CN102130344B - 燃料电池流场板及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种燃料电池流场板，包括可挠性基板，包括流体分布区，具有至少一流道；歧道开口，贯穿可挠性基板，且与流体分布区相邻；向上延伸部分，自歧道开口与流体分布区的相邻处朝上延伸，其中向上延伸部分与流体分布区夹有弯折角度，且向上延伸部分中具有至少一通孔，其中至少一通孔贯穿可挠性基板而露出歧道开口；以及覆盖延伸部分，与向上延伸部分相连，且覆盖于部分的流体分布区之上。

Description

燃料电池流场板及其形成方法

技术领域

本发明有关于燃料电池，且特别是有关于燃料电池的流场板。

背景技术

由于传统石化能源已渐渐耗尽，且石化能源的利用会对于生态环境造成很大的冲击，因此发展低污染且具高发电效率的能源利用方式，已成为重要的课题。

在各种已发展的新能源利用方式中(例如太阳能电池、生化能源、或燃料电池等)，燃料电池的高发电效率(约55％)与低污染性，使其倍受注目。不同于石化能源的火力发电需经过多段的能量转换，燃料电池可直接将化学能转化为电能，使其效率高出火力发电许多，又其副产物大抵为水，不会对环境造成危害。

在燃料电池的应用中，由于需对燃料电池注入燃料及氧化剂等反应流体，因此这些流体的导引将影响电池的可靠度与效能。一般而言，是采用夹置于薄膜电极组两侧的流场板来导引这些反应流体。然而，对于已知流场板而言，容易因外力而导致流道阻塞或变形等问题，降低燃料电池的稳定性与可靠度。

因此，为了解决上述问题，业界亟需新的流场板结构以提供稳定且可靠的燃料电池。

发明内容

本发明目的在于提供一种燃料电池流场板及其形成方法，利用该流场板结构以提供稳定且可靠的燃料电池。

本发明实施例提供一种燃料电池流场板，包括可挠性基板，包括流体分布区，具有至少一流道；歧道开口，贯穿可挠性基板，且与流体分布区相邻；向上延伸部分，自歧道开口与流体分布区的相邻处朝上延伸，其中向上延伸部分与流体分布区夹有弯折角度，且向上延伸部分中具有至少一通孔，其中至少一通孔贯穿可挠性基板而露出歧道开口；以及覆盖延伸部分，与向上延伸部分相连，且覆盖于部分的流体分布区之上。

本发明一实施例提供一种燃料电池流场板的形成方法，包括提供可挠性基板；在可挠性基板的流体分布区中形成至少一流道；在可挠性基板之中形成歧道开口，歧道开口贯穿可挠性基板且与流体分布区相邻；弯折部分的可挠性基板以形成向上延伸部分及覆盖延伸部分，覆盖延伸部分与向上延伸部分相连且覆盖于部分的流体分布区上，且其中向上延伸部分自歧道开口与流体分布区的相邻处朝上延伸；以及于向上延伸部分中形成至少一通孔，其中至少一通孔贯穿可挠性基板而露出歧道开口。

本发明实施例的燃料电池流场板可透过快速且便宜的制程而形成，且所形成的薄壳通道结构还能有效保护流场板中的通道，有效提高燃料电池的稳定性与可靠度。透过弯折可挠性基板以形成一体成形的薄壳通道结构，除了制程快速之外，还能使通道孔之间自动且准确地对准。且薄壳通道结构由流场板的本体经弯折而形成，不干涉原流道的设计，无需组装，亦无掉落或对位等问题，可以自动化制程形成。燃料电池在堆叠后易于各流道与歧道开口之间发生流体无法顺畅导引或密封等问题可获解决或减轻。

附图说明

图1A显示本案发明人所知的一种燃料电池的剖面图；

图1B显示本案发明人所知的一种燃料电池堆叠的剖面图；

图1C显示本案发明人所知的一种燃料电池之流场板的上视图；

图2显示根据本发明一实施例的燃料电池流场板的上视立体图；

图3显示根据本发明一实施例的燃料电池流场板的上视立体图；

图4显示根据本发明一实施例的燃料电池流场板的上视立体图；

图5A-5C显示根据本发明一实施例的燃料电池流场板的形成方法的一系列制程立体上视图；

图6显示本发明一实施例的燃料电池流场板的形成方法中所用的一模具的剖面示意图。

【主要组件符号说明】

10～燃料电池；

20～电池堆叠；

30、101、102～流场板；

40～通道；

103、104～流道；

103a～开口端；

105、106～气体扩散层；

107、108～触媒电极；

109～质子交换膜；

110～膜电极组；

201、202～端板；

203、240～固定构件；

205、206～集电板；

210、211～流体；

303、304～歧道开口；

308～密封环；

400～可挠性基板；

402～流体分布区；

407～通孔；

408～缝隙；

409、410～弯折线；

420～凸起部分；

422～向上延伸部分；

424～覆盖延伸部分；

600～模具；

602、602a、602b～凸起部；

d～间距；

θ～弯折角度。

具体实施方式

应了解的是以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明的不同方案。以下所述特定的组件及排列方式尽为本发明的简单描述。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关连性。再者，当述及一第一材料层位于一第二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材料层直接接触或间隔有一或更多其它材料层的情形。

