CN115706245A - 集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池，通过集成式燃料电池端板的热传导导流模块设计，集成了导流、均热、绝缘、承压多种效能，使燃料电池可在不额外加装加热元件与伪电芯的情况下，仍可确保电芯电压一致性进而改善电堆整体性能。

Description

集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池

技术领域

本发明有关于一种燃料电池端板及其应用的燃料电池，特别是关于可达成均热效果的集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，又称电化学发电器，在能源发展的历史上，燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。

燃料电池主要是通过添加燃料并使其进行电化学反应以转换为电能，依据电解质的种类，大致上可将燃料电池分类为质子交换膜燃料电池(proton exchange membranefuel cell，PEMFC)、碱性燃料电池(alkaline fuel cell，AFC)、磷酸燃料电池(phosphoricacid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC)与固态氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)，其中，质子交换膜燃料电池具有工作温度低、能量转换效率高等诸多优点，在车辆、移动电源等设备都有广阔的应用前景。

一般来说，质子交换膜燃料电池的操作温度约在80℃，因此可缩短燃料电池启动所需的时间，相较于其他系统的燃料电池来说，质子交换膜燃料电池更适合作为车辆的动力，当然，在移动电源、家用电力及分散式电源等方面均有一定的市场。质子交换膜燃料电池的整体结构上，大致包含有复数彼此堆栈的电芯、阴极集电板、阳极集电板、前缓冲垫片、后缓冲垫片、前端板及后端板，其中，电芯中包含了双极板及介于双极板间的固体聚合物质子交换膜电极，一般而言，根据特定的燃料电池功率需求，可估算出预定数量的双极板及膜电极，并以交替的方式堆栈而形成电芯堆。再从电化学反应的角度来说，双极板中的阳极端是以供给氢为主体的气体(通常也称为燃料气体)，而双极板中的阴极端则主要是提供含有氧气或空气的气体，双极板中的阳极端的催化剂能使燃料气体进行化学反应，以将氢分子分解为氢离子和电子，氢离子通过电解质膜向阴极端移动，电子则是通过外电路流向阴极端，产生直流电能。

不过，尤其是针对高功率的燃料电池来说，电芯堆的数量越多，表示沿着电芯层叠方向来看，电芯堆两端的电芯在物性的状态会存在着显著的差异，进而对于整体电芯堆的化性及电性表现都会有明显的影响，举例来说，以燃料电池电芯堆的温度特性而言，由于外部的热传导、热辐射条件均与电芯堆的中心位置有着极大的不同，导致电芯堆两端部的电芯温度变化明显大于中心位置，在实际的操作上发现，沿着电芯层叠方向的两端部因为温度容易受到外界影响而快速地降低，自电芯堆中心位置向外的电芯温度与位于中心位置的电芯温度相比，是逐渐降温的，因此，在两端部的电芯很容易发生水凝结现象，导致整体电芯堆在发电过程中产生的水难以顺利排出，同时也导致两末端的电芯电效能偏低的状态。

为解决因受到到辐射冷却的影响(环境温度比电堆温度低)，端板处的电芯温度低、含水量高而造成电压下降的问题，过去曾经采用在集电板与端板之间设置具有蜂窝体的多层绝热板件，通过蜂窝体内的空气以实现低热导率，但这样的结构因为过于占体积，近年来较常见的技术为在端板处加装加热器(End cellheater)，或在靠端板侧加装不发电的伪电芯(Dummy cell)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池，通过再利用来自于燃料电池内部排放出的冷却剂的余热，可在不额外加装加热元件与伪电芯的情况下，提升电堆端部电芯温度，确保电芯电压一致性进而改善电堆整体性能，同时也预热流入至集成式燃料电池端板的阴极气体与阳极气体。

本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池，利用来自于燃料电池内部排放出的冷却剂的余热，提升电堆端部电芯温度。

