CN108123146B - 具有优化气体流道的双极板结构及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种具有优化气体流道的双极板结构及燃料电池，其中，具有优化气体流道的双极板结构至少包括有一阳极电极板、以及一阴极电极板；阳极电极板具有以冲压加工成型的第一气体流道面，第一气体流道面具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氢气流通的第一沟槽；阴极电极板具有以冲压加工成型的第二气体流道面，第二气体流道面具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氧气流通的第二沟槽；借此，本发明可使燃料电池内的燃料气体、氧化剂、以及冷却剂等能均匀分布于特定的气体流道面，以达到提升金属双极板的耐腐蚀性能、机械强度，以及燃料电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明是关于一种具有优化气体流道的双极板结构，尤其是指一种适用于燃料电池的阳极电极板与电极板且具有创新气体流道设计的金属双极板结构，可有效使燃料电池内的燃料气体、氧化剂、以及冷却剂等均匀分布于特定的气体流道面，以达到提升金属双极板的耐腐蚀性能、机械强度，以及燃料电池的使用寿命者。
背景技术
基于传统石化能源已逐渐耗尽，且石化能源的利用容易对生态环境产生重大的冲击，因此，发展低污染且具高发电效率的能源利用方式，早已成为各国政府重要的课题；在各种已发展的新兴能源利用方式中，较常见的有太阳能电池、生化能源、以及燃料电池等，其中又以燃料电池约60％的高发电效率与低污染性而备受瞩目；燃料电池为一种直接将化学能转换为电能的发电装置，所使用的燃料可以是甲醇、乙醇、氢气或其他碳氢化合物，再通过氧气作为氧化剂以产生电能，而在此电化学反应过程中则会生成水为反应副产物；与传统发电方式比较，燃料电池具有低污染、低噪音、以及高能量转换效率等优点，且由于燃料电池直接由燃料气体氧化产生电能，因此其放电电流可以随着燃料供应量增加而增大，只要持续供给燃料气体及氧气，便可持续发电，因此没有电力衰竭及充电的问题，是一种极具前瞻性的干净能源。
基本上，燃料电池的组成结构主要是由一片薄膜电极组(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)，以及两电极板所构成，薄膜电极组(MEA)为燃料电池的核心，作为电化学反应的功用，而电极板则是影响燃料电池商业化的关键因素之一，电极板的材料、流场结构或加工成本等均存在许多亟待解决的问题，公用的电极板材料主要有石墨、复合碳材与金属基材等，针对由石墨与复合碳材所形成的电极板而言，虽然具有良好的导电性与耐腐性等优点，然而，由于制程复杂、耗费工时，且以该等材料制成的电极板厚度无法低于3毫米，而不利于燃料电池的微型化；对于金属基材所形成的电极板而言，虽具有厚度薄、质量轻，以及可缩减燃料电池体积与质量等优点，然而，由于燃料电池的燃料气体通过电极板的流道进行运输，因此，流道的运输能力亦会直接影响燃料电池的产电效能。
本案发明人之一曾于中国台湾专利发表公开号201419644的「燃料电池堆分隔板」的发明案，明白揭示一种以相同结构的分隔板分别供燃料电池的阳极与阴极使用，以降低燃料电池的制造成本，且通过气体流道所形成的箭簇形区块，使得燃料气体与氧化剂皆可均匀分布于气体流道面，以提升燃料电池的产电效能，其使用的架构令分隔板具有以冲压成型的气体流道面，以及对应气体流道面的冷却剂流道面，其中气体流道面具有多个流道，该等流道皆具有多个弯折，且弯折连接线为直线形状与箭簇形状，而箭簇形状的尖端位于同一平面内，并于两分隔板以冷却剂流道面接合时，两冷却剂流道面的沟槽形成可输送冷却剂的直线流道；然而，由于此发明案所设计的气体流道具有多个弯折，而当燃料气体的氢气或氧化剂的氧气等气体在气体流道中流通反应时，容易因为流道所具有的多个个弯折而增加了气体流动阻力，因而减低了燃料电池的产电效率。
现在，发明人即是鉴于上述的燃料电池堆分隔板的气体流道存在因多个弯折而造成气体流动阻力增加等诸多缺失，于是本着孜孜不倦的精神，并通过其丰富的专业知识及多年的实务经验所辅佐，而加以改善，并据此研创发本发明。
