体的一侧设置有第二排出歧管118、128,所述第二排出歧 管118、128被设置为在第一流入歧管112、122的外侧利用密封构件等来密封。第二排出歧 管118、128可以与其他隔板的第一排出歧管114、124连接，由此所述第二排出歧管118、128 不会向隔板110、120排出气体，而是与连接于其的其他隔板110、120的第一排出歧管114、 124连接并排出气体。
[0067] 在本实施例中，在隔板主体的一侧可以设置至少一个第一流入歧管112、122。优选 地，在本实施例中，可以设置两个第一流入歧管112、124,并且可以互相隔开一定间隔设置。
[0068] 另外，第一排出歧管114、124可以在宽度方向上以细长的形状延伸形成于隔板主 体的另一侧。即，在本实施例中，第一排出歧管114、124可被设置成一个孔形状，并且可以 被设置成在宽度方向上细长的槽孔（slot hole)。
[0069]因此，第一排出歧管114、124可以在单电池的内部将已进行电化学反应的燃料或 者氧化剂迅速向第二排出歧管118、128排出，由此防止在出口侧发生流动偏斜现象等，并 且不会发生瓶颈现象，从而可以使流动的阻力最小化。
[0070] 另一方面，在第一排出歧管114、124的内侧可设置有与其他隔板110、120的第一 流入歧管112、122连接的第二流入歧管116、126。这种第二流入歧管116、126可以作为用 于将作为燃料或者氧化剂的气体向其他隔板110、120的第一流入歧管112、122供应的路 径。
[0071] 另外，第一流入歧管112、122的外部可设置有与其他隔板110、120的第一排出歧 管114、124连接的第二排出歧管118、128。
[0072] 如上所述，本实施例中，在隔板主体的两侧，第二排出歧管118、128和第一流入歧 管112、122、以及第二流入歧管116、126和第一排出歧管114、124可以分别被设置成以两列 配置的形状。
[0073]因此，从第一流入歧管112、122所供应的作为燃料或者氧化剂的气体，在向第一 排出歧管114、124排出的过程中穿过第二流入歧管116、126之间的空间。
[0074] 另一方面，本实施例中，燃料可以包含氢气。另外，氧化剂可以包含氧气。
[0075] 此外，氧气可以使用纯氧，在本实施例中，也可以使用包含氧气的大气、即空气。
[0076] 另一方面，在本实施例中，隔板110、120可以在其与相邻的其他隔板110、120之间 配置电解质膜而实施层叠。
[0077] 此时，燃料可以在一侧的隔板110进行循环，氧化剂可以在另一侧的隔板120进行 循环。此处，电解质膜可用于阻断燃料和氧化剂的穿透，所述电解质膜虽不具有电子导电 性，但可以穿透氧离子或者氢离子。
[0078] 因此，穿过一侧单电池的燃料通过与另一侧单电池的氧化剂发生电化学反应，使 得作为燃料的氢离子或者作为氧化剂的氧离子穿过电解质膜，并通过氧化_还原反应来产 生水（H20)，并在该过程中产生电子。这种反应过程如下述化学式1或者化学式2。
[0079] 化学式1
[0085] 如上所述的本实施例的燃料电池100,在不减少由隔板110、120的第一流入歧管 112、122所供应的燃料或者作为氧化剂的气体的有效流动面积的情况下，可以改善流动水 平分配，由此可以增加实际循环流量，从而可以增加燃料的利用率及反应性。
[0086] 图11是示意性地示出本发明的一实施例的燃料电池的隔板的反应区域的图。
[0087] 另一方面，本实施例中，在向第一流入歧管112、122流入的气体从第一排出歧管 114、124排出的过程中，燃料电池100用隔板110、120可以形成反应区域。
[0088] 在这种本实施例的燃料电池100的隔板110、120中，对从第一流入歧管112、122 流入及从与其相对应的第一排出歧管114、124排出，并且在隔板110、120形成由与其他隔 板110、120的第一流入歧管112、122及与其相对应的第一排出歧管114、124连接的第二流 入歧管116、126和第二排出歧管118、128的情况进行了说明，但本发明不限于本实施例，可 以以各种形状变形。
[0089] 作为一例，参照图12,在燃料电池100的隔板110、120中，向与另一隔板的第二流 入歧管116、126连接的三个第一流入歧管112、122流入的燃料或者氧化剂，可以从一个第 一排出歧管114、124排出。另外，第一排出歧管114、124分别可以与另一隔板的第二排出 歧管118、128连接。