在进入本发明实施例的说明之前，以下先配合图1A-1C叙述本案发明人所知的一种燃料电池的结构及其流场板。图1A显示一单一燃料电池10的剖面图，其可为质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)燃料电池，或称高分子薄膜燃料电池。燃料电池10具膜电极组110，其包括夹置于质子交换膜109两侧的触媒电极107及108。触媒电极107及108可分别作为燃料电池10的阳极及阴极，其例如可分别为铂钌触媒电极及铂触媒电极。燃料电池10还包括分别夹置于触媒电极107及108之上的气体扩散层105及106，用以辅助气体扩散至触媒电极以进行反应。例如，燃料(如氢气)可经由气体扩散层105扩散至触媒电极107(阳极)，而氧化剂(如空气或氧气)可经由气体扩散层106扩散至触媒电极108(阴极)。为提供所需气体并使气体均匀分布，气体扩散层105及106的外侧分别夹置有流场板101及102。

为获得所需的电压，可视情况将多个燃料电池10堆叠成燃料电池堆叠(fuel cell stack)。例如，图1B所显示的燃料电池堆叠20。数个燃料电池10经堆叠而串联在一起，并以固定构件203、240及端板201及202固定。数个燃料电池10的两端设置有集电板(current collectors)205及206以收集电流。反应流体210进入燃料电池堆叠20后，可经由流场板的通道(passway)40进入各个燃料电池中以参与反应，且反应后的流体211亦可经由另一通道40流出。

通常，流场板101及102的结构相同或相似。图1C显示流场板101的上视图，其显示流场板101的反应面，其是面向膜电极组110。如图1C所示，流场板101包括供反应的流体210流通的入口歧道开口(manifold)303及接收反应后的流体211的出口歧道开口304。流体可经由与歧道开口相连的通道40而流进或流出。通道40进一步与数个流道103相连，这些流道103有助于使流体均匀分布于流场板101的反应面上。流场板101上设置有密封环308，将歧道开口303、304与流道103围绕于其中。

对于燃料电池而言，使流体能顺畅地由入口歧道开口303进入每个流道103，并使反应后的流体顺畅地排至出口歧道开口304为使燃料电池性能稳定的重要关键。此外，密闭性对燃料电池而言也是另一重要关键。若无法正常密封，阴极侧与阳极侧的流体可能发生泄露(leakage)或互窜(crossover)，将使燃料电池严重损坏。

然而，流道103与歧道开口处的通道40之间的位置为燃料电池不易支撑与密封之处。当电池堆叠20堆叠的组装应力(assembly stress)传递在每一组件上，邻近入口歧道开口303及出口歧道开口304的侧边没有任何支撑，易造成膜电极组110与气体扩散层105及106彼此分离，使燃料电池无正常密闭反应的流体户窜，或使膜电极组110与气体扩散层105及106塌陷进入流道103的入口或出口，使流体进入(或排出)每单一燃料电池10流场板30不顺畅或受阻塞。此外，燃料电池在进行组装堆叠时，造成流道入口与歧道开口303(或304)边缘，易造成弯曲而使气密不足与互窜的情况发生。

因此，为了避免燃料电池于堆叠后易于各流道与歧道开口之间发生流体无法顺畅导引或密封等问题，本发明实施例提供一种新颖的流体板，其于各个流道与出入口歧道开口之间具有特殊设计，可有效抵抗燃料电池堆叠时所造成的应力，有效提升燃料电池的稳定性与可靠度。

图2显示根据本发明一实施例的燃料电池流场板30的上视立体图，其中相同或相似的组件将采用相同或相似的标号标示。在一实施例中，流场板30包括可挠性基板400，其可例如为(但不限于)可挠性金属板或可挠性高分子。例如，可挠性基板400可包括具延展性及可挠性金属薄板，其材质可包括铜、铝、金、前述之合金、或前述的组合。此外，可挠性基板400除了可为单层可挠性基板外，在其它实施例中，可挠性基板400可包括多层可挠性基板的叠层。

