CN103354292B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括一支架以及多个燃料电池模块。该支架用以作为该燃料电池系统的一支撑结构，其中该支架具有一通道以提供一流体；该多个燃料电池模块中的每一个燃料电池模块的一侧边固定于该支架上，且该些燃料电池模块以辐射状的方式配置于该支架周围。

Description

燃料电池系统

本申请为2010年12月7日递交的申请号为201010585567.1，发明名称为“燃料电池系统及其燃料电池模块”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明是有关于一种燃料电池装置，特别是有关于一种可强化内部元件间接触力的燃料电池模块。

背景技术

习知流场板乃是指一种可用以承载、传输、分割和/或分配一种或多种流体的结构，这里所指的流体是为广义的泛称，其可为任何能由空间中的一位置流动至另一位置的物质。举例而言，前述流体可包含空气、气体、液体或具有黏性的流体等，该物质可由空间中的任一位置流动或移动至另一位置。

习知流场板例如可被应用在燃料电池中，用以传输、导引和/或分配一或多种燃料，前述燃料是指可用以产生电力的液态或气态物质。图1揭露一种习知的燃料电池装置，例如为一质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell,PEMFC)的单电池结构400，其主要包含有一膜电极组410（membraneelectrode assembly,MEA）、两个气体扩散层405、406(gas diffusion layer,GDL)以及两个流场板401、402（fluid flow plate）。如图1所示，前述膜电极组410是夹在气体扩散层405、406之间，膜电极组410和气体扩散层405、406则是夹在流场板401、402之间，其中流场板401、402上可形成有一或多个流道(例如流道403、404)，一反应流体可流经前述每一个流道。举例而言，前述膜电极组410可包含一质子交换膜409（proton exchange membrane,PEM）、一阳极(anode)触媒层407以及一阴极(cathode)触媒层408，其中触媒层407、408通常具有铂或铂合金等成份，以利于燃料电池进行电化学反应(electrochemicalfuel cell reactions)。

传统的燃料电池在某些情况下会由于其内部元件之间的接触力不足而造成电极或其它元件间的接触不良，如此将导致燃料电池的整体效能不佳。有鉴于此，如何强化燃料电池内部元件之间的接触力以提升燃料电池的效能始成为一重要的课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种燃料电池模块。

本发明的一实施例提供一种燃料电池模块，包括一膜电极组、两个气体扩散层、两个集电元件、两个密封元件以及一流场板。前述气体扩散层分别耦合于膜电极组的相反侧，集电元件与前述气体扩散层和密封元件相互耦合。前述流场板耦合于膜电极组的一第一侧并且具有一流道，其中流道的一暴露侧与膜电极组中的薄膜相互耦合。前述膜电极组、气体扩散层、集电元件以及密封元件的其中至少一者形成有一非平面结构，且至少一部分的非平面结构在组装过程中被压平。

本发明的一实施例还提供一种燃料电池模块，包括一膜电极组、两个气体扩散层、两个集电元件、两个密封元件以及一流场板。前述膜电极组具有至少一薄膜，用以进行燃料电池反应。前述气体扩散层分别耦合于膜电极组的相反侧。前述集电元件分别与气体扩散层相互耦合。前述密封元件，分别与集电元件相互耦合。前述流场板耦合于膜电极组的一第一侧，其中气体扩散层的至少其中一者、集电元件的其中一者以及密封元件的至少其中一者是位于膜电极组的第一侧以及流场板之间。前述流场板具有一流道，其中流道的一暴露侧与膜电极组中的薄膜相互耦合。在前述膜电极组、气体扩散层、集电元件以及密封元件组装之前，集电元件的其中至少一者形成有一非平面结构，且至少一部分的非平面结构在燃料电池模块的组装过程中被压平。

本发明的又一目的在于提供一种燃料电池系统。

本发明的一实施例还提供一种燃料电池系统，包括一支架以及多个燃料电池模块，其中支架是用以作为燃料电池系统的一支撑结构。前述支架具有一通道以提供一流体，此外每个燃料电池模块的一侧边固定于支架上，且前述燃料电池模块以辐射状的方式配置于支架周围。

