CN1215591C - 燃料电池组的反应极板的排水增压装置 - Google Patents

燃料电池组的反应极板的排水增压装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池组的反应极板的排水增压装置，此反应极板包含一进气孔、一出气孔、数个宽气体通道及数个窄气体通道，所述宽气体通道平行排列且与进气孔相通，所述窄气体通道平行排列且与出气孔相通，所述宽气体通道的每一通道连通互相对应的所述窄气体通道的每一通道，所述气体流通自所述宽气体通道进入窄气体通道，因气体通道宽度改变，而使所述宽气体通道的进气压力与所述窄气体通道的出气压力所产生的一压力差变大，可使此压力差与所述宽气体通道的一截面积的乘积所得到的一驱动力足以吹出因毛细现象而吸附在气体通道内部的水。

Description

燃料电池组的反应极板的排水增压装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组，且特别涉及一种燃料电池组的反应极板的排水增压装置。
背景技术
随着人类文明的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续的升高，造成地球严重的污染，导致温室效应及酸雨等环境的恶化。人类已清楚地体认到天然能源的存量有限，如果持续地滥用，在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源，而燃料电池组便是其中一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相比较，燃料电池组具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。
燃料电池组是一种将氢气与氧气通过电化学反应产生电能的发电装置，其基本上可说是一种水电解的逆反应，以将其化学能转换成电能。以质子交换膜燃料电池组为例，其包括多个电池单体，每一电池单体的结构大致如图1为已知燃料电池组的电池单体结构的剖面分解示意图所示，包含位于中央的一质子交换膜(Proton ExchangeMembrane，PEM)11，其两侧各设一层催化剂12，其外侧再各设置一层气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)14，最外侧则分别设一阳极板16与一阴极板18，将此等构件紧密结合在一起后，及形成一电池单体。
如图2所示，其为已知燃料电池组部份结构的剖面分解示意图，分别作为两个邻接电池单体中的阳极与阴极的电极板通常称为双极板(Bipolar Plate)20，双极板20的两面通常设有许多沟槽式的气体通道22，其藉以输送反应用的气体，如氢气与含氧气的空气，并排出反应后的生成物，如水滴或水气。
以图2为例，由于燃料电池组的双极板20(图1的阳极板16与阴极板18也相同)中的气体必须具有相当程度的湿度，始能将反应生成的离子携带并穿越质子交换膜11，实现质子导电。因为气体含水量过少时，质子交换膜11会脱水，使得燃料电池组的电阻增大、电压降低，进而影响燃料电池组的寿命，故有可能设计一加湿装置使气体蕴含足够的水气以改善此情况。若气体的含水量过多时，则因为毛细现象使水附着在气体通道22的内壁，而水慢慢地累积使气体通道22的有效的截面积缩小，更有可能阻塞双极板20中气体流通的气体通道22，如图3为图2的3-3剖面线所得的剖面示意图所示，使得气体无法持续流通而中断燃料电池组的电化学反应，也会对燃料电池组的性能产生负面的影响。因此，燃料电池组中针对双极板20(阳极板与阴极板亦同)的设计便显得非常的重要。
为了防止双极板20中的气体通道22被水滴24阻塞，其中一种解决方式为增加气体通道22的入口与出口之间的压力差ΔP。如此，当气体通道22被水滴24阻塞时，如图3所示，由于此时气体已不流通，故水滴24一侧的压力将与气体通道入口的压力相等，而水滴24另一侧的压力将与气体通道出口的压力相等，若能使入口与出口的压力差ΔP加大，则此压力差ΔP便会施加于水滴24的两侧并足以将其吹散或吹出气体通道22。
