CN102044691A - 具多孔金属板的燃料电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种具多孔金属板的燃料电池结构，其包括：膜电极组；第一多孔金属板；金属板；以及端板。第一多孔金属板及金属板分别设置于膜电极组的气体扩散层的外表面，并以气体流道与气体扩散层相接触，而端板则设置在第一多孔金属板及金属板的外表面，并分别与第一多孔金属板及金属板的冷却水流道接合。由于冷却水在流经冷却水流道时，因压力差的产生会自然地使冷却水自第一多孔金属板的孔隙渗入第一多孔金属板的气体流道中，进而主动加湿气体流道中的燃料以维持燃料电池的反应效率。本发明避免了长时间使用后其孔隙大小受到冷却水的冲刷而变化，并且可以降低燃料电池结构的制造成本，非常适于实用。

Description

具多孔金属板的燃料电池结构

技术领域

本发明涉及一种具多孔金属板的燃料电池结构，特别是涉及一种应用于燃料电池并且可自我加湿的具多孔金属板的燃料电池结构。

背景技术

为了推动绿色能源的想法，近年来燃料电池技术的发展更是受到各国政府与企业重视，无论是学理上的基础研究或者是商品化的应用开发均有长足的进步。例如，燃料电池电动车已成为世界各大汽车公司开发竞争的焦点，微型燃料电池也为未来的3C电子产业注入了新活力。

为了使燃料电池可产生足够的电力，燃料电池需维持一定的反应效率，然而当燃料电池的反应持续进行后，也就是燃料电池中的温度会不断地升高，进而使得燃料电池中的燃料气体的相对湿度随之降低，并逐渐蒸发燃料电池中的膜电极组所含的水分。这种现象轻微时会导致电池堆的电压下降，严重时燃料气体，如氢气，会直接穿透过膜电极组的质子交换膜与空气混合燃烧，并造成部分电池堆的损毁。

为了解决上述问题，已研发出在燃料气体流入电池堆之前，先使燃料气体先通过加湿装置，以提高燃料气体的湿度。燃料气体的加湿方式目前一般采用外加湿法和内加湿法。外加湿技术是指燃料气体在进入燃料电池系统前先通过外部附加的加湿装置进行加湿。但是由于额外增设的加湿装置不但设计很复杂，会造成燃料电池的制造成本增加，而且加湿装置本身也很耗电，因此也会降低燃料电池的发电效益。

为此，又有人借由将燃料电池中的双极板以多孔石墨板来取代，试图利用燃料电池中气体流道与冷却水流道间自然的压力差，以迫使冷却水由冷却水流道穿过多孔石墨板上的孔隙，进而流入气体流道中，用以加湿燃料气体及质子交换膜。但是由于多孔石墨板本身不具亲水性，因此在使用前需进行亲水处理，因此也造成了多孔石墨板的制造成本较高。另外，多孔石墨板的质地较脆延展性又差，因此不易加工，所以当需使用薄形化的多孔石墨板时，在加工时容易破裂，进而造成加工成本上的负担。

再者，由于多孔石墨板是以石墨粉或石墨颗粒烧结而成，所以在长时间使用后，冷却水容易将多孔石墨板孔隙边缘的石墨粉或石墨颗粒冲刷下来，并使得多孔石墨板的孔隙逐渐增大，也使得冷却水中含有石墨粉或石墨颗粒，因此含有石墨粉或石墨颗粒的冷却水流入气体流道后易堵塞气体流道。另外，使用多孔石墨板时，为了确保水的品质，冷却水部份需要加装过滤器和去离子器，然而上述装置本身也很耗电，因此也会降低燃料电池的发电效益。

