專利名稱：用于燃料電池的隔離器的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，更具體地說，涉及一種用于燃料電池的隔離器。
背景技術：
燃料電池分類為聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)；磷酸燃料電池(PAFC)；熔融碳燃料電池(MCFC)；固態氧化物燃料電池(SOFC)；等等。這些燃料電池通常以相同的原理運行，不過它們在燃料類型、催化劑、電解質等等方面有所不同。
通常，燃料電池是發電系統，其利用H2(下文中的“氫氣”)和O2(下文中的“氧氣”)之間的電化學反應將化學能直接轉化成電能。在向燃料電池系統供給氫氣的過程中，氫氣可直接用于反應中，或者可對諸如甲醇、乙醇、天然氣之類的碳氫化合物進行重整以提供氫氣。進一步，在向燃料電池系統供給氧氣的過程中，可直接使用氧氣，或者可供給含氧氣的空氣。在供給氧氣的過程中，可使用空氣泵或類似物。同時，直接甲醇燃料電池(DMFC)系統使用甲醇和水的混合物作為燃料。
發明內容
本發明的一方面提供一種用于燃料電池的隔離器。所述隔離器包括板，其具有第一邊緣和與所述第一邊緣相對的第二邊緣；入口，其鄰近所述第一邊緣而形成；出口，其鄰近所述第二邊緣而形成；和多個肋條，其形成于所述板的表面上，所述肋條位于所述入口與所述出口之間，并沿著從所述第一邊緣到所述第二邊緣的方向延伸，從而限定它們之間的通道，每個所述肋條包括鄰近所述入口的第一端部分和鄰近所述出口的第二端部分，其中所述肋條的第二端部分中的至少一個包括至少一個基本不與垂直于所述方向的表面相平行的表面。
所述至少一個表面可包括與所述垂直于所述方向的表面形成一角度的表面，并且所述角度可在大約35°和大約55°之間。所述第二端部分中的所述至少一個可包括臺階。所述第二端部分中的所述至少一個可包括圓滑表面。
所述第二端部分中的所述至少一個可包括側表面，該側表面大致垂直于所述板的表面并且大致垂直于所述與所述方向相垂直的表面，并且所述第二端部分中的所述至少一個可呈錐形，使得所述側表面朝向所述第二邊緣變窄。所述側表面可變窄，從而在液滴由于重力作用而沿著從所述第一端部分到所述第二端部分的方向行進時，充分地抑制所述液滴停留在所述側表面上。所述側表面可具有三角形形狀，該三角形的頂點指向所述第二邊緣。所述三角形可包括直角三角形。
所述板可包括形成于所述板的表面上的凹部，并且所述多個肋條可形成于所述凹部中。所述凹部可包括第一凹陷部分，其允許所述入口與所述通道之間流體連通；和第二凹陷部分，其允許所述通道與所述出口之間流體連通，并且所述第二凹陷部分可朝向所述出口變窄，使得當所述入口的位置高于所述出口時，來自所述通道的至少一個的流體流向所述出口。
所述第二凹陷部分可包括至少一個基本不與所述板的表面相平行的表面，并且所述至少一個表面可基本不與所述垂直于所述方向的表面相平行。
所述至少一個表面可基本平坦。所述至少一個表面可與所述垂直于所述方向的表面可形成一角度，并且該角度可在大約30°和大約45°之間。
所述第一凹陷部分可隨著其從所述入口向所述通道延伸而變寬。所述第二凹陷部分中的至少一部分可被涂布以親水材料。所述通道中的至少一個可被涂布以親水材料。
所述隔離器可進一步包括形成于所述板的另一表面上的其它多個肋條，所述其它多個肋條位于所述入口和所述出口之間，并沿著從所述第一邊緣到所述第二邊緣的方向延伸，從而限定它們之間的通道，所述其它多個肋條中的每一個均包括鄰近所述入口的第一端部分和鄰近所述出口的第二端部分，其中所述其它多個肋條的第二端部分中的至少一個包括至少一個基本不與垂直于所述方向的表面相平行的表面。
本發明的另一方面提供一種燃料電池，包括電極板；和上文所述的隔離器，所述隔離器采用面向所述電極的所述板的表面而附到所述電極板。
本發明的又一方面提供一種操作上文所述的燃料電池的方法。所述方法包括對所述燃料電池進行定向，使得所述入口位置高于所述出口；經所述入口供給反應物；激活所述電極以形成液態產物；以及經所述出口排出所述液態產物。
