TW200803023A - Flow board of fuel cells - Google Patents

Description

200803023 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於應用於燃料電池領域中的流道娜〇w b〇ard) 及其製造方法，特別是有關於-種具備高抗曱醇性、高機械強度、 較佳的燃料〃,L動效此以及低加工成本之波浪型流道板及其製造方 法。 /、 【先前技術】 如熟習該領域者所知，直接情轉電池(DireetMetl_l Fuel Cel卜簡稱為DMFC)係一種利用稀釋甲醇水溶液作為燃料， 透過電化學程序將化學能轉換成f力之發錢置。與傳統的發電 方式相較，直接甲_料電池具有低污染、㈣音、高能量密度 以及較高的能量轉換效率等優點，乃具有前瞻性之乾淨能源，可 應用之領域包括家用發電系統、不斷電系統、電子產品、運輸工 具、軍用設備、太空工業等。 直接甲醇轉電池之運作顧乃以情水溶液在陽極觸媒層 進行氧化反應，產生氫離子(H+)、電子(e·)以及二氧化碳(c〇2)，其 中氫離子經由電解質傳遞至陰極，電子則經由外部電路傳遞至陰 極，此時供給陰極端的氧氣會錢離子及電子在陰極觸媒層進行 還原反應’並產生水。燃料電池—般皆由數健本單元所組成。 由於每個基本單元所能提供之電屋很小，因此在應用時必須串聯 多的基本單元，以達到所需要的操作電壓輸出。 6 200803023 在直接甲醇燃料電池元件之模組結構中，通常包括有集電板 以及流道板’分別扮演著不同重要的角色，其中集電板負責收集 電化學反應所產生的電子，而流道板則是負責燃料流動的分佈與 控制。過去，在流道板的部分皆著重在流道的設計，使燃料能夠 順利通過流道，而流>^^電極||_116111|5131^^1〇(^3§56〇1|^，]ypA) 〇 習知的流道板通常是以石墨或是以玻璃纖維板，如Fr4、 FR5 ’等材料做為基材，並需以電腦化數值控制(c〇mputer Numerical Control，簡稱為CNC)車床銑削技術製作而成，其缺點 疋CNC車床銑削製作之產能低、而加工成本高，且習知以石墨、 FR4或FR5等材質為基材之流道板機械性質普遍不佳、體積又大， 等種種因素皆不利於燃料電池之量產規模與普及化應用。 由此可知，好的流道板設計除了在材質選擇上必須耐燃料電 池之氣液罐及其反應物的化學性腐狀外，尚需具有高機械 性、低加工縣以及可快速大量生產之要求，而習知的流道板不 田在材質上或疋在製作方法上均有進—步改善與改良之空間。 【發明内容】 ， ，、有鑑於此，本發明之主要目的在提供-種改良之流if板及其 製造方法，以改善前述習知技藝之缺點。 本發明提供-觀於麟電池之波_流魏，包含有一射 7 200803023 出成型之板體基材，以可射出成型之高分子材料所構成；及至少 一個波浪型流道反應區，定義有複數個互相獨立之流道，設於該 板體基材之表面上，其中該波浪型流道板可與膜電極組壓合後， 並使燃料流通該流道經催化反應而產生電流。 本發明提供一種用於燃料電池之波浪型流道板，包含有一射 ⑩出成型之板體基材，以可射出成型之高分子材料所構成；至少一 個流道反應區，設於該板體基材之表面上；及至少一波浪型集電 板，定義有複數個互相獨立之流道，整合固定在該流道反應區内; 其中該波浪型流道板可與膜電極組壓合後，並使燃料流通該流道 經催化反應而產生電流。 為了使貴審查委員能更進-步瞭解本發明之特徵及技術内 容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖。然而所附圖式僅 • 供參考與辅助說明用，並非用來對本發明加以限制者。 【實施方式】 本發明係有關於用於以軋液體為燃料之燃料電池的波浪型流 道板，其中流道板具有一個或者一個以上的反應區，在與膜電極 組(MEA)壓合或者組合後，可藉由甲醇燃料流動反應而產生電流。 • 本發明之燃料電池用的波浪型流道板是一種對氫或含氫化合 ^ 物在催化劑下反應，將化學能轉換成電能之一種裝置，而本發明 8 200803023 為了要輕 ，並具有 /二道板針對可攜式電子產品用之質子交換膜燃料電池， 薄及短小化’魏抗驗轉及其反絲之化學腐餘性 良好之機械性質。 之上示的是本發明較佳實施例波浪型流道板 〜圖。如第1圖所示，本發明波浪型流道板 板體基材11 ’以及至少一個波浪型的流道反應區12。在第 係以四個波浪細道反應區12a、12b、12c及12d舉例·， 而流道反應區12b的側視圖如第1圖右邊所示，流道反應區12a、 12c及12 dm*為由上到下或由下到上的蝴流場方向， 其中，流道反應區12a、12b兩者的流道為互通，而流道反應區以 及12d的流道為互通，在流道反舰以及⑶之間為穿越區μ， 在流道反應區12c及12d之間為穿越區16。 此外，本發明並不限於在板體基材n的單面才有設置波浪型 的抓道反應區’在板體基材11的另—面亦可關時形成相同的波 浪型的流道反應區，目此本發明可以料碰道錢硫獻麵。 如第1圖所示，板體基材11在燃料注入端另設有一燃料注入 口 101、流入流道102以及分歧管1〇3。燃料，如甲醇等，經由燃 料注入口 101、流入流道102、分歧管1〇3分別進入流道反應區12a 以及12c的各獨立流道中，然後再分別流入與流道反應區12a以 及12c銜接相通的流道反應區12b以及12d，最後，由流出流道 200803023 112及113、燃料流出口 in流出。 本發明之主要特徵之一在於流道反應區12a、12b、12c及I2d 的流道皆為由上到下或由下到上的相同流場方向，其中，流道反 應區12a、12b兩者的流道為互通，而流道反應區12c及的流 道為互通’而且各個流道反應區12a、12b、12c及12d中的單一 φ 流道皆為互相獨立，如此可使流場更加順暢、均勻化。 根據本發明之較佳實施例，本發明之波浪型流道板之板體基 材11係運用射出成型技術形成者，利用一種可射出成型之高分子 複合材料，例如，聚醚醚酮(p〇lyetheretherket〇ne，簡稱為pEEK)、 聚醚__(P〇1yetherketoneketone，簡稱為 PEKK)、聚颯 (Polysulfone，簡稱為 PSU)、液晶高分子(liqui(iciystalp〇lymer，簡 稱為LCP)、高分子塑^反或複合式材料等之工程塑膠中之其中一種。 需強調的是，並非所有可射出成型之高分子材料皆適合用來 製作本發明之波浪型流道板之板體基材u，舉例來說，像樹 月曰、聚丙烯(PP)樹脂以及聚碳酸酯(polycarbonate，簡稱為pc)等， 儘官其可以藉由射出成型製成基板，但是卻不具備所要求的抗甲 醇性以及高機械強度，因此並不適合使用。因此，較適合的材料 還是以上文中所列舉的幾種，其中特別是以聚颯最為合適。 此外，上述之可射出成型之高分子複合材料可以採用與填充 200803023 劑-併射出的加工方式。前述之填細例如改質劑、流動劑、脫 膜劑等。 ’ 關於本發明形成波浪型流道板實施方式將以下例子說明之(此 例中以聚颯高分子作為流道板材料）。 _ 基本上’本發明射出成型法的基本步驟有三個，分別是熔化、 流動及凝固。首先，將粉粒狀的聚颯高分子塑膠材料加熱熔化成 液悲，然後，將熔化的聚颯高分子塑膠材料射入模具中，再行冷 卻、凝固即成。整個製作過程快速，也可以自動化，尤其適合大 量生產。 (1)熔化：將粉粒狀的聚颯高分子塑膠材料在溫度及壓力下產生塑 行變形。 Φ (2)流動··將變形的聚颯高分子塑膠材料在壓力作用下流動充滿整 個模具。 (3)凝固、冷卻：等待聚風高分子塑膠材料冷卻後取出。

