CN1274049C - 燃料电池的双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明主要是有关于一种燃料电池的双极板，该双极板设有多个互相平行延伸的沟槽式气体通道，该气体通道具有均匀的截面积，且具有一开口，而在该气体通道中开口附近设有一用以缩减该截面积的装置，该用以缩减截面积的装置，为一凸起设于该气体通道中而与该双极板一体成型。通过上述结构可增加气体通道的入口与出口间的压力差，故可防止双极板中的气体通道被水滴阻塞，维持燃料电池高效率的运转。

Description

燃料电池的双极板
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的双极板，尤其是一种具有改良水处理(water management)功效的双极板，特别是一种应用于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)中具有较佳水处理功效的双极板。
背景技术
随着人类文明的进步，传统能源，譬如煤、石油及天然气的消耗量持续攀高，造成地球严重的污染，导致温室效应及酸雨等环境的恶化。人类已清楚地体会、认识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(fuel cell)便是其中的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，燃料电池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。
简而言之，燃料电池是一种将氢和氧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中所示，包括位于中央的一质子交换膜10(proton exchange membrane，PEM)，其两侧各设一层催化剂12，其外再各设置一层气体扩散层14(gas diffusion layer，GDL)，最外侧则分别设一阳极板16与阴极板18，将此构件紧密结合在一起后，即形成一电池单体。由于燃料电池在实际应用时，通常是将多个上述的电池单体堆栈串联起来，始能获得足够的发电功率，如图2中所示；因此，互相邻接的电池单体，可以共享一电极板，如图3中所示，而分别作为两个邻接电池单体中的阳极与阴极，故此电极板通常便称为双极板20(bipolar plate)。双极板20的两面通常皆设有许多沟槽式的气体通道22，如图3中所示，以输送用来反应的气体，如氢气与空气(以提供氧气)，并排出反应后的生成物，如水滴或水气。
由于燃料电池的双极板20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10，实现质子导电。因为气体中含水量过少时，质子交换膜10会脱水，使得燃料电池的电阻增大、电压降低，进而影响燃料电池的使用寿命，故有可能设计一加湿装置使气体蕴涵足够的水气以改善此情况。但若含水量过多，则有可能阻塞双极板20中气体流通的气体通道22，如图4中所示，使得气体无法持续流通而中断燃料电池中的化学反应，亦会对燃料电池的性能产生负面的影响。因此，燃料电池中针对双极板内的水处理便显得非常的重要。
为了防止双极板20中的气体通道22被水滴24阻塞，其中一种最有效的解决方式，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4中所示，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另一侧的压力则与气体通道出口的压力相等，所以，若能使入口与出口之间的压力差(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。
现有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5中所示，以利用气体流经通道壁面时所产生的摩擦力，在气体通道入口与出口间形成较大的气体压力差。然而，此现有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20制造上的困难度及相关成本。此外，此细长弯曲的气体通道，容易使气体在流动时产生紊流或其他不利的流动情况，可能影响反应的顺利进行而降低燃料电池的效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池的双极板，其构造简单、制造成本低廉、适合量产，且可确保燃料电池高效率的运行。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种燃料电池的双极板，该双极板设有多个实质上互相平行延伸的沟槽式气体通道，该气体通道具有实质上均匀的截面积，且具有一开口，而该开口附近设有一用以缩减该截面积的装置。
该用以缩减截面积的装置，为一凸起设于该气体通道中而与该双极板一体成型。
该用以缩减该截面积的装置，为一多孔性材料，其置于该开口中。
本发明的优点是：本发明由于将沟槽的截面积缩减，增加了气体通道的入口与出口间的压力差，故可防止双极板中的气体通道被水滴阻塞，维持燃料电池高效率的运作。且因其构造简化，故制造成本低廉，适合量产，且可有效地确保燃料电池在高效能的情况下运行。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是显示现有燃料电池的电池单体结构的剖面分解示意图；
图2是显示将多个现有电池单体组合后应用的剖面分解示意图；
图3是显示现有燃料电池部分结构的剖面分解示意图；
图4为沿图3中的4-4线剖开的剖面示意图；
图5是显示现有双极板的平面示意图；
图6是显示本发明较佳实施例双极板的剖面分解示意图；
图7为显示本发明一较佳实施例中双极板的局部放大剖面示意图；
图8为本发明的另一较佳实施例的局部放大剖面示意图。
图中符号说明：
10    质子交换膜
12    催化剂
14    气体扩散层
16    阳极板
18    阴极板
20    双极板
22    气体通道
24    水滴
26    开口
28    凸起
30    多孔性材料
具体实施方式
本发明燃料电池的双极板，主要是针对质子交换膜燃料电池的双极板，该双极板20不论为图3或图6中何种形状，皆具有多个实质上互相平行延伸的沟槽式气体通道22，每一该气体通道22由其壁面与气体扩散层14间定义出一截面积，且各具有一开口26。在本发明的一种较佳实施例中，如图7中所示，开口26附近可将双极板20的壁面向内延伸，设置一凸起28，以缩减该截面积，根据流体力学原理，此气体通道22截面积的缩减，可以增加其两侧的压力差(ΔP)，因此，本发明即利用制造上大幅简化的方式将气体通道22的流通面积局部缩减，便可达到防止双极板20中气体通道22被水滴阻塞的目的。
在本发明的另一种较佳实施例中，如图8中所示，可在开口26处分别设置一多孔性材料30，此多孔性材料30可为整体式而分别突伸进入每一开口26中，以大幅减低气体通道22开口26处的截面积。多孔性材料30较佳者是具有互相通连的球形孔隙，以供气体流通；多孔性材料30最好亦为疏水性的，以避免因气体中所含有水气将孔隙堵塞，或防止因水气而容易产生锈蚀或微生物滋生等问题。较佳者，该多孔性材料是由多元酯制成。
本发明的设置，可在气体通道22内产生较为显著的压力差(ΔP)，譬如约5至10磅/平方英寸(psi)，故当气体通道22内发生水滴阻塞时，可利用此压力差(ΔP)将水滴吹散或吹出气体通道22。
本发明为一突破现有技术的新颖设计，然其亦可以以其它的特定形式来实现，而不脱离本发明的精神和重要特性。因此上述所列的技术实施方式在各方面都应被视为例示性而非限制性实施例，而所有改变只要包括在本发明的权利要求书所定义的范围或与其技术实施方式等效者，均应包含在本发明的保护范畴内。

Claims (1)

1.一种燃料电池的双极板，该双极板设有多个互相平行延伸的沟槽式气体通道，该气体通道具有均匀的截面积，且具有一开口，而在该气体通道中开口附近设有一用以缩减该截面积的装置，该用以缩减截面积的装置，为一凸起设于该气体通道中而与该双极板一体成型。
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