TW201036239A - A flow field plate of fuel cell with airflow guiding gastets - Google Patents

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201036239 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具導流墊之燃料電池流場板，尤指 一種適用於流體燃料之燃料電池的流場板。 5 【先前技術】 燃料電池是一種能夠將儲存在燃料和氧化劑中的化學 能，直接轉化為電能的裝置。其具有轉換效率高、零污染、 雜訊低、壽命長…等等優點。因此，只要可以源源不斷地 1〇 從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑，它就可以持續發 電。其中’依據電解質的不同，燃料電池可分為驗性燃料 電池（AFC)、磷酸型燃料電池（PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)、固體氧化物燃料電池（s〇FC)及質子交換膜燃料 電池（PEMFC)等。 15 然而，燃料電池和一般常用的電池不同之處在於，它 並不儲存能源’而是轉換能源。燃料電池利用觸媒啟動氧 化還原反應，使其不必經過劇烈燃燒即可產生能源。且燃 料電池直接由燃料氧化產生電能，其放電電流可以隨著燃 料供應量增加而增大，因此燃料電池沒有電力衰竭及充電 2〇 的問題’只要持續供給燃料及氧氣’便可持續發電。倘若 再將其串聯成電池堆（fuel cell stack)，則可以提供較高電 壓’而具有超高的能源密度。因此，在燃料電池中，空氣 和風氣的流動就顯得非常重要，必須要盡量地使氣體能均 勻流過每個單電i的反應面。 201036239 據此’目前燃料電池中提供氣體流動之管道，係藉由 流場板之流道做為氣體之流通管道。請一併參閱圖11A、及 圖11B，圖11A係習知流場板之示意圖，圖丨1B是習知流場 板剖視圖。如圖中所示，習知流場板8之兩面均開設有複數 5條迂迴流道81，兩面主要分別用以提供燃料、及氧氣流通。 然而，以目前技術而言，習知流場板8之蛇行迂迴流道81是 以一金屬塊材經過機械加工如铣削而形成。 ❹ 據此，為保持習知流場板8之強度，其本身須具備相當 之厚度，當然也伴隨具有相當之重量，因此對於燃料電池 1〇不斷追求減少體積、降低重量之發展趨勢下，會變的相當 不利。再且，習知流場板8當組裝後，兩兩夾合膜極組 (Membrane Electrode Assembly，MEA)時，因其蛇行迂迴流 道81無法完全對應、對稱夾合，特別是彎折處無法對應， 如此會導致無對稱處出現接觸阻抗，進而影響燃料電池之 15 效率。 由此可知，如何達成一種可大幅減少厚度體積、及重 © 4、又可維持強度，更能有效簡化製造程序、及成本之燃 料電池流場板，實在是產業上的一種迫切需要。 20 【發明内容】 本發明為一種具導流墊之燃料電池流場板，包括：一 平板、及-導流塾。平板包括有一正面、及一反應區。反 應區設置於正面上，且反應區内設有相互平行之複數條凸 條、及複數條凹槽。其中，複數條凸條是分別穿插分隔於 5 201036239 複數條凹槽之間。且每一凹槽包括有一入口端、及一 端。又平板更於反應區之外貫設有—人氣孔、及—出氣孔。 而導流墊蓋設於平板之正面上。導流塾中央鎮空設有一鎮 空區，其對應於平板之反應區並具有相同形狀。而導流塾 5更鏤空設有-入氣槽、及一出氣槽。其中，平板之入氣孔 是透過入氣槽以連通至鏤空區與複數條凹槽之入口端，而 平板之出氣孔是透過出氣槽以連通至鎮空區與複數條凹槽 之出口端。據此，本發明俾能大幅減少流場板之板厚與體 積、及降低重量，又可精簡製造程序、降低成本。