发明内容
本发明目的为提供一种具有优化气体流道的双极板结构，尤其是指一种适用于燃料电池的阳极电极板与电极板且具有创新气体流道设计的金属双极板结构，可有效使燃料电池内的燃料气体、氧化剂、以及冷却剂等均匀分布于特定的气体流道面，以达到提升金属双极板的耐腐蚀性能、机械强度，以及燃料电池的使用寿命。
为了达到上述实施目的，本发明提供一种具有优化气体流道的双极板结构，至少包括有一阳极电极板，以及一阴极电极板；阳极电极板具有以冲压加工成型的第一气体流道面，第一气体流道面具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氢气流通的第一沟槽，第一沟槽由一氢气入口端朝一氢气出口端形成有一第一气体流道、一第二气体流道，以及多条介于第一气体流道与第二气体流道间的第三气体流道；其中第三气体流道纵向延伸一距离后，再纵向各分流出一第一子流道与一第二子流道，第一子流道再纵向延伸一距离后，横向分流出一第一孙流道与一第二孙流道，而第二子流道纵向延伸一距离后，横向分流出一第三孙流道与一第四孙流道，第一孙流道与第二孙流道横向往外多个弯曲后，再汇流成第一子流道，第三孙流道与第四孙流道横向往外多个弯曲后，再汇流成第二子流道，第一子流道与第二子流道再汇流后，由氢气出口端流出；第一气体流道纵向延伸整个第一气体流道面，再横向往外多个弯曲，汇流至邻近第三气体流道的第一子流道后，由氢气出口端流出；第二气体流道横向延伸并分流出一第三子流道与一第四子流道，第三子流道纵向延伸一距离后，横向分流出一第五孙流道与一第六孙流道，第四子流道横向分流出一第七孙流道与一第八孙流道，第五孙流道与第六孙流道横向往外多个弯曲后，再汇流成第三子流道，第三子流道再汇流至邻近第三气体流道的第二子流道后，由氢气出口端流出，第七孙流道与第八孙流道横向往内多个弯曲后，再汇流成第四子流道，第四子流道纵向延伸整个第一气体流道面后，由氢气出口端流出，其中横向分布的流道呈箭簇形状，且箭簇形状的尖端位于同一平面内；阴极电极板具有以冲压加工成型的第二气体流道面，第二气体流道面具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氧气流通的第二沟槽，第二沟槽由一氧气入口端朝一氧气出口端形成有一第四气体流道、一第五气体流道，以及多条介于第四气体流道与第五气体流道间的第六气体流道；其中第四气体流道纵向延伸整个第二气体流道面，再横向延伸并分流出一第五子流道与一第六子流道，第五子流道与第六子流道横向往外多个弯曲，汇流成第四气体流道后，由氧气出口端流出；第六气体流道纵向延伸一距离后，横向分别流出一第七子流道与一第八子流道，第七子流道与第八子流道横向往内多个弯曲，汇流成第六气体流道后，由氧气出口端流出；第五气体流道纵向延伸一距离后，再横向经过多个弯曲，最后纵向延伸整个第二气体流道面，再由氧气出口端流出，其中横向分布的流道呈箭簇形状，且箭簇形状的尖端位于同一平面内；其中，阳极电极板与阴极电极板相对叠合，而互相贴合的阳极电极板的第一气体流道面与阴极电极板的第二气体流道面形成供气体流通的回流凹槽，为一氢气流道及一氧气流道，亦交错形成多个空缺，而空缺形成供冷却剂流通的冷却剂流道。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，其中阳极电极板与阴极电极板两侧端中央处各分别设置有对应的冷却剂进入歧道、以及冷却剂流出歧道，冷却剂进入歧道和冷却剂流出歧道与空缺连通。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，冷却剂进入歧道、以及冷却剂流出歧道还分别设有一冷却剂入口支撑、以及一冷却剂出口支撑。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，阳极电极板与阴极电极板由金属材质所制成。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，金属材质为不锈钢。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，阳极电极板与阴极电极板的板材厚度介于0.1毫米(millimeter，mm)～0.2毫米之间。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，第一气体流道、第二气体流道、以及第三气体流道具有相同的总长度。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，第四气体流道、第五气体流道、以及第六气体流道具有相同的总长度。