第2圖繪示的是本發明所使用的模具20的分解示意圖。本發 明所使用的模具20可包括定位環21、注入口襯套22、導鎖23、 膜仁24、頂出板25、頂出銷26、C桿27、挾槽28、頂出器套蓋 • 29、注入口頂出器40、頂出器固定板41、支撐板42、B板43、A 板44以及頂部挾版45，但不侷限在上述模具組態。 200803023 本發明之波㈣騎道反舰12可叹她體紐u同時 乂身t出成1方式體成型者，但波浪型的流道反應區亦可以是另 外形成者’例如’以—㈣板蚊義流道，紐再與以射出成型 方式形成的板體基材11結合。 明參閱第3圖，其繪示的是本發明另一較佳實施例定義有波 ⑩’良型流道之集電板120示意圖。本發明之另-較佳實施例，集電 板(陽極)12〇包括有由不鑛鋼或 學腐蝕的金屬材料，例如，SUS316、遞3亂、SUS3()4、SUS3·、 鈦合金等材質所構成之薄型基板既，以沖壓方式製作成之波浪 型流道。 如第3圖所示，在集電板丨2()的正面121上係以沖壓方式形 成有複數個互相獨立之波浪型流道，能讓氣液燃料順利通過。若 鲁基板1施是以不鏽鋼所構成，由於不鏽鋼的電阻較高，則在集電 板120的背面122，可以鍍上一層銅膜12〇b，藉此降低電阻，然 後，再以一電著漆或者業界俗稱的rED漆」12〇c覆蓋住隔離住銅 膜120b，使銅層120b不會與燃料電池的氣液燃料相接觸，而使銅 析出毒化電池。集電板12〇另包括有一凸出、可勸折的導電耳部 132，用來將集電板12〇與形成在陰極導電板的線路電連接，讓電 子導出。 〜 第3圖中的集電板120與以射出成型方式形成的板體基材n 12 200803023 結合後的•祕’如第4圖所示。集電板12()可以沾膠或其它環 氧樹脂類高分子轉材料與板縣材n黏合，或者緊密卡合固定 在板體基材11上’如獅鉚了等其它方式顧。集電板12〇設 置在板體基材11所提供姆應的凹陷區域⑽内，其形狀能與集 電板120相配合，以節省空間。 同樣的在机道方向上，兩個相鄰的集電板12〇之間亦提供 有穿舰14、16 ’其流道為—體成賴板縣材η啊形成，需 與集電板12G之流道姆應銜接。導料部132在拗折後，可以 與形成在板縣材11的線路電連接，並可以將電料並。 、本發月將集電板12〇整合在板體基材u上的作法至少包括有 以下的優點。百先，集電板12〇可以不鏽鋼材質製作，相較於習 ^技藝集電板以金製程者，姆可節料多成本，㈣不鐘鋼基 以沖壓方式定義出波浪型流道亦十分簡單快速。此外，將集電 板12〇整合在減歸u上的触可崎健料電她裝後的整 體屋磨。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之轉變倾修飾，t觸本㈣之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖繪示的是本發明較佳實施例波浪型流道板之上視示意圖。 200803023 f圖曰示的是本發明所使用的模具的分解示意圖。 ^圖、、曰不的疋本發明另一較佳實施例定義有波浪型流道之集電板示細< 第4圖是第3 ®㈣集電板與板體紐結合後的態樣示意圖。 【主要元件符號說明】 10 波浪型流道板 12 流道反應區 12b 流道反應區 12d 流道反應區 16 穿越區 21 定位環 23 導銷 25 頂出板 27 C桿 29 頂出器套蓋 41 頂出器固定板 43 B板 45 頂部挟版 101 燃料注入口 103 分歧管 111 燃料流出口 113 流出流道 120 集電板 11 板體基材 12a 流道反應區 12c 流道反應區 14 穿越區 20 模具 22 注入口襯套 24 臈仁 26 頂出銷 28 挾槽 40 注入口頂出器 42 支撐板 44 A板 102 流入流道 112 流出流道 120 a 基板 14 200803023 120b 銅膜 120c 電著漆 121 正面 122 背面 132 導電耳部 220 凹陷區域