根据本发明，在燃料电池模块内部的一或多个元件上形成有非平面结构，借此可使燃料电池模块在组装时或组装后产生一接触力。于一实施例中，在集电元件或其它元件上可形成有一朝膜电极组方向凸出的弧状或多边形结构，在系统设计、实际应用或其它因素配合下，前述接触力确实可强化元件间的导电性、导电的均匀性和/或在长时间使用下的可靠度。此外，于一实施例中还提供一种燃料电池系统，其主要包括有一支架和/或一底座，用以承载多个燃料电池模块，不仅具有体积小以及组装容易等优点，且可广泛地应用在电子产品、车辆、军用设备或航天工业等各种不同领域中。

为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合所附附图做详细说明。

附图说明

图1表示一习知燃料电池的示意图；

图2A、2B表示本发明一实施例的燃料电池模块的局部爆炸图；

图2C表示图2A、2B的燃料电池模块于组装后的侧视图；

图2D表示本发明一实施例的流场板具有多个相通的流道以及第一、第二歧道的示意图；

图3表示本发明一实施例的密封元件包覆于集电元件周围的示意图；

图4A表示本发明一实施例的集电元件装设于承载板上的示意图；

图4B表示本发明一实施例的集电元件的边缘结合于承载板的凹槽时的示意图；

图4C表示沿图4A中X1-X2方向的剖面图；

图5A表示本发明一实施例的集电元件示意图；

图5B表示本发明另一实施例的集电元件示意图；以及

图6表示本发明一实施例的燃料电池系统示意图。

【主要附图标记说明】

10～流场板；

11～第一歧道；

11a～入口；

12～第二歧道；

12a～出口；

20～密封元件；

301～膜电极组；

302～气体扩散层；

303、304～集电元件；

3041～边缘；

3042～平面；

40～承载板；

41～凹槽；

400～单电池结构；

401、402～流场板；

403、404～流道；

405、406～气体扩散层；

407、408～触媒层；

409～质子交换膜；

410～膜电极组；

B～底座；

C～流道；

F～燃料电池模块；

K～接口单元；

H～支架；

H21～通道。

具体实施方式

本发明的一实施例提供一种燃料电池模块，其中在燃料电池模块内部的一或多个元件上形成有非平面结构，借此可使燃料电池模块在组装时或组装后产生一接触力。于一实施例中，在集电元件或其它元件上可形成有一朝膜电极组方向凸出的弧状或多边形结构，在系统设计、实际应用或其它因素配合下，前述接触力确实可强化元件间的导电性、导电的均匀性和/或在长时间使用下的可靠度。

图2A为本发明一实施例的燃料电池模块的爆炸图。图2B为本发明一实施例的燃料电池模块的侧视图，由图2B中可以看出燃料电池模块在组装前、后的局部结构。如图2A、2B所示，本实施例中的燃料电池模块F例如可包含两个接口单元K以及一个流场板10，其中流场板10可设置或耦合于两个接口单元K之间。在前述流场板10上设有多个流道C，其中流道C可形成于流场板10的一侧或两侧，本实施例的流道C是形成于流场板10的相反侧，并且分别面朝前述接口单元K。

应了解的是，前述两个接口单元K的至少其中一者包含有一密封元件20、一膜电极组301、一或多个气体扩散层302以及两个直接或间接相互耦合的集电元件303、304。此外，前述接口单元K还可包含一承载板40，前述承载板40是直接或间接地与集电元件304相互耦合(如图2A所示)。在本实施例中，气体扩散层302可采取直接或间接方式而分别耦合于膜电极组301的相反侧，例如可采取热压(hot pressing)、射出成形(injection omlding)或施加黏着剂等方式使气体扩散层302和膜电极组301相互接合。另一方面，前述集电元件303、304的两侧则是分别与气体扩散层302和密封元件20相互耦合。于一实施例中，前述密封元件20还可通过热压、射出成形或施加黏着剂等方式分别和集电元件303、304相互耦合，此外在膜电极组301的两侧亦可通过热压方式和密封元件20相互耦合。

应了解的是，前述集电元件304是设置于承载板40上并且朝膜电极组301方向凸出；此外，在一或多个前述元件上(例如图2A、2B所示的膜电极组301、气体扩散层302、集电元件303、304以及密封元件20)亦可形成有一非平面结构，借此可在组装燃料电池模块时提供一接触力(contact force)。于本实施例中，即便在燃料电池模块完成组装后，前述接触力仍可持续保留于燃料电池模块内部。

请继续参阅图2A，前述流场板10的两侧分别形成有多个流道C，其中流道C分别朝向位在流场板10两侧的接口单元K，于本实施例中的流场板10具有长方形或大致呈长方形的结构，此外流场板10尚包含有与前述流道C相通的一第一歧道11以及一第二歧道12(如图2D所示)。

