CN101740791B - 具有壳体通道件的燃料电池流场板 - Google Patents

Abstract

一种具有壳体通道件的燃料电池流场板，包含一流场板以及一壳体通道件；该流场板的一面为接受反应流体的流场面，另一面则为不反应面；该流场板设有一第一歧道、一第二歧道且于流场面上设有至少一流道，该流道以一第一流道口与该第一歧道相连接且以一第二流道口与该第二歧道相连接；该壳体通道件具有平行的第一面与第二面，该第一面与第二面之间由一连接面连接，该连接面上设有至少一通孔，使得当该壳体通道件与该流场板结合时，第一面与流场面相接触、第二面与不反应面相接触，且第一歧道由通孔与第一流道口相连通。

Description

具有壳体通道件的燃料电池流场板

技术领域

本发明涉及一种燃料电池流场板，尤其是涉及一种具有壳体通道件的燃料电池流场板。

背景技术

质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料电池(Fuel Cell)另称高分子薄膜燃料电池，最基本的构造为单一燃料电池，如图1所示。燃料电池10的组成包括一膜电极组(membrane electrode assembly，MEA)110、两气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)105及107，以及两流场板(fluid flow plat)101及102；气体扩散层105及107被夹持于流场板101及102之间，而膜电极组110则被夹持于气体扩散层105及107之间。流场板101及102内有各自独立的流道(flow channel)103及104以进行分布与传输燃料电池所需的反应流体(reactant fluid)及反应后的残余流体；在阳极侧(anode side)分布与传输的流体为氢气(hydrogen)或增湿的氢气(humid hydrogen)，另一侧为阴极侧(cathodeside)所分布与传输的流体为增湿的氧气(humid oxygen)或增湿的空气(humid air)及反应后的残余流体及产生的水(water)。

膜电极组110亦分为阳极侧与阴极侧，阳极侧为氧化反应，阴极侧为还原反应，当阳极侧的氢气接触到与质子交换膜相邻的触媒106(或108，一般为铂或铂合金)时，氢气分子会解离成为氢离子及电子，其中电子会经由衔接阳极与阴极的电桥，经与电桥串接的负载，自阳极游往阴极，氢离子则直接自阳极穿越质子交换膜109到达阴极，特别强调的是此质子交换膜109为含湿性的薄膜，具有仅容许氢离子伴随水分子穿越而其它气体分子均无法穿越的特性，于阴极端在触媒108(或106)的作用下，经由电桥到达的电子与氧结合成氧离子，并随即与穿越质子交换膜109的氢离子合成形成水分子，此即为通称的电化学(electrochemical)的氧化与还原反应过程。

应用如此的电化学反应(electrochemical reactions)过程使得质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统具有效率高、无污染、反应快，并可经由串联堆栈成电池组/堆(stack)，以提高燃料电池的电压或增加电极反应面积提高电流量，如图2的侧视图。当燃料电池在源源不断的反应流体的供给下，它可以源源不断的电力产出供给负载的需求，在这样的特点下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以是小型系统电力的来源，也可以设计成为大型电厂、分布式电力及可移动电力。

于图2中，燃料电池组20包含互相堆栈的燃料电池10与两侧的端板(endplate)201及202，两侧的集电板(current collector)205及206，与多组的紧固件(fastener)203及204等。

流场板(fluid flow plate)依据不同设计会有着不同的构型，通常阳极侧与阴极侧流场板会相似或相同。图3为图2的剖面图，其显示单一片流场板；流场板30的两面分别为：接受反应流体的流场面(fluid flow face)305，以及一不反应面(non-active surface)308，该流场板30设有一接受来自源头的流体210的入口歧道(inlet manifold)301，及至少有一接收反应后的流体211排出的出口歧道(outlet manifold)302；流场面305上设有至少一条分布与传输流体的流道(flow channel)306，流道会包含有一入口(entry)304，及一出口(export)307，以及至少有一可密闭燃料电池的密封组件沟槽(groove of sealing member)303，形成一完整的流场板构型。

