TW201037888A - Fuel cell structure having combined polar plates and the combined polar plate thereof - Google Patents

Description

201037888 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種具複合極板之燃料電池結構及其複合極 板結構，特別為一種應用於燃料電池之具複合極板之燃料電池 結構及其複合極板結構。 .【先前技術】 由於燃料電池具有高效率及低污染兩大優勢特性，因此近 Ο年來各國均積極投入燃料電池的開發與研究，其中屬於低溫型 (低於攝氏1〇〇度）之薄膜燃料電池（polymer Electr〇iyte Membrane Fuel Cell，PEMFC)，在系統整合應用上，不論是材 料選擇、溫度控制、安全保障、系統維護…等皆較其他類型之 燃料電池簡化，所以可大幅降低投入於系統整合之成本，因此 各國均將薄膜燃料電池的開發列入新世紀能源技術開發的重 點科技。 第1圖係為習知燃料電池10之剖面結構示意圖。如第1 圖所示，習知燃料電池10係包括一電池薄膜組1 l(Membrane

Electrode Assembly)及一對雙極板12。電池薄膜組η包括一質 子交換膜111、一對觸媒層112、一陽極及〜陰極114，而 觸媒層112係位於質子交換膜111的兩侧面，並且觸媒層112 之外側又分別設有陽極113及陰極114。而電池薄膜組n之兩 外侧則夾設有雙極板12，並且雙極板Π相對於電池薄膜組^ 之内側面設有燃料流道121，燃料流道121則用 J π U分別供應氣 氣及氫氣進入陽極113及陰極114,並使電池薄腺。η ία β碼組11可進行 201037888 電化學反應。因此，燃料流道121的長度、戴面形狀及大小皆 影響氧氣及氫氣是否能順暢流通並與電池薄膜組11接觸均 勻，並進而影響燃料與電池薄膜組11間電化學反應之程度及 整體電池之發電效率。 另外，如中華民國新型專利公告第553496號揭露之「多 •孔雙極板之薄膜燃料電池」中所述，其中每一多孔雙極板係由 .兩多孔金屬板中間夾設一無孔金屬板所構成，並且無孔金屬板 與多孔金屬板需使用相同之材質，才可達到良好的發電效果。 〇因此，上述之專利雖可利用多孔雙極板之孔隙提供燃料自由地 流動，以延長電化學反應的反應時間，雖可改善習用之缺失， 但是多孔金屬板與無孔金屬板之材質皆需使用具導電之金屬 材質，且材質必需相同才能進行反應發電，若二者之材質不同 將影響其發電效果’並且多孔金屬板及無孔金屬板除了容易因 化學反應過熱而影響發電效果外’亦會減短其使用壽命，並存 在有若干之風險。 為了再改善上述之缺失’如中華民國發明專利公開第 ❹200822434號揭露之「複合式多孔極板之燃料電池」中所述， 燃料電池之集電板主要由單片或多片多孔材質板及至少一片 無孔材質板所構成，並且多孔材質板及無孔材質板可以為不同 材質者。因此，可藉由多孔材質板之孔隙提供蜓料自由流動並 擴散至電極，並可利用複合式多孔極板取代習知之雙極板，以 達到減少體積與重量之目的’更可降低成本以及縮短加工時 間。此外，由於多孔材質板及無孔材質板可以為不同材質，所 以可以選用的材質更為多元化。 201037888 然而，由於薄膜燃料電池的溫度大多低於攝氏100度，因 此燃料電池的生成物··水5會以液體的形式產生5若電化學反 應所產生的水量過多並且未能即時排除時，水會匯集在複合式 多孔極板中並產生積水的情況，並造成泛溢現象，進而堵塞多 孔材質板中之孔隙，並使得燃料無法有效地持續供給反應，如 此一來將會大幅降低燃料電池之發電效能。 【發明内容】 Ο 本發明係為一種具複合極板之燃料電池結構及其複合極 板結構，為了改善燃料電池結構中積水的情況，可藉由引流道 之設置以使得水可藉由引流道快速地排出燃料電池。 本發明係為一種具複合極板之燃料電池結構及其複合極 板結構，藉由引流道之設置，以避免多孔材質板中之孔隙堵 塞，進而使燃料可有效地反應，以使得燃料電池之發電效能可 大幅提高。 為達上述功效，本發明係提供一種具複合極板之燃料電池