[0090] 如上所述，在本实施例中，第一流入歧管112、122和第一排出歧管114、124与现有 技术中的交替排列的结构不同，可以被配置为如下结构：以依次配置成两列的结构形成，由 此燃料或者氧化剂在前列中供应，并且穿过反应区域，从而在后列中排出反应后的燃料或 者氧化剂。
[0091] 另外，隔板1KK120以与另一隔板垂直交叉的方式设置，由此燃料在一侧隔板（作 为一例为110)进行循环，氧化剂在另一侧的隔板（作为一例为120)中在与燃料垂直相交 的方向上进行循环。
[0092] 另外，在隔板110、120可形成有用于引导燃料或者氧化剂的循环的导向突起119。
[0093] 另一方面，在本实施例中，设置在燃料电池100中的各个歧管的连接位置是便于 视觉上的理解而示出的，对各个歧管的连接位置没有限定，可以以各种形状变形。作为一 例，各个歧管也可以在隔板下方连接。具体而言，与各个隔板110、120连接的第一流入歧管 112、122及第一排出歧管114、124和第二流入歧管126、128及第二排出歧管118、128可以 在隔板110、120的下方连接，同时穿过其他隔板。
[0094] 本发明并不限定于如上所述的实施方案及随附的附图，在不脱离权利要求书所记 载的本发明的技术构思的范围内可以进行各种形式的替换、变形及变更，这对本领域具有 普通知识的技术人员是显而易见的。
【主权项】
1. 一种燃料电池用隔板，其包括： 隔板主体； 第一流入歧管，其设置在所述隔板主体的一侧； 第二流入歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在与所述第一流入歧管分开的空间； 第一排出歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在所述第二流入歧管的外侧；及 第二排出歧管，其在所述隔板主体的一侧的所述第一流入歧管的外侧设置在与所述第 一排出歧管分开的空间。2. 根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其中， 所述隔板主体设置有至少一个的所述第一流入歧管和至少一个的所述第二流入歧管。3. 根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其中， 所述第一排出歧管和所述第二排出歧管以细长的形状延伸形成在所述隔板主体的宽 度方向上。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池用隔板，其中， 在所述隔板主体的内部，在所述第一流入歧管和所述第一排出歧管之间形成有循环路 径。5. -种燃料电池，其层叠至少一个电池单元而形成，其中， 所述电池单元包括多个权利要求1至3中任一项所述的燃料电池用隔板，以及 所述燃料电池用隔板垂直交叉而层叠，由此使作为燃料或者氧化剂的气体交叉循环。6. 根据权利要求5所述的燃料电池，其中， 在所述燃料电池用隔板主体的内部，在所述第一流入歧管和所述第一排出歧管之间形 成有循环路径。7. 根据权利要求6所述的燃料电池，其中， 所述循环路径以允许由所述第一流入歧管所供应的气体穿过所述第二流入歧管之间 并向所述第一排出歧管排出的方式设置。8. 根据权利要求5所述的燃料电池，其中， 在所述燃料电池用隔板中， 所述第二流入歧管与其他隔板的第一流入歧管密封并连接， 所述第二排出歧管与其他隔板的第一排出歧管密封并连接。
【专利摘要】本发明的一实施例提供一种被改进成能够提高燃料或者氧化剂的水平分配并且能够确保有效流动面积的隔板及包括其的燃料电池，所述隔板包括：隔板主体；第一流入歧管，其设置在所述隔板主体的一侧；第二流入歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在与所述第一流入歧管分开的空间；第一排出歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在所述第二流入歧管的外侧；及第二排出歧管，其在所述隔板主体的一侧的所述第一流入歧管的外侧设置在与所述第一排出歧管分开的空间。
【IPC分类】H01M8/24, H01M8/02
【公开号】CN104885274
【申请号】CN201380067549
【发明人】梁忠模, 金昇求
【申请人】Posco公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月24日