此外， 10本發明之流道變化更具彈性’僅需藉由變更導流墊即可改 變流道分佈，進而改變發電效率。 其中，本發明之平板的複數條凹槽區可分成至少二組 流道，且每一組流道内各凹槽之入口端是位於同侧。每一 組流道内各凹槽之出口端與其相鄰但不同組流道内各凹槽 15之人口端是位於同側。再，導流塾更鎮空設有至少一導 流槽，至少一導流槽是連通於上述其中一組流道内各凹槽 之出口端與其相鄰但不同組流道内各凹槽之入口端之間。曰 據此’藉由導流槽位置之變化再搭配流道，可形成如迂 迴、蛇行等各式流體流道之分佈，進而促使發電效率之 20 變或搭配更具彈性。 再者’本發明可更包括有另一導流塾，而平板更包括 有一背面其位於正面之相對背側。背面上設有另一反應 區，另—反應區内設有相互平行之複數另一凸條、及複二 另一凹槽。複數另一凸條是分別穿插分隔於複數另一凹槽 201036239 之間。每個另一凹槽包括有一入口端、及一出口端。平板 更貝设有另一入氣孔、及另一出氣孔。且另一導流墊是蓋 ^於平板之背面上。另一導流墊中央鏤空設有一鏤空區。 鏤二區疋對應於平板之另一反應區並具有相同形狀。另一 5 Ο ίο 15 〇 20 導流墊更鏤空設有另一入氣槽、及另一出氣槽。其中，平 板之另入氣孔是透過另一入氣槽以連通至鏤空區與複數 另一凹槽之入口端，平板之另一出氣孔是透過另一出氣槽 以連通至鏤空區與複數另一凹槽之出口端。因此，本發明 之平板兩面可皆包括有反應區，以同時進行反應，進而減 少整體體積。 ,較佳的是，本發明之平板可以是一金屬帛板，故可藉 由衝壓成形使得反應區内複數條凸條是對應於另一反應區 内複數另-凹槽。同樣地’反應區内複數條凹槽是對應於 另反應區内複數另一凸條。亦即，本發明之平板兩面可 藉由衝壓或其他等效製程，一體對應成形反應區之凸條、 及凹槽，藉此大幅降低製造、及材料之成本、以及可大幅 減少整體體積、及重量。 此外，平板可以是一金属薄板、碳板、複合材料板、 或其他等效薄^且平板表面可更包括有—鑛金層。另外， 本發明平板之複數條凹槽之截面形狀分別為梯形、三角 形、圓狐形、矩形、多邊形、或其他等效形狀。至於，本 發明之導流墊可為一氟矽橡膠(vit〇n)、鐵氟龍(Mon)、橡 膠、或其他等效材質皆可。 7 201036239 【實施方式】 首先。月參閱圖1 ’圖1係本發明具導流塾之燃料電池流 場板一較佳實施例之燃料電池整體分解圖。本實施例之燃 料電池主要是由前端板75、後端板76、及複數個平板2構 5成。其中複數個平板2夾置於前端板75和後端板76之間。另 外，别端板75和後端板76之内側與平板2之間各有前集電板 73、及後集電板74，其係用來收集電流並將其經由外線路 傳送至負載。而每一平板2兩側各有一導流墊3,4，且另外在 導流墊3,4另一侧分別包括有一膜極組71，72。 10 然而，本實施例中導流墊3,4主要用以氣封、及導流， 而臈電極組為燃料電池的心臟，主要用途是將化學能轉換 成電能的核心元件，其係由氣體擴散層、觸媒、及質子交 換膜層疊而成之多層次結構。另外，前端板75和後端板76 除了用以夾持之外，同時也提供空氣、及燃氣進入電池内 15之流道。是以，在前端板75上會有一空氣輸入口 752、一空 氣輸出口 753、一氫氣輸入口 751、及一氫氣輸出口 754，分 別作為空氣、及氫氣進出電池的通道。 請同時參閱圖2A、圖2B、及圖3，圖2A係本發明具導 流墊之燃料電池流場板一較佳實施例之導流墊之立體圖， 20圖2B係本發明一較佳實施例之平板之正面立體圖，圖3係本 發明一較佳實施例之平板與導流墊組合示意圖。圖中顯示 有—平板2,其包括有一正面21、及一背面22 ^而正面21又 包括有一反應區213,且反應區213中設有相互平行之複數 條凸條214、及複數條凹槽215。