对于燃料电池组而言，反应的流体210通过入口歧道301后，可顺畅均匀的进入每一单燃料电池10流场板30的传输分布的流道306内进行电化学反应，亦可以使反应后流体211可以顺畅排出至出口歧道302，此在燃料电池的性能稳定及整体可靠度是极为重要的关键；此外，密闭性是燃料电池功能正常的另一关键，当无正常密封时，阴极侧与阳极侧的反应流体会发生泄漏(leakage)或互窜(crossover)，将造成燃料电池组严重的损坏。燃料电池最不易支撑组件与密封的位置为流道306的入口304及出口307，当电池组20堆栈的组装应力(assembly stress)传递在每一组件上，临近入口歧道301及出口歧道302的侧边由于没有任何支撑，皆易造成膜电极组110与气体扩散层105及107彼此分离，使燃料电池无正常密闭反应的流体互窜，或膜电极组110与气体扩散层105及107塌陷进入流道的入口304及出口307，使流体进入/排出流场板30不顺畅或受阻。因此，如何使流体可以顺畅进入/排出燃料电池不受阻碍，且能同时保有燃料电池的密闭性，为一重要课题。

美国专利第6017648号揭露一种嵌入式流场通道及方法的设计，其将一跨桥片使用于至少有一传输及分布流体流道的燃料电池流场板的流场开放面上，跨桥片有一个面上至少有一可使流体流过的流道，该案同时提供了各种安装跨桥片的方法。

美国专利第6410179号则揭露了一种有跨桥片的流场板设计，该案的跨桥片使用于至少有一传输及分布流体流道的燃料电池流场板的流场开放面上，跨桥片的一面供密封组件的沟槽之用，另一个开放面上则设有至少有一可使流体流过的流道。

上述两现有技术是以跨桥片的方式实施，在实用上有组件放置对位不易及组装过程跑位或掉落的问题，对于量产制程是一大困扰。

又，美国专利第6500580号揭露一种增进流体供给燃料电池流场板的设计，该案由在流场板另一面的入口流道连接歧道，该等入口流道从歧道沿着流场板的另一面延伸，且由孔洞的下降与入口流道的帮助使流体能输送到流道。

美国专利第6607858号揭露一种改善电化学燃料电池堆反应物歧道与密封的设计，该案流场板(分隔板)的供应与排出孔洞包含了相对于个别孔洞上游中流体流动方向的大于0度至小于90度的壁面。

而前述两现有技术则是以贯穿孔的方式设计，在实用制程上必须有钻孔对位的程序，同时必须流场面及不反应面两侧流道对齐一致方能使流体流动顺畅。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有壳体通道件的燃料电池流场板，包含一流场板以及一壳体通道件；该流场板的一面为接受反应流体的流场面，另一面则为不反应面；该流场板设有一第一歧道、一第二歧道且于流场面上设有至少一流道，该流道以一第一流道口与该第一歧道相连接且以一第二流道口与该第二歧道相连接；该壳体通道件具有平行的第一面与第二面，该第一面与第二面之间由一连接面连接，该连接面上设有至少一通孔，使得当该壳体通道件与该流场板结合时，第一面与流场面相接触、第二面与不反应面相接触，且第一歧道由通孔与第一流道口相连通。

又，本发明还提供一种燃料电池，包含至少一燃料电池单元、夹持该燃料电池单元的两集电板、分别夹持该两集电板的两端板，以及用于固定该等端板的至少一紧固件。该燃料电池单元包含两个具有壳体通道件的燃料电池流场板、一电化学反应层以及一密封组件。该燃料电池流场板包含一流场板以及一壳体通道件；该流场板的一面为接受反应流体的流场面，另一面则为不反应面；该流场板设有一第一歧道、一第二歧道且于流场面上设有至少一流道，该流道以一第一流道口与该第一歧道相连接且以一第二流道口与该第二歧道相连接，该流场板四周环设有用于容置密封组件的一沟槽；该壳体通道件具有平行的第一面与第二面，该第一面与第二面之间由一连接面连接，该连接面上设有至少一通孔，使得当该壳体通道件与该流场板结合时，第一面与流场面相接触、第二面与不反应面相接触，且第一歧道由通孔与第一流道口相连通。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为燃料电池单体的剖面图；