【公告号】EP2937922A1, US20150340723, WO2014104732A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种燃料电池用隔板及包括其的燃料电池，尤其涉及一种能够提高燃 料或者氧化剂的水平分配并且能够确保有效流动面积的燃料电池用隔板及包括其的燃料 电池。
【背景技术】
[0002] 通常，燃料电池是将燃料的化学能转换为电能的发电系统，例如在负极（anode) 侧供应氢燃料，在正极（cathode)注入氧化剂，并利用这些在发生反应时所产生的化学能 来转换为电能。
[0003] 根据工作温度、电解质的种类，这种燃料电池可被划分为低温型和高温型，其中 具有代表性的低温型为主要在汽车等中使用的PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，具有代表性的高温型为 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell)、S0FC(Solid Oxide Fuel Cell)、及利用 SOFC 的逆反应的 S0EC(solid oxide electrolysis cell)。
[0004] 燃料电池10在被持续注入燃料（氢气）和氧化剂的过程中，可连续地发电，考虑 到发电效率、经济性需提高燃料的利用率才可以提高商业价值。
[0005] 现有的燃料电池10用隔板20、30包括设置有用于使燃料或者氧化剂流动的路径 的平板部22、32,在该平板部22、32的一侧端部设置有用于使燃料或者氧化剂流入的入口 侧歧管（manifo 1 d) 24、34，在与入口侧歧管24、34相对置的另一侧端部设置有用于排出燃 料或者氧化剂的出口侧歧管26、36。
[0006] 这种燃料电池10用隔板20、30被交替层叠并被设置为堆叠形状。
[0007] 另一方面，现有的燃料电池10根据隔板20、30的配置形状等区分为多种形式， 代表性地使用如下示例：如图1所示，将燃料和氧化剂流入的方向配置成相同方向的并 向流（co-flow)方式；如图2所示，将燃料和氧化剂流入的方向配置成相反方向的逆向 流（count-flow)方式；及图3所示，将燃料和氧化剂流入的方向配置成互相垂直的错流 (cross-flow)方式。
[0008] 但是，对于现有的燃料电池10而言，根据隔板20、30的结构或者配置形状等确定 燃料及氧化剂的流动方向和运行条件（负荷、利用率等），并由此确定发生电化学反应的部 分。
[0009] 而且在现有技术中，因隔板20、30在结构上的限制，发生电化学反应的部分倾向 于一侧，因此温度梯度也以倾向于一侧的形式发生。
[0010] 因此，对于现有的燃料电池10而言，整体堆叠的热应力分布以非对称的形式形 成，由此发电效率因燃料或者氧化剂的不均匀的流向或者偏向的流向而降低，并且随着持 续形成这种不均衡，最终成为在堆叠的热循环过程中对堆叠的结构稳定性产生不良影响的 原因。
[0011] 因此，如图4至图6所示，近年来，作为用于解决并向流（co-flow)方式、逆向流 (count-flow)方式、及错流（cross-flow)方式的结构上的限制的方式，提出了交叉移动流 (cross-shiftflow)方式。
[0012] 交叉移动流方式的燃料电池50通过交替地形成位于奇数位的电池单元（unit battery cell)和位于偶数位的电池单元的歧管结构，降低整体上的温度梯度的不均匀性。
[0013] 即，在位于第奇数位的电池单元51中，在燃料或者氧化剂进行循环的隔板60的一 部分区域配置有用于使燃料或者氧化剂流入的流入歧管62、72,其余区域配置有用于排出 燃料或者氧化剂的排出歧管64、74。
[0014]另外，在位于偶数位的电池单元55中，燃料或者氧化剂进行循环的隔板80、90与 位于奇数位的电池单元51的隔板60、70对称交叉地配置有流入歧管82、92及排出歧管84、 94〇
[0015] 这种交叉移动流方式的燃料电池50可以在某种程度上消除温度梯度的不均匀 性，但由于是以流入歧管82、92及排出歧管84、94中的一部分被对应的单电池（cell)挡住 的结构形成，因此水平方向的流动分配劣化，由此燃料不能均匀地供应至整个单电池面积， 从而降低燃料电池50的整体性能。
[0016] 因此，开发了如下技术：将流入歧管82、92及排出歧管84、94分散为多个而配置， 从而使流动更均匀地在整个单电池面积上扩散。