Q 結構，其包括：一電池薄膜組，其具有：一質子交換膜；一對 觸媒層，其係分別設置於質子交換膜之兩側面；及一對電極 層，其係分別設置於觸媒層之外侧面；一第一複合極板，其係 設置於電池薄膜組之一第一外側面，又第一複合極板係具有： 一第一無孔材質板，其具有一第一底板及一第一框體，又第一 框體係結合於第一底板上並形成有一第一凹槽，並且第一底板 未與第一框體結合處係具有至少一第一引流道；以及至少一第 一多孔材質板，其係設置於第一凹槽中並且夾設於電池薄膜组 6 201037888 及第一底板之間；以及一集電板，其係設置於電池薄膜組之 第二外側面。 為達上述功效，本發明又提供一種應用於燃料電池之複合 極板結構，其包括：一無孔材質板，其具有：一底板，以及一 •框體，其係結合於底板上並形成有一凹槽，並且底板未與框體 •結合處係具有1少一引流道；以及至少一多孔材質板’其係設 . 置於凹槽中。 藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效： Ο 一、藉由引流道之設置以改善複合極板中積水的情況。 二、利用引流道使得電化學反應之生成物可快速地引流出燃 料電池結構。 二、由於可避免水堵塞多孔材質板之孔隙，因此可使得燃料有 政地在燃料電池中反應’進而大幅提高使得燃料電池之發 電效能。 ❹ 、—為了使任何热習相關技藝者了解本發明之技術内容並據 斗實施且根據本s兄明書所揭露之内容、申請專利範圍及圖 =1何熟習相關技藝者可輕易地理解本發之目的及優 式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優 【實施方式】 2〇 雷、、也^ 圖係為本發明之一種具複合極板之燃料 之〜合剖視實施例圖。第4A圖係為本發明之一種 201037888 複合極板40、80之第一剖視實施態樣。第4B圖係為本發明之 一種複合極板40、80之第二剖視實施態樣。第5A圖係為本發 明之一種無孔材質板41、81之第一實施態樣。第5B圖係為本 發明之一種無孔材質板41、81之第二實施態樣。第5C圖係為 本發明之一種無孔材質板41、81之第三實施態樣。第5D圖係 ' 為本發明之一種無孔材質板41、81之第四實施態樣。第5E圖 .係為本發明之一種無孔材質板41、81之第五實施態樣。第6 圖係為本發明之一種具複合極板之燃料電池結構20之分解剖 Ο視實施例圖。 如第2圖所示，本實施例係為一種具複合極板之燃料電池 結構20，其包括：一電池薄膜組30 ; —第一複合極板40 ;以 及一集電板50。 如第2圖所示，電池薄膜組30，其具有：一質子交換膜 31 ; —對觸媒層32 ;以及一對電極層33。其中質子交換膜31 主要用以提供質子由電極層33之陽極側移動至陰極側之通 道，而觸媒層32則分別設置於質子交換膜31之兩側面，並且 電極層33亦分別設置於兩觸媒層32之外側面。 第一複合極板40或集電板50上係開設有一燃料輸入孔60 及一燃料輸出孔70，因此燃料（氫氣)及氧化劑（氧氣或空氣）可 由燃料輸入孔60及燃料輸出孔70輸入及輸出燃料電池結構 20，並且觸媒層32可與氫氣進行反應，藉以將氫氣分解為質 子及電子，其中質子可透過質子交換膜31移動至陰極側，而 電子可沿著外電路形成電流流動，以產生電能，氧氣則與穿透 過質子交換膜31之質子及回流的電子發生電化學反應並產生 201037888 熱及生成物-水。 如第3圖所示，第一複合極板40,其係設置於電池薄膜組 30之一第一外侧面34。而第一複合極板40係具有··一第一無 孔材質板41 ;以及至少一第一多孔材質板42。 如第4A圖所示，第一無孔材質板41，其材質可以為一導 電材質或一非導電材質，並且第一無孔材質板41具有一第一 .