本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池，预热流入至集成式燃料电池端板的阴极气体与阳极气体，提高电堆内阴极、阳极气体的反应效率。

本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池，直接连结于阳极气体泵以维持整体电堆与阳极气体泵之间的热平衡。

于是，本发明提供的一种集成式燃料电池端板，其一侧连结一阴极气体阀及一阳极气体泵，另一侧实质地对应设置有一电芯堆，集成式燃料电池端板包含一金属本体及一热传导导流模块。

所述的金属本体，具有一第一表面及一第二表面，第一表面上有一第一区域，第二表面与阴极气体阀、阳极气体泵连结。

所述的热传导导流模块，连结于金属本体的第一表面的第一区域并实质地与邻设于电芯堆的一集电板连结，热传导导流模块包含一阴极气体导入槽区、一阴极气体导出槽区、一阳极气体导入槽区、一阳极气体导出槽区、一液体导入槽区及一液体导出槽区。

其中，液体导出槽区实质上与连结于第二表面的至少局部阴极气体阀及至少局部阳极气体泵的至少其一对应，且热传导导流模块的投影表面实质地与电芯堆的投影表面重叠。

同时，本发明提供的一种燃料电池，包含复数电芯、二集电板及二端板，其中至少一端板为本发明提供的集成式燃料电池端板。复数电芯堆栈形成一电芯堆，并夹设在二集电板之间，两端板对应连结于二集电板的外侧。

本发明的技术效果在于：通过集成式燃料电池端板上具有热传导导流模块的设计，集成了导流、均热、绝缘、承压多种效能，使燃料电池可在不额外加装加热元件与伪电芯的情况下，通过流入液体导出槽区的温热液体，提高进入电芯堆的阴极气体及阳极气体的进口温度，同时也提高与其实质上连结的电芯堆(尤其是最靠近的该片电芯)的温度，借以确保电芯电压的一致性进而改善电堆整体性能。同时，由于至少局部的阴极气体阀及至少局部阳极气体泵的至少其一实质地对应设置在液体导出槽区的另一表面上，在燃料电池操作期间，直接连结于金属本体的阳极气体泵本身更可与集成式燃料电池端板保持相同的温度，减少热能的逸散、维持电堆整体效能，并在燃料电池停止操作后，也有助于热能快速地逸散，恢复到室温状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种集成式燃料电池端板的结构示意图；

图2为图1的集成式燃料电池端板的结构分解图；

图3为与阴极气体阀、阳极气体泵结合的图1的集成式燃料电池端板结构示意图；

图4为结合图1的集成式燃料电池端板的局部燃料电池结构示意图。

符号说明：

1-集成式燃料电池端板，11-金属本体，11a-第一表面，11b-第二表面，12-热传导导流模块，12a-阴极气体导入槽区，12b-阴极气体导出槽区，12c-阳极气体导入槽区，12d-阳极气体导出槽区，12e-液体导入槽区，12f-液体导出槽区，12fa-液体流入口，12fb-液体流出口，13-固定部，21-电芯堆，211-电芯，22-集电板，3-阴极气体阀，4-阳极气体泵，41-转子部，A1-第一区域，AR-反应区域，W-液体导流壁。

具体实施方式

在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示，此外图式中元件的形状、尺寸、厚度以及角度等相关参数并未依照比例绘制，其简化用意仅为方便清楚说明。

请同时参阅图1、图2、图3及图4所示，其中，图1为本发明提供的一种集成式燃料电池端板的结构示意图，图2为图1的集成式燃料电池端板的结构分解图，图3为与阴极气体阀、阳极气体泵结合的图1的集成式燃料电池端板结构示意图，图4为结合图1的集成式燃料电池端板的局部燃料电池结构示意图。