本發明的另一方面提供一種燃料電池，包括第一電極板；第二電極板；和上文所述的隔離器，所述隔離器介于所述第一電極板與第二電極板之間，并附到所述第一和第二電極板。
本發明的又一方面提供一種包含上文所述的隔離器的裝置，其中，所述裝置從由獨立燃料電池系統、包含燃料電池的電子或電氣器件，和包含燃料電池的運輸車輛組成的組中選出。
本發明的進一步方面提供一種用于燃料電池的陰極隔離器，其具有一使水從陰極電極通暢地排出的結構。
本發明的另一方面提供一種用于燃料電池的陰極隔離器，其中，形成通道的肋條的水出口被形成而具有斜坡，使得在陰極電極中產生并沿著通道流動的水通暢地在所述水出口中排放。
本發明的又一方面提供一種用于燃料電池的陰極隔離器，其中，出口頭的底邊緣相對水平線給出了預定斜度，使得在陰極電極中產生并從一肋條的水出口排放的水通暢地流向出口。
在一些實施例中，前述的隔離器包括板，其中設置有該板的燃料電池通過含氫燃料的諸如氫氣的還原劑和諸如氧氣的氧化劑之間的電化學反應產生電，并形成以流體可流經的通道，所述隔離器包括肋條，其構建所述通道，其中所述肋條包括位于其出口端處并具有相對所述板的表面的第一傾斜角的斜坡端。
在一個實施例中，斜坡端的第一傾斜角處于從大約40°到大約50°的范圍中。在一個實施例中，所述板包括引入反應物的入口，以及將入口和通道相連接以使二者彼此連通的入口頭。進一步，所述板包括反應物反應所產生的產物被排放所經過的出口，以及將出口與通道相連接以使二者彼此連通的出口頭。在另一實施例中，斜坡端面對出口頭。
在一些實施例中，出口頭包括底邊緣，該底邊緣具有相對所述通道的朝向出口的第二傾斜角。進一步，第二傾斜角處于從大約30°到大約45°的范圍中。在一些實施例中，所述通道被涂布以親水材料，并且出口頭被涂布以親水材料。在一些實施例中，所述板朝向引入氧化劑的陰極電極，并且所述產物包括水。在一些實施例中，通過從所述出口的周界到所述通道，部分切除所述板的表面至預定深度，形成所述出口頭，并且所述肋條的高度等于所述出口頭的深度。在一些實施例中，通過從所述入口的周界到所述通道，部分切除所述板的表面至預定深度，形成所述入口頭。
從下文中結合附圖而對特定實施例的描述中，本發明的這些和其它方面以及優勢將變得明顯，并且更加易于理解，所述附圖中圖1是根據一實施例的陰極隔離器的俯視圖；圖2a是根據一實施例的陰極隔離器的透視圖；圖2b-2e是根據另一實施例的肋條的第二端部分的透視圖；圖3是根據另一實施例的陰極隔離器的俯視圖；
圖4是單元電池的示意性剖視圖；和圖5是在圖4的燃料電池中使用的陰極隔離器的俯視圖。
具體實施例方式
下文中，將參照附圖描述本發明的各個實施例，其中相同的附圖標記指代相同的元件，并且將根據需要避免重復描述。在所圖示的實施例中，擴大了附圖中所示的元件和特征件的形狀和尺寸。
圖4為單元燃料電池配置的示意性剖視圖。參照圖4，單元電池包括膜電極組件370、陰極隔離器300、和陽極隔離器390。通常，膜電極組件370包括陽極電極381、陰極電極382以及置于陽極電極381與陰極電極382之間的電解質膜380。
陰極隔離器300被放置以接觸陰極電極382，并形成空氣流通道360，氧氣通過該通道供給到陰極電極382。燃料電池的電化學反應在陰極電極382處生成水。反應中產生的水沿著陰極隔離器300的通道360流動，并被排放到外部。
陽極隔離器390被放置以接觸陽極電極381，并形成通道391，燃料通過該通道供給到陽極電極381。燃料電池在陽極電極381處的反應生成二氧化碳或類似物，其沿著陽極隔離器390的通道391流動并被排放到外部。
圖5是陰極隔離器300的一種配置的俯視圖。參照圖5，陰極隔離器300包括入口320、出口330和多個肋條361，這些肋條設置在形成于陰極隔離器300中的凹部內。在圖示的配置中，所述凹部由包括頂邊緣341和底邊緣351在內的四個邊緣所限定。頂邊緣341大致平行于陰極隔離器300的頂邊緣310。空氣經入口320被引入凹部空間，并通過被稱為入口頭340的空間沿著由肋條361形成的通道360向下流動。然后，經過通道360的空氣通過被稱為出口頭350的另一空間經出口330被排放，出口頭350大致平行于陰極隔離器300的頂邊緣310。