可挠性基板400包括流体分布区402及与之相邻的歧道开口303。歧道开口303贯穿可挠性基板400，作为使燃料电池的反应流体流入或流出燃料电池的通道。流体分布区402中具有至少一流道103，用以使反应流体均匀分布于膜电极组之上。在图2的实施例中，流体分布区402中具有多个流道103，这些流道103位于流体分布区402中的多个凸起部分420之间的多个凹下处。即，凸起部分的侧壁为这些流道103的流道侧壁。应注意的是，图2所示的流道103的形状及分布仅为举例说明用，其形式不限于图2所绘的方式，可视情况与需求而作调整。此外，本发明实施例的流道流道103可适用于气体流体与液体流体。因此，本发明实施例亦可适用于直接氧化物燃料电池，例如是直接甲醇燃料电池。

如图2所示，可挠性基板400还包括向上延伸部分422。向上延伸部分422系自歧道开口303与流体分布区402的相邻处朝上延伸。向上延伸部分422与流体分布区402之间夹有弯折角度θ。在一实施例中，向上延伸部分422与流体分布区402之间所夹的弯折角度θ约为90度。然而，本发明实施例的实施方式不限于此。在其它实施例中，弯折角度θ可例如为约30度、45度、60度、75度等。在另一实施例中，弯折角度θ大于90度。

如图2所示，可挠性基板400还包括覆盖延伸部分424，其与向上延伸部分422相连，且覆盖于部分的流体分布区402之上。在此实施例中，覆盖延伸部分424覆盖部分的流道103。这些流道103的开口端103a可受到其上的覆盖延伸部分424的保护，可避免流道103的开口端103a受应力而变形，确保反应流体的流动得以顺畅。在一实施例中，覆盖延伸部分424是与流道103旁的凸起部分420直接接触。

如图2所示，向上延伸部分422中还具有至少一通孔407，其贯穿可挠性基板400而露出歧道开口303。即，贯穿向上延伸部分422的通孔407连通一侧的歧道开口303与另一侧的流道103的开口端103a。因此，反应流体得以经由歧道开口303、通孔407、及流道103的开口端103a而分布于流体分布区402上以参与电化学反应。相似地，反应后的流体亦可透过这些通道而导出。

在图2所示的实施例中，向上延伸部分422中是具有多个通孔407，且流道103的开口端103a与通孔407的开口端之间隔有一间距d。此外，每一流道103的开口端103a可选择性地皆分别对准于其中一通孔407。然而，本发明实施例的实施方式不限于此。在其它实施例中，流道103的开口端103a与通孔407的开口端可完全密合而无间距。在此情形下，向上延伸部分422是与流道103的开口端103a附近的凸起部分直接接触。图3显示一实施例的燃料电池流场板的上视立体图，其中流道103的开口端103a与通孔407的开口端是彼此对准且密合。此外，通孔407亦不限于如图2所示需具有多个。例如，在图4所示的实施例中，可仅于向上延伸部分422中形成单一通孔407。再者，通孔407的开口端的形状亦可视情况而有各种变化。例如，通孔407的开口端的形状可为方形、长方形、圆形、椭圆形、或其它适合形状等等。

如图2所示，流场板30还可包括密封环308，其设置于可挠性基板400上，且围绕流体分布区402及歧道开口303。密封环308是作为流场板30与膜电极组或气体扩散层之间的密封组件。在一实施例中，密封环308是设置在围绕着流体分布区402及歧道开口303的沟道(未显示)中。在一实施例中，密封环308的上表面与覆盖延伸部分424的上表面大抵共平面。

向上延伸部分422、覆盖延伸部分424、及通孔407共同形成了入(或出)口歧道开口与流道之间的薄壳通道结构。在此实施例中，薄壳通道结构的向上延伸部分422与覆盖延伸部分424可于通道处(歧道开口与流道之间)提供稳固的保护与支撑，可避免燃料电池堆叠时的应力破坏流场板30上的结构或造成燃料电池的构件间发生剥离(例如，膜电极组、气体扩散层、及流场板之间彼此分离)，有效提升燃料电池的稳定性与可靠度。

在一实施例中，向上延伸部分422及覆盖延伸部分424是经由弯折部分的可挠性基板400而形成。在此情形下，向上延伸部分422、覆盖延伸部分424、及流体分布区402同属于可挠性基板400的一部分，其是一体成型。因此，在一实施例中，向上延伸部分422、覆盖延伸部分424、及流体分布区402的材质彼此相同。关于利用弯折部分的可挠性基板400以形成由向上延伸部分422、覆盖延伸部分424、及通孔407所组成的薄壳通道结构的制作过程将配合图5A-5C作说明。然应注意的是，以下说明仅为本发明一实施例的燃料电池流场板的形成方式之一，本发明实施例的燃料电池流场板不限于需以下述的方法制作。

