CN101093890A - 用于燃料电池的波浪型流道板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的波浪型流道板，包含有一射出成型的板体基材，以可射出成型的高分子材料所构成；及至少一个波浪型流道反应区，定义有多个互相独立的流道，设于该板体基材的表面上，其中该波浪型流道板可与膜电极组压合后，并使燃料流通该流道经催化反应而产生电流。

Description

用于燃料电池的波浪型流道板

技术领域

本发明是有关于应用于燃料电池领域中的流道板(flowboard)及其制造方法，特别是有关于一种具备高抗甲醇性、高机械强度、较佳的燃料流动效能以及低加工成本的波浪型流道板及其制造方法。

背景技术

如熟习该领域者所知，直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称为DMFC)是一种利用稀释甲醇水溶液作为燃料，透过电化学程序将化学能转换成电力的发电装置。与传统的发电方式相较，直接甲醇燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及较高的能量转换效率等优点，乃具有前瞻性的干净能源，可应用的领域包括家用发电系统、不断电系统、电子产品、运输工具、军用设备、太空工业等。

直接甲醇燃料电池的运作原理乃以甲醇水溶液在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)以及二氧化碳(CO₂)，其中氢离子经由电解质传递至阴极，电子则经由外部电路传递至阴极，此时供给阴极端的氧气会与氢离子及电子在阴极触媒层进行还原反应，并产生水。燃料电池一般皆由多个基本单元所组成。由于每个基本单元所能提供的电压很小，因此在应用时必须串联多个基本单元，以达到所需要的操作电压输出。

在直接甲醇燃料电池元件的模块结构中，通常包括有集电板以及流道板，分别扮演着不同重要的角色，其中集电板负责收集电化学反应所产生的电子，而流道板则是负责燃料流动的分布与控制。过去，在流道板的部分皆着重在流道的设计，使燃料能够顺利通过流道，而流入膜电极组(membrane electrodeassembly，MEA)。

公知的流道板通常是以石墨或是以玻璃纤维板，如FR4、FR5等材料做为基材，并需以电脑化数值控制(Computer Numerical Control，简称为CNC)车床铣削技术制作而成，其缺点是CNC车床铣削制作的产能低、而加工成本高，且公知以石墨、FR4或FR5等材质为基材的流道板机械性质普遍不佳、体积又大，等种种因素皆不利于燃料电池的量产规模与普及化应用。

由此可知，好的流道板设计除了在材质选择上必须耐燃料电池的气液燃料及其反应物的化学性腐蚀之外，尚需具有高机械性、低加工成本以及可快速大量生产的要求，而公知的流道板不论在材质上或是在制作方法上均有进一步改善与改良的空间。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在提供一种改良的流道板，以改善前述公知技艺的缺点。

本发明提供一种用于燃料电池的波浪型流道板，包含有一射出成型的板体基材，以可射出成型的高分子材料所构成；及至少一个波浪型流道反应区，定义有多个互相独立的流道，设于该板体基材的表面上，其中该波浪型流道板可与膜电极组压合后，并使燃料流通该流道经催化反应而产生电流。

本发明提供一种用于燃料电池的波浪型流道板，包含有一射出成型的板体基材，以可射出成型的高分子材料所构成；至少一个流道反应区，设于该板体基材的表面上；及至少一波浪型集电板，定义有多个互相独立的流道，整合固定在该流道反应区内；其中该波浪型流道板可与膜电极组压合后，并使燃料流通该流道经催化反应而产生电流。

因此，本发明的流道板除了在材质选择上具有耐燃料电池的气液燃料及其反应物的化学性腐蚀之外，尚具有高机械性、低加工成本以及可快速大量生产的要求。

附图说明

为了使本发明的特征及技术内容能更进一步被了解，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。然而所附图式仅供参考与辅助说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1绘示的是本发明较佳实施例波浪型流道板的上视示意图。

图2绘示的是本发明所使用的模具的分解示意图。

图3绘示的是本发明另一较佳实施例定义有波浪型流道的集电板示意图。

图4是图3中的集电板与板体基材结合后的态样示意图。

附图标记说明：

10波浪型流道板   11    板体基材

12流道反应区     12a   流道反应区

12b流道反应区    12c   流道反应区

12d流道反应区    14    穿越区

16穿越区         20    模具

21定位环         22    注入口衬套

23导销           24    膜仁

25顶出板         26    顶出销

27C杆            28    挟槽

29顶出器套盖     40    注入口顶出器

41顶出器固定板   42    支撑板

43B板            44    A板

45顶部挟版

101燃料注入口    102   流入流道

103分歧管

111燃料流出口    112   流出流道

113流出流道

120集电板        120a   基板

120b铜膜         120c   电着漆

121正面        122    背面

132导电耳部    220    凹陷区域

具体实施方式

本发明是有关于用于以气液体为燃料的燃料电池的波浪型流道板，其中流道板具有一个或者一个以上的反应区，在与膜电极组(MEA)压合或者组合后，可通过甲醇燃料流动反应而产生电流。

