TW200840123A - Flow field plate module for fuel cell system - Google Patents

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200840123 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種燃料電池，特別是一種燃料電池之 流道板模組。 【先前技術】 查燃料電池(Fuel Cell)係一種藉著電化學反應，直接 利用含氫燃料和空氣產生電力的裝置。由於燃料電池具有 低’亏柒、低。呆音、咼效率等優點，是符合時代趨勢的能源 技術。在各種不同類型之燃料電池中，最常見的有質子交 換膜燃料電池(PEMFC)以及直接曱醇燃料電&(DMFC)兩種 類型。 苓閱第1圖所示，習知燃料電池之流道板模組丨包括 有一膜電極組 ll(Membrane Electrode Assemble，縮寫為 MEA)，而其外侧則分別設一陽極流道板a與一陰極流道 板13。其中膜電極組11係由一質子交換膜111 (pr〇ton

Exchange Membrane，PEM)、一陽極觸媒層 112、一陰極 觸媒層 113、一陽極擴散層 ii4(Diffusion Layer，GDL)、 一陰極擴散層115所組成。其中陽極流道板12與陰極流道 板13通常由石墨所構成，其内側表面分別設有可供反應物 流動的流道121、131。 曱醇水溶液經幫浦輸送流經陽極流道板12的流道121 中而與膜電極組11之陽極觸媒層丨12反應時，需要有良 好的机道設計方能使曱醇水溶液與陽極觸媒層112之觸媒 6