请参阅图2D，一反应流体或其它流体可自第一歧道11的入口11a进入流场板10，其中部分的流体会经过前述流道C，并借由流道C而暴露于流场板10表面，此暴露区域是对应于接口单元K上的薄膜，使得燃料电池可进行电化学反应。换言之，前述流道C的一暴露侧是与接口单元K上的薄膜相互耦合；此外，经过部分或全部反应后的流体则可经由第二歧道12末端的出口12a排出流场板10。

如前所述，流场板10可包含第一歧道11、第二歧道12以及与第一、第二歧道11、12相通的流道C，其中流道C是耦合于第一、第二歧道11、12之间(如图2D所示)。在第一歧道11右端形成有一入口11a，且第一歧道11是朝一第一方向延伸(例如由流场板10的右侧延伸到流场板10的左侧)，借以让前述流体可延着箭头所示方向进入流场板10，同时可引导至少一部分的流体沿着前述第一方向流动。另一方面，在第二歧道12左端形成有一出口12a，用以释出部分或全部反应后的流体，其中第二歧道12是朝一第二方向延伸(例如由流场板10的右侧延伸到流场板10的左侧)，使得至少一部分的流体可沿前述第二方向经过流场板10，其中第一、第二方向是大致平行于前述流道C所定义出的一流体分布平面(fluid distribution plane)。需特别说明的是，在图2A中所示的流道C是朝着至少两个方向延伸(垂直与水平方向)，且大致平行于前述流体分布平面。

请继续参阅图2D，前述第一歧道11可经由一或多个排出孔(例如第一歧道11和每一个流道C之间的排出孔)而将流体导引至流道C内，第二歧道12同样可经由一或多个排出孔(例如第二歧道12和每一个流道C之间的流入孔)而将流道C内的流体导引至第二歧道12。应了解的是，图2A、2D中的每一流道C是耦合于第一、第二歧道11、12之间，用以将第一歧道11中的至少一部分流体导引进入第二歧道12。于一实施例中，前述流道C具有多个的段部，前述段部分别朝着至少两个以上的方向延伸，且大致平行于前述流体分布平面以及接口单元K上对应的接触面。借此，一部分的流体可经过流道C而由第二歧道12排出流场板10，其中第一、第二歧道11、12大致平行于前述流体分布平面。

图2C为本发明一实施例的燃料电池模块于组装后的侧视图，其中燃料电池模块F主要是由流场板10和接口单元K所组成，在组装接口单元K和流场板10时，接口单元K中的曲面或非平面构件可被压平或局部地压平，且借由非平面构件的变形可增加前述接触力。

接着请参阅图3，前述密封元件20可通过射出成形、热压或施加黏着剂等方式包覆在集电元件303的外侧或是与集电元件303相互接合；此外，密封元件20也可通过热压方式与膜电极组301接合，流场板10和膜电极组301之间同样可相互地紧密接合以防止流体外泄。需特别说明的是，在集电元件303、304上可形成一朝膜电极组301凸出的非平面结构，借此能在组装时使集电元件303产生一朝气体扩散层302方向的接触力(同时亦朝向膜电极组301)。接口单元K在组装之前(如图2B左侧的接口单元K所示)，其接触力为一朝右侧方向的侧向力；相反地，当接口单元K在组装之后(如图2B右侧的接口单元K所示)，其接触力则为一朝左侧方向的侧向力。

图4A是集电元件304设置在承载板40上的示意图。如图4A所示，前述承载板40例如为一支撑框体，或者是位在流场板外侧且用以叠置集电元件304的外框，其中集电元件304是显露于承载板40上的开口处，借以使燃料电池模块可有效地进行燃料交换或电化学反应。

图4B是本发明一实施例的集电元件304的边缘3041容置于承载板40的凹槽41的示意图。在本实施例中，接口单元K上的非平面结构可通过外部工具或前述各种接合技术而与接口单元K中的其它元件相互接合。举例而言，前述非平面结构的边缘3041可形成特定的形状，例如凸出结构、凸缘、卡勾，或者是对应于接口单元K中其它元件的准位结构。应了解的是，前述特定形状的边缘结构可形成于集电元件304的一侧或两侧(例如图2B中集电元件304的上、下两侧)；同理，此特定形状的边缘结构亦可形成于图2A中集电元件303的一侧或两侧。