[0017] 但是，在现有的交叉移动流方式的燃料电池50设置有用于密封流入歧管62、72、 82、92和排出歧管64、74、84、94之间的密封材料63、73、83、93,因此，在从流入歧管62、72、 82、92流出的燃料或者氧化剂流向单电池的反应表面的过程中，密封材料63、73、83、93会 妨碍燃料或者氧化剂的水平流动扩散，最终导致在歧管孔所存在的部分和歧管孔被挡住的 部分之间存在流动偏差。
[0018] 另一方面，为了使水平流动的扩散变得更均匀，在交叉移动流方式的燃料电池50 中，例如对位于奇数位的电池单元51的燃料或者氧化剂进行循环的隔板60'进行改进，使 流入歧管62位于中央部，并使排出歧管分割形成为排出歧管64a、64b。
[0019] 另外，例如对位于偶数位的电池单元55的燃料或者氧化剂进行循环的隔板80'进 行改进，使流入歧管82位于中央部，并使排出歧管分割形成为排出歧管84a、84b。此时，流 入歧管82和排出歧管84a、84b由密封材料63、83保持密封。
[0020] 另一方面，参照图9,现有的交叉移动流方式的燃料电池50,随着流入及排出歧管 的数量的增加，会均匀地进行水平流动扩散，但这也会使密封材料63、83所占有的面积增 加，从而用于进行实际流动的有效面积将会减少，据此整体上的反应效率及燃料利用率降 低。
[0021] 即，如果将流入及排出歧管的宽度设为LH，密封材料的宽度设为Ls，则相对于歧管 的数量n的具有相同宽度的密封材料的数量需为n-1。
[0022] 燃料电池的有效流动面积的宽度L如数学式1所示。
[0023] 数学式1
[0024]
[0025]因此，需要将现有的燃料电池开发成具有能够提高燃料或者氧化剂的水平分配， 并且不减少燃料电池的有效流动面积L的结构。
【发明内容】
[0026] 技术问题
[0027] 本发明的一实施例提供一种被改善成能够提高燃料或者氧化剂的水平分配，并且 能够确保有效流动面积的燃料电池用隔板及包括其的燃料电池。
[0028] 技术方案
[0029] 根据本发明的一个方面的燃料电池用隔板包括：隔板主体；第一流入歧管，其设 置在所述隔板主体的一侧；第二流入歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在与所述第一 流入歧管分开的空间；第一排出歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在所述第二流入歧 管的外侧；及第二排出歧管，其在所述隔板主体的一侧的所述第一流入歧管的外侧设置在 与所述第一排出歧管分开的空间。
[0030] 另外，所述隔板主体可设置有至少一个的所述第一流入歧管和至少一个的所述第 二流入歧管。
[0031] 另外，所述第一排出歧管和所述第二排出歧管可以以细长的形状延伸形成在所述 隔板主体的宽度方向上。
[0032]另外，在所述隔板主体的内部，可以在所述第一流入歧管和所述第一排出歧管之 间形成有循环路径。
[0033] 另外，根据本发明的另一方面，在层叠至少一个电池单元而形成的燃料电池中，所 述电池单元可包括如上所述的多个燃料电池用隔板，所述燃料电池用隔板垂直地交叉而层 叠，由此使作为燃料或者氧化剂的气体交叉循环。
[0034]另外，在所述燃料电池用隔板主体的内部，在所述第一流入歧管和所述第一排出 歧管之间形成有循环路径。
[0035] 另外，所述循环路径可以以允许从所述第一流入歧管所供应的气体穿过所述第二 流入歧管之间并向所述第一排出歧管排出的方式设置。
[0036] 在所述燃料电池用隔板中，所述第二流入歧管可与其他隔板的第一流入歧管密封 并连接，所述第二排出歧管可与其他隔板的第一排出歧管密封并连接。
[0037] 有益效果
[0038] 根据本发明的一实施例，流入歧管和排出歧管以两列配置，由此确保能够使来自 流入歧管的燃料或者氧化剂扩散的可用空间，从而能够确保有效面积且能提高水平分配； 并且能够减少由于排出歧管设置成一个而在排出歧管可能会发生由基于反应的流量变化 等引起的偏流现象。因此，本实施例的燃料电池能够提高整体的水平分配，并且通过有效面 积的确保及偏流现象的减少来可以提高整体上的燃料的反应效率及利用率。
【附图说明】
[0039] 图1是现有技术中的并向流方式的燃料电池的工作示意图。
[0040] 图2是现有技术中的逆向流方式的燃料电池的工作示意图。
[0041] 图3是现有技术中的错流方式的燃料电池的工作示意图。