複數條凸條214是分別穿插 201036239 分隔於複數條凹槽215之間。且每一凹槽215包括有一入口 端217、及一出口端218。 5 Ο ίο 15 〇 20 再者’本實施例中平板2之複數條凹槽215區分成五組 流道八3，(：，0$，每一組流道内各凹槽215之入口端217是位 於同側，且每一組流道Α内各凹槽215之出口端218與其相鄰 但不同組流道B内各凹槽215之入口端217是位於同側。而平 板2更於反應區213之外貫設有一入氣孔211、及一出氣孔 212。其中，入氣孔211是連通至空氣輸入口 752，出氣孔212 是連通至空氣輸出口 753。 另外，圖2A另顯示有一導流墊3蓋設於平板2之正面21 上。導流墊3中央鏤空設有一鏤空區35，其是對應於平板2 之反應區213並具有相同形狀。且導流塾3更鏤空設有一入 氣槽31、及一出氣槽32。其中，平板2之入氣孔21丨是透過 入氣槽31以連通至鏤空區35與複數條凹槽215之入口端 217 ’平板2之該出氣孔212是透過出氣槽32以連通至鏤空區 35與複數條凹槽215之出口端218。 再且，導流墊3更鏤空設有四個導流槽381 382 383 384 。其中，導流槽381是連通於上述其中一組流道a内各凹槽 215之出口端218與其相鄰但不同組流道B内各凹槽215之入 口端217之間。或如導流槽382是連通於第B組流道各凹槽 215之出口 ^218與第C組流道各凹槽215之入口端217之 間…餘此類推。並藉此形成迂迴蛇行之流道分佈，以提高 燃料電池之效率。 9 201036239 接著請同時參閱圖2C、及圖2D，圖2C係本發明具導流 墊之燃料電池流場板一較佳實施例之平板之背面立體圖， 圖2D係本發明一較佳實施例之另一導流墊之立體圖。圖中 顯示有平板2之背面22、及另一導流墊4。其中，背面22其 5 位於正面21之相對背側，背面22上同樣設有另一反應區 223。 而另一反應區223内亦設有相互平行之複數另一凸條 224、 及複數另一凹槽225。複數另一凸條224是分別穿插分 隔於複數另一凹槽225之間。每個另一凹槽225包括有一入 口端227、及一出口端228，平板2更貫設有另一入氣孔221、 10 及另一出氣孔222。其中，入氣孔221是連通至氫氣輸入口 751，出氣孔222是連通至氫氣輸出口 754。 此外，另一導流墊4是蓋設於平板2之背面22上，而另 一導流墊4中央鏤空設有一鏤空區45。其鏤空區45是對應於 平板2之另一反應區223並具有相同形狀。另一導流墊4更鏤 15 空設有另一入氣槽41、及另一出氣槽42。其中，平板2之另 一入氣孔221是透過另一入氣槽41以連通至鏤空區45與複 數另一凹槽225之入口端227。平板2之另一出氣孔222是透 過另一出氣槽42以連通至該鏤空區45與該複數另一凹槽 225之出口端228。並且，同樣藉由導流墊3鏤空設有之四個 20 導流槽481,482,483,484來進行導流，以形成迂迴蛇行之流 道分佈。 再且，本實施例中之平板2為金屬薄板，為鋁板其表面 並鍍有金。故本實施例中之平板2是藉由衝壓成形使得正面 21之反應區213内複數條凸條214是對應於背面22之另一反 201036239 5 Ο ίο 15 Ο 應區223内複數另一凹槽225。同樣地，正面21之反應區213 内複數條凹槽215是對應於背面22之另一反應區223内複數 另一凸條224。亦即’本發明之平板2兩面可藉由衝壓或其 他等效製程’ 一體對應成形反應區213,223之複數凸條 214,224、及複數凹槽215,225，藉此大幅降低製造、及材料 之成本、以及可大幅減少流場板之板厚與整體體積、及重 量。 再s青一併參閱圖4’圖4係本發明具導流塾之燃料電池 流場板一較佳實施例之剖視圖。圖中顯示，梯形截面的平 板2之正面21、及背面22各有一膜極組71,72貼附密封。