CN101047255B - 燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构 - Google Patents

燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，建构于一燃料电池的中央区域。该反应极板的中央区域包含至少一进气孔、至少一出气孔与多个气体通道，该反应极板的中央区域同时也覆盖有一质子交换膜板组，各气体通道彼此平行排列，且具备有一窄口端与一宽口端，该窄口端的截面积小于该宽口端的截面积。该反应极板是由该进气孔而获得一反应气体的供应。在该燃料电池进行反应时，会在该气体通道上产生至少一水滴，并由表面张力的牵引而吸附在该气体通道。该反应气体自该进气孔，依序流经该窄口端、该气体通道与该宽口端，并于该出气孔排出。由于该窄口端的截面积较小之故，该质子交换膜板组较不易被反应气体的推挤而破坏。

Description

燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构
技术领域
本发明有关于一种燃料电池组，特别是有关一种燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构。
背景技术
随着人类文明的进步，传统能量如煤、石油及天然气的消耗量持续的升高，造成地球严重的污染，导致温室效应及酸雨等环境的恶化。人类已清楚地体认到天然能源的存量有限，如果持续地滥用，在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源，而燃料电池组便是其中一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相比，燃料电池组具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。
燃料电池组是一种将氢气与氧气通过电化学反应产生电能的发电装置，其基本上可说是一种水电解的逆反应，以将其化学能转换成电能。以质子交换膜燃料电池组为例，其包括多个电池单体，在此先对单一电池单体进行说明。请参阅图1，是已知燃料电池组的电池单体结构的剖面示意图。如图所示，一电池单体1包含位于中央的一质子交换膜(Proton ExchangeMembrane，PEM)11，其两侧各设一催化剂层12、12a，该催化剂层12、12a的外侧再各设置一层气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)13、13a，最外侧则分别设一阳极板14与一阴极板15，将上述构件依序紧密结合在一起后，即形成该电池单体1。
请参阅图2与图3，图2显示已知燃料电池组部份结构的剖面图，图3显示图2中3-3断面的剖面图。如图所示，在一已知燃料电池组100中，分别作为两相邻电池单体1的阳极板14与阴极板15通常可结合统称为一双极板(Bipolar Plate)16，双极板16的两面设有许多沟槽式的气体通道17，以输送反应用的气体，如氢气与含氧气的空气，并排出反应后的生成物，如水滴或水气。
由于该燃料电池组100的双极板16(图1中的该阳极板14与该阴极板15也相同)中的气体必须具有相当程度的湿度，才能将反应生成的离子携带并穿越该质子交换膜11，实现质子导电。因为气体含水量过少时，质子交换膜11会脱水，使得该燃料电池组100的电阻增大、电压降低，进而影响该燃料电池组100的寿命，故有可能设计一加湿装置使气体蕴含足够的水气以改善此情况。
当气体的含水气量过多时，则会在特定条件下凝结成水滴2，并会因为表面张力的牵引而附着在该气体通道17的内壁。该水滴2的累积将会使该气体通道17的有效气体流通截面积缩小，甚至还有可能会完全阻塞该双极板16中供气体流通的该气体通道17，使得气体无法持续流通而中断该燃料电池组100的电化学反应，也会对该燃料电池组100的性能产生负面的影响。因此，在该燃料电池组100中，该双极板16(阳极板与阴极板亦同)的设计便显得非常的重要。
当气体因为该气体通道17被水滴2阻塞，且该气体通道17入口处的压力与该气体通道17出口处的压力相等或相近时，亦即其间的压力差ΔP1与截面积的乘积不足以克服水滴与通道间的黏滞力与表面张力时，该水滴将会持续停滞在该气体通道17内。为了防止双极板16中的气体通道17被该水滴2所阻塞，其常用的一种解决方式是提升该气体通道17入口处的压力，使该压力差ΔP1增加至其与截面积的乘积足以克服水滴与通道间的黏滞力与表面张力。此时，该水滴2就会经由该气体通道17出口处而自该气体通道17排出。
然而，在一般实际应用中，当该压力差ΔP1增加至其与截面积的乘积足以克服水滴与通道间的黏滞力与表面张力时，该气体通道17入口处的压力通常会增加至一特定压力。在该特定压力的作用下，该质子交换膜11轻则会产生位置偏移或剥离现象，重则会产生破裂或损坏现象。
有鉴于已知燃料电池组必须由增湿的方式来增加反应生成离子的活动力，并防止质子交换膜脱水。但是，却也因此饱受水滴凝结堵塞气体通道，影响电化学反应的困扰。因此，在后续的改进措施中，是以一增压装置(如鼓风机)对气体通道加压以利排水。然而，在一般实际应用中，当该压力增加至足以排去气体通道的水滴时，质子交换膜却会因为无法承受由该压力造成的推挤力而产生位置偏移、剥离、破裂或损坏等现象。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，在燃料电池反应极板的气体入口处，缩小气体通道的截面积，以减小质子交换膜板组与气体通道的接触面积，以减少其受压面，以及减小在增压过程中反应气体对其造成的向外推挤力。
本发明的目的是这样实现的，一种燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，该反应极板建构于一燃料电池中，且其上方覆置有一质子交换膜板组。该反应极板包含至少一进气孔、至少一出气孔与多个气体通道。各气体通道彼此平行排列，且具备有一窄口端与一宽口端，该窄口端的截面积小于该宽口端的截面积。此外，该窄口端与该进气孔相通，该宽口端与该出气孔相通。
在该燃料电池进行反应时，会在该气体通道上产生至少一水滴，并由表面张力的牵引而吸附在该气体通道，由于在该进气孔处可由增压装置(如鼓风机)予以增压，故在该进气孔处的压力将会大于该出气孔处的压力，其压力差足以将该气体通道内的水滴经由该出气孔而排出。
同时，由于该窄口端的截面积较小，且其与该质子交换膜板组接触宽度较窄的缘故，故其受压面积较小，其所承受来自该气体通道内的气体向外推挤力也相形较小，故该质子交换膜板组较不易产生位置偏移、剥离、破裂或损坏现象。
本发明对照先前技术的功效：
相比于现有技术，本发明所提供的燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构不仅能顺利将堵塞于气体通道内的水滴排出，更能有效减小质子交换膜板组承受来自该气体通道内的气体向外推挤力，进而防制质子交换膜板组的位置偏移、剥离、破裂或损坏等现象的发生。
附图说明
图1为已知燃料电池组的电池单体结构的剖面示意图；
图2为已知燃料电池组部份结构的剖面图；
图3为图2中3-3断面的剖面图；