進一步，如上文所述，在陰極電極382(參照圖4)中產生的水由于其重力而沿著通道360流到出口頭350，并經出口330排放到外部。不過，因為底邊緣351平行于頂邊緣310，一些流到出口頭350的水不會輕易地經出口330排出。因此，一些水可能殘留在出口頭350中，并可能阻礙空氣流經通道360。這種阻礙會干擾空氣向陰極電極382(參照圖4)的供給，并可以進一步影響燃料電池系統的發電效率。
另外，在陰極電極382中產生的水有時候并不經通道360流出，而可能停留在通道360的下端部分，這是因為在水滴和通道360的表面之間存在表面張力。停留在通道360中的水干擾了空氣向陰極電極382的各個區域的順利供給，因而降低了燃料電池系統的發電效率。
圖1是根據本發明一實施例的陰極隔離器的俯視圖。圖2a是圖1中的陰極隔離器的透視圖。參照圖1和2a，根據一實施例的陰極隔離器100具有板110，該板包括在其表面上的凹部。板110包括在凹部中的入口120、入口頭140、多個通道160、多個肋條161、出口頭150和出口130。
入口120位于凹部的左上邊角處，如圖1所示。入口120被配置以穿透板110。可以理解的是，可以根據隔離器的設計改變入口120的配置和定位。
入口頭140指的是板110的凹部的上部分上的空間。入口頭140具有凹陷于板110中的底表面。可以通過部分切除板110的在入口120周圍的表面至預定深度來形成所述底表面。所述預定深度可在大約1mm和大約2mm之間。入口頭140的頂邊緣141大致平行于板110的頂邊緣。
多個肋條161位于入口頭140下方且凹部的大致中央區域中。肋條161彼此大致平行且大致垂直于入口頭140的頂邊緣141而延伸。肋條161從板110的凹部的底表面突出。在一個實施例中，所形成的肋條161以預定間距彼此平行。所述預定間距W可在大約0.8mm和大約2mm之間。相鄰肋條161之間的空間形成空氣和水可流經的通道。肋條161可具有的高度H(圖2a)約等于凹部的入口頭140的深度D(圖2a)。在一個實施例中，肋條161具有的高度在大約1mm和大約2mm之間，并且具有的長度L(圖1)在大約32mm和大約36mm之間。
圖示肋條161中的每一個均具有位于入口頭140正下方的上端，以及與該上端相對的下端。在一個實施例中，肋條161中的至少一個包括在下端處的斜坡端161a，如圖2a所示。斜坡端161a的傾斜表面具有朝向板110的凹陷表面的預定斜度。肋條161的斜坡端161a用于將水的表面張力最小化。另外，斜坡端161a具有相對板的底表面的預定傾斜角161b(圖2a)，例如大約35°到大約55°，優選大約40°到大約50°。所述預定角度可從35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°、50°、51°、51°、52°、53°、54°，和55°中選出一個。
出口130位于凹部的右下邊角處。出口130被配置以穿透板110。可以理解的是，可以根據隔離器的設計來改變出口130的配置和位置。
類似于入口頭140，出口頭150凹陷入板100中。在一個實施例中，可以通過部分切除板110的在出口130周圍的表面至預定深度來形成出口頭140。所述預定深度可在大約1mm和大約2mm之間。
出口頭140被配置以與通道160流體連通。在圖示的實施例中，出口頭150用于將從通道160排放出的水收集到出口130中。為了加強出口頭150的收集，出口頭150的底邊緣151朝向出口130而相對板110的底邊緣形成以預定角170。進一步，出口頭150具有朝向通道160的上寬度和朝向出口130的下寬度，其中上寬度比下寬度寬。在圖示的實施例中，可以可選地確定角170，以便允許從通道160排出的水容易地沿著出口頭150的底邊緣151流向出口130。在一個實施例中，角170可在大約30°和大約45°之間。角170可從30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°，和45°中選出。