[0042] 图4是现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的立体图。
[0043] 图5是示出现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的奇数位的隔板的俯视图。
[0044] 图6是示出现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的偶数位的隔板的俯视图。
[0045] 图7是对现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的隔板进行改进而示出的俯 视图。
[0046] 图8是对现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的另一隔板进行改进而示出 的俯视图。
[0047] 图9是示出现有技术中的交叉移动流方式的燃料电池的有效流动面积的图。
[0048] 图10是示出本发明的一实施例的燃料电池用隔板的俯视图。
[0049] 图11是示意性地示出本发明的一实施例的燃料电池用隔板的反应区域的图。
[0050] 图12是示出本发明的另一实施例的燃料电池用隔板的俯视图。
【具体实施方式】
[0051] 以下，参照附图详细说明本发明的一实施例。本发明的实施方案可以以各种不同 的形式变形，本发明的范围并不限定于下文中描述的实施方案。在附图中，为了更明确说 明，可以放大要素的形状及大小等，在附图中以相同的附图标记表示的要素是同一要素。
[0052] 图10是示出本发明的一实施例的燃料电池用隔板的俯视图。
[0053] 参照图10,本实施例的燃料电池100可以层叠至少一个电池单元而形成。例如，燃 料电池100可以是以如隔板、单电池、隔板、单电池的顺序交替层叠的堆积结构。
[0054] 这种电池单元可包括至少一个隔板110、120,并且可以通过向隔板110、120供应 的燃料和氧化剂的氧化、还原反应来产生能量。
[0055] 在本实施例中，燃料电池100可以具有如下结构：各个电池单元的隔板110、120交 替层叠，并且位于偶数位的隔板互相连结，位于奇数位的隔板互相连结。
[0056] 另外，作为一例，本实施例的燃料电池100可以包 括固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，S0FC)100。
[0057] 适用于这种燃料电池100的电池单元可以相互层叠连结以增加所供应的电压。
[0058] 燃料电池100除了用于分离燃料和氧化剂而将其供应及排出的隔板110、120以 外，还包括：电解质膜，其被设置为用于在隔板中分隔燃料和氧化剂；负极（anode)及正极 (cathode)，其以电解质膜为基准设置在电解质膜两侧。
[0059] 更详细地，在本实施例中，燃料电池100包括用于供应燃料的燃料用隔板110,在 该燃料用隔板110处连接有用于供应氧化剂的氧化剂用隔板120。
[0060] 燃料用隔板110与氧化剂用隔板120以垂直交叉的方式设置，由此使燃料或者氧 化剂互相在垂直相交的方向上交叉并进行循环。
[0061] 另一方面，隔板110、120可以包括作为隔板主体的平面板，在所述平面板的内部 具备用于引导燃料或者氧化剂移动的循环路径。
[0062] 另外，在隔板110、120主体的一侧，可以设置有用于供应作为燃料或者氧化剂的 气体的第一流入歧管112、122。
[0063]另外，在隔板110、120主体的另一侧可连接有第二流入歧管116、126,其中所述第 二流入歧管116、126形成在与第一流入歧管112、122分开的空间。第二流入歧管116、126 被设置为在隔板主体的另一侧利用密封构件等来密封，由此所述第二流入歧管116、126不 向隔板110、120供应气体，可与连接于其的其他隔板110、120的第一流入歧管112、122连 接并供应气体。
[0064] 另外，在隔板110、120主体的另一侧，即穿过单电池的有效反应区域的相反侧区 域，可设置有第一排出歧管114、124,所述第一排出歧管114、124用于使从第一流入歧管 112、122供应的气体穿过第二流入歧管116、126之间而排出。
[0065] 另外，在隔板110、120主体的一侧可设置有第二排出歧管119、128,所述第二排出 歧管在第一流入歧管112、122的外侧与第一排出歧管114、124分开的空间形成。