图4为本发明第一实施例的平面示意图；
图5为图4中圈A所示区域的局部放大图；
图6为图5中6-6断面的断面图；
图7为图5中7-7断面的断面图；
图8为本发明第一实施例的反应极板与质子交换膜板组的局部相对位置示意图；
图9为本发明第一实施例两相邻反应极板之间利用密封元件加以封装的示意图；
图10为本发明第一实施例的气压排水作用原理示意图；
图11为本发明第二实施例的局部结构示意图；
图12为本发明第三实施例的局部结构示意图。
附图标号：
100燃料电池组           1电池单体
11质子交换膜            12、12a催化剂层
13、13a气体扩散层       16双极板
17气体通道              2水滴
3、3’反应极板          31、32进气孔
33、34出气孔            35气体通道
351窄口端               352宽口端
353窄通道段             354渐宽通道段
355宽通道段             35a气体通道
351a窄口端              352a宽口端
353a渐宽通道段          354a宽通道段
35b气体通道             351b窄口端
352b宽口端              353b渐宽通道段
354b宽通道段            36密封元件容置槽
37分流节流楔块          4质子交换膜板组
41质子交换膜            42、42a催化剂层
43、43a气体扩散层       5密封元件
G反应气体
具体实施方式
请参阅图4至图8，图4为本发明第一实施例的平面示意图，图5为图4中圈示部份A所示区域的局部放大图，图6为图5中6-6断面的断面图，图7为图5中7-7断面的断面图，图8为本发明第一实施例的反应极板与质子交换膜板组的局部相对位置示意图。
一燃料电池组的反应极板3的中央区域包含二进气孔31与32、二出气孔33与34以及多个气体通道35，其上则依序覆盖有一质子交换膜板组4与另一反应极板3’。此外，在该反应极板3的中央区域外围，在该反应极板3与该反应极板3’彼此对合面皆开设有一环绕该中央区域的密封沟槽36，以容置一密封元件5(如图9所示，在本实施例中，该密封元件建议采用环型固熔胶)，并将反应极板3的进气孔31、进气孔32、出气孔33、出气孔34、气体通道35以及质子交换膜板组4密封于反应极板3与反应极板3’之间。此时，在气体通道35上方会直接与质子交换膜板组4相接触。同时，所述质子交换膜板组4包含有一质子交换膜41、一对催化剂层42、42a与一对气体扩散层43、43a。
在所述反应极板3上，各气体通道35彼此平行排列且具备有一窄口端351与一宽口端352(同时参阅图10)，且该窄口端351的截面积小于该宽口端352的截面积。其中，该窄口端351与进气孔31相通，该宽口端352与出气孔33相通。
所述气体通道35包含有一窄通道段353、一渐宽通道段354与一宽通道段355。该窄通道段353在该窄口端351处与该进气孔31与32相通。所述渐宽通道段354的两端连通所述窄通道段353与宽通道段355，且其在邻接窄通道段353处的截面积，是逐渐增大至其邻接的宽通道段355处的截面积。宽通道段355在宽口端352处与出气孔33相通。
在所述燃料电池进行反应时，一反应气体G(可为氢气或含氧气气体)会由进气孔31进入反应极板3，依序流经窄通道段353、渐宽通道段354与宽通道段355，以进行电化学反应，反应后的空气会经由出气孔33而流出反应极板3。
如图8所示，在进行电化学反应之后，在气体通道35中可能会产生凝结的水滴2，且该水滴2会由表面张力的牵引而吸附在该气体通道35，并逐渐凝结而堵塞气体通道35。此时，由于在进气孔31端可由一增压装置(如鼓风机)将该反应气体增压，故在该进气孔31处的反应气体压力将会大于该出气孔33处的反应气体压力，且其压力差所形成的推挤力足以使该反应气体推挤气体通道35内的水滴2，并且经由出气孔33而将水滴2排出。同时，由于气体通道35上方会直接与所述质子交换膜板组4接触的缘故，反应气体压力差所形成的推挤力同时也会推挤该质子交换膜板组4。
承以上所述，请参阅图10，为本发明第一实施例的气压排水作用原理示意图。如图所示，在该进气孔31端的压力为PA，其大小约略等于该增压装置所提供的增压(P1)加上环境压力(约略等于一大气压力P0)。同时，该出气孔33端的压力PB则为环境压力(约略等于一大气压力P0)。
气体压力造成的合力F是压力差ΔP2(约略等于PA减PB)与截面积A的乘积，即F＝ΔP2×A，当该水滴2堵塞该气体通道35时，其与该气体通道35之间，存在有一黏滞力FV与一表面张力Ft，该表面张力Ft可区分为一表面张力水平分力Ft1与一表面张力垂直分力Ft2。依据牛顿力学定律，当该合力F大于该黏滞力FV与该表面张力水平分力Ft1时，亦即当F>FV+Ft1时，将可带动该水滴2往该出气孔33的方向移动，亦即可将该气体通道35中的水滴2排出。
凡熟习此技艺的人士皆能理解：该反应极板3可为燃料电池组的阳极板、阴极板或双极板。同时，该进气孔可为燃料电池组的氢气进气孔或燃料电池组的含氧气体进气孔。此外，由于该窄口端351的截面积较小，且其与该质子交换膜板组4接触宽度较窄的缘故，故其受压面积较小，其所承受来自该气体通道的向外推挤力也相对较小，故该质子交换膜板组4的催化剂层42、42a与气体扩散层43、43a较不易破裂、损坏或自该质子交换膜41剥离。
请参阅图11，为本发明第二实施例的局部结构示意图。同时，请比对图9所示的第一实施例结构。如图所示，在本实施例中，其与第一实施例最大的不同处在于该气体通道35是以一气体通道35a加以取代，该气体通道35a也具备有一窄口端351a与一宽口端352a，且该窄口端351a的截面积小于该宽口端352a的截面积。
其中，该窄口端351a与该进气孔31相通，该宽口端352a与该出气孔33相通。该气体通道35a还包含有一渐宽通道段353a与一宽通道段354a，该渐宽通道段353a的一端在该窄口端351a处与该进气孔31相通，其另一端与该宽通道段354a相通，该宽通道段35a在该宽口端352a处与该出气孔33相通。
请参阅图12，为本发明第三实施例的局部结构示意图。同时，请比对图10所示的第二实施例结构。如图所示，在本实施例中，其与第二实施例最大的不同处在于该气体通道35是以一气体通道35b加以取代，该气体通道35b的一端与该进气孔31相通，其另一端与该出气孔33相通。
在该气体通道35b邻近该进气孔31处，嵌设有一倒三角形的分流节流楔块37，以在该处形成一窄口端351b；在该气体通道35b与该出气孔33相接处具备有一宽口端352b。因此，该窄口端351b的截面积小于该宽口端352b的截面积。该气体通道35b还包含有一渐宽通道段353b(即嵌设有该分流节流楔块37的区段)与一宽通道段354b，该渐宽通道段353b的一端在该窄口端351b处与该进气孔31相通，其另一端与该宽通道段354b相通，该宽通道段35b在该宽口端352b处与该出气孔33相通。
虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖之范畴。