由此可见，上述现有的燃料电池在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型的具多孔金属板的燃料电池结构，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的燃料电池存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型的具多孔金属板的燃料电池结构，能够改进一般现有的燃料电池，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的燃料电池存在的缺陷，而提供一种新型的具多孔金属板的燃料电池结构，所要解决的技术问题是使其避免长时间使用后其孔隙大小受到冷却水的冲刷而变化，并且可以降低燃料电池结构的制造成本，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种具多孔金属板的燃料电池结构，其包括：一膜电极组，其具有：一质子交换膜；一对触媒层，其分别设置于该质子交换膜的两外表面；以及一对气体扩散层，其分别设置于该对触媒层的两外表面；一第一多孔金属板，其设置于该对气体扩散层的一第一外表面，又该第一多孔金属板具有至少一第一冷却水流道及至少一第一气体流道，并且该第一气体流道与一该气体扩散层相接触；一金属板，其设置于该对气体扩散层的一第二外表面，又该金属板具有至少一第二冷却水流道及至少一第二气体流道，并且该第二气体流道与另一该气体扩散层相接触；以及一对端板，其分别设置于该第一多孔金属板的一第三外表面及该金属板的一第四外表面。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的燃料电池结构，其中所述的第一多孔金属板具有复数个孔隙，并且每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

前述的燃料电池结构，其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

前述的燃料电池结构，其中所述的金属板为一致密金属板或一第二多孔金属板。

前述的燃料电池结构，其中所述的第二多孔金属板具有复数个孔隙，并且每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

前述的燃料电池结构，其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

前述的燃料电池结构，其中所述的气体扩散层分别为一阴极气体扩散层及一阳极气体扩散层，并且该第一多孔金属板设置于该阳极气体扩散层的该第一外表面，又该金属板设置于该阴极气体扩散层的该第二外表面。

前述的燃料电池结构，其中所述的金属板为一第二多孔金属板，且该第二多孔金属板具有复数个孔隙，又每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

前述的燃料电池结构，其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种多孔金属板结构，其应用于一燃料电池中，该多孔金属板结构包括一金属板体，并且在该金属板体的一表面上形成有至少一气体流道，而在该金属板体的另一表面上形成有至少一冷却水流道。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的多孔金属板结构，其中所述的金属板体具有复数个孔隙，并且每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

前述的多孔金属板结构，其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种具多孔金属板的燃料电池结构，其借由使用多孔金属板作为双极板，以利用多孔金属板本身的刚性特性，避免长时间使用后其孔隙大小受到冷却水的冲刷而变化。

本发明为一种具多孔金属板的燃料电池结构，因为多孔金属板的延展性佳、容易加工，因此可轻易制作厚度较薄的多孔金属板。

本发明为一种具多孔金属板的燃料电池结构，因为多孔金属板的材料成本及制作成本较低，所以可降低燃料电池结构的制造成本。

本发明为一种具多孔金属板的燃料电池结构，由于多孔金属板本身已具亲水性，因此可以省去预先进行亲水性处理的步骤及成本。

为达上述功效，本发明提供一种具多孔金属板的燃料电池结构，其包括：一膜电极组，其具有：一质子交换膜；一对触媒层，其分别设置于质子交换膜的两外表面；以及一对气体扩散层，其分别设置于触媒层的两外表面；一第一多孔金属板，其设置于气体扩散层的一第一外表面，又第一多孔金属板具有至少一第一冷却水流道及至少一第一气体流道，并且第一气体流道与一气体扩散层相接触；一金属板，其设置于气体扩散层的一第二外表面，又金属板具有至少一第二冷却水流道及至少一第二气体流道，并且第二气体流道与另一气体扩散层相接触；以及一对端板，其分别设置于第一多孔金属板的一第三外表面及金属板的一第四外表面。

借由上述技术方案，本发明具多孔金属板的燃料电池结构至少具有下列优点及有益效果：

一、利用多孔金属板本身的刚性特性，避免长时间使用后其孔隙大小受到冷却水的冲刷而变化。

二、由于多孔金属板具有较佳的延展性，因此容易加工并可轻易制作厚度较薄的多孔金属板。

三、因为多孔金属板的材料成本及制作成本较低，所以可用以降低燃料电池结构的制造成本。

四、由于多孔金属板具有较佳的亲水性，因此可以无须再进行亲水性处理，所以可节省亲水性处理的步骤及成本。

为了使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及图式，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点，因此将在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点。