Claims (1)

1. 200803023 十、申請專利範圍： 1. 一種用於燃料電池之波浪型流道板，包含有： 一射出成型之板體基材，以可射出成型之高分子材料戶 至少—個波浪型流道反應區，定義有複數個互相獨立之流道， 設於該板體基材之表面上’其中職浪型流道板可與膜電極組壓 合後，並使燃料流通該流道經催化反應而產生電流。 2·如申請專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該波浪型流 道反應區與該板體基材係一體成型。 3·如申請專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該高分子材 料包含有聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、聚酮酮 (polyetherketoneketone，PEKK)、聚風(Polysulfone，iSU)、液晶高 分子(liquid crystal polymer，LCP)或複合式材料。 4. 如申請專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該燃料係一 甲醇溶液。 5. 如申請專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該燃料係一 液態燃料。 6. 如申請專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該燃料係一 % 氣態燃料。 16 200803023 7· 一種用於燃料電池之波浪型流道板，包含有： 射出成型之板體基材，以可射出成型之高分子材料所構成； 至少一個流道反應區，設於該板體基材之表面上；及 至乂波浪型集電板，定義有複數個互相獨立之流道，整合固 定在該流道反應區内； 其中該波浪型流道板可與膜電極組壓合後，並使燃料流通該流 Φ 道經催化反應而產生電流。 8·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該流道反應 區係為一凹陷區域。 9·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該高分子材 料包含有聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚颯、液晶高分子或複合式材料。 • 10·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該波浪型集 電板包括一基板。 11·如申請專利範圍第10項所述之波浪型流道板，其中該基板由 不鏽鋼或者其它能耐燃料電池氣液燃料之化學腐蝕的金屬材料所 構成。 12·如申請專利範圍第1〇項所述之波浪型流道板，其中該波浪型 集電板另包括一銅膜，鐘於該基板之一面上’以降低電阻。 200803023 13·如申請專利範圍第12項所述之波浪型流道板，其中該波浪型 集電板另包括一電著漆，覆蓋住該銅膜，以避免該銅膜與該燃料 接觸。 、… 14·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該波浪型集 電板包括一可拗折的導電耳部，用來使該波浪型集電板與形成在 該波浪型流道板表面上的線路電連接。 15·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該波浪型集 電板係以ΑΒ膠或環氧樹脂類高分子黏著材料固定在該流道反應 區内。 16·如申睛專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該波浪型集 電板係以ΑΒ膠固定在該流道反應區内。 17·如申请專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該波浪型集 電板係以卡合固定在該流道反應區内。 18·如申睛專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該燃料係一 曱醇溶液。 19·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該燃料係一 液態燃料。 200803023 20.如申請專科範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該燃料係一 氣態燃料。 十一、圖式：

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