CN1295806C - 具有均布压力装置的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种燃料电池，包含：一燃料电池堆(fuel cell stack)；二端板(end plates)，设于电池堆的纵向相对端；多个系杆(tie rods)，穿设过二端板的周缘区域，用于将电池堆锁固于二端板之间；及至少一均布压力装置，固定于电池堆与其中一端板之间，其中均布压力装置包含至少一压力风箱，可常态地对电池堆施以一固定且平均的操作接触压力，强化燃料电池的导电及运作效率。

Description

具有均布压力装置的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别是涉及一种具有均布压力装置的氢气燃料电池。
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。此外，人类已清楚地体会认识到天然能源的存量是有限的，如果被持续地滥用，可能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，与传统的内燃机相较，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及水，也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，每一单体包括位于中央的一质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)，其两侧各设一层催化剂，其外再各设置一层气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)，最外侧则分别设一阳极双极板与阴极双极板，将此构件紧密地以一预定的接触压力结合在一起而成一电池单体。
如图1，燃料电池在实际应用时，为了能获得足够的电力，通常将多个上述电池单体堆栈串联起来构成一电池堆10，并通过设于电池堆10纵向相对端的二端板12、13，以及多个穿设过二端板12、13周缘的系杆14，将电池堆10锁固于二端板12、13之间。
在燃料电池进行前述水电解的逆反应，以将其化学能转换成电能的同时，必需将电池堆的压力保持在一固定的范围内，以使水电解的逆反应可在最佳的压力条件下，将化学能转换成电能，提高转换效率。
如图2所示，是一种现有的燃料电池，其亦包含有如前述的电池堆10、二端板12、13、及多个系杆14。此现有的燃料电池进一步包括多个诸如弹簧的弹性组件50，将其固锁于下方端板13与各系杆14端部之间，使在锁固各系杆14的同时，可调整每一系杆14的锁紧程度，各弹性组件50弹性回复力作用于下方端板13的压力能够尽量接近各层电池单体所需的最佳导电接触压力。
明显地，此现有的压力保持手段主要是针对弹性组件50的所在位置调整其所施予下方端板13板的压力，因此，仅能保证弹性组件50附近的操作压力可以维持在所需的范围内，但仍无法有效控制距离各弹性组件(即各系杆14)较远位置的操作接触压力。
再者，在锁固各系杆14时，为确保电池单体整体平面受压均匀，便必需精确地测量每一系杆14的锁紧程度，因而使燃料电池的制作过程繁复且成本过高。
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具有均布压力装置的燃料电池，该均布压力装置可常态地对电池堆施以一固定且平均的操作接触压力，强化燃料电池的导电及运行效率。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种具有均布压力装置的燃料电池，包含：二端板，各该端板具有一中央区域及一周缘区域；一燃料电池堆，设于该二端板的中央区域间；一系结装置，设于该二端板的周缘区域间，用于将该电池堆锁固于该二端板上；及一均布压力装置，包含至少一压力风箱，固设于该电池堆与其中一该端板间，该压力风箱是由金属制成。
本发明的优点是：由于本发明采用可常态地对燃料电池堆施以一均匀压力的均布压力装置，此均布压力装置可进一步调整因热胀冷缩所引起的压力变化，并可补偿将各电池单体堆栈成一电池堆时可能产生的高度误差，以提高燃料电池的操作效率。且均布压力装置是运用至少一由金属制成的压力风箱，固定于电池堆与其中一端板之间，由于本发明的压力风箱是由金属制成，故可减少漏压的可能性；且压力风箱常态地以连续面接触的方式对电池堆施予压力，故其可省却现有安装压力保持装置时所需的繁复调整步骤，且可避免其所施予电池堆压力随压力保持装置中的每一弹性组件所装设的位置而有所变化。
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显示一燃料电池的立体图；
图2显示一具有现有压力维持装置的燃料电池；
图3a显示本发明所应用的均布压力装置的立体图；
图3b显示沿图3a中3b-3b线剖开的剖面视图；
图4显示本发明一较佳实施例具有均布压力装置的燃料电池的剖面示意图；及
图5显示本发明另一较佳实施例均布压力装置的燃料电池的剖面示意图。
图中符号说明：
10    电池堆
12    上方端板
13    下方端板
14    系杆
50    弹性组件
100   均布压力装置/压力风箱
102   均布压力装置/压力风箱
122   凹陷
132   凹陷
具体实施方式
参考图4所示的燃料电池，其包含：一燃料电池堆10；一上方端板12及一下方端板13；多个系杆14；及一均布压力装置100。
如图4所示，端板12、13各具有一中央区域及一周缘区域，且分别设于电池堆10的纵向相对端；系杆14则穿设过二端板12、13的周缘区域，通过螺栓15，将电池堆10锁固于二端板12、13的中央区域间。
图3a显示本发明所运用的均布压力装置100的立体图；图3b是沿图3a中3b-3b线剖开的剖面视图，其较佳至少包含一由金属制成的压力风箱。
为了方便将均布压力装置100固定于下方端板13与电池堆10之间，下方端板13面向电池堆10的一侧上较佳形成一凹陷132，恰可容纳该均布压力装置100于其内。
图5显示本发明的另一较佳实施例，在此实施例中，其上方端板12及电池堆10之间亦固定另一压力风箱102。如图5所示，上方端板13面向电池堆10的一侧亦形成一凹陷122，恰可容纳该压力风箱102于其内。
为了能够使电池堆10所承受在压力能够常态地保持在所需的压力范围，可约略利用以下的公式计算压力风箱所需灌入的压力，其中P为压力；A为载面积。
P电池单体×A电池单体＝P压力风箱×A压力风箱
由于上述公式的A电池单体及A压力风箱皆为已知，若欲将电池堆10所承受在压力保持在诸如655-724kPa(95至105磅每平方英寸(psi))的范围，则可将A电池单体、A压力风箱、及P电池单体(如689.476kPa(100psi))代入该公式，即可轻易地计算出公式中P压力风箱的数值。
由于本发明的均布压力装置100、102运用一由金属制成的压力风箱，故可减少泄压的可能性。再者，压力风箱是常态地以连续面接触的方式对电池堆10施予平均且对称的压力，故可确保其与施予电池堆的压力呈均布分布、调整因热胀冷缩所引起的压力变化、并可补偿将各电池单体堆栈成一电池堆时可能产生的高度误差，以提高燃料电池的操作效率。
本发明为一突破现有技术的新颖设计，然其亦可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，而所有的改变只要合乎本发明权利要求书所定义的范围或为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 (4)

1.一种具有均布压力装置的燃料电池，包含：
二端板，各该端板具有一中央区域及一周缘区域；
一燃料电池堆，设于该二端板的中央区域间；
一系结装置，设于该二端板的周缘区域间，用于将该电池堆锁固于该二端板上；及
一均布压力装置，包含至少一压力风箱，固设于该电池堆与其中一该端板间，该压力风箱是由金属制成。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：该均布压力装置包含的压力风箱数目为两个，分别固定于该电池堆与该二端板之间。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：该均布压力装置常态地对电池堆施以一维持在655-724kPa范围内的压力。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于：该端板上设有一凹陷，恰可容纳并定位该压力风箱于该端板上。
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