如上所述的具有优化气体流道的双极板结构，阳极电极板与阴极电极板的一侧各进一步设置有一第一快速接头与一第二快速接头，以提供量测电压与电流使用。
本发明的另一目的为利用如上所述的阳极电极板与阴极电极板以提供一种燃料电池，由多个燃料电池单元串接而成，其中燃料电池单元包括一薄膜电极组、至少两组以一阳极电极板与一阴极电极板相对叠合的回流凹槽双极板、以及至少两个密封件，薄膜电极组的两侧分别依序设置一个密封件与一组回流凹槽双极板。
借此，本发明的具有优化气体流道的双极板结构通过阳极电极板蜿蜒的第一气体流道、第二气体流道与第三气体流道，以及阴极电极板蜿蜒的第四气体流道、第五气体流道与第六气体流道所形成的大量笔直直线形状与箭簇形状的分隔区块，除有助于维持电池结构强度，燃料气体的氢气与氧化剂的氧气可均匀且无阻力地分布于顺畅笔直的气体流道面，确保反应气体有足够的浓度进入薄膜电极组(MEA)，以便能进行燃料电池的充分反应，进而提升燃料电池的产电效能；此外，本发明的具有优化气体流道的双极板结构通过将金属材质的不锈钢板冲压加工成型方式形成燃料气体流道，由于不锈钢板材具有厚度薄与质量轻等优点，不仅可以缩减燃料电池的体积，亦能达到轻量化的需求，且不锈钢板成型后会经过镀膜处理或气体热处理等表面改质动作，借以改善金属板的耐腐蚀性能与增加机械强度，达到提升电池使用寿命的目的；最后，本发明的具有优化气体流道的双极板结构通过阳极电极板与阴极电极板相对贴合的面交错形成的空缺，以形成冷却剂流道，因此接点处必须足够多以承受燃料电池压迫组装的压力，且通过气体流道汇流设计，增大在阳极电极板的气体流道面与阴极电极板的气体流道面背面所形成的冷却剂流道的最大面积，同时满足冷却需求与提供较高重量功率密度的优点。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的阳极电极板结构俯视图；
图2：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的阴极电极板结构俯视图；
图3：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的双极板叠合示意图；
图4：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的冷却剂流道示意图；
图5：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的气体岐道入口剖面示意图；
图6：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的燃料电池单元堆栈示意图；
图7：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的燃料电池结构示意图；
图8：本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的燃料电池结构示意图。
附图标号说明：
1 阳极电极板 11 第一气体流道面
111 第一气体流道 112 第二气体流道
1121 第三子流道 11211 第五孙流道
11212 第六孙流道 1122 第四子流道
11221 第七孙流道 11222 第八孙流道
113 第三气体流道 1131 第一子流道
11311 第一孙流道 11312 第二孙流道
1132 第二子流道 11321 第三孙流道
11322 第四孙流道 114 弯曲
12 第一沟槽 13 氢气入口端
14 氢气出口端 15 尖端
16 冷却剂进入歧道 161 冷却剂入口支撑
17 冷却剂流出歧道 171 冷却剂出口支撑
18 第一快速接头 19 氢气进气歧道