在本实施例中，提供一种集成式燃料电池端板1，在集成式燃料电池端板1的一侧与一阴极气体阀3、一阳极气体泵4连结，另一侧则实质地对应设置有一电芯堆21，电芯堆21由复数电芯211堆栈而成，在本实施例中，在电芯堆21与集成式燃料电池端板1之间，更夹有一集电板22，本发明提供的集成式燃料电池端板1则包含有一金属本体11及一热传导导流模块12。

其中，金属本体11具有一第一表面11a及与第一表面11a对应的一第二表面11b，换句话说，第一表面11a与第二表面11b分别在金属本体11的两侧边。第一表面11a上有一第一区域A1，第二表面11b则与阴极气体阀3、阳极气体泵4连结。

热传导导流模块12连结于金属本体11的第一表面11a的第一区域A1并实质地与邻设于电芯堆21的集电板22连结，热传导导流模块12包含一阴极气体导入槽区12a、一阴极气体导出槽区12b、一阳极气体导入槽区12c、一阳极气体导出槽区12d、一液体导入槽区12e及一液体导出槽区12f。

其中，液体导出槽区12f实质上与连结于第二表面11b的至少局部阴极气体阀3及至少局部阳极气体泵4的至少其一对应，更详细来说，液体导出槽区12f在第一表面11a上的位置，实质上与第二表面11b上的阴极气体阀3至少局部地对应，或与第二表面11b上的阳极气体泵4至少局部地对应，或同时与第二表面11b上的阴极气体阀3及阳极气体泵4至少局部地对应。另外，热传导导流模块12的投影表面实质地与电芯堆21的投影表面重叠，也就是热传导导流模块12的形状在投影方向上，与电芯堆21实质地一致。

值得注意的是，为使金属本体11与热传导导流模块12能有更稳固、牢靠的连结关系，在金属本体11与热传导导流模块12连结的第一表面11a的第一区域A1上，还可经过物理性粗化处理、化学性粗化处理、涂布处理或上述处理方法的组合，举例来说，金属本体11的第一区域A1可经过磨砂、蚀刻或施予涂层等单一方式或各种方式的组合，以使金属本体11的第一区域A1具有较大的表面积，而在后续与热传导导流模块12接合时，能提供更有效的连结力。

而基于上述，本发明提供的热传导导流模块12为绝缘的，材料则可为聚合物或陶瓷，以聚合物材料为例，采用的原料可为耐热聚酰胺树脂，而通过聚合物的铸模成型的方法直接将热传导导流模块12形成于金属本体11的第一区域A1上，利用此种手法可使热传导导流模块12在成型的同时，即与金属本体11上经过表面处理的第一区域A1紧密地咬合，在这样的成型手法上，更彰显出第一区域A1经过表面粗化处理或涂层处理的重要性。另外，若当热传导导流模块12为预先独立成型的，也就是热传导导流模块12并不在金属本体11上进行固化，则仍可通过粗化第一区域A1或在第一区域A1上施予涂层，以增加组件之间的磨擦系数，也可达到稳固、牢靠的连结关系。于此同时，在金属本体11上，尤其是于第一区域A1的周围，可设有至少一固定部13，举例来说，当热传导导流模块12是以直接铸模成型于金属本体11的第一区域A1上时，在热传导导流模块12固化的过程中，热传导导流模块12的体积会稍有变化，并通过设置在第一区域A1周围的固定部13，而紧固地扣合住热传导导流模块12，整体地增加了与金属本体11的连结结构稳定度，若热传导导流模块12为预先独立形成的结构体时，相同地，设于第一区域A1周围的固定部13也可在安装已成型的热传导导流模块12的同时，提升与金属本体11之间的结构稳定度。其中，所述的固定部13可以是金属本体11延伸的一部分，或是额外固定于金属本体11的独立结构，而就固定部的结构型态而言，可以为钩体、突块、沟槽或各种结构型态，在本实施例中是以钩体为例说明，但不用以限制本发明的范围。