200840123 均勻反應。除此之外’甲醇水溶液與觸媒反應時會生成陽 ，產物（例β如.一乳化碳）’陽極流道板之流道結構設計也 需具備將陽極產物順利排出之的功能。 在/知陽極流道板之流道結構設計中，有採用蛇形流 ^如弟2圖）或並聯流道(如第3圖）等不同之結構。蛇形流 逼之％極^道板12上佈設有迴繞路徑之蛇形流道121a， =流道咖之-端係連通於—陽極燃料人口 μ，而另 一立而則連通於一陽極錄料屮 ^ …科出口 15。並聯流道之陽極流道板 121br^複^個並聯路徑之並齡道咖，並聯流道 山、、八同立而係連通於一陽極燃料入口 14,而另-共同 端則連通於一陽極燃料出口丨5。 /、 上述之流道板雖然都能達 目的，但仍存在了各自的^ =㈣水溶液）輸送之 由於流道長度較長，造蛇形流道之設計， 之时.咼 机版在輸达時（如箭號方向所示） ‘狀=以較大壓力的幫浦方能驅動甲醇水溶液 使得下游之甲醇水溶液反;後才流至下游’ 計，雖然改善了蛇形流道之=二而並聯流道之設 但母個並聯流道中之流量卻 ^ 中產生二氧化碳堆積時，使問題且當流道 易朝其它較小流且增大，造成燃料 問題。 通m化碳不易排除之 7 200840123 【發明内容】 本發明之一目的是提供一種燃料電池之流道板模組， 以第一導流組及第二導流組之結構設計使流道板之燃料輸 .送流道具有良好的流場，故使陽極燃料得以均佈在流道板 之燃料輸送流道中。 本發明之另一目的是提供一種燃料電池之流道板模 組，藉由第一導流組及第二導流組之結構使流道板之燃料 濃度均一。 _ 本發明之又一目的是提供一種燃料電池之流道板模 組，猎由對稱之導流板設置’使燃料在通過流場時5各流 道之流量分配均勻。 為達到上述之一或部分或全部目的，本發明一實施例 之燃料電池之流道板模組包括一流道板，流道板之燃料輸 送流道區分為一中央匯流區域以及位於中央匯流區域兩側 之分流區域，其中中央匯流區域設置一第一導流組，而分 流區域分別設置有一弟二導流組。弟二導流組之各個第二 • 導流板之内侧端係向中央匯流區域之方向延伸至第一導流 組之兩相鄰之第一導流板之間，並與相鄰之第一導流板間 在流體導出方向具有一偏移距離，而在第二導流板與兩相 鄰之第一導流板之間分別形成一流體通道。 相較於現有技術，本發明有效克服了習知燃料電池之 流道板之蛇形流道之缺失，不會有流道板流道長度太長之 問題，故流體輸送時之壓損即可降低。且本發明之結構設 計，其流道之曱醇濃度較為均一，有效改善了習知蛇形流 8 200840123 道之曱醇水溶液濃度不均之問題。再者，本發明由於採用 了包括有複數導流板構成之導流組佈設在流道板之燃料輸 送流道中之設計，故除了改善蛇形流道之上下游甲醇濃度 不均之問題，同時也克服了習知並聯流道中流量分配不均 之問題，對於陽極反應產物二氧化碳之排除亦得到改善。 【實施方式】 參閱第4圖所示，本發明第一實施例之燃料電池之流 道板模組包括一流道板1 〇〇，流道板100係包括一本體2、 一第一導流組3及二第二導流組4、5。其中，本體2具有 一燃料入口壁面21、一燃料出口壁面22、兩個對應側壁面 23、24，其壁面21、22、23、24係定義形成一燃料輸送流 道 20。 ， 燃料入口壁面21開設有一燃料入口 211，燃料出口壁 面22開設有一燃料出口 221，在本實施例中，燃料電池係 以一直接曱醇燃料電池為例，且以曱醇水溶液作為陽極燃 料，而流道板100係一陽極流道板為例，流道板100用來 提供甲醇水溶液之輸送流道。 再者，燃料輸送流道20中被區分為一中央匯流區域 A1以及兩個在中央匯流區域A1兩侧且鄰近於側壁面23、 24之分流區域A2、A3 ’分流區域A2位於中央匯流區域 A1與側壁面23之間，分流區域A3位於中央匯流區域A1 與側壁面24之間，其燃料入口 211與燃料出口 221位於中 央匯流區域A1，其陽極燃料由燃料入口 211導入至燃料輸 9 200840123 送流道20後，由燃料出口 221以一流體導出方向ι導出。 第一導流組3設置於中央匯流區域A1中，其係包括 複數個第-導流板31、32、33、34，各個第一導流板31、 32、33、34沿著流體導出方向I間隔地佈列在燃料輸送流 道之中央匯流區gAl。其中，各個第一導流板31、 32、33、34係呈平板狀隔板結構，且其長度方向係彼此平 行且垂直於流體導出方向I。 第一導机組4、5係分別左右對應地佈列在該第一導 流組3兩侧之分流區域A2、A3巾，每—第二導流組4包 括至少-左側第二導流板4卜42、43沿著流體導出方向工 間隔地佈列在燃料輸送流道2〇之分流區域Μ巾，第 包括至4 -右側第二導流板51、52、Η沿著流體導 出方向I間隔地佈列在燃料輸送流道2〇之分流區域μ ^ °其中’左側第二導流板4卜42、43與右側第二導流板 I1中52/3係呈平板狀隔板結構，並以中央匯流區域A1 二心左右對應，即左側第二導流板4ι對應右側第二導流 ^一、"左側第二導流板42對應右側第二導流板^，左側 弟一¥流板43對應右側第-導产 、 4卜42、4^ 3°各個第二導流板 53亦係為隔板結構，且其長产方 向不彼此平行且垂直於流體導出方向I。 /、人 各個第二導流板41、42、43及S1 係分別與對應之側壁面23、24相接、：個】之:側端 4;、42、43及51、52、53 ;著:二= 與相鄰之第一導流板3卜32、 者一出方向Ϊ 之間分別具有一偏移 200840123 距離dl、d2，故與相鄰對應之第一導流板31、32、33、34 間形成一流體通道20a、20b。例如第二導流板41之内側 端沿著流體導出方向I與第一導流板31與第一導流板32 之間分別形成一偏移距離dl、d2，即提供第二導流板41 與第一導流板31、32之間形成流體通道20a，第二導流板 51之内侧端沿著流體導出方向I與第一導流板31與第一 導流板32之間分別形成一偏移距離dl、d2，即提供第二 導流板51與第一導流板31、32之間形成流體通道20b。 參閱第5圖所示，陽極燃料Fin由燃料入口 211導入 至燃料輸送流道20後，陽極燃料Fin以流體導出方向I輸 送受到第一導流板31導流後，使陽極燃料Fin以分流方向 II、III分別向分流區域A2、A3形成二分流FI、F2，分流 FI、F2經流體通道20a、20b及二第二導流板41、51之導 引後，使分流FI、F2分別導向中央匯流區域A1之方向， 復在中央匯流區域A1中匯集成一主流F12。主流F12在經 過數個階段之第一導流板32、33、34與第二導流板42、 43、52、53之重複分流、匯流之後，使導出之陽極燃料 Fout由燃料出口 221送出。 參閱第6圖所示，本發明第二實施例之燃料電池之流 道板模組包括一整合流道板200以及配置於整合流道板 200之一外框2’内之數個流道板100、100a、100b，數個流 道板100、100a、100b沿一垂直於流體導出方向I間隔且 相鄰排列，而每一個流道板100、l〇〇a、100b之結構則與 第一實施例之流道板100結構相同。整合流道板200内部 11 200840123 形成一共同燃料輸送流道6,並開設有一燃料入口 61、一 燃料出口 62，共同燃料輸送流道6中具有一燃料導入通道 63及一燃料導出通道64。 . 每一個流道板100、100a、100b各自形成一獨立的流 道結構，而各個流道板100、100a、100b相鄰配置共同組 成一個流場。各個獨立的流道板100、100a、100b之燃料 入口 211係與燃料導入通道63相連通，而燃料出口 221係 與燃料導出通道64相連通。如此，可以使流道板獲得更均 • 勻的流場分佈，使陽極觸媒的各區域濃度差別縮小。 陽極燃料Fin由整合流道板200之燃料入口 61進入 共同燃料輸送流道6中之燃料導入通道63後，由各個流道 板100、100a、100b之燃料入口 211送入各流道板100、 100a、100b之燃料輸送流道20，並在經過各個流道板 100、100a、100b内部之燃料輸送流道20後，由各流道板 100、100a、100b之燃料出口 221送出，最後再經由共同 燃料輸送流道6之燃料導出通道64後，由燃料出口 62送 • 出。 參閱第7圖所示，本發明第三實施例之燃料電池之流 道板膜組包括一整合流道板300及配置於整合流道板300 之一外框2”内之數個流道板100、100a、100b、100c，數 個流道板100、l〇〇a、100b、100c沿一垂直於流體導出方 向I與流體導出方向I間隔排列呈一矩陣結構（例如：2x 2)，而每一個流道板100、100a、100b、100c之結構則與 第一實施例之流道板100結構相同。每一個流道板100、 12 200840123 驗、嶋、隐各自形成—獨立的流道結構而各個流 迢板100、100a、麵、_相鄰配置共同组成_個矩陣 型的整合流場^此，亦可以獲得均勾的流場分佈，使陽 極觸媒的各區域濃度差別縮小。