图2为燃料电池组的侧视图；

图3为一般燃料电池流场板的示意图；

图4为本发明使用的壳体通道件的立体图；

图5为本发明使用的壳体通道件与燃料电池流场板结合前的示意图；

图6为本发明使用的壳体通道件与燃料电池流场板结合后的示意图；

图7A为本发明具有壳体通道件的燃料电池流场板的部分剖面图；

图7B为本发明具有壳体通道件的燃料电池流场板的部分剖面图，其显示一变化例；

图7C为本发明具有壳体通道件的燃料电池流场板的部分剖面图，其显示一变化例；

图7D为本发明具有壳体通道件的燃料电池流场板的部分剖面图，其显示一变化例；

图7E为本发明具有壳体通道件的燃料电池流场板的部分剖面图，其显示一变化例；以及

图7F为本发明具有壳体通道件的燃料电池流场板的部分剖面图，其显示一变化例。

其中，附图标记

10-燃料电池

20-燃料电池组

30-流场板

40-壳体通道件

101-流场板

102-流场板

103-流道

104-流道

105-气体扩散层

106-触媒

107-气体扩散层

108-触媒

109-质子交换膜

110-膜电极组

201-端板

202-端板

203-紧固件

204-紧固件

205-集电板

206-集电板

210-流体

211-流体

301-入口歧道

302-出口歧道

303-沟槽

304-入口

305-流场面

306-流道

307-出口

308-不反应面

401-第一面

402-连接面

403-第二面

405-构面

410-流道孔

501-卡槽面

502-沟槽

具体实施方式

图4为本发明所使用的壳体通道件的立体图。图5为本发明壳体通道件与燃料电池流场板结合前的示意图。图6则为本发明壳体通道件与燃料电池流场板的组合图。

本发明的设计为有一安装有壳体通道件40的燃料电池流场板30。如图4所示，该壳体通道件40相似于U字形或7字形，包含：平行的第一面401与第二面403，该第一面401与第二面403之间由一连接面402连接。

该第一面401与流场板30结合时是与流场面305在同一侧上(亦即，第一面401接触流场面305)，以支撑膜电极组与气体扩散层(图中未示出)，该流场板30的四周环设有一沟槽303以容置密封组件，例如O型环(O-Ring，图中未示出)。

第二面403可夹紧、嵌入或扣住流场板30的不反应面308，为配合不反应面308的构型设计，第二面403可为：一平面体、可嵌入流场板30的L形面体，或配合流场板30凸出构形为卡槽形面体，此等变化将于后详述。

连接面402与该第一面401及第二面403之间呈一角度，例如：分别与该第一面401及第二面403垂直；该连接面402上设有贯穿连接面402的至少一流道孔410，以使反应前的流体(图中未示出)由入口歧道301(第一歧道)流经流道孔410后进入流道306的入口304(第一流道口)、或使反应后的流体(图中未示出)由流道306的出口307(第二流道口)流经流道孔410后进入出口歧道302(第二歧道)而排出。

该壳体通道件40可以是各种适合的材料及合适的制作成形技术，例如冲压成型(stamping molding)、压铸成型(die-casting molding)、射出成形(injectionmolding)等，亦可应于各种形式流场板设计。

图5为本发明壳体通道件与燃料电池流场板结合前的爆炸示意图。本发明的流场板30的流道306的入口304(第一流道口)与出口307(第二流道口)与流场面305之间呈一倾斜角度的设计，该入口304(第一流道口)与流场面可为0°～-90°之间的任一倾斜角度，该出口307(第二流道口)与流场面亦可为0°～90°之间的任一倾斜角度。壳体通道件40以夹紧方式与流场板30形成结合；结合时，第一面401的构面405会与流场板30的卡槽面501紧密接触结合，因此第一面401会与流场板30的流场面305形成平整等高的面以支撑膜电极组与气体扩散层(图中未示出)。而连接面402则会与流场板30流道的入口304(或出口307)接触或紧邻结合，流道孔410会与流道306的入口304(或出口307)对齐一致使得流体能顺畅通过。第二面403则会夹持流场板30的不反应面308以紧密接触结合，同时第二面403会与不反应面308形成平整等高的面，因此可与另一燃料电池单体(图中未示出)的不反应面完全紧密贴合，如此形成一完整具有一壳体通道件的燃料电池流场板设计，如图6所示。