在特定實施例中，出口頭150的表面可涂布以親水材料，例如二氧化鈦、硅烷聯合劑、密封劑或類似物。這種親水材料還可以應用于通道160。
根據一實施例的陰極隔離器100如下文所述地進行操作。經入口120引入的空氣通過入口頭140分配到通道160。然后，空氣從每個通道160供給到接觸陰極隔離器100的陰極電極382(圖4)。在陰極電極382的表面上，空氣中的氧氣被還原并且產生水。然后，水由于重力作用沿著通道160流到出口頭150。因為肋條161的斜坡端161a在其下部具有傾斜表面，因此水可以通暢地流到出口頭150而不停留在肋條161的下部。
進一步，因為出口頭150的底邊緣151相對板110的底邊緣形成以預定角170，因此在出口頭150中收集的水可沿著出口頭150的底邊緣151通暢地向下流動，并可以經出口130排放到外面。在出口頭150表面被涂布以親水材料的特定實施例中，水可以更為通暢地流動并被排放。
圖2b-2e為根據另一實施例的肋條的第二端部分的透視圖。參照圖2b，根據另一實施例的肋條161的第二端部分中的至少一個可具有臺階部分。參照圖2c，根據另一實施例的肋條161的第二端部分中的至少一個可具有圓滑表面。參照圖2d，根據另一實施例的肋條161的第二端部分中的至少一個可呈錐形，使得側表面朝向第二邊緣變窄。進一步，參照圖2e，根據另一實施例的肋條161的第二端部分中的至少一個可具有三角形的側表面。在此，三角形形狀可包括直角三角形。
圖3是根據另一實施例的陰極隔離器的俯視圖。參照圖3，根據該實施例的陰極隔離器200具有板210，該板210包括入口220、入口頭240、通道260、肋條261、出口頭250和出口230。在此，圖3的陰極隔離器200具有的配置類似于圖1的陰極隔離器100的配置，不同之處在于入口頭240的形狀。
入口頭240凹陷于板210中。可通過部分切除板210的在入口220周圍的表面至預定深度，來形成入口頭240。所述預定深度可在大約1mm和大約2mm之間。
入口頭240的頂邊緣241朝向入口220而相對板210的頂邊緣形成以預定角度。可以可選地確定該角度，以便允許經入口220引入的空氣經入口頭240均勻地分布到通道260。在一個實施例中，該角度可在大約30°和大約45°之間。
即使空氣流動離開入口220，入口頭240的配置可使空氣阻力最小化，從而使空氣均勻地供給到通道260。陰極隔離器200的其它部件的配置可參照上文針對圖1的陰極隔離器100的那些部件的描述，因此省略了對該配置的描述。
在上文的實施例中，陰極隔離器包括在所述板一側上的入口頭、通道和出口頭，但是不限于此。可選地，入口頭、通道和出口頭可形成于板的另一側上。這種在板的兩側上均具有入口頭、通道和出口頭的隔離器可用于堆疊多個單元電池。
在另一實施例中，上文所提的出口頭、肋條和入口頭的結構可用于陽極隔離器。在這種情況下，在經形成于陽極隔離器上的通道供給到陽極電極的液態含氫燃料中，還未參與到陽極電極的化學反應中的未反應的含氫燃料，可以從所述通道通暢地排放。
根據一實施例，在陰極電極中形成的水很容易地被排放。因此，可以將空氣通暢地供給到陰極電極，從而提高燃料電池的發電效率。
雖然已經顯示和描述了若干實施例，不過本領域的技術人員可以理解的是，在不偏離本發明的原理和精神的前提下可以對實施例進行變化，并且本發明的范圍由權利要求書及其等價物所限定。
權利要求
1.一種用于燃料電池的隔離器，包括板，其具有第一邊緣和與所述第一邊緣相對的第二邊緣；入口，其鄰近所述第一邊緣而形成；出口，其鄰近所述第二邊緣而形成；和多個肋條，其形成于所述板的表面上，所述肋條位于所述入口和所述出口之間，并沿著從所述第一邊緣到所述第二邊緣的方向延伸，從而限定它們之間的通道，每個所述肋條均包括鄰近所述入口的第一端部分和鄰近所述出口的第二端部分，其中所述肋條的第二端部分中的至少一個包括至少一個基本不與垂直于所述方向的表面相平行的表面。