已知增加气体通道的入口与出口间压力差的方式，为缩小气体通道的直径及/或增加气体通道的长度，而将其制成细长的蜿蜒状，如图4为已知双极板的平面示意图所示，利用气体流经通道壁面时所产生的摩擦力，在气体通道入口及出口间形成较大的气体压力差。然而，此种方式必须将气体通道制成单一的延长蜿蜒状，且非常细的通道，增加双极板制造上的困难度及相关成本。此外，此种细长弯曲的气体通道，容易使气体于流动时产生乱流或他种不利的流动情况，可能影响反应的顺利进行而降低燃料电池组的效率。
因此本发明的目的在于提供一种燃料电池组的反应极板的排水增压装置，其对反应极板的气体通道的路径作简单的设计，可对气体通道入口及出口间产生足够大的气体压力差，以吹散及吹出附着在气体通道的内壁的水，并且可使反应极板的制造、加工容易及节省相关的成本。
发明内容
本发明在于提供一种燃料电池组的反应极板的排水增压装置，此反应极板包含一进气孔、一出气孔、数个宽气体通道及数个窄气体通道，这些宽气体通道平行排列且与进气孔相通，这些窄气体通道平行排列且与出气孔相通，这些宽气体通道的每一通道连通互相对应的这些窄气体通道的每一通道，由于气体流通由这些宽气体通道而到这些窄气体通道，因气体通道宽度改变，而使这些宽气体通道的进气压力与这些窄气体通道的出气压力所产生的一压力差变大，可使此压力差与通道的一截面积的乘积所得到的一力足以吹出因毛细现象而吸附在气体通道的水。
根据上述的目的，本发明提供一种燃料电池组的反应极板的排水增压装置，其对反应极板的气体通道的路径作简单的设计，可对气体通道入口及出口间产生足够大的气体压力差，以吹散及吹出附着在气体通道的内壁的水。
结合随后的详细说明及随附的权利要求，可以更加明白本发明的其它目的及优点。
附图说明
图1为已知燃料电池组的电池单体结构的剖面分解示意图；
图2为已知燃料电池组部份结构的剖面分解示意图；
图3为图2的3-3剖面线所得的剖面示意图；
图4为已知双极板的平面示意图；
图5为本发明阴极板的平面示意图；
图6为图5的6-6剖面线所得的剖面示意图；
图7为图5的7-7剖面线所得的剖面示意图；
图8为本发明阳极板的平面示意图；
图9为图8的9-9剖面线所得的剖面示意图；以及
图10为图8A的10-10剖面线所得的剖面示意图。
【组件编号的说明】
11…质子交换膜           12…催化剂
14…气体扩散层           16、50…阳极板
18、30…阴极板           20…双极板
22…气体通道             24…水滴
32、34…空气进气孔       36、38…空气出气孔
40、56…宽气体通道       42、58…窄气体通道
52…氢气进气孔           54…氢气出气孔
具体实施方式
图5为本发明阴极板的平面示意图。在图5中，燃料电池组的阴极板30包含空气进气孔32、34与空气出气孔36、38，数个宽气体通道40平行排列且与空气进气孔32、34相通，数个窄气体通道42平行排列且与空气出气孔36、38相通，宽气体通道40的每一通道连通互相对应的窄气体通道42的每一通道；当含氧气的空气由空气进气孔32、34进入阴极板30后，流经宽气体通道40、窄气体通道42以进行电化学反应，反应后的空气再由空气出气孔36、38流出阴极板30。
图6为图5的6-6剖面线所得的剖面示意图，图7为图5的7-7剖面线所得的剖面示意图，图6中的宽气体通道40可流经气体的截面积是比图7中的窄气体通道42可流经气体的截面积来得大，因此，气体由大截面积的通道流入小截面积的通道，其会产生较大的压力差；假设在宽气体通道40的入口处的进气压力为P1(即近似鼓风机吹入燃料电池组的气体压力)，宽气体通道40的截面积为A1，在窄气体通道42的出口处的出气压力为P2(即近似大气压力)，窄气体通道42的截面积为A2，因此在宽气体通道40会产生一力F＝(P1-P2)×A1＝ΔP×A1，由于宽气体通道40与窄气体通道42之间的压力差ΔP增大，而且宽气体通道40的截面积A1又较大，所以在宽气体通道40上的力F足以吹散及吹出因毛细现象而吸附在宽气体通道40的水；然而，在窄气体通道42的截面积A2比较小，但因截面积小可使窄气体通道42的气体流速增大，有如同喷嘴的作用，也可吹散及吹出因毛细现象而吸附在窄气体通道42的水。