图5A-5C显示根据本发明一实施例的燃料电池流场板的形成方法的一系列制程立体上视图，其中相同或相似的组件将以相同或相似的标号标示。

如图5A所示，首先提供可挠性基板400。接着，在可挠性基板400的流体分布区402中形成至少一流道103，且在可挠性基板400之中形成歧道开口303(见图5B)。歧道开口303贯穿可挠性基板400且与流体分布区402相邻。在一实施例中，可预先于可挠性基板400中沿着预定形成歧道开口303的范围的部分边缘形成贯穿可挠性基板400的缝隙408，或称之为切断线。

接着，如图5B所示，弯折部分的可挠性基板400以形成向上延伸部分422及覆盖延伸部分424(见图5C)。覆盖延伸部分424与向上延伸部分422相连且覆盖于部分的流体分布区402上。其中，向上延伸部分422自歧道开口303与流体分布区402的相邻处朝上延伸，且与流体分布区402夹有弯折角度θ。所弯折的部分由缝隙408及预定的弯折线所包围。例如，预定弯折线可包括两大抵彼此平行的弯折线410及409。在图5A中，弯折线410及409之间的可挠性基板400在弯折步骤之后(由图5B至图5C的过程)将成为向上延伸部分422。而在图5A中，弯折线410与缝隙408(或切断线)所围绕的可挠性基板400在弯折步骤之后，将成为覆盖延伸部分424。

在一实施例中，弯折线410与缝隙408(或切断线)所围绕的可挠性基板400在弯折步骤之后，将在可挠性基板400中留下一贯穿可挠性基板400的开口，即可用作歧道开口303。在此情形中，歧道开口303的形成步骤包括沿着歧道开口303的预定范围的部分边缘形成贯穿可挠性基板400的缝隙408，以及将缝隙408与预定的弯折线410所包围的可挠性基板400以弯折线410为轴心向上弯曲。此时，可挠性基板400中所余留下的开口即为歧道开口303。

接着，可以大抵与弯折线410平行的预定的弯折线409为轴心再次以朝向流体分布区402的方向弯折可挠性基板400，便可分别形成出向上延伸部分422及覆盖延伸部分424。

此外，可于向上延伸部分422中形成至少一通孔407，其贯穿可挠性基板400而露出歧道开口303。在一实施例中，通孔407是在弯折部分的可挠性基板400以形成向上延伸部分422及覆盖延伸部分424的步骤之前进行。可先于预定的弯折线409与410之间的可挠性基板400中预先形成通孔407。透过设计预先形成的通孔407的布局，在可挠性基板400弯折之后，通孔407可对准至预定的位置。此外，为使可挠性基板400的弯折更为顺利，可选择性地于预定的弯折线409与410之处形成可弯折痕迹，其例如可为数个点状凹陷或一整条的凹陷。此外，还可于可挠性基板400之上形成围绕流体分布区402及歧道开口303的密封环。例如，可先行于可挠性基板400上形成供密封环放置的凹槽。

上述制程的各种构件或结构，可透过沉积、涂布、蚀刻、或切割等制程达成。然在一较佳实施例中，较佳利用可挠性基板400的延展性，配合以预先形成之模具，可一次形成多的所需构件，可大幅减少制程时间与成本。

例如，可将可挠性基板400压合于一模具600上，其具有多个凸起部602，如图6所示。在压合步骤之后，模具上的部分凸起部602a可使可挠性基板400顺应凸起而变形，可于可挠性基板400上形成出凸起结构或下凹结构，例如是流道103旁的凸起结构或用作可弯折痕迹与密封环凹槽的下凹结构。此外，模具上还可包括较尖锐的凸起部602b，可刺穿可挠性基板400而形成所需的贯穿孔洞，例如是通孔407与缝隙408。在此情形中，流场板30的流道103、歧道开口303、通孔407、可弯折痕迹、密封环凹槽的下凹结构是同时形成。应注意的是，图6所示的模具600仅为举例说明用，其中的凸起部602中的凸起部602a与较尖锐的凸起部602b的相对位置与分布并未对应至前述的实施例。此技艺人士当可视需求而调整各个凸起部602的位置、分布、与形状，经压合步骤之后，便可形成所需的可挠性基板。