当反应流体由入口歧道301(第一歧道)穿过流道孔410进入具倾斜设计的入口304(第一流道口)时，是以顺畅均匀的流场型态进入燃料电池10的流道306并传输分布以进行电化学反应；当反应后的流体由具倾斜设计的出口307(第二流道口)通过流道孔410进入出口歧道302(第二歧道)时，亦是顺畅均匀的流场型态。

图7A至图7F为本发明多种实施例的剖面图。其中图7A为图5的剖面图，其结构于此不再赘述。

图7B则为图7A的一变化例，与图7A的不同处在于：该第二面403为一L形面体，其形状配合流场板30的不反应面308上所设置的沟槽502，因此于图7B中，该第二面403可嵌入流场板30并与其紧密接触结合。

图7C亦为图7A的一变化例，与图7A的不同处在于：流道306的第一流道口(入口)与流场面为平行的设计，该第一面401并不支撑膜电极组110与气体扩散层(图中未示出)而是与膜电极组110与气体扩散层(图中未示出)等高对齐，再由密封组件(图中未示出)进行密封功能；该第二面403为一配合流场板30凸出构形的卡槽形面体，为一配合流场板30不反应面308的凸出构形，因此该第二面403可卡住流场板30而紧密接触结合。

图7D亦为图7A的一变化例，与图7A的不同处在于：连接面402并非与第一面401及第二面403垂直，使得流道孔410延伸于入口歧道301(或出口歧道，图中未示出)的形式。

图7E亦为图7A的一变化例，与图7A的不同处在于：连接面402上设置的流道孔410为两个；亦即，流道孔的数量与排列方式可为多个数组方式。

图7F亦为图7A的一变化例，与图七A的不同处在于：当第一面401增厚并配合入口304(第一流道口)的变形后，流道孔410会成为流道306的延伸设计，故可使流体210传输流经进入燃料电池流场板，同时第一面401是与膜电极组110与气体扩散层(图中未示出)等高对齐而非用于支撑该膜电极组110与气体扩散层。

由上可知，本发明所使用的壳体通道件以夹紧(clip)、嵌入(insert)或扣住(button)的方式结合于流场板的流道的第一流道口(入口)及/或第二流道口(出口)，并使第一流道口(入口)及/或第二流道口(出口)能连通于第一歧道(入口歧道)及/或第二歧道(出口歧道)，以使反应流体能顺畅流通。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，包含：

一流场板，其一面为接受反应流体的流场面，另一面则为不反应面；该流场板设有一第一歧道、一第二歧道且于流场面上设有至少一流道，该流道以一第一流道口与该第一歧道相连接且以一第二流道口与该第二歧道相连接；以及

一壳体通道件，具有平行的第一面与第二面，该第一面与第二面之间由一连接面连接，该连接面上设有至少一通孔，使得当该壳体通道件与该流场板结合时，该连接面分别与该第一面及第二面垂直，第一面与流场面相接触、第二面与不反应面相接触，该第二面与该不反应面以嵌合方式相连接，且第一歧道由通孔与第一流道口相连通。

2.根据权利要求1所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该流场面与一电化学反应层相接触。

3.根据权利要求2所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该电化学反应层包含两个膜电极层以及位于所述两个膜电极层之间的气体扩散层。

4.根据权利要求1所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该流场板四周环设有一沟槽。

5.根据权利要求4所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该沟槽容置有一密封组件。

6.一种具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，包含：

一流场板，其一面为接受反应流体的流场面，另一面则为不反应面；该流场板设有一第一歧道、一第二歧道且于流场面上设有至少一流道，该流道以一第一流道口与该第一歧道相连接且以一第二流道口与该第二歧道相连接；

一第一壳体通道件，该第一壳体通道件具有平行的第一面与第二面，该第一面与第二面之间由一第一连接面连接且该第一连接面分别与该第一面及第二面垂直，该第一连接面上设有至少一第一通孔，使得当该壳体通道件与该流场板结合时，第一面与流场面相接触、第二面与不反应面相接触且该第二面与该不反应面以嵌合方式相连接，且第一歧道由第一通孔与第一流道口相连通；以及