如图5所示，气体通道由宽通道(即宽气体通道40)缩小为窄通道(即窄气体通道42)的排水增压装置，其可以有效清除附着在气体通道内壁的水，而且如此的气体通道的制造、加工都很容易完成，以及可节省相关的成本。
同样地，在图8为本发明阳极板的平面示意图中，燃料电池组的阳极板50包含氢气进气孔52与氢气出气孔54，数个宽气体通道56平行排列且与氢气进气孔52相通，数个窄气体通道58平行排列且与氢气出气孔54相通，宽气体通道56的每一通道连通互相对应的窄气体通道58的每一通道；当含氢气由氢气进气孔52进入阳极板50后，流经宽气体通道56、窄气体通道58以进行电化学反应，未反应完的氢气再由氢气出气孔54流出阳极板50。
图9为图8的9-9剖面线所得的剖面示意图，图10为图8的10-10剖面线所得的剖面示意图，图9中的宽气体通道56可流经气体的截面积是比图10中的窄气体通道58可流经气体的截面积来得大，因此，气体由大截面积的通道流入小截面积的通道，其会产生较大的压力差；假设在宽气体通道56的入口处的进气压力为P1(即由鼓风机吹入燃料电池组的气体压力)，宽气体通道56的截面积为A1，在窄气体通道58的出口处的出气压力为P2(即近似大气压力)，窄气体通道58的截面积为A2，因此在宽气体通道56会产生一力F＝(P1-P2)×A1＝ΔP×A1，由于宽气体通道56与窄气体通道58之间的压力差ΔP增大，而且宽气体通道56的截面积A1又较大，所以在宽气体通道56上的力F足以吹散及吹出因毛细现象而吸附在宽气体通道56的水；然而，在窄气体通道58的截面积A2比较小，但因截面积小可使窄气体通道58的气体流速增大，有如同喷嘴的作用，也可吹散及吹出因毛细现象而吸附在窄气体通道58的水。
如图8所示，气体通道由宽通道(即宽气体通道56)缩小为窄通道(即窄气体通道58)的排水增压装置，其可以有效清除附着在气体通道内壁的水，而且如此的气体通道的制造、加工都很容易完成，以及可节省相关的成本。
图5与图8所示的气体通道的路径形状仅是说明本发明的排水增压装置，并非限定本发明的排水增压装置应用于各种反应极板(阳极板、阴极板及双极板)的气体通道的路径。同样地，本发明的排水增压装置除了应用于阳极板及阴极板之外，也可应用于分别作为两个邻接电池单体中的阳极与阴极的双极板。
本发明的优点是对反应极板的气体通道的路径作简单的设计，可对气体通道入口及出口间产生足够大的气体压力差，以吹散及吹出附着在气体通道的内壁的水。
本发明的另一优点是可使反应极板的制造、加工容易及节省相关的成本。
本发明可在不离开本发明的精神及基本特征下作成各种特定的例示。本发明的范围为由随附的权利要求所限定，而并非由上述说明所限制，所有与权利要求意义相等的变化均应包含于本发明中。

Claims (3)

1.一种燃料电池组的反应极板的排水增压装置，其特征在于：所述反应极板包含一进气孔、一出气孔、多个宽气体通道及多个窄气体通道，所述宽气体通道平行排列且与所述进气孔相通，所述窄气体通道平行排列且与所述出气孔相通，所述宽气体通道的每一通道连通互相对应的所述窄气体通道的每一通道，气体流通自所述宽气体通道进入所述窄气体通道，因气体通道宽度改变，而使所述宽气体通道的进气压力与所述窄气体通道的出气压力所产生的一压力差变大，可使所述压力差与所述宽气体通道的一截面积的乘积所得到的一驱动力足以吹出因毛细现象而吸附在气体通道内部的水。
2.如权利要求1所述的燃料电池组的反应极板的排水增压装置，其特征在于：所述反应极板选自一阳极板、一阴极板及兼具阳极与阴极的一双极板的其中之一。
3.如权利要求1所述的燃料电池组的反应极板的排水增压装置，其特征在于：所述进气孔选自一氢气进气孔及一空气进气孔的其中之一，所述出气孔选自一氢气出气孔及一空气出气孔的其中之一。
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