连结于集成式燃料电池端板1的一侧的阳极气体泵4具有一转子部41，如图2所示，阳极气体泵4的转子部41是以集成式燃料电池端板1的金属本体11的第二表面11b以直接密封转子部41，因此可有效地与金属本体11达到热平衡，无论在取得热能或逸散热能时，均有良好的效果。

而针对热传导导流模块12的结构来说，在投影方向上，液体导出槽区12f的面积大于阴极气体导入槽区12a、阴极气体导出槽区12b、阳极气体导入槽区12c、阳极气体导出槽区12d及液体导入槽区12e中任一槽区的面积，也就是说，在所有的槽区中，液体导出槽区12f的面积为最大的。就整体的热传导导流模块12而言，液体导出槽区12f在投影方向上的面积不小于热传导导流模块12在投影方向上的面积的40％，在不同的设计与需求中，液体导出槽区12f在投影方向上的面积可大于整体热传导导流模块12在投影方向上的面积的50％。

另外，液体导出槽区12f具有一液体流入口12fa、一液体流出口12fb及至少一液体导流壁W，其中，液体流入口12fa高于液体流出口12fb，且在本实施例中是以多个液体导流壁W为例说明，液体导流壁W设置于液体流入口12fa及液体流出口12fb之间，为使全方位液体导流的效果更为显著，在形状、设置的角度等等，均可依据需求而有不同的设计来适应，又为使流入至液体导出槽区12f的液体可延长流动及停留于其内的时间，液体流出口12fb的口径小于液体流入口12fa的口径，而上述的结构与设计，均可使液体导出槽区12f达到更有效、更均匀的热传导效果。

另外，在液体导出槽区12f的槽体设计上，更会依据不同的燃料电池规格与需求，而调整其深度，举例来说，在大功率的燃料电池中，由于冷却剂的用量可能会大于小功率的燃料电池，亦或是在具有较高热能产生的燃料电池中，也会使用较大量的冷却剂，在如此的条件下，液体导出槽区12f的深度可能会比其他设计更深，以适应较大流量的冷却剂与较高的热交换能力。

而在图4中则可看出，本发明提供的集成式燃料电池端板1与燃料电池2中的集电板22、电芯堆21对应设置，在燃料电池2中包含复数电芯211、二集电板22及二端板，复数电芯211堆叠形成电芯堆21并夹设在二集电板22之间，且在两端板中至少一是集成式燃料电池端板1，以本实施例为例，仅显示出燃料电池一端部为集成式燃料电池端板1，在实际的应用上，可以单一侧的端板为集成式燃料电池端板1，或两侧的端板均为集成式燃料电池端板1，当然，两侧均采用集成式燃料电池端板1可更有助于两末端的电芯维持在一定的操作温度范围。

明显地，燃料电池中的集成式燃料电池端板分别与阴极集电板、阳极集电板相邻设置，且集成式燃料电池端板的液体导出槽区实质地与电芯堆最外侧的一电芯的反应区域对应，换句话说，液体导出槽区设置的位置是对应于最末端的电芯的反应区域，因此，当流通在电芯堆内的冷却剂流入至集成式燃料电池端板内的液体导出槽区后，在其中流通的时间可直接向最末端电芯的反应区域提供热能，以使燃料电池在操作期间末端电芯经常发生难以维持温度而呈现较低温的状态所导致电性表现变差的问题。

因此，本发明提供的通过集成式燃料电池端板上具有热传导导流模块的设计，集成了导流、均热、绝缘、承压多种效能，使燃料电池可在不额外加装加热元件与伪电芯的情况下，通过流入液体导出槽区的温热液体，提高进入电芯堆的阴极气体及阳极气体的进口温度，同时也提高与其实质上连结的电芯堆(尤其是最靠近的该片电芯)的温度，以确保电芯电压的一致性进而改善电堆整体性能。同时，由于至少局部的阴极气体阀及至少局部阳极气体泵的至少其一实质地对应设置在液体导出槽区的另一表面上，在燃料电池操作期间，直接连结于金属本体的阳极气体泵本身还可与集成式燃料电池端板保持相同的温度，减少热能的逸散、维持电堆整体效能，并在燃料电池停止操作后，也有助于热能快速地逸散，恢复到室温状态。