综上所述，本发明是有关于一种具多孔金属板的燃料电池结构，其包括：膜电极组；第一多孔金属板；金属板；以及端板。第一多孔金属板及金属板分别设置于膜电极组的气体扩散层的外表面，并以气体流道与气体扩散层相接触，而端板则设置在第一多孔金属板及金属板的外表面，并分别与第一多孔金属板及金属板的冷却水流道接合。由于冷却水在流经冷却水流道时，因压力差的产生会自然地使冷却水自第一多孔金属板的孔隙渗入第一多孔金属板的气体流道中，进而主动加湿气体流道中的燃料以维持燃料电池的反应效率。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一种具多孔金属板的燃料电池堆的分解实施例图。

图2A为本发明的一种具多孔金属板的燃料电池结构的部份分解实施例图。

图2B为图2A的结合实施例图。

图3A为本发明的一种多孔金属板的气体流道的实施例示意图。

图3B为本发明的一种多孔金属板的冷却水流道的实施例示意图。

图4A为本发明的一种多孔金属板的立体实施例示意图。

图4B为本发明的一种多孔金属板的局部立体剖面实施例示意图。

100：燃料电池堆

10：具多孔金属板的燃料电池结构

20：膜电极组

21：质子交换膜

22、23：触媒层

24：阳极气体扩散层

241：第一外表面

25：阴极气体扩散层

251：第二外表面

30：第一多孔金属板

31：第一冷却水流道

32：第一气体流道

33：第三外表面

34、44：孔隙

341、441：抗氧化层

40：金属板

40’：第二多孔金属板

41：第二冷却水流道

42：第二气体流道

43：第四外表面

50：端板

60：金属板体

61、62：表面

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具多孔金属板的燃料电池结构其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。为了方便说明，在以下的实施例中，相同的元件以相同的编号表示。

图1为本发明的一种具多孔金属板的燃料电池堆100的分解实施例图。图2A为本发明的一种具多孔金属板的燃料电池结构10的部份分解实施例图。图2B为图2A的结合实施例图。图3A为本发明的一种多孔金属板的气体流道的实施例示意图。图3B为本发明的一种多孔金属板的冷却水流道的实施例示意图。图4A为本发明的一种多孔金属板的立体实施例示意图。图4B为本发明的一种多孔金属板的局部立体剖面实施例示意图。

如图1所示，其为一种具多孔金属板的燃料电池堆100，燃料电池堆100由多个燃料电池单体堆迭而成。然而为了便于说明，便将燃料电池堆100简化为仅包括单一燃料电池单体的具多孔金属板的燃料电池结构10。如图2A及图2B所示，燃料电池结构10包括：一膜电极组20；一第一多孔金属板30；一金属板40；以及一对端板50。如图1所示，实际在实施时，可在一对端板50之间依序设置第一多孔金属板30、膜电极组20、金属板40、膜电极组20、第一多孔金属板30...，也就是说相邻两膜电极组20可共用同一金属板40及同一第一多孔金属板30。

如图2A及图2B所示，膜电极组20，其具有：一质子交换膜21；一对触媒层22、23；以及一对气体扩散层24、25，而气体扩散层24、25可分为阳极气体扩散层24及阴极气体扩散层25。其中质子交换膜21主要用以提供氢离子(H⁺)由阳极气体扩散层24移动至阴极气体扩散层25的通道，而触媒层22、23则分别设置于质子交换膜21的两外表面，并且阳极气体扩散层24及阴极气体扩散层25亦分别设置于两触媒层22、23的两外表面。

更详细的说明，燃料(氢气)及氧化剂(氧气或空气)进入燃料电池结构10后，氢气可穿过阳极气体扩散层24并到达阳极侧的触媒层22后，氢气可分解出带正电的氢离子(H⁺)与带负电的电子(e^-)，其中氢离子可穿过质子交换膜21传递到阴极侧的触媒层23，而电子则从阳极的内部传导到外部后，沿着外电路形成电流流动，以产生电能。而氧气则与由阳极侧分解出的氢离子与电子在阴极侧的触媒层23产生电化学反应，并生成热及水。