Claims (7)

1.一种燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，是在一燃料电池的反应极板的中央区域包含至少一进气孔、至少一出气孔与多个气体通道，该反应极板的中央区域同时也覆盖有一质子交换膜板组，在该燃料电池中，该反应极板由该进气孔而获得一反应气体的供应，该反应气体由该出气孔排出，各气体通道彼此平行排列且具备有一窄口端与一宽口端，其特征在于：该窄口端的截面积小于该宽口端的截面积，该窄口端与该进气孔相通，该宽口端与该出气孔相通，该气体通道包含有一宽通道段及一渐宽通道段，该宽通道段的宽度为固定，并经由该宽口端与该出气孔相通，而该渐宽通道段的一端与该宽通道段连通，而另一端经由该窄口端与该进气孔相通。
2.如权利要求1所述的燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，其特征在于：该气体通道包含有一窄通道段，其是连通于该窄口端与该渐宽通道段之间。
3.如权利要求1所述的燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，其特征在于：该反应极板为该燃料电池组的阳极板。
4.如权利要求1所述的燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，其特征在于：该反应极板为该燃料电池组的阴极板。
5.如权利要求1所述的燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，其特征在于：该反应极板为该燃料电池组的双极板。
6.如权利要求1所述的燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，其特征在于：该进气孔为该燃料电池组的氢气进气孔，而该出气孔为该燃料电池组的氢气出气孔。
7.如权利要求1所述的燃料电池反应极板的气体入口压力调节结构，其特征在于：该进气孔为该燃料电池组的含氧气体进气孔，而该出气孔为该燃料电池组的含氧气体出气孔。
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