底板411及一第一框體412，又第一框體412係結合於第一底 板411上並形成有一第一凹槽413,而且第一底板411未與第 Ο —框體412結合處則具有至少一第一引流道414，可用以將水 快速地引導出燃料電池結構20，進而避免積水的情況發生。又 如第4B圖所示，為了簡化第一無孔材質板41之結構，第一底 板411及第一框體412可以為一體成型之元件。 如第3圖、第4A圖及第4B圖所示，第一多孔材質板42， 其係設置於第一凹槽413中，並且第一多孔材質板42之大小 可與第一凹槽413之大小相互配合，以使得第一多孔材質板42 失設於電池薄膜組30及第一底板411之間。因此，由燃料輸 入孔6 0注入之燃料及氧化劑可藉由第一多孔材質板4 2之孔隙 傳輸，而且電化學反應之生成物-水，亦可藉由第一多孔材質 板42之孔隙快速地排出。 第一多孔材質板42之材質可以為一導電材質或一非導電 材質，並且第一多孔材質板42可以使用和第一無孔材質板41 相同或不同之材質，以配合各種不同設計需求。因此，第一複 合極板40可具有導電之功能，並且第一複合極板40可使用便 宜、質量輕及容易製造的元件製作，以改善傳統雙極板體積大 9 201037888 及重量重之問題，並可藉由第一多孔材質板42提供良好的進 氣及排水功能，所以第一複合極板40可具有低成本及高效能 之優點。 此外，為了使電化學反應之生成物-水快速地排出，並避 免在第一複合極板40中發生邊緣積水的現象，而導致第一多 孔材質板42之孔隙遭到堵塞，進而使燃料電池之發電效能降 -低之問題，可利用在第一底板411上之第一引流道414快速地 .將水導流出燃料電池結構20,不但可幫助燃料流動，亦可協助 Ο水在燃料電池結構20中分佈均勻，進而快速地排出。又為了 提高水排出的速度，第一引流道414可以為一迴旋形引流道(如 第5A圖所示）、一蛇狀引流道（如第5B圖所示）、一指插形引 流道(如第5C圖所示）、一網格狀引流道(如第5D圖所示）或一 平行引流道（如第5E圖所示），但不僅限於此。 而由於可藉由第一引流道414改善積水之現象，並使得燃 料電池中之燃料可順暢地流動，因此相較與傳統的燃料電池而 言，本實施例之燃料電池結構20之發電效能可提升約50%左 〇 右。 而且為了使燃料電池結構20具有良好的散熱及排水效 果，在第一無孔材質板41上係設置有散熱及多入口之進氣、 排氣或排水之裝置，又或者可在第一底板411上設置至少一第 一排水孔415，並且使第一排水孔415與第一引流道414相互 連通，藉此使水引導至第一引流道414後，又可由第一排水孔 415流出燃料電池結構20。 如第2圖及第3圖所示，集電板50,其係設置於電池薄膜 201037888 組30之一第二外側面35,藉以將電池薄膜組30夾設於第一複 合極板40及集電板50之間，又集電板50可以為一雙極板或 一第二複合極板80，其中雙極板係為一般習知所使用之雙極 板，在此不再多加贅述。 如第6圖所示，第二複合極板80係設置於電池薄膜組30 之第二外側面35，藉以將電池薄膜組30夾設於第一複合極板 • 40及第二複合極板80之間，其中第二複合極板80具有：一第 二無孔材質板81 ;以及至少一第二多孔材質板82。 Ο 第二無孔材質板81係具有一第二底板811及一第二框體 812，又第二框體812係結合於第二底板811上並形成有一第 二凹槽813，而且第二底板811未與第二框體812結合處則具 有至少一第二引流道814。又第二底板811及一第二框體812 係與第一底板411及第一框體412 —樣，可以為一體成型之元 件。第二引流道814亦可用以引導水快速地排出，並可避免水 堵塞第二多孔材質板82之孔隙，進而提高燃料電池結構20之 發電效能。 ❹ 同樣為了避免在第二複合極板80中發生邊緣積水的現 象，而導致第二多孔材質板82之孔隙遭到堵塞，進而使燃料 電池之發電效能降低之問題，可利用在第二底板811上之第一 引流道814快速地將水導流出燃料電池結構20。如此，不但可 幫助燃料流動，亦可協助水在燃料電池結構20中分佈均勻， 進而快速地排出。