…蒼閱第8圖所示，本發明第四實施例之燃料電池之流 運板100d與第-實施例之流道板1〇〇、結構相似。故相同之 構：：標示以相同之元件編號，以資對應。其差異在於第 、、且3之各個第一導流板另開設有一個以流體導出方 向I貝通之開口，例如第—導流板31開設有—個以流體導 =方向I貫通之開π 311。故燃料在通過第一導流板31 時，可形成部份分流通過開口 311。而第二導流組4、5之 各個第二導流板之相端職㈣輸送流道對應之側壁面 24之間具有一開口，例如第二導流板41、51與燃料 輸送流道之側壁面23、24之間分別具有一開口 、 511。故燃料在通過第二導流板41、51時，可形成部份分 過開口 411、511。而第二實施例及第三實施例中的流 迫板1〇〇、100a、100b、100c亦可採用與第四實施例之流 道板100d相同的結構。 芩閱第9圖所示，本發明第五實施例之燃料電池之流 迢板100e與第四實施例之流道板1〇〇d結構相似，但在第 今流組3之各個第一導流板開設有數個開口 311、312。 而在第二導流組4、5之各個第二導流板之外側端除了與對 C之側壁面23、24之間具有一開口 411、511之外，亦開 设有額外的數個開口 412、512。而第二實施例及第三實施 13 200840123 例中的流道板1GG、_a、麵、驗亦可採用與第四實 施例之流道板100d相同的結構。 參閱第10目所不，本發明第六實施例之燃料電池之 流迢板100f之與第-實施例之流道板i⑽結構相似，但第 -導流組3中之各個第—導流板則在流體導出方向^係具 有弧狀輪廓表面313。如上可使燃料在通過各個第一導流 板時，可進一步降低流阻。 一猎由上述之本發明實施例可知，本發明提供一種具有 二高度產業利用價值之燃料電池之流道板，惟以上之實施例 :明，僅為本發明之較佳實施例說明，凡習於此項技術者 二可依據本^明之上述實施例說明而作其它種種之改良及 又化、，然而每些依據本發明實施例所作的種種改良及變 化’當仍屬於本發明之發明精神及界定之專利範圍内。 【圖式簡單說明】 :1圖習知燃料電池結構剖視圖； Γ θ 有虼形流道之陽極流道板之結構示意圖； μ θ '、有並聯流道之陽極流道板之結構示意圖； ::圖本發明燃料電池之流道板之第-實施例示意圖； !圖本發明第一實施例之陽極燃料流場示意圖； $6圖本發明燃料電池之流道板模組之第二實施例示意 圖； * μ 5本土明燃枓電池之流道板模組之第三實施例示意 圖； 14 200840123 第8圖本發明燃料電池之流道板之第四實施例示意圖； 第9圖本發明燃料電池之流道板之第五實施例示意圖； 第10圖本發明燃料電池之流道板之第六實施例示意圖。 【主要元件符號說明】

