燃料电池隔膜和包括其的燃料电池堆的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池隔膜和包括该燃料电池隔膜的燃料电池堆，并且更具体地，涉及可以通过改善其内的热量传输效率来改善局部冷却有效性的燃料电池隔膜，和包括该燃料电池隔膜的燃料电池堆。
【背景技术】
[0002]燃料电池系统通常包括用于产生电能的燃料电池堆、向燃料电池堆供应燃料(氢)的燃料供应单元、用于向燃料电池堆供应空气(具体地，氧，其为电化学反应必需的氧化剂)的空气供应单元、以及用于将从燃料电池堆发出的反应热消散至燃料电池系统的外侧并因此控制燃料电池堆的运行温度的加热和水控制单元。
[0003]在上述燃料电池系统的燃料电池堆中，通过氢(燃料)与空气中的氧的电化学反应，产生电，并且排出作为反应的副产物的热量和水。燃料电池堆通过连续地堆叠多个单元电池形成，并且每个单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔膜，每个隔膜被紧密地设置在每个膜电极组件的一侧上。
[0004]在此，每个单元电池在膜电极组件和隔膜w之间被设置有衬垫(垫圈)用于保持其间的密封和气密性。此外，每个隔膜被设置有多个歧管用于向膜电极组件供应燃料和空气或者从膜电极组件排出燃料和空气，排出水(反应的副产物)并使其内的冷却介质(例如，水)循环。
[0005]图1是示出了包括在其间形成通道的多个歧管的常规燃料电池堆的隔膜的冷却流模式的示意图，并且图2是示出了在燃料电池堆运行期间的冷却水入口和冷却水出口之间的温度偏差的示意图。从图2中可以确定，隔膜最左侧的温度最低，朝向冷却水出口温度逐渐增加，并且隔膜的椭圆区域的温度最高。即，在燃料电池堆的运行期间，在长度和宽度方向上都出现温度偏差。这种局部温度增加劣化燃料电池堆，因此需要该问题的解决方案。
[0006]应理解，提供上述描述仅旨在帮助对本发明的理解，并且不意味着本发明落在本领域中技术人员已知的相关技术的范围内。
【发明内容】
[0007]因此，本发明致力于解决上述问题，并且本发明的目的是提供可以使用开缝翅片和多孔导电材料来局部改善冷却性能的燃料电池隔膜，和包括该燃料电池隔膜的燃料电池堆。
[0008]为了实现以上目的，本发明提供了一种燃料电池，包括:多个膜电极组件(MEA)；第一流动通道，向膜电极组件中的一个供应燃料的第一流动通道，该第一流动通道由膜电极组件之间的多个通道板形成；第二流动通道，向膜电极组件中的另一个供应空气；以及冷却通道，使冷却介质循环用于冷却第一流动通道和第二流动通道。具体地，在冷却通道中设置有开缝翅片(裂开翅片，split fin)，该开缝翅片因此分割冷却通道。
[0009]在本发明的示例性实施方式中，开缝翅片可以由多孔材料制成，该多孔材料可以具有比通道板高的热传导率(热导率)。例如，开缝翅片可以由碳纤维或金属制成。此外，开缝翅片可以比通道板薄。这样，当冷却通道具有多边形截面时，开缝翅片可以连接至冷却通道的至少一个顶点。
[0010]此外，开缝翅片还可以将冷却通道的内部空间分割为多个空间。在以上示例性实施方式中，通道板的围绕冷却通道的内壁可以具有粗糙度(不均匀度)。该粗糙度可以通过刮划、纳米涂覆、等离子体处理、粉末施加或者缩短形成。
[0011]就设置而言，基于整个燃料电池隔膜的温度分布，开缝翅片可以被设置在燃料电池隔膜的相对高温区域的冷却通道中。
[0012]本发明的另一方面提供了一种包括燃料电池隔膜的燃料电池堆。
【附图说明】
[0013]本发明的上述和其他目的、特征和优势将通过以下结合附图的详细描述而更显而易见，其中:
[0014]图1是示出了典型的燃料电池堆的单元电池的冷却流动模式的示意图；
[0015]图2是示出了在燃料电池堆的运行期间出现温度偏差现象的示意图；
[0016]图3是示出了根据本发明的实施方式的具有散热结构的燃料电池隔膜的位置的示意图；
[0017]图4是根据本发明的实施方式的具有通道分离散热结构的燃料电池隔膜的放大图；和
[0018]图5是根据本发明的另一个实施方式的具有填充多孔材料的散热结构的燃料电池隔膜的放大图。
【具体实施方式】
[0019]应当理解，如本文中所使用的术语“车辆(vehicle) ”或者“车辆的(vehicular) ”或者其他的类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆，包括各种小船(boat)和海船舶(ship)的船只水运工具(watercraft)，航天器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合动力电动车辆、氢动力车辆、燃料电池车辆以及其他可替代的燃料车辆(例如，源自除了石油的资源的燃料)。如本文中提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，汽油动力和电动车辆。
[0020]本文所用的术语仅是为了描述【具体实施方式】的目的，而不旨在限制本发明。如本文中所用的，单数形式“一种”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。应进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。如本文所用的，术语“和/或”包括所关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
[0021]除非具体陈述或从上下文明显可见，否则如本文所用的术语“约”被理解为本领域中正常公差的范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以被理解为在所陈述值的10%,9%,8%,7%,6%,5%,4%,3%,2%,1%>0.5%、0.I %、0.05% 或 0.01 % 内。除非从上下文是清楚的，否则本文所提供的所有数值可由术语“约”修饰。
[0022]在下文中，将参照附图详细地描述本发明的优选实施方式。
[0023]图3是示出了根据本发明的示例性实施方式的具有散热结构的燃料电池隔膜的位置的示意图，图4是根据本发明的示例性实施方式的具有通道分离散热结构的燃料电池隔膜的放大图，和图5是根据本发明的另一个示例性实施方式的具有填充多孔材料的散热结构的燃料电池隔膜的放大图。
[0024]参考图3至图5，图3是示出了在设置有膜电极组件(MEA)的单元燃料电池中使用图4或图5中示出的燃料电池隔膜的位置的示意图。即，如图2所示，在燃料电池堆的运行期间，在冷却水入口附近形成低温区域，并且在围绕冷却水出口的单元燃料电池的中心形成高温区域。因此，基于单元燃料电池中的温度分布，在单元燃料电池的相对高温区域中使用图4或图5中示出的燃料电池隔膜。
[0025]将描述图4和图5中示出的每个燃料电池隔膜的截面结构。图4示出了四个燃料电池隔膜的截面结构。图4和图5中示出的每个截面结构都是沿着图3的线A-A’截取的。
[0026]燃料电池堆包括:多个膜电极组件(MEA)，其中，在传递氢离子的电解质膜的两侧进行电化学反应；气体扩散层(⑶L)，均匀地分配反应气体并传输电；衬垫(垫圈)，用于保持反应气体和冷却水的密封和气密性；和隔膜，形成用于递送和去除反应气体和冷却水的通道。
[0027]在燃料电池堆内部，存在多个单元燃料电池。每个单元燃料电池包括膜电极组件(MEA) 21和隔膜30，并且堆叠这样的单元燃料电池以形成燃料电池堆。图4中示出的每个单元燃料电池可以包括膜电极组件(MEA) 21和设置有第一通道板40、第一流动通道41、第