2 阴极电极板 21 第二气体流道面
211 第四气体流道 2111 第五子流道
2112 第六子流道 212 第五气体流道
213 第六气体流道 2131 第七子流道
2132 第八子流道 214 弯曲
22 第二沟槽 23 氧气入口端
24 氧气出口端 25 尖端
26 第二快速接头 3 氢气流道
4 氧气流道 5 空缺
6 冷却剂流道 7 燃料电池单元
71 薄膜电极组 72 回流凹槽双极板
73 密封件
具体实施方式
本发明的目的及其结构设计功能上的优点，将依据以下附图所示的较佳实施例予以说明，以对本发明有更深入且具体的了解。
首先，燃料电池的电极板的主要功能是导引燃料气体的氢气与氧化剂的氧气等反应气体分别由阳极电极板1的氢气入口端13与阴极电极板2的氧气入口端23进入流道，以及导引冷却剂由冷却剂进入歧道16进入位于阳极电极板1与阴极电极板2的背面流道，通过创新的流道设计使氢气与氧气分布于反应面积，再将未使用的反应气体和冷却剂由流道导引排出，而阳极电极板1与阴极电极板2设置于薄膜电极组的两侧端，其运作的原理为燃料气体的氢气由阳极电极板1进入燃料电池，而氧化剂的氧气则由阴极电极板2进入燃料电池，经由薄膜电极组的反应作用，使得阳极燃料气体的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron)，其中质子被氧吸引到阴极，电子则经由外电路形成电流后到达阴极，而质子、氧及电子于阴极发生反应形成水分子，燃料电池的运作方式已为公知技艺中众所皆知的知识，且并非本发明的重点，在此将不再赘述，本发明的技术特征着重于金属双极板的流道造型的安排和设置，以解决本发明人先前的发明案所遭遇的氢气与氧气等反应气体不易均匀而无阻力地分布于阳极电极板1的第一气体流道面11与阴极电极板2的第二气体流道面21的缺点；再者，请参阅图1、图2所示，为本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的阳极电极板结构俯视图，以及阴极电极板结构俯视图，其中本发明的具有优化气体流道的双极板结构至少包括有：
一阳极电极板1，具有以冲压加工成型的第一气体流道面11，第一气体流道面11具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氢气流通的第一沟槽12，第一沟槽12由一氢气入口端13朝一氢气出口端14形成有一第一气体流道111、一第二气体流道112、以及多条介于第一气体流道111与第二气体流道112间的第三气体流道113；其中第三气体流道113纵向延伸一距离后，再纵向各分流出一第一子流道1131与一第二子流道1132，第一子流道1131再纵向延伸一距离后，横向分别流出一第一孙流道11311与一第二孙流道11312，而第二子流道1132纵向延伸一距离后，横向分别流出一第三孙流道11321与一第四孙流道11322，第一孙流道11311与第二孙流道11312横向往外多个弯曲114后，再汇流成第一子流道1131，第三孙流道11321与第四孙流道11322亦横向往外多个弯曲114后，再汇流成第二子流道1132，第一子流道1131与第二子流道1132再汇流后，由氢气出口端14流出；第一气体流道111纵向延伸整个第一气体流道面11，再横向往外多个弯曲114，汇流至邻近第三气体流道113的第一子流道1131后，由氢气出口端14流出；第二气体流道112横向延伸并分流出一第三子流道1121与一第四子流道1122，第三子流道1121纵向延伸一距离后，横向分别流出一第五孙流道11211与一第六孙流道11212，第四子流道1122横向分流出一第七孙流道11221与一第八孙流道11222，第五孙流道11211与第六孙流道11212横向往外多个弯曲114后，再汇流成第三子流道1121，第三子流道1121再汇流至邻近第三气体流道113的第二子流道1132后，由氢气出口端14流出，第七孙流道11221与第八孙流道11222亦横向往内多个弯曲114后，再汇流成第四子流道1122，第四子流道1122纵向延伸整个第一气体流道面11，由氢气出口端14流出，其中横向分布的该等流道呈箭簇形状，而该等箭簇形状的尖端15位于同一平面内；此外，值