100、100a、100b、100c lOOd 、 100e 、 100f 200 300 1 11 111 112 113 114 115 12 121 121a 121b 13 131 14 15 流道板 流道板 整合流道板 整合流道板 燃料電池之流道板模組 膜電極組 質子交換膜 陽極觸媒層 陰極觸媒層 陽極擴散層 陰極擴散層 陽極流道板 流道 蛇形流道 並聯流道 陰極流道板 流道 陽極燃料入口 陽極燃料出口 15 200840123

2 本體 2,、 2” 外框 20 燃料輸送流道 20 a 、20b 流體通道 21 燃料入口壁面 211 燃料入口 22. 燃料出口壁面 221 燃料出口 23、 24 側壁面 3 弟· 導流組 31、 32、 33、34 第一導流板 4、： 弟二導流組 41、 42 > 43 左側第二導流板 51 > 52、 53 右側第二導流板 6 共同燃料輸送流道 61 燃料入口 62 燃料出口 63 燃料導入通道 64 燃料導出通道 Fin 導入之陽極燃料 Font 導出之陽極燃料 dl、 d2 偏移距離 I 流體導出方向 II、 III 分流方向 16 200840123 F12 主流 FI、F2 分流 A1 中央匯流區域 A2 分流區域 A3 分流區域 17

Claims (1)

1. 200840123 十、申請專利範圍： 1. 一種燃料電池之流道板模組，包括至少―流道板，每一 流道板包括：

   本版，包括一開設有一燃料入口之燃料入口壁面、一 開。又有一燃料出口之燃料出口壁面及兩個對應之侧壁 面’該些壁面定義出-燃料輸送流道，該燃料輸送流 道區分為一中央匯流區域以及位在該中央匯流區域兩 側·^刀流區域，該燃料入口與燃料出口位於該中央匯 流區域’-燃料由該燃料人口導人至該燃料輸送流道 後以/;il體導出方向由該燃料出口導出； '第一導流組，包括有複數㈣—導流板，沿著該流體 :出方向間隔地佈列在該中央匯流區域，各個第一導 机板之長度方向係垂直於該流體導出方向； 你刀別左右對應地佈列在該 守//TL姐 2兩側之分流區域，每一個第二導流組包括有至少一 第二導流板，各個第二導流板之長度方向係垂直於該 流，導出方向，各個第二導流板之内側端係向該中央 匯流區域之方向延伸至兩相鄰之第—導流板之間，並 =相鄰之第-導流板間在流體導出方向具有一偏移 八在該第二導流板與兩相鄰之第-導流板之間 刀別形成一流體通道； ===導人至_料輪送流道後，由 4〜“反導編分流區域而形成二分流，該分流 18 200840123 經該第二導流板之導引後，又使該分流分別導向該中央 匯流區域，並匯集成一主流，該燃料在經過至少一次的 該第一導流板與該第二導流板之分流與匯流後，該燃料 由該燃料出口送出。 2. 如申請專利範圍第1項燃料電池之流道板模組，其中該 每一個第二導流組包括複數個第二導流板，該些導流板 沿者該流體導出方向間隔地佈列在該分流區域中。 3. 如申請專利範圍第1項之燃料電池之流道板模組，其中 該第一導流板及弟二導流板係為平板狀隔板。 4. 如申請專利範圍第3項之燃料電池之流道板模組，其中 該平板狀隔板開設有至少一個以流體導出方向貫通之開 5. 如申請專利範圍第3項之燃料電池之流道板模組，其中 該平板狀隔板在該流體導出方向係具有弧狀輪廓表面。 6. 如申請專利範圍弟1項之燃料電池之流道板核組’其中 該第二導流板之外側端係接合於該對應側壁面。 7 ·如申請專利範圍弟1項之燃料電池之流道板权組’其中 該第二導流板之外侧端與該燃料輸送流道之對應側壁面 19 200840123 之間具有一開口。 8. 如申請專利範圍第1項之燃料電池之流道板模組，其中 該燃料電池係一直接曱醇燃料電池，其係以甲醇水溶液 作為燃料。 9. 如申請專利範圍第1項之燃料電池之流道板模組，其中 該流道板係為陽極流道板。 10. 如申請專利範圍第1項之燃料電池之流道板模組，更包 括一整合流道板，且該流道板為複數個，該整合流道板 内部形成一共同燃料輸送流道並具有一燃料入口及一燃 料出口，該共同燃料輸送流道具有一燃料導入通道及一 燃料導出通道，該些流道板相鄰配置於該整合流道板 内，且各個的流道板之燃料入口係與燃料導入通道相連 通，而燃料出口係與燃料導出通道相連通。