其 中，圖中還顯示正面21之導流槽382與導流槽384間具一間 隔壁385，同樣地背面22導流槽481與導流槽483間具一間隔 壁485,間隔壁385,485主要用以擋流並形成導流。亦即，於 間隔壁385之右側（導流槽382)的流向是流出紙面，左側（導 流槽384)的流向是流入紙面。同樣地，背面間隔壁485之左 侧（導流槽483)的流向是流入紙面，右側（導流槽481)的流向 是流出紙面。 請參閱圖5,圖5係本發明具導流墊之燃料電池流場板 第二實施例之平板與導流墊組合示意圖。第二實施例與第 一實施例主要差異之處在於，第二實施例中平板6上之複數 凸條61、複數凹槽62、及導流墊63之導流槽631，632,633,634 ，635,636,637之方向係與第一實施例不同，且恰好相差9〇 度。本實施例主要用以說明本發明之平板2,6中反應區内之 複數Α條61、及複數凹槽62可呈任合角度、形狀之流道， 20 201036239 另外再搭配相對應之導流墊63，可以依不同需求呈現多樣 之流道分佈，進而彈性變化發電效率。 *月參閱圖6，圖6係本發明具導流墊之燃料電池流場板 之導流墊另一態樣之立體圖。其中導流墊5之鏤空區55並無 5 °又有任何之導流槽，而以入氣槽51'及出氣槽52直接漸擴 ^蓋全鏤空區55。亦即，當空氣或氫氣由入氣槽51進入鏤 空區55，後無經過導流槽之迂迴蛇行流道，反而由其搭配 之平板（圖未示）上之流道，再直接由出氣槽52流出。當然， 其搭配之平板上的流道可以任何型態呈現。 ◎ 1〇 請同時參閱圖7、圖8、及圖9’該些圖顯示本發明多種 平板27,28,29之可行態樣。圖7之平板27截面形狀為三角 心、圖8之平板28截面形狀為圓弧形，圖9之平板29截面形 狀為矩形。當然不同之平板截面需搭配不同之導流墊，特 別是間隔壁之截面形狀。另外，本實施例之導流墊3為一氟 15矽橡膠（Viton)之導流塾，當然亦可為鐵氣龍（Tefi〇n)、橡 膠、或其他等效材質。 再請參閱圖10，圖10係本發明具導流墊之燃料電池流 ◎ 場板一較佳實施例之燃料電池整體立體圖。圖中顯示一燃 料電池1之整體組合圖。其中以本發明第—實施例為例，平 20板厚度僅需0.12mm。反觀，習知平板厚度厚達2mm。據此， 本發明燃料電池之整體體積約為28〇cm3，重量約為365g。 而習知燃料電池之整體體積約為35〇cm3，重量約為89^。 相較之下’本發明之整體體積減少約2〇%，而重量更是8減 輕約60%，足見其功效。再者，本發明藉由平板2,27 2f29 12 201036239 6、及導流墊3,4,5,63之搭西己，可輕易彈性變化流道分佈， 進而改變燃料電池1之效率。此外，本發明之平板 2,27,28,2M可完全對應、且對稱失合，完全不會產生任何 接觸阻抗。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申言耷專利冑圍所述為$，而非僅限 於上述實施例。 ❹ 【圖式簡單說明】 ίο圖1係本發明一較佳實施例之燃料電池整體分解圖。 圖2A係本發明一較佳實施例之導流墊之立體圖。 圖2B係本發明一較佳實施例之平板之正面立體圖。 圖2C係本發明一較佳實施例之平板之背面立體圖。 圖2D係本發明一較佳實施例之另一導流墊之立體圖。 15圖3係本發明一較佳實施例之平板與導流墊組合示意圖。 圖4係本發明一較佳實施例之剖視圖。 〇 圖5係本發明第二實施例之平板與導流墊組合示意圖。 圖6係本發明導流墊另一態樣之立體圖。 圖7係本發明平板另一態樣之剖視圖。 20 圖8係本發明平板又一態樣之剖視圖。 圖9係本發明平板再一態樣之剖視圖。 圖10係本發明一較佳實施例之燃料電池整體立體圖。 圖11A係習知流場板之示意圖。 圖11B是習知流場板之剖視圖。 