2.根據權利要求1所述的隔離器，其中所述至少一個表面包括與所述垂直于所述方向的表面形成一角度的表面，并且所述角度在大約35°和大約55°之間。
3.根據權利要求1所述的隔離器，其中所述第二端部分中的所述至少一個包括臺階。
4.根據權利要求1所述的隔離器，其中所述第二端部分中的所述至少一個包括圓滑表面。
5.根據權利要求1所述的隔離器，其中所述第二端部分中的所述至少一個包括側表面，該側表面大致垂直于所述板的表面并且大致垂直于與所述方向相垂直的所述表面，并且所述第二端部分中的所述至少一個呈錐形，使得所述側表面朝向所述第二邊緣變窄。
6.根據權利要求5所述的隔離器，其中所述側表面變窄，從而在液滴由于重力作用沿著從所述第一端部分到所述第二端部分的方向行進時，充分地抑制所述液滴停留在所述側表面上。
7.根據權利要求5所述的隔離器，其中所述側表面具有三角形形狀，該三角形的頂點指向所述第二邊緣。
8.根據權利要求7所述的隔離器，其中所述三角形包括直角三角形。
9.根據權利要求1所述的隔離器，其中所述板包括形成于所述板的表面上的凹部，并且其中所述多個肋條形成于所述凹部中。
10.根據權利要求9所述的隔離器，其中所述凹部包括第一凹陷部分，其允許所述入口和所述通道之間的流體連通；和第二凹陷部分，其允許所述通道和所述出口之間的流體連通，并且其中所述第二凹陷部分朝向所述出口變窄，使得當所述入口的位置高于所述出口時，來自所述通道的至少一個通道的流體流向所述出口。
11.根據權利要求10所述的隔離器，其中所述第二凹陷部分包括至少一個基本不與所述板的表面相平行的表面，并且其中所述至少一個表面基本不與所述垂直于所述方向的表面相平行。
12.根據權利要求11所述的隔離器，其中所述至少一個表面基本平坦，其中所述至少一個表面與所述垂直于所述方向的表面成一角度，并且該角度在大約30°和大約45°之間。
13.根據權利要求10所述的隔離器，其中所述第一凹陷部分隨著其從所述入口向所述通道延伸變寬。
14.根據權利要求10所述的隔離器，其中所述第二凹陷部分中的至少一部分被涂布以親水材料。
15.根據權利要求1所述的隔離器，其中所述通道中的至少一個被涂布以親水材料。
16.根據權利要求1所述的隔離器，進一步包括形成于所述板的另一表面上的其它多個肋條，所述其它多個肋條位于所述入口和所述出口之間，并沿著從所述第一邊緣到所述第二邊緣的方向延伸，從而限定它們之間的通道，所述其它多個肋條中的每一個均包括鄰近所述入口的第一端部分和鄰近所述出口的第二端部分，其中所述其它多個肋條的第二端部分中的至少一個包括至少一個基本不與垂直于所述方向的表面相平行的表面。
17.一種燃料電池，包括電極板；和根據權利要求1所述的隔離器，所述隔離器利用所述板的面向所述電極的表面附到所述電極板。
18.一種操作根據權利要求17所述的燃料電池的方法，對所述燃料電池進行定向，使得所述入口位置高于所述出口；經所述入口供給反應物；激活所述電極以形成液態產物；以及經所述出口排出所述液態產物。
19.一種燃料電池，包括第一電極板；第二電極板；和根據權利要求16所述的隔離器，所述隔離器置于所述第一電極板和第二電極板之間，并附到所述第一和第二電極板。
20.一種包含根據權利要求1所述的隔離器的裝置，其中，所述裝置從由獨立燃料電池系統、包含燃料電池的電子或電氣設備，和包含燃料電池的運輸車輛組成的組中選出。
全文摘要
本發明公開一種用于燃料電池的隔離器。所述隔離器包括一板，該板被配置以面對燃料電池的陽極電極和陰極電極，該燃料電池通過氫氣和氧氣之間的電化學反應來產生電。所述隔離器包括流體可流經的通道和形成所述通道的肋條。所述肋條中的至少一個包括在其出口端處的斜坡端。所述斜坡端具有相對所述板的表面的第一傾斜角。在陰極電極中產生的水被很容易地排放，并且空氣被通暢地供給到所述陰極電極，從而提高所述燃料電池的發電效率。
文檔編號H01M8/02GK101068044SQ20071010301
公開日2007年11月7日 申請日期2007年4月29日 優先權日2006年5月3日
發明者李俊亨, 羅永承 申請人:三星Sdi株式會社