综上所述，本发明集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池，确实能达成本发明的目的。

本发明所提供的技术内容并不限于上述的实施例，凡是与本发明所提供的概念及原则相同者，均落入本发明的申请专利范围。需注意的是，元件的定义，例如“第一”和“第二”并不是限定的文字，而是区别性的用语。而本发明所用的“包括”或“包含”涵盖“包括”和“具有”的概念，并表示元件、操作步骤及/或组或上述的组合，并不代表排除或增加的意思。又，除非有特别说明，否则操作的步骤顺序并不代表绝对顺序。更，除非有特别说明，否则以单数形式提及元件时(例如使用冠词“一”或“一个”)并不代表“一个且只有一个”而是“一个或多个”。本发明所使用的“及/或”是指“及”或“或”，以及“及”和“或”。本发明所使用的范围相关用语包含全部及/或范围限定，例如“至少”、“大于”、“小于”、“不超过”等，是指范围的上限或下限。

惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，均仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种集成式燃料电池端板，一侧与一阴极气体阀及一阳极气体泵连结，另一侧对应设置有一电芯堆，其特征在于，该集成式燃料电池端板包含：

一金属本体，具有一第一表面及一第二表面，该第一表面上有一第一区域，该第二表面与该阴极气体阀、该阳极气体泵连结；及

一热传导导流模块，连结于该金属本体的该第一表面的该第一区域并与邻设于该电芯堆的一集电板连结，该热传导导流模块包含一阴极气体导入槽区、一阴极气体导出槽区、一阳极气体导入槽区、一阳极气体导出槽区、一液体导入槽区及一液体导出槽区；

其中，该液体导出槽区与连结于该第二表面的至少局部该阴极气体阀及至少局部该阳极气体泵的至少其一对应，且该热传导导流模块的投影表面与该电芯堆的投影表面重叠。

2.根据权利要求1所述的集成式燃料电池端板，其特征在于，该第一表面的该第一区域经过表面物理性粗化处理、化学性粗化处理、涂布处理或上述处理的组合。

3.根据权利要求1所述的集成式燃料电池端板，其特征在于，该阳极气体泵具有一转子部，该转子部直接连结于该金属本体的该第二表面，且至少局部该转子部对应该第一表面的该液体导出区。

4.根据权利要求1所述的集成式燃料电池端板，其特征在于，该液体导出槽区在投影方向上的面积不小于该热传导导流模块在投影方向上的面积的40％。

5.根据权利要求1所述的集成式燃料电池端板，其特征在于，该液体导出槽区具有一液体流入口、一液体流出口及至少一液体导流壁，该液体导流壁设置于该液体流入口及该液体流出口之间，且该液体流出口的口径小于该液体流入口的口径，该液体流入口高于该液体流出口。

6.根据权利要求1所述的集成式燃料电池端板，其特征在于，该金属本体的该第一表面还包含至少一固定部，用于固定该热传导导流模块，且该固定部与该金属本体为一体结构或独立结构。

7.根据权利要求1所述的集成式燃料电池端板，其特征在于，该金属本体及该热传导导流模块通过黏着方式固定。

8.根据权利要求1所述的集成式燃料电池端板，其特征在于，该热传导导流模块为绝缘的。

9.一种燃料电池，其特征在于，该燃料电池包含：

复数电芯，堆叠形成一电芯堆；

一二集电板，该电芯堆夹设于该些集电板之间；及

二端板，对应地连结于该阴极集电板及该阳极集电板的外侧；

其中，至少一该端板为权利要求1至8中任一项所述的集成式燃料电池端板。

10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，端板的液体导出槽区与该电芯堆最外侧的一该电芯的一反应区域对应。

Images