本发明实施例的燃料电池流场板可透过快速且便宜的制程而形成，且所形成之薄壳通道结构还能有效保护流场板中的通道，有效提高燃料电池的稳定性与可靠度。透过弯折可挠性基板以形成一体成形的薄壳通道结构，除了制程快速之外，还能使通道孔之间自动且准确地对准。且薄壳通道结构是由流场板的本体经弯折而形成，不干涉原流道的设计，无需组装，亦无掉落或对位等问题，可以自动化制程形成。燃料电池于堆叠后易于各流道与歧道开口之间发生流体无法顺畅导引或密封等问题可获解决或减轻。

虽然本发明已以数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种燃料电池流场板，其特征在于，包括：

一可挠性基板，包括：

一流体分布区，具有至少一流道，该至少一流道位于该流体分布区中的多个凸起部分之间的凹下处；

一歧道开口，贯穿该可挠性基板，且与该流体分布区相邻；

一向上延伸部分，自该歧道开口与该流体分布区的相邻处朝上延伸，其中该向上延伸部分与该流体分布区夹有一弯折角度，且该向上延伸部分中具有至少一通孔，其中该至少一通孔贯穿该可挠性基板而露出该歧道开口；以及

一覆盖延伸部分，与该向上延伸部分相连，且覆盖于部分的该流体分布区之上，该覆盖延伸部分覆盖部分的该至少一流道并与该凸起部分直接接触，该至少一流道的开口端受到其上的该覆盖延伸部分的保护，且该至少一流道的开口端与该至少一通孔的开口端之间隔有一间距，该向上延伸部分、该覆盖延伸部分、及该至少一通孔共同形成了该歧道开口与该至少一流道之间的薄壳通道结构。

2.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，还包括一密封环，设置于该可挠性基板之上，且围绕该流体分布区及该歧道开口。

3.根据权利要求2所述的燃料电池流场板，其特征在于，该密封环的上表面大抵与该覆盖延伸部分的上表面共平面。

4.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，该可挠性基板包括一可挠性金属板或一可挠性高分子板。

5.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，该弯折角度为90度。

6.根据权利要求1所述的燃料电池流场板，其特征在于，该至少一流道为多个流道。

7.根据权利要求6所述的燃料电池流场板，其特征在于，该至少一通孔为多个通孔。

8.根据权利要求7所述的燃料电池流场板，其特征在于，每一该些流道的开口端皆分别对准于其中一该些通孔。

9.根据权利要求8所述的燃料电池流场板，其特征在于，该向上延伸部分与该些凸起部分直接接触。

10.一种燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，包括：

提供一可挠性基板；

在该可挠性基板的一流体分布区中形成至少一流道；

在该可挠性基板之中形成一歧道开口，该歧道开口贯穿该可挠性基板且与该流体分布区相邻；

弯折部分的该可挠性基板以形成一向上延伸部分及一覆盖延伸部分，该覆盖延伸部分与该向上延伸部分相连且覆盖于部分的该流体分布区上，且其中该向上延伸部分自该歧道开口与该流体分布区的相邻处朝上延伸；以及

在该向上延伸部分中形成至少一通孔，其中该至少一通孔贯穿该可挠性基板而露出该歧道开口。

11.根据权利要求10所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，在弯折部分的该可挠性基板之前，还包括形成贯穿该可挠性基板的一缝隙，该缝隙与该可挠性基板上的一第一预定弯折线围绕出该可挠性基板将被弯折的部分。

12.根据权利要求11所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，弯折部分的该可挠性基板以形成该向上延伸部分及该覆盖延伸部分的步骤包括：

以该第一预定弯折线为轴心将该可挠性基板将被弯折的部分朝上弯折；以及

以该可挠性基板上的一第二预定弯折线为轴心，将该可挠性基板将被弯折的部分朝该流体分布区的方向弯折，其中该第二预定弯折线平行于该第一预定弯折线。

13.根据权利要求12所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，还包括于该第一预定弯折线及该第二预定弯折线上形成至少一凹陷。

14.根据权利要求12所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，还包括在弯折部分的该可挠性基板的步骤之前，在该第一预定弯折线及该第二预定弯折线之间的该可挠性基板上形成贯穿该可挠性基板的至少一孔洞，该至少一孔洞在形成该向上延伸部分之后成为该至少一通孔。

15.根据权利要求14所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，该至少一流道、该歧道开口、及该至少一通孔是同时形成。

16.根据权利要求10所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，该至少一流道及该歧道开口是同时形成。

17.根据权利要求10所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，还包括在该可挠性基板上设置一密封环，该密封环围绕该流体分布区及该歧道开口。

18.根据权利要求10所述的燃料电池流场板的形成方法，其特征在于，该可挠性基板包括一可挠性金属板或一可挠性高分子板。

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