图4B中的集电元件304具有一凸出的弧状结构，其中该弧状结构的边缘可形成有一凸出结构、卡勾、弯折结构、凸缘、L形或弯角结构。于一实施例中，一或多个如边缘3041(于图4B中仅绘示出集电元件304上侧的边缘)在组装时是卡合于相邻构件(例如承载板40)上对应的凹槽41内，图4A中所示的一或多个边缘结构是位在或靠近集电元件304的上侧。

请继续参阅图4B，前述集电元件304的边缘3041可于凹槽41内滑动，当集电元件304和承载板40被相互压合或者被朝向膜电极组301施压时(如图2A中的箭头A方向所示)，前述边缘3041会朝凹槽41外侧方向滑动。图4C为图4A中沿X1-X2方向的剖面图，其中边缘3041是滑向凹槽41外侧，应了解的是前述边缘3041和凹槽41的尺寸大小以及边缘3041在凹槽41内滑动的行程距离可依照不同的设计需求而调整，借此能适度地控制各个元件之间的接触力。于一实施例中，集电元件304在组装时可被压平或局部地压平，当集电元件304被压平时可提供一接触力给其它相邻的元件，借此能促进燃料电池模块F内部元件间的紧密接触，例如可强化气体扩散层302和集电元件304之间的接触，同时能降低元件之间的接触阻抗。需特别说明的是，当前述特定形状的边缘结构未被采用时，接口单元K仍可容许一或多个非平面构件被压平或被局部地压平(例如可朝垂直或水平方向弹性地延展)，前述机构设计可根据接口单元K在组装或压合时，其内部元件材料或多层结构之间的可挠性来决定。

图5A为本发明一实施例的集电元件304侧视图，其中集电元件304具有一弧状结构，此外燃料电池模块F中的其它元件也可以形成类似的非平面结构以强化元件间的接触力。图5B为另一实施例的集电元件304侧视图，其中集电元件304具有一多边形结构，且该多边形结构具有一平面3042，该平面3042大致平行于图2A中的膜电极组301和气体扩散层302。应了解的是，前述平面3042可提供气体扩散层302和集电元件304之间良好的接触，其中在平面3042的上、下两侧分别形成有明显的折角形状，惟实际应用时仍可在平面3042的上、下两侧形成弧状或其它形状的结构。

图6为本发明一实施例的燃料电池系统示意图，其中多个燃料电池模块F装设于一支架H和/或一底座B上，借此可组成一燃料电池系统。举例而言，前述支架H可和燃料电池模块F的一侧耦接，此时支架H是作为将燃料电池模块F装设于燃料电池系统上的支撑结构，其中支架H具有一通道H21，用以让一流体进入每个燃料电池模块F内部的第一歧道(或者用以使流体经由每个燃料电池模块F的第二歧道排出)。前述底座B是作为一流体分配结构，其中底座B耦合于燃料电池模块F和前述支架H的通道H21之间，用以将流体分配并导引至前述燃料电池模块F内。需特别说明的是，前述底座B可具有一个与支架H的通道H21相连的入孔(或出孔)以及多个与燃料电池模块F相连的出孔(或入孔)，此外燃料电池模块F是以辐射状的方式配置在支架H周围。

另一方面，前述燃料电池模块F亦可固定在底座B上，同时以辐射状的方式配置在支架H周围。应了解的是，流体可由支架H的通道H21进入，并依序流经支架H和底座B而到达燃料电池模块F，接着流体可由燃料电池模块F的第二歧道12排出(如图6中的箭头方向所示)。

综上所述，本发明的一实施例提供一种燃料电池模块，其中在燃料电池模块内部的集电元件或其它元件形成有非平面结构，该非平面结构可提升燃料电池模块内部元件间的接触力，同时使各元件间(例如集电元件和气体扩散层之间)可紧密地接触。此外，于一实施例中还提供一种燃料电池系统，其主要包括有一支架和/或一底座，用以承载多个燃料电池模块，不仅具有体积小以及组装容易等优点，且可广泛地应用在电子产品、车辆、军用设备或航天工业等各种不同领域中。

虽然本发明以前述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

一支架，用以作为该燃料电池系统的一支撑结构，其中该支架具有一通道以提供一流体；

多个燃料电池模块，其中每一该燃料电池模块的一侧边固定于该支架上，且该些燃料电池模块以辐射状的方式配置于该支架周围；以及

一底座，该底座与该些燃料电池模块以及该支架的该通道耦合，借以分配该流体至该些燃料电池模块。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，该底座与该支架的该通道相通，借以分配该流体至该些燃料电池模块。