得注意的是，横向分布的气体流道往内或往外多个弯曲114的判断方式以气体流道流出的延伸方向为法向量为区分，往气体流道的法向量方向靠近的气体流道称的为“往内”弯曲，而远离气体流道的法向量的气体流道称的为“往外”弯曲；再者，在本发明的一较佳实施例中，位于第一气体流道111与第二气体流道112间有4条第三气体流道113，而第一气体流道111、第二气体流道112、以及第三气体流道113具有相同的总长度，以求每条气体流道的阻力皆相近；在此值得注意的是，气体流道的数量仅为其一较佳实施例，在阅读及了解本发明的教导后，本领域技术人员当知道，本发明的第三气体流道113的数量可少于4条或多于4条，并不会影响本发明的实际实施；以及
一阴极电极板2，具有以冲压加工成型的第二气体流道面21，第二气体流道面21具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氧气流通的第二沟槽22，第二沟槽22由一氧气入口端23朝一氧气出口端24形成有一第四气体流道211、一第五气体流道212、以及多条介于第四气体流道211与第五气体流道212间的第六气体流道213；其中第四气体流道211纵向延伸整个第二气体流道面21，再横向延伸并分流出一第五子流道2111与一第六子流道2112，第五子流道2111与第六子流道2112横向往外多个弯曲214，汇流至第四气体流道211后，由氧气出口端24流出；第六气体流道213纵向延伸一距离后，横向分别流出一第七子流道2131与一第八子流道2132，第七子流道2131与第八子流道2132横向往内多个弯曲214，汇流至第六气体流道213后，由氧气出口端24流出；第五气体流道212纵向延伸一距离后，再横向经过多个弯曲214，最后纵向延伸整个第二气体流道面21，再由氧气出口端24流出，其中横向分布的流道呈箭簇形状，而箭簇形状的尖端25位于同一平面内；在本发明的一较佳实施例中，位于第四气体流道211与第五气体流道212间有9条第六气体流道213，而第四气体流道211、第五气体流道212、以及第六气体流道213具有相同的总长度，以求每条气体流道的阻力皆相近；在此值得注意的是，气体流道的数量仅为其一较佳实施例，在阅读及了解本发明的教导后，领域技术人员当知道，本发明的第六气体流道213的数量可少于9条或多于9条，并不会影响本发明的实际实施。
此外，阳极电极板1与阴极电极板2可相对叠合，而互相贴合的阳极电极板1的第一气体流道面11与阴极电极板2的第二气体流道面21形成供气体流通的回流凹槽，为一氢气流道3及一氧气流道4，亦交错形成多个空缺5，而空缺5形成供冷却剂流通的冷却剂流道6，请一并参阅图3、图4所示，为本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的双极板叠合示意图，以及冷却剂流道示意图，其中图3表示阳极电极板1与阴极电极板2的叠合，将阳极电极板1上下反转180度而叠合在阴极电极板2的上方，图4所示则是利用阳极电极板1的第一气体流道面11与阴极电极板2的第二气体流道面21的背面，也就是阳极电极板1与阴极电极板2的外侧，当阳极电极板1与阴极电极板2的外侧互相叠合时，电极板与电极板接触的地方会产生阻隔，非接触的空缺5则产生通道提供冷却剂的液体流动，即是所谓的冷却剂流道6，此亦是将横向气体流道设计为箭簇形状的理由，也就是阳极电极板1与阴极电极板2叠合后产生的栅格状空间可以善加运用成为冷却剂流通的通道；再者，冷却剂流场希望尽可能达到最大面积来提升冷却效果，同时接点处也必须够多以承受燃料电池压迫组装的压力，因此阳极电极板1与阴极电极板2等金属双极板具有灵活与细腻的设计，可同时满足冷却需求与提供较高的重量功率密度；此外，阳极电极板1与阴极电极板2两侧端中央处各分别设置有对应的冷却剂进入歧道16，以及冷却剂流出歧道17，冷却剂进入歧道16和冷却剂流出歧道17与形成空缺5的冷却剂流道6连通，以提供冷却剂进入，且冷却剂进入歧道16，以及冷却剂流出歧道17进一步分别设有一冷却剂入口支撑161，以及一冷却剂出口支撑171。