又為了提高水排出的速度，第二引流道814 和第一引流道414 一樣，可以為一迴旋形引流道(如第5A圖所 示）、一蛇狀引流道（如第5B圖所示）、一指插形引流道(如第 201037888 5C圖所示）、一網格狀引流道(如第5D圖所示）或一平行引流道 (如第5E圖所示），但不僅限於此。 而同樣為了加速水排除的速率，第二底板811上亦設置至 少一第二排水孔（圖未示），並且使第二排水孔與第二引流道 814相互連通，藉此將水引導至第二引流道814後，又可由第 二排水孔流出燃料電池結構20。 • 第二多孔材質板82則設置於第二凹槽813中，並且夾設 於電池薄膜組30及第二底板811之間。第二複合極板80的第 〇二無孔材質板81及第二多孔材質板82皆可為導電材質或非導 電材質，而且第二複合極板80中各元件的結合關係及功能皆 與第一複合極板40中各元件的結合關係及功能相同，因此在 此不再多加贅述。 惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟 習該技術者能瞭解本發明之内容並據以實施，而非限定本發明 之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等 效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。 ❹ 【圖式簡單說明】 第1圖係為習知燃料電池之剖面結構示意圖。 第2圖係為本發明之一種具複合極板之燃料電池結構之分解實 施例圖。 第3圖係為本發明之一種具複合極板之燃料電池結構之結合剖 視實施例圖。 第4A圖係為本發明之一種複合極板之第一剖視實施態樣。 12 201037888 第4B圖係為本發明之一種複合極板之第二剖視實施態樣。 第5A圖係為本發明之一種無孔材質板之第一實施態樣。 第5B圖係為本發明之一種無孔材質板之第二實施態樣。 第5C圖係為本發明之一種無孔材質板之第三實施態樣。 第5D圖係為本發明之一種無孔材質板之第四實施態樣。 第5E圖係為本發明之一種無孔材質板之第五實施態樣。 .第6圖係為本發明之一種具複合極板之燃料電池結構之分解剖 視貫施例圖。 ❹ 【主要元件符號說明】 10 ................燃料電池 11 ................電池薄膜組 111 ..............質子交換膜 112 ..............觸媒層 113 ..............陽極 114 ..............陰極

Q 12 ................雙極板 121..............燃料流道 20................具複合極板之燃料電池結構 30 ................電池薄膜組 31 ................質子交換膜 32 ................觸媒層 33 ................電極層 34 ................第一外側面 13 201037888 35................第二外側面 40 ................第一複合極板 41 ................第一無孔材質板 411 ..............第一底板 412 ..............第一框體 413 ..............第一凹槽 .414..............第一引流道 415..............第一排水孔 Ο 42................第一多孔材質板 50................集電板 60................燃料輸入孔 70................燃料輸出孔 80 ................第二複合極板 81 ................第二無孔材質板 811 ..............第二底板 812 ..............第二框體 ◎ 813 ..............第二凹槽 814 ..............第二引流道 82 ................第二多孔材質板 14