本发明的燃料电池用的波浪型流道板是一种对氢或含氢化合物在催化剂下反应，将化学能转换成电能的一种装置，而本发明流道板针对可携式电子产品用的质子交换膜燃料电池，为了要轻薄及短小化，须能抗气液燃料及其反应物的化学腐蚀性，并具有良好的机械性质。

请参阅图1，其绘示的是本发明较佳实施例波浪型流道板的上视示意图。如图1所示，本发明波浪型流道板10包括有一板体基材11，以及至少一个波浪型的流道反应区12。在图1中是以四个波浪型的流道反应区12a、12b、12c及12d举例说明，而流道反应区12b的侧视图如图1右边所示，流道反应区12a、12b、12c及12d的流道皆为由上到下或由下到上的相同流场方向，其中，流道反应区12a、12b两者的流道为互通，而流道反应区12c及12d的流道为互通，在流道反应区12a及12b之间为穿越区14，在流道反应区12c及12d之间为穿越区16。

此外，本发明并不限于在板体基材11的单面才有设置波浪型的流道反应区，在板体基材11的另一面亦可以同时形成相同的波浪型的流道反应区，因此本发明可以有单面流道与双面流道的应用。

如图1所示，板体基材11在燃料注入端另设有一燃料注入口101、流入流道102以及分歧管103。燃料，如甲醇等，经由燃料注入口101、流入流道102、分歧管103分别进入流道反应区12a以及12c的各独立流道中，然后再分别流入与流道反应区12a以及12c衔接相通的流道反应区12b以及12d，最后，由流出流道112及113、燃料流出口111流出。

本发明的主要特征之一在于流道反应区12a、12b、12c及12d的流道皆为由上到下或由下到上的相同流场方向，其中，流道反应区12a、12b两者的流道为互通，而流道反应区12c及12d的流道为互通，而且各个流道反应区12a、12b、12c及12d中的单一流道皆为互相独立，如此可使流场更加顺畅、均匀化。

根据本发明的较佳实施例，本发明的波浪型流道板的板体基材11是运用射出成型技术形成者，利用一种可射出成型的高分子复合材料，例如，聚醚醚酮(polyetheretherketone，简称为PEEK)、聚醚酮酮(polyetherketoneketone，简称为PEKK)、聚砜(Polysulfone，简称为PSU)、液晶高分子(liquid crystalpolymer，简称为LCP)、高分子塑化基板或复合式材料等的工程塑料中的其中一种。

需强调的是，并非所有可射出成型的高分子材料皆适合用来制作本发明的波浪型流道板的板体基材11，举例来说，像ABS树脂、聚丙烯(PP)树脂以及聚碳酸酯(polycarbonate，简称为PC)等，尽管其可以通过射出成型制成基板，但是却不具备所要求的抗甲醇性以及高机械强度，因此并不适合使用。因此，较适合的材料还是以上文中所列举的几种，其中特别是以聚砜最为合适。

此外，上述的可射出成型的高分子复合材料可以采用与填充剂一并射出的加工方式。前述的填充剂例如改质剂、流动剂、脱膜剂等。

关于本发明形成波浪型流道板具体实施方式将以下例子说明的(此例中以聚砜高分子作为流道板材料)。

基本上，本发明射出成型法的基本步骤有三个，分别是熔化、流动及凝固。首先，将粉粒状的聚砜高分子塑料材料加热熔化成液态，然后，将熔化的聚砜高分子塑料材料射入模具中，再行冷却、凝固即成。整个制作过程快速，也可以自动化，尤其适合大量生产。

(1)  熔化：将粉粒状的聚砜高分子塑料材料在温度及压力下产生塑行变形。

(2)  流动：将变形的聚砜高分子塑料材料在压力作用下流动充满整个模具。

(3)  凝固、冷却：等待聚砜高分子塑料材料冷却后取出。

图2绘示的是本发明所使用的模具20的分解示意图。本发明所使用的模具20可包括定位环21、注入口衬套22、导销23、膜仁24、顶出板25、顶出销26、C杆27、挟槽28、顶出器套盖29、注入口顶出器40、顶出器固定板41、支撑板42、B板43、A板44以及顶部挟版45，但不局限在上述模具组态。