再者，请一并参阅图5所示，为本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的气体岐道入口剖面示意图，其中当阳极电极板1与阴极电极板2相对叠合时，燃料气体的氢气由氢气入口端13进入，再经由一氢气进气歧道19与下方的阴极电极板2间的间隙进入阳极电极板1的第一气体流道面11，图5中的黑色箭头所示的路径即为燃料气体的氢气所行进的路线。
此外，阳极电极板1与阴极电极板2由金属材质所制成，最佳的金属材质为不锈钢板，板材厚度介于0.1mm～0.2mm之间，最佳为0.15mm，而阳极电极板1与阴极电极板2等金属双极板的总面积为202.7cm2，流道伸度为0.5mm，流道宽度为1mm，总反应面积为132cm2。
再者，阳极电极板1与阴极电极板2的一侧各进一步设置有一第一快速接头18与第二快速接头26，以提供量测电压与电流使用。
此外，请再参阅图6～图8所示，为本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的燃料电池单元堆栈示意图，其中本发明进一步提供一种燃料电池，燃料电池由多个燃料电池单元7串接而成，其中燃料电池单元7包括一习知的薄膜电极组71、至少两组以一阳极电极板1与一阴极电极板2相对叠合的回流凹槽双极板72，以及至少两个密封件73，薄膜电极组71的两侧分别依序设置一个密封件73与一组回流凹槽双极板72，阳极电极板1与阴极电极板2取自上述的具有优化气体流道的双极板结构；接续请参阅图7，为本发明的具有优化气体流道的双极板结构其一较佳实施例的燃料电池单元剖面示意图，此为氧气入口端23的部分，阳极电极板1与阴极电极板2叠合后的回流凹槽双极板72，具有供气体流通的回流凹槽，即为一氢气流道3及一氧气流道4，箭号即为表示氧气从入口端进入后的流动方向，而密封件73则会完整密合，以防止气体泄漏。
根据上述的具有优化气体流道的双极板结构于实际实施时，首先，本发明的阳极电极板1与阴极电极板2以金属材质制成，最佳的金属材质为不锈钢板，不锈钢板的板材厚度介于0.1mm～0.2mm之间，最佳为0.15mm，总面积为202.7cm2，流道伸度为0.5mm，流道宽度为1mm，总反应面积为132cm2，使用的加工方式为利用冲压成型压出所要的气体流道；实际应用的燃料电池将多个燃料电池单元7串接，以形成一燃料电池，获得足够发电功率，于燃料电池单元7中，阳极电极板1与阴极电极板2相对叠合，而互相贴合的阳极电极板1的第一气体流道面11与阴极电极板2的第二气体流道面21形成供气体流通的回流凹槽，为一氢气流道3及一氧气流道4，亦交错形成多个空缺5，而空缺5形成供冷却剂流通的冷却剂流道6，亦即利用阳极电极板1的第一气体流道面11与阴极电极板2的第二气体流道面21的背面，也就是阳极电极板1与阴极电极板2的外侧，当阳极电极板1与阴极电极板2的外侧互相叠合时，电极板与电极板接触的地方会产生阻隔，非接触的空缺5则产生通道提供冷却剂的液体流动，即是所谓的冷却剂流道6，此亦是将横向气体流道设计为箭簇形状的理由，也就是阳极电极板1与阴极电极板2叠合后产生的栅格状空间可以善加运用成为冷却剂流通的通道，而冷却剂流场希望尽可能达到最大面积来提升冷却效果，同时接点处也必须够多以承受燃料电池压迫组装的压力，因此阳极电极板1与阴极电极板2等金属双极板具有灵活与细腻的设计，可同时满足冷却需求与提供较高的重量功率密度；在阳极电极板1具有6条气体流道，亦即除最上端的第一气体流道111与最下端的第二气体流道112，位于第一气体流道111与第二气体流道112间共有4条第三气体流道113，而第一气体流道111、第二气体流道112、以及第三气体流道113具有相同的总长度，以求每条气体流道的阻力皆相近；在阴极电极板2具有11条气体流道，亦即除最上端的第四气体流道211与最下端的第五气体流道212，位于第四气体流道211与第五气体流道212共有9条第六气体流道213，而第四气体流道211、第五气体流道212、以及第六气体流道213具有相同的总长度，以求每条气体流道的阻力皆相近；此外，本发明的具有优化气体流道的双极板结构的阳极电极板1与阴极电极板2可结合一公知的薄膜电极组71以及密封件73而组成一燃料电池单元7，其中阳极电极板1与阴极电极板2板先相对叠合以形成回流凹槽双极板72，回流凹槽双极板72具有供气体流通的氢气流道3与氧气流道4，于薄膜电极组71的两侧端依序设置一个密封件73与一组回流凹槽双极板72，通过密封件73避免气体泄漏，而多个燃料电池单元7串接即可形成一燃料电池，如图8所示。