第一多孔金属板30，其具有至少一第一冷却水流道31及至少一第一气体流道32，其中第一多孔金属板30设置于一气体扩散层24的一第一外表面241，并且使第一气体流道32与上述气体扩散层24相接触。第一气体流道32可作为燃料或氧化剂流通的路径，以使得燃料或氧化剂可直接与气体扩散层24相接触，而由于燃料电池结构10在电化学反应后会产生热，因此第一冷却水流道31则可提供给冷却水流通，进而利用冷却水将热带离燃料电池结构10。

如图2A及图2B所示，金属板40，其设置于另一气体扩散层25的一第二外表面251，而金属板40具有至少一第二冷却水流道41及至少一第二气体流道42，并且第二气体流道42与上述气体扩散层25相接触，其中第二气体流道42也可作为燃料或氧化剂流通的路径，以使得燃料或氧化剂可直接与气体扩散层25相接触，同样地第二冷却水流道41可提供给冷却水流通，进而使冷却水可将热带离燃料电池结构10。

如图3A所示，第一多孔金属板30的第一气体流道32可以是弯折设置在第一多孔金属板30上，以使得流经第一气体流道32的燃料或是氧化剂可平均地进入气体扩散层24中。又如图3B所示，第一冷却水流道31也可以是弯折地设置在第一多孔金属板30上，并且与第一气体流道32分设于第一多孔金属板30的两表面上。更佳的是，如图4A所示，第一气体流道32与第一冷却水流道31的流道走向可以是相互垂直的。惟，上述所述的第一气体流道32及第一冷却水流道31的外型并不仅限于上述的实施方式。而金属板40的第二冷却水流道41及第二气体流道42的设置，也同样类似于第一多孔金属板30的第一冷却水流道31及第一气体流道32的设置方式。

如图2A所示，端板50，其分别设置于第一多孔金属板30的一第三外表面33及金属板40的一第四外表面43，以将第一多孔金属板30、膜电极组20及金属板40夹设在两端板50之间。如图2B所示，端板50又与第一多孔金属板30的第一冷却水流道31及金属板40的第二冷却水流道41相接触，进而分别封闭第一冷却水流道31及第二冷却水流道41。

如图2A及图2B所示，第一多孔金属板30及金属板40分别设置于膜电极组20的两气体扩散层24、25的第一外表面241及第二外表面251，其中金属板40可以为一致密金属板，而第一多孔金属板30中则具有复数个孔隙34(如图4A及图4B所示)。如图2A及图2B所示，第一多孔金属板30可设置于气体扩散层24、25中的阳极气体扩散层24的第一外表面241，金属板40则可设置于气体扩散层24、25中的阴极气体扩散层25的第二外表面251，因此第一气体流道32可用以提供给燃料流通，第二气体流道42则可用以提供给氧化剂流通。

又因为燃料电池结构10中第一气体流道32中的压力较第一冷却水流道31的压力低，而第一多孔金属板30又具有复数个孔隙34，因此借由压力差的缘故，流经第一冷却水流道31的冷却水可借由毛细作用由孔隙34渗入第一气体流道32中，进而加湿燃料。因此在燃料电池结构10尚未进行电化学作用时，冷却水即可渗入第一气体流道32中，用以加湿燃料并进而使质子交换膜21湿润。

更佳的是，为了避免第一多孔金属板30的孔隙34受到冷却水长时间冲刷而氧化，所以在每一孔隙34的表面上可形成一抗氧化层341(如图4A及图4B所示)，以避免孔隙34受到腐蚀或是锈化，其中抗氧化层341的材质可以是一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