[0066] 另外，在隔板110、120主体的一侧设置有第二排出歧管118、128,所述第二排出歧 管118、128被设置为在第一流入歧管112、122的外侧利用密封构件等来密封。第二排出歧 管118、128可以与其他隔板的第一排出歧管114、124连接，由此所述第二排出歧管118、128 不会向隔板110、120排出气体，而是与连接于其的其他隔板110、120的第一排出歧管114、 124连接并排出气体。
[0067] 在本实施例中，在隔板主体的一侧可以设置至少一个第一流入歧管112、122。优选 地，在本实施例中，可以设置两个第一流入歧管112、124,并且可以互相隔开一定间隔设置。
[0068] 另外，第一排出歧管114、124可以在宽度方向上以细长的形状延伸形成于隔板主 体的另一侧。即，在本实施例中，第一排出歧管114、124可被设置成一个孔形状，并且可以 被设置成在宽度方向上细长的槽孔（slot hole)。
[0069]因此，第一排出歧管114、124可以在单电池的内部将已进行电化学反应的燃料或 者氧化剂迅速向第二排出歧管118、128排出，由此防止在出口侧发生流动偏斜现象等，并 且不会发生瓶颈现象，从而可以使流动的阻力最小化。
[0070] 另一方面，在第一排出歧管114、124的内侧可设置有与其他隔板110、120的第一 流入歧管112、122连接的第二流入歧管116、126。这种第二流入歧管116、126可以作为用 于将作为燃料或者氧化剂的气体向其他隔板110、120的第一流入歧管112、122供应的路 径。
[0071] 另外，第一流入歧管112、122的外部可设置有与其他隔板110、120的第一排出歧 管114、124连接的第二排出歧管118、128。
[0072] 如上所述，本实施例中，在隔板主体的两侧，第二排出歧管118、128和第一流入歧 管112、122、以及第二流入歧管116、126和第一排出歧管114、124可以分别被设置成以两列 配置的形状。
[0073]因此，从第一流入歧管112、122所供应的作为燃料或者氧化剂的气体，在向第一 排出歧管114、124排出的过程中穿过第二流入歧管116、126之间的空间。
[0074] 另一方面，本实施例中，燃料可以包含氢气。另外，氧化剂可以包含氧气。
[0075] 此外，氧气可以使用纯氧，在本实施例中，也可以使用包含氧气的大气、即空气。
[0076] 另一方面，在本实施例中，隔板110、120可以在其与相邻的其他隔板110、120之间 配置电解质膜而实施层叠。
[0077] 此时，燃料可以在一侧的隔板110进行循环，氧化剂可以在另一侧的隔板120进行 循环。此处，电解质膜可用于阻断燃料和氧化剂的穿透，所述电解质膜虽不具有电子导电 性，但可以穿透氧离子或者氢离子。
[0078] 因此，穿过一侧单电池的燃料通过与另一侧单电池的氧化剂发生电化学反应，使 得作为燃料的氢离子或者作为氧化剂的氧离子穿过电解质膜，并通过氧化_还原反应来产 生水（H20)，并在该过程中产生电子。这种反应过程如下述化学式1或者化学式2。
[0079] 化学式1
[0085] 如上所述的本实施例的燃料电池100,在不减少由隔板110、120的第一流入歧管 112、122所供应的燃料或者作为氧化剂的气体的有效流动面积的情况下，可以改善流动水 平分配，由此可以增加实际循环流量，从而可以增加燃料的利用率及反应性。
[0086] 图11是示意性地示出本发明的一实施例的燃料电池的隔板的反应区域的图。
[0087] 另一方面，本实施例中，在向第一流入歧管112、122流入的气体从第一排出歧管 114、124排出的过程中，燃料电池100用隔板110、120可以形成反应区域。
[0088] 在这种本实施例的燃料电池100的隔板110、120中，对从第一流入歧管112、122 流入及从与其相对应的第一排出歧管114、124排出，并且在隔板110、120形成由与其他隔 板110、120的第一流入歧管112、122及与其相对应的第一排出歧管114、124连接的第二流 入歧管116、126和第二排出歧管118、128的情况进行了说明，但本发明不限于本实施例，可 以以各种形状变形。
[0089] 作为一例，参照图12,在燃料电池100的隔板110、120中，向与另一隔板的第二流 入歧管116、126连接的三个第一流入歧管112、122流入的燃料或者氧化剂，可以从一个第 一排出歧管114、124排出。另外，第一排出歧管114、124分别可以与另一隔板的第二排出 歧管118、128连接。