由上述的实施说明可知，本发明的具有优化气体流道的双极板结构与现有技术相较之下，本发明具有以下优点：
1.本发明的具有优化气体流道的双极板结构通过阳极电极板蜿蜒的第一气体流道、第二气体流道与第三气体流道，以及阴极电极板蜿蜒的第四气体流道、第五气体流道与第六气体流道所形成的大量笔直直线形状与箭簇形状的分隔区块，有助于维持电池结构强度，燃料气体的氢气与氧化剂的氧气可均匀且无阻力地分布于顺畅笔直的气体流道面，确保反应气体有足够的浓度进入薄膜电极组，以便能进行燃料电池的充分反应，进而提升燃料电池的产电效能。
2.本发明的具有优化气体流道的双极板结构通过将金属材质的不锈钢板冲压加工成型方式形成燃料气体流道，由于不锈钢板材具有厚度薄与质量轻等优点，不仅可以缩减燃料电池的体积，亦能达到轻量化的需求，且不锈钢板成型后会经过镀膜处理或气体热处理等表面改质动作，借以改善金属板的耐腐蚀性能与增加机械强度，达到提升电池使用寿命的目的。
3.本发明的具有优化气体流道的双极板结构通过阳极电极板与阴极电极板相对贴合的面形成供气体流通的氢气流道及氧气流道，亦交错形成的空缺，即为冷却剂流道，因此接点处必须足够多以承受燃料电池压迫组装的压力，且通过气体流道汇流设计，增大在阳极电极板的气体流道面与阴极电极板的气体流道面背面所形成的冷却剂流道的最大面积，同时满足冷却需求与提供较高重量功率密度的优点。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。
Claims (10)
1.一种具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，所述具有优化气体流道的双极板结构至少包括有：
一阳极电极板，具有以冲压加工成型的第一气体流道面，该第一气体流道面具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氢气流通的第一沟槽，该第一沟槽由一氢气入口端朝一氢气出口端形成有一第一气体流道、一第二气体流道、以及多条介于该第一气体流道与该第二气体流道间的第三气体流道；其中所述第三气体流道纵向延伸一距离后，再纵向各分流出一第一子流道与一第二子流道，该第一子流道再纵向延伸一距离后，横向分流出一第一孙流道与一第二孙流道，而该第二子流道纵向延伸一距离后，横向分流出一第三孙流道与一第四孙流道，该第一孙流道与该第二孙流道横向往外多个弯曲后，再汇流成该第一子流道，该第三孙流道与该第四孙流道横向往外多个弯曲后，再汇流成该第二子流道，该第一子流道与该第二子流道再汇流后，由该氢气出口端流出；该第一气体流道纵向延伸整个第一气体流道面，再横向往外多个弯曲，汇流至邻近该第三气体流道的第一子流道后，由该氢气出口端流出；该第二气体流道横向延伸并分流出一第三子流道与一第四子流道，该第三子流道纵向延伸一距离后，横向分流出一第五孙流道与一第六孙流道，该第四子流道横向分流出一第七孙流道与一第八孙流道，该第五孙流道与该第六孙流道横向往外多个弯曲后，再汇流成该第三子流道，该第三子流道再汇流至邻近该第三气体流道的第二子流道后，由该氢气出口端流出，该第七孙流道与该第八孙流道横向往内多个弯曲后，再汇流成该第四子流道，该第四子流道纵向延伸整个第一气体流道面后，由该氢气出口端流出，其中横向分布的所述流道呈箭簇形状，而所述箭簇形状的尖端位于同一平面内；以及
一阴极电极板，具有以冲压加工成型的第二气体流道面，该第二气体流道面具有对应相反凹陷与凸起交替的多个提供氧气流通的第二沟槽，该第二沟槽由一氧气入口端朝一氧气出口端形成有一第四气体流道、一第五气体流道、以及多条介于该第四气体流道与该第五气体流道间的第六气体流道；其中该第四气体流道纵向延伸整个第二气体流道面，再横向延伸并分流出一第五子流道与一第六子流道，该第五子流道与该第六子流道横向往外多个弯曲，汇流成该第四气体流道后，由该氧气出口端流出；所述第六气体流道纵向延伸一距离后，横向分流出一第七子流道与一第八子流道，该第七子流道与该第八子流道横向往内多个弯曲，汇流成该第六气体流道后，由该氧气出口端流出；第五气体流道纵向延伸一距离后，再横向经过多个弯曲，最后纵向延伸整个第二气体流道面，再由该氧气出口端流出，其中横向分布的所述流道呈箭簇形状，而箭簇形状的尖端位于同一平面内；