Claims (1)

1. 201037888 七、申請專利範®: 】.一種具複合極板之燃料電池結構，其包括： 一電池薄膜組，農I右.一併上 、有·一貝子父換膜；一對觸媒層，其 H 於該f子交換膜之兩側面’·及—對電極層， :係分別設置於該對觸媒層之外側面； 第稷合極板’其係設置於該電池薄膜組之一第一外側 ' 面，又該第一複合極板係具有： 〇 帛無孔材質板，其具有-第-底板及-第一框體， 又該卜框體係結合於該第一底板上並形成有一第一 凹槽’，且該第一底板未與該第一框體結合處係具有 至少一第—引流道；以及 至少—第—多孔材質板，其係設置於該第一凹槽中並且 —隹夾設於該電池薄膜組及該第—底板之間；以及 2二Ϊ電板，其係設置於該電池薄膜組之—第二外側面。 明專利㈣第丨項所述之_電池結構，其中該第一 ❹ 氏板及該第—框體係為一體成型之元件。 • I St:範圍第1項所述之燃料電池結構，其中該第- 产〜〜—迴旋形引流道、一蛇狀引流道、-指插形引 4 *道、—網格狀引流道或一平行引流道。 利範圍第1項所述之燃料電池結構，其中該第一 5如申 板之材質係為一導電材質或一非導電材質。 .無孔圍第1項所述之燃料電池結構，其中該第一 如申於專^材質係為—導電材質或―非導電材質。 ^ 圍第1項所述之燃料電池結構，其中該第一 15 201037888 無孔材質板係設置有散熱及多入口之進氣、排氣或排水之 裝置。 7. 如申請專利範圍第I項所述之燃料電池結構，其中該第一 底板係設置有至少—第一排水孔，並且該第一排水=係與 該第一引流道相互連通。 8. 如申請專利範圍第！項所述之燃料電池結構，其中該集電 -板係為一雙極板或一第二複合極板。 ο 9. 如申請專利範圍第8項所述之燃料電池結構，立中該第二 複合極板係具有··-第二無孔材質板，其具有第；;敍 及-第了框體，又該第二框體係結合於該第二底板上並形 成有-第二凹槽，並且該第二底板未與該第二框體結合處 It::少一第二引流道’ ·以及至少-第二多孔材質板， 第係^於該第二凹槽中’並且夾設於該電池薄臈組及該 第二底板之間。 ο 10. ==範圍第9項所述之燃料電池結構，其中該第二 底板及5亥第二框體係為-體成型之元件。 U.t申請專利範㈣9項所述之燃料電池結構，其中該第二 引流道係為—迴旋形引产指 、、4 & 机道、—蛇狀引流道、—指插形引 机道、-網格狀引流道或—平柯流道。 =範圍第9項所述之燃料電池結構，其中該第二 夕=板之材質係為一導電材質或一非導電材質。 第9項所述之燃料電池結構，其中該第二 14如^材f或―非導電材質。 μ ,_第9項所述之燃料電池結構，其中該第二 16 201037888 無孔材質板係設置有散熱及多入口之進氣、排氣或排水之 裝置。 15. 如申請專利範圍第9項所述之燃料電池結構，其中該第二 底板係設置有至少一第二排水孔，並且該第二排水孔係與 該第二引流道相互連通。 16. —種應用於燃料電池之複合極板結構，其包括： - 一無孔材質板，其具有：一底板；以及一框體，其係結合 . 於該底板上並形成有一凹槽，並且該底板未與該框體結 〇 合處係具有至少一引流道；以及 至少一多孔材質板，其係設置於該凹槽中。 17. 如申請專利範圍第16項所述之複合極板結構，其中該底板 及該框體係為一體成型之元件。 18. 如申請專利範圍第16項所述之複合極板結構，其中該引流 道係為一迴旋形引流道、一蛇狀引流道、一指插形引流道、 一網格狀引流道或一平行引流道。 19. 如申請專利範圍第16項所述之複合極板結構，其中該無孔 ❹ . 材質板之材質係為一導電材質或一非導電材質。 20. 如申請專利範圍第16項所述之複合極板結構，其中該多孔 材質板之材質係為一導電材質或一非導電材質。 21. 如申請專利範圍第16項所述之複合極板結構，其中該無孔 材質板係設置有散熱及多入口之進氣、排氣或排水之裝置。 22. 如申請專利範圍第16項所述之複合極板結構，其中該底板 係設置有至少一排水孔，並且該排水孔係與該引流道相互 連通。 17