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燃料電池領域全球專利監控報告(2020年3月)

3.1.2 JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)——一種改善排水性能的隔板

圖3-4 現有技術隔板結構示意圖

燃料電池隔板一側形成有供反應氣體流過的氣體流路4A、4B,當發電產生的水留在氣體流路中時,可能會降低反應氣體的擴散性,使燃料電池的發電性能下降。為此,現有技術通過在氣體流路的槽壁表面設置多個細槽6,細槽與氣體擴散層接觸,使得液態水能夠迅速與氣體擴散層分離并沿著細槽進行流動以排出。

為了進一步優化燃料電池發電性能,JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)提出了對排水槽設計進行改進,具體如下:

燃料電池單電池立體分解圖與局部截面圖如圖3-5所示,包括陽極隔板20、陰極隔板40,膜電極組件10;膜電極組件10包括質子交換膜12,催化電極層14a、14c,氣體擴散層16a、16c,支撐框架18;隔板包括氣流流動通道20A、40A,冷卻劑流動通道20B、40B;冷卻劑入口歧管為a2、s2、c2,冷卻劑出口歧管為a5、s5、c5,陽極入口歧管為a6、s6、c6,陽極出口歧管a1、s1、c1,陰極入口歧管為a3、s3、c3,陰極出口歧管a4、s4、c4。由局部截面圖所示,當從Y方向上觀察時,氣體流動通道和冷卻劑流動通道均具有波浪形的橫截面形狀;且氣體流動通道和冷卻劑流動通道在X方向上有連續肋部21、41,并與氣體擴散層接觸。

圖3-5 (a)單電池立體分解圖;(b)單電池局部截面圖

圖3-6為氣流流動通道部分透視圖,在陰極隔板40的表面上形成有排水槽43g、47g和引導槽41g;排水槽43g、47g位于側部43、47中央部位上,并向兩端延伸;從圖3-7(a)流路局部截面圖可看出,排水槽43g、47g在延伸方向的截面呈V形;引導槽41g形成在肋部41,并以一定間距排列,其兩端分別與排水槽43g、47g連接。

圖3-6 氣流流動通道的部分透視圖

圖3-7 (a)流路局部截面圖;(b)毛管力-水力直徑關系圖;(c)排水槽放大圖;(d)排水槽局部放大圖

為了更大程度地捕獲反應生成水以及確保毛管力,排水槽43g的水力直徑可設置為5μm~150μm(水力直徑引入是為了給非圓管流動取一個合適的特征長度來計算其雷諾數,雷諾數的大小可用來確定物體在流體中流動所受到的阻力)。因此,當燃料電池發電時,在氣體擴散層中的生成水可經表面431a流動至排水槽43g或者經引導槽41g流動至排水槽43g內(47g側同理)。通過排水槽43g、47g和引導槽41g有效改善了燃料電池的排水性能。

此外,由于表面433a向陰極氣體流路突出,為了避免陰極氣體壓力損失增加,表面433a的長度L應短于表面431a和432a的長度(參見圖3-7,d),可設置在0.2mm以下。另一方面,由于對置部43h與排水槽43g的內表面為互補形狀,對置部43h與冷卻劑通道直接接觸,因此確保對置部43h的表面積可使排水槽43g的內表面更易被冷卻,促進水蒸氣的冷凝,改善排水性能。另外,還可對排水槽進行親水性處理,提高排水性能。

在專利JP2020047440A(JP2020047441A、JP2020047442A)實施例中,還列舉了以下四種不同形狀的排水槽,具體見圖3-8。

圖3-8 不同槽形狀的排水槽

需要指出是,專利JP2020047440A保護了隔板排水槽設置及水力直徑的數值范圍;專利JP2020047441A在專利JP2020047440A的基礎上進一步保護了排水槽對置部朝向冷卻劑通道的方位關系;專利JP2020047441A保護了具有該排水槽的隔板的制造方法。

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