其中，该阳极电极板与该阴极电极板反转相对叠合，而互相贴合的所述阳极电极板的第一气体流道面与所述阴极电极板的第二气体流道面形成供气体流通的回流凹槽，即为一氢气流道及一氧气流道，所述阳极电极板与所述阴极电极板背面叠合形成多个空缺，而所述空缺形成供冷却剂流通的冷却剂流道；
该氧气入口端的面积大于该氢气入口端的面积，该氧气出口端的面积大于该氢气出口端的面积。
2.如权利要求1所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该阳极电极板与该阴极电极板两侧端中央处各分别设置有对应的冷却剂进入歧道、以及冷却剂流出歧道，该冷却剂进入歧道和该冷却剂流出歧道与所述空缺连通。
3.如权利要求2所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该冷却剂进入歧道、以及该冷却剂流出歧道还分别设有一冷却剂入口支撑、以及一冷却剂出口支撑。
4.如权利要求2所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该阳极电极板与该阴极电极板由金属材质所制成。
5.如权利要求4所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该金属材质为不锈钢。
6.如权利要求4所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该阳极电极板与该阴极电极板的板材厚度介于0.1毫米～0.2毫米之间。
7.如权利要求1所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该第一气体流道、该第二气体流道、以及所述第三气体流道具有相同的总长度。
8.如权利要求1所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该第四气体流道、该第五气体流道、以及所述第六气体流道具有相同的总长度。
9.如权利要求1所述的具有优化气体流道的双极板结构，其特征在于，该阳极电极板的一侧设置有一第一快速接头，该阴极电极板的一侧设置有一第二快速接头，以提供量测电压与电流使用。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池由多个燃料电池单元串接而成，其中该燃料电池单元包括一薄膜电极组、至少两组以一阳极电极板与一阴极电极板反转相对叠合的回流凹槽双极板、以及至少两个密封件，该薄膜电极组的两侧分别依序设置一个该密封件与一组该回流凹槽双极板，该阳极电极板与该阴极电极板为如权利要求1至9中任一项所述的具有优化气体流道的双极板结构的阳极电极板与阴极电极板。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Investigation of fractal flow-fields in portable proton exchange membrane and direct methanol fuel cells;K. Tüber, A. Oedegaard, M. Hermann, C. Hebling;《Journal of Power Sources》;20040514;第131卷(第1-2期);第2节，图2-3 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108123146A (zh) | 2018-06-05 |
| TWI613863B (zh) | 2018-02-01 |
| TW201820692A (zh) | 2018-06-01 |
| US10644330B2 (en) | 2020-05-05 |
| US20180151892A1 (en) | 2018-05-31 |
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