[0090] 如上所述，在本实施例中，第一流入歧管112、122和第一排出歧管114、124与现有 技术中的交替排列的结构不同，可以被配置为如下结构：以依次配置成两列的结构形成，由 此燃料或者氧化剂在前列中供应，并且穿过反应区域，从而在后列中排出反应后的燃料或 者氧化剂。
[0091] 另外，隔板1KK120以与另一隔板垂直交叉的方式设置，由此燃料在一侧隔板（作 为一例为110)进行循环，氧化剂在另一侧的隔板（作为一例为120)中在与燃料垂直相交 的方向上进行循环。
[0092] 另外，在隔板110、120可形成有用于引导燃料或者氧化剂的循环的导向突起119。
[0093] 另一方面，在本实施例中，设置在燃料电池100中的各个歧管的连接位置是便于 视觉上的理解而示出的，对各个歧管的连接位置没有限定，可以以各种形状变形。作为一 例，各个歧管也可以在隔板下方连接。具体而言，与各个隔板110、120连接的第一流入歧管 112、122及第一排出歧管114、124和第二流入歧管126、128及第二排出歧管118、128可以 在隔板110、120的下方连接，同时穿过其他隔板。
[0094] 本发明并不限定于如上所述的实施方案及随附的附图，在不脱离权利要求书所记 载的本发明的技术构思的范围内可以进行各种形式的替换、变形及变更，这对本领域具有 普通知识的技术人员是显而易见的。
【主权项】
1. 一种燃料电池用隔板，其包括： 隔板主体； 第一流入歧管，其设置在所述隔板主体的一侧； 第二流入歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在与所述第一流入歧管分开的空间； 第一排出歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在所述第二流入歧管的外侧；及 第二排出歧管，其在所述隔板主体的一侧的所述第一流入歧管的外侧设置在与所述第 一排出歧管分开的空间。2. 根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其中， 所述隔板主体设置有至少一个的所述第一流入歧管和至少一个的所述第二流入歧管。3. 根据权利要求1所述的燃料电池用隔板，其中， 所述第一排出歧管和所述第二排出歧管以细长的形状延伸形成在所述隔板主体的宽 度方向上。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池用隔板，其中， 在所述隔板主体的内部，在所述第一流入歧管和所述第一排出歧管之间形成有循环路 径。5. -种燃料电池，其层叠至少一个电池单元而形成，其中， 所述电池单元包括多个权利要求1至3中任一项所述的燃料电池用隔板，以及 所述燃料电池用隔板垂直交叉而层叠，由此使作为燃料或者氧化剂的气体交叉循环。6. 根据权利要求5所述的燃料电池，其中， 在所述燃料电池用隔板主体的内部，在所述第一流入歧管和所述第一排出歧管之间形 成有循环路径。7. 根据权利要求6所述的燃料电池，其中， 所述循环路径以允许由所述第一流入歧管所供应的气体穿过所述第二流入歧管之间 并向所述第一排出歧管排出的方式设置。8. 根据权利要求5所述的燃料电池，其中， 在所述燃料电池用隔板中， 所述第二流入歧管与其他隔板的第一流入歧管密封并连接， 所述第二排出歧管与其他隔板的第一排出歧管密封并连接。
【专利摘要】本发明的一实施例提供一种被改进成能够提高燃料或者氧化剂的水平分配并且能够确保有效流动面积的隔板及包括其的燃料电池，所述隔板包括：隔板主体；第一流入歧管，其设置在所述隔板主体的一侧；第二流入歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在与所述第一流入歧管分开的空间；第一排出歧管，其在所述隔板主体的另一侧设置在所述第二流入歧管的外侧；及第二排出歧管，其在所述隔板主体的一侧的所述第一流入歧管的外侧设置在与所述第一排出歧管分开的空间。
【IPC分类】H01M8/24, H01M8/02
【公开号】CN104885274
【申请号】CN201380067549
【发明人】梁忠模, 金昇求
【申请人】Posco公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月24日
【公告号】EP2937922A1, US20150340723, WO2014104732A1
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