本发明的波浪型的流道反应区12可以是与板体基材11同时以射出成型方式一体成型，但波浪型的流道反应区亦可以是另外形成，例如，以一集电板来定义流道，然后再与以射出成型方式形成的板体基材11结合。

请参阅图3，其绘示的是本发明另一较佳实施例定义有波浪型流道的集电板120示意图。本发明的另一较佳实施例，集电板(阳极)120包括有由不锈钢或者其它能耐燃料电池气液燃料的化学腐蚀的金属材料，例如，SUS316、SUS3 16L、SUS304、SUS304L、钛合金等材质所构成的薄型基板120a，以冲压方式制作成的波浪型流道。

如图3所示，在集电板120的正面121上是以冲压方式形成有多个互相独立的波浪型流道，能让气液燃料顺利通过。若基板120a是以不锈钢所构成，由于不锈钢的电阻较高，则在集电板120的背面122，可以镀上一层铜膜120b，由此降低电阻，然后，再以一电着漆或者业界俗称的「ED漆」120c覆盖住隔离住铜膜120b，使铜层120b不会与燃料电池的气液燃料相接触，而使铜析出毒化电池。集电板120另包括有一凸出、可拗折的导电耳部132，用来将集电板120与形成在阴极导电板的线路电连接，让电子导出。

图3中的集电板120与以射出成型方式形成的板体基材11结合后的态样，如图4所示。集电板120可以AB胶或其它环氧树脂类高分子黏着材料与板体基材11黏合，或者紧密卡合固定在板体基材11上，或以螺丝铆丁等其它方式锁固。集电板120设置在板体基材11所提供相对应的凹陷区域220内，其形状能与集电板120相配合，以节省空间。

同样的，在流道方向上，两个相邻的集电板120之间亦提供有穿越区14、16，其流道为一体成型与板体基材11同时形成，需与集电板120的流道相对应衔接。导电耳部132在拗折后，可以与形成在板体基材11的线路电连接，并可以将电池串并。

本发明将集电板120整合在板体基材11上的作法至少包括有以下的优点。首先，集电板120可以不锈钢材质制作，相较于公知技艺集电板以金制程，相对可节省许多成本，而将不锈钢基板以冲压方式定义出波浪型流道亦十分简单快速。此外，将集电板120整合在板体基材11上的作法可以降低燃料电池组装后的整体厚度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池的波浪型流道板，其特征是，包含有：

一射出成型的板体基材，以可射出成型的高分子材料所构成；及

至少一个波浪型流道反应区，定义有多个互相独立的流道，设于该板体基材的表面上，其中该波浪型流道板可与膜电极组压合后，并使燃料流通该流道经催化反应而产生电流。

2.如权利要求1所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型流道反应区与该板体基材是一体成型。

3.如权利要求1所述的波浪型流道板，其特征是，该高分子材料包含有聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚砜、液晶高分子或复合式材料。

4.如权利要求1所述的波浪型流道板，其特征是，该燃料是一甲醇溶液。

5.如权利要求1所述的波浪型流道板，其特征是，该燃料是一液态燃料。

6.如权利要求1所述的波浪型流道板，其特征是，该燃料是一气态燃料。

7.一种用于燃料电池的波浪型流道板，其特征是，包含有：

一射出成型的板体基材，以可射出成型的高分子材料所构成；

至少一个流道反应区，设于该板体基材的表面上；及

至少一波浪型集电板，定义有多个互相独立的流道，整合固定在该流道反应区内；

其中该波浪型流道板可与膜电极组压合后，并使燃料流通该流道经催化反应而产生电流。

8.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该流道反应区是一凹陷区域。

9.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该高分子材料包含有聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚砜、液晶高分子或复合式材料。

10.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型集电板包括一基板。

11.如权利要求10所述的波浪型流道板，其特征是，该基板由不锈钢或者其它能耐燃料电池气液燃料的化学腐蚀的金属材料所构成。

12.如权利要求10所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型集电板另包括一铜膜，镀于该基板的一面上，以降低电阻。

13.如权利要求12所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型集电板另包括一电着漆，覆盖住该铜膜，以避免该铜膜与该燃料接触。

14.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型集电板包括一可拗折的导电耳部，用来使该波浪型集电板与形成在该波浪型流道板表面上的线路电连接。

15.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型集电板是以AB胶或环氧树脂类高分子黏着材料固定在该流道反应区内。

16.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型集电板是以AB胶固定在该流道反应区内。

17.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该波浪型集电板是以卡合固定在该流道反应区内。

18.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该燃料是一甲醇溶液。

19.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该燃料是一液态燃料。

20.如权利要求7所述的波浪型流道板，其特征是，该燃料是一气态燃料。

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