一第二壳体通道件，该第二壳体通道件具有平行的第三面与第四面，该第三面与第四面之间由一第二连接面连接且该第二连接面分别与该第三面及第四面垂直，该第二连接面上设有至少一第二通孔，使得当该第二壳体通道件与该流场板结合时，第三面与流场面相接触、第四面与不反应面相接触且该第四面与该不反应面以嵌合方式相连接，且第二歧道由第二通孔与第二流道口相连通。

7.根据权利要求6所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该流场面与一电化学反应层相接触。

8.根据权利要求7所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该电化学反应层包含两个膜电极层以及位于所述两个膜电极层之间的气体扩散层。

9.根据权利要求6所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该流场板四周环设有一沟槽。

10.根据权利要求9所述的具有壳体通道件的燃料电池流场板，其特征在于，该沟槽容置有一密封组件。

11.一种燃料电池，其特征在于，包含：

至少一燃料电池单元，该燃料电池单元包含：

两个具有壳体通道件的燃料电池流场板，该燃料电池流场板包含：

一流场板，其一面为接受反应流体的流场面，另一面则为不反应面；该流场板设有一第一歧道、一第二歧道且于流场面上设有至少一流道，该流道以一第一流道口与该第一歧道相连接且以一第二流道口与该第二歧道相连接，该流场板四周环设有一沟槽；以及

一壳体通道件，具有平行的第一面与第二面，该第一面与第二面之间由一连接面连接且该连接面分别与该第一面及第二面垂直，该连接面上设有至少一通孔，使得当该壳体通道件与该流场板结合时，第一面与流场面相接触、第二面与不反应面相接触且该第二面与该不反应面以嵌合方式相连接，且第一歧道由通孔与第一流道口相连通；

一电化学反应层，设置于所述具有壳体通道件的燃料电池流场板的流场面之间且分别与所述流场面相接触；以及

一密封组件，容置于所述沟槽中；

两集电板，夹持该燃料电池单元；

两端板，分别夹持该两集电板；以及

至少一紧固件，用于固定所述端板。

12.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，该电化学反应层包含两个膜电极层以及位于所述两个膜电极层之间的气体扩散层。

13.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，。

14.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，。

15.一种燃料电池，其特征在于，包含：

至少一燃料电池单元，该燃料电池单元包含：

两个具有壳体通道件的燃料电池流场板，该燃料电池流场板包含：

一流场板，其一面为接受反应流体的流场面，另一面则为不反应面；该流场板设有一第一歧道、一第二歧道且于流场面上设有至少一流道，该流道以一第一流道口与该第一歧道相连接且以一第二流道口与该第二歧道相连接，该流场板四周环设有一沟槽；

一第一壳体通道件，该第一壳体通道件具有平行的第一面与第二面，该第一面与第二面之间由一第一连接面连接且该第一连接面分别与该第一面及第二面垂直，该第一连接面上设有至少一第一通孔，使得当该壳体通道件与该流场板结合时，第一面与流场面相接触、第二面与不反应面相接触且该第二面与该不反应面以嵌合方式相连接，且第一歧道由第一通孔与第一流道口相连通；以及

一第二壳体通道件，该第二壳体通道件具有平行的第三面与第四面，该第三面与第四面之间由一第二连接面连接且该第二连接面分别与该第三面及第四面垂直，该第二连接面上设有至少一第二通孔，使得当该第二壳体通道件与该流场板结合时，第三面与流场面相接触、第四面与不反应面相接触且该第四面与该不反应面以嵌合方式相连接，且第二歧道由第二通孔与第二流道口相连通；

一电化学反应层，设置于所述具有壳体通道件的燃料电池流场板的流场面之间且分别与所述流场面相接触；以及

一密封组件，容置于所述沟槽中；

两集电板，夹持该燃料电池单元；

两端板，分别夹持该两集电板；以及

至少一紧固件，用于固定所述端板。

16.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，该电化学反应层包含两个膜电极层以及位于所述两个膜电极层之间的气体扩散层。

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