由于在阳极侧可设置第一多孔金属板30，以使得冷却水可根据毛细作用由第一冷却水流道31透过孔隙34流入第一气体流道32中，所以冷却水不但可加湿燃料，更可使质子交换膜21湿润，进而维持燃料电池结构10的反应效率，而多余的冷却水则可随着第二气体流道42中的氧化剂的流动一并带离燃料电池结构10。

更佳的是，金属板40也可以是一第二多孔金属板40’，并且第二多孔金属板40’的结构亦与第一多孔金属板30相同，也同样具有复数个孔隙44，并且在孔隙44的表面也具有一抗氧化层441，而抗氧化层441的材质也可以是一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

如图2B所示，因此当在膜电极组20中的冷却水过多时，冷却水同样也受到压力差的影响，可由膜电极组20中的阴极侧流入第二气体流道42，并可借由毛细作用渗入第二多孔金属板40’的孔隙44，自第二气体流道42流入第二冷却水流道41中，进而由第二冷却水流道41排离燃料电池结构10。所以，当燃料电池结构10的双极板分别是第一多孔金属板30及第二多孔金属板40’时，燃料电池结构10不但具有自我加湿的功能，更具有排水的功能，因此也可借由控制燃料电池结构10中的压力差，调整冷却水的分布。

如图4A所示，上述第一多孔金属板30及第二多孔金属板40’皆为一种多孔金属板结构，而多孔金属板结构包括一金属板体60，在金属板体60的其中一表面61上形成有至少一气体流道(第一气体流道32或是第二气体流道42)，用以提供燃料或是氧化剂流通，而在金属板体60的另一表面62上则形成有至少一冷却水流道(第一冷却水流道31或是第二冷却水流道41)，用以提供给冷却水流通。

如图4B所示，多孔金属板的金属板体60具有复数个孔隙34、44，并且每一孔隙34、44的表面上皆具有一抗氧化层341、441，以避免孔隙34、44受到腐蚀或是锈化而影响到多孔金属板传导冷却水的功效。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种具多孔金属板的燃料电池结构，其特征在于其包括：

一膜电极组，其具有：一质子交换膜；一对触媒层，其分别设置于该质子交换膜的两外表面；以及一对气体扩散层，其分别设置于该对触媒层的两外表面；

一第一多孔金属板，其设置于该对气体扩散层的一第一外表面，又该第一多孔金属板具有至少一第一冷却水流道及至少一第一气体流道，并且该第一气体流道与一该气体扩散层相接触；

一金属板，其设置于该对气体扩散层的一第二外表面，又该金属板具有至少一第二冷却水流道及至少一第二气体流道，并且该第二气体流道与另一该气体扩散层相接触；以及

一对端板，其分别设置于该第一多孔金属板的一第三外表面及该金属板的一第四外表面。

2.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的第一多孔金属板具有多个孔隙，并且每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

3.根据权利要求2所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

4.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的金属板为一致密金属板或一第二多孔金属板。

5.根据权利要求4所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的第二多孔金属板具有多个孔隙，并且每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

6.根据权利要求5所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

7.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的气体扩散层分别为一阴极气体扩散层及一阳极气体扩散层，并且该第一多孔金属板设置于该阳极气体扩散层的该第一外表面，又该金属板设置于该阴极气体扩散层的该第二外表面。

8.根据权利要求7所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的金属板为一第二多孔金属板，且该第二多孔金属板具有多个孔隙，又每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

9.根据权利要求8所述的燃料电池结构，其特征在于其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

10.一种多孔金属板结构，其应用于一燃料电池中，其特征在于该多孔金属板结构包括一金属板体，并且在该金属板体的一表面上形成有至少一气体流道，而在该金属板体的另一表面上形成有至少一冷却水流道。

11.根据权利要求10所述的多孔金属板结构，其特征在于其中所述的金属板体具有多个孔隙，并且每一该孔隙的表面上具有一抗氧化层。

12.根据权利要求11所述的多孔金属板结构，其特征在于其中所述的抗氧化层的材质为一高分子材质或是经过表面黑化处理的一抗氧化金属层。

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