13 201036239 【主要元件符號說明】 1 燃料電池 2,27,28,29,6平板 21正面 22背面 381,382,3 83,384,631,632,633,634,63 5,636,637 211，221入氣孔 213, 223反應區 215,225,62 凹槽 218, 228 出口端 31,41，51入氣槽 35,45,55鏤空區 71,72膜極組 74後集電板 76後端板 753空氣輸出口 754氫氣輸出口 81 迂迴流道 212, 222出氣孔 214,224,61 凸條 217, 227 入口端 3,4,5,63導流墊 32,42,52出氣槽 385,386,485,486 73前集電板 75前端板 752空氣輸入口 751氫氣輸入口 8 習知流場板 A,B,C,D,E 流道 間隔壁 導流槽 14

Claims (1)

1. 201036239 七、申請專利範圍： 1. 一種具導流墊之燃料電池流場板，包括： 一平板，包括有一正面、及一反應區，該反應區設置 於該正面上，該反應區内設有相互平行之複數條凸條、及 5複數條凹槽，該複數條凸條是分別穿插分隔於該複數條凹 槽之間，每一凹槽包括有一入口端 '及一出口端，該平板 更於該反應區之外貫設有一入氣孔、及一出氣孔；以及 ❹ 導〃IL墊，蓋设於該平板之該正面上，該導流塾鎮空 〇又有鏤空區，該鏤空區是對應於該平板之該反應區並具 10有相同形狀，該導流墊更鏤空設有一入氣槽、及一出氣槽； 其中，該平板之該入氣孔是透過該入氣槽以連通至該 鎮空區與該複數條凹槽之入口端，該平板之該出氣孔是透 過該出氣槽以連通至該鏤空區與該複數條凹槽之出口端。 2.如申明專利範圍第i項所述具導流墊之燃料電池流 15場板，其中，該平板之該複數條凹槽區分成至少二組流道， ◎ I、.且流道内各凹槽之入口端是位於同側’每一組流道内 各凹槽之出口端與其相鄰但不同組流道内各凹槽之入口端 是位於同側； 20 八中’該導流墊更鏤空設有至少一導流槽，該至少一 導流槽是連通於上述其中—組流道内各凹槽之出口端與其 相鄰但不同組流道内各凹槽之入口端之間。 3·:申請專利範圍第旧所述具導流墊之燃料電池流 ^ ，/、更包括有另一導流塾；其中， 15 201036239 括有一背面其位於該正面之相對背側，該 反應區，該另一反應區内設有相互平行之 及複數另一凹槽，該複數另一凸條是分別

   出口端’該平板更貫設有另一入氣孔、及另 該平板更包括有 背面上設有另—反應 複數另一凸條、及选 穿插分隔於該複數 入口端'及一出口端 一出氣孔； 該另一導流墊是蓋設於該平板之該背面上，該另—導 流塾鏤:叹有—鏤空區，該鏤空區是對應於該平板之該另 反應區並具有相同形狀，該m墊更鏤空設有另一 10入氣槽、及另一出氣槽； 其中，該平板之該另一入氣孔是透過該另一入氣槽以 連通至該鏤空區肖該複數另一凹槽之入口4，該平板之該 另一出氣孔是透過該另一出氣槽以連通至該鏤空區與該 數另一凹槽之出口端。 15 4.如申請專利範圍第3項所述具導流墊之燃料電池流 場板，其中，該反應區内該複數條凸條是對應於該另—反 應區内該複數另一凹槽，該反應區内該複數條凹槽是對應 於該另一反應區内該複數另一凸條。 5. 如申凊專利範圍第丨項所述具導流塾之燃料電池流 20 場板’其中，該平板係指一金屬薄板。 6. 如申請專利範圍第丨項所述具導流墊之燃料電池流 場板’其中’該平板表面更包括有一鍍金層。 16 201036239 7.如申請專利範圍第i項所述具導流塾之燃料電池法 場板，其中，該平板之該複數條凹槽之截面形狀分別為^ 形。 8•如申請專利範圍第丨項所述具導流墊之燃料電池流 5場板，其中，該導流墊係指一氟矽橡膠導流墊。 l

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