TW201429030A - 用於燃料電池的電流收集器 - Google Patents

Abstract

燃料電池堆疊組件具有呈堆疊組態的多個電池。每個電池包括配置在陽極流動板和陰極流動板之間的膜電極組件。電流收集板配置在堆疊的每個末端，並且壓縮組件將堆疊維持在壓縮下。至少一電流收集板乃形成做為印刷電路板，其具有配置成靠著堆疊的最外面電池之陰極流動板或陽極流動板的第一面以及相對於第一面的第二面。第一面包括導電層，其配置在印刷電路板的基板上以做為堆疊電流收集電極。例如溫度感測器的電構件可以安裝在印刷電路板上，使得它們落於或相鄰於沿著陽極或陰極流動板之相鄰面所延伸的流動通道。印刷電路板可以提供側向延伸連接凸出物而用於電連接到電流收集電極和到電構件。

Description

用於燃料電池的電流收集器

本發明關於用於燃料電池堆疊的電連接器系統以對燃料電池堆疊做電連接。

傳統的電化學燃料電池將燃料和氧化劑轉化成電能和熱能以及反應產物。典型的燃料電池包括夾在陽極流動場板和陰極流動場板之間的膜電極組件(membrane-electrode assembly，MEA)。氣體擴散層可以配置在每個流動場板和MEA之間以將燃料和氧化劑更好的分布到MEA。襯墊可以用於分開多樣的層並且提供所需的密封。流動場板典型而言包括一或更多條通道，其延伸在相鄰於MEA的板片表面上以傳遞流體燃料或氧化劑給MEA的作用表面。

於傳統的燃料電池堆疊，多個電池乃堆疊在一起，如此則一電池的陽極流動場板係相鄰於堆疊中之次一電池的陰極流動場板，如此繼續下去。於某些安排，使用雙極流動板，如此則單一流動場板在板片的二側都具有流體流動通道。雙極板的一側做為第一電池的陽極流動板，而流動板的另一側做為相鄰電池的陰極流動板。可以藉由對堆疊中的第一和最 後流動板做電連接，而從堆疊抽取出電力。典型的堆疊可以僅包括一些或數十或甚至數以百計的電池。本發明乃關於這些所有的多樣燃料電池堆疊架構。

傳統而言，電力乃使用一對電流收集板而從燃料電池堆疊抽取出來，其中一電流收集板配置成在堆疊的一末端靠著最外面的陽極流動板，並且另一電流收集板配置成在堆疊的一另末端靠著最外面的陰極流動板。收集板典型而言可以形成為例如銅或不鏽鋼之高導電度金屬的堅固板。每個收集板的凸出物或凸出部分從堆疊側向往外延伸而讓電連接器能與之連接，舉例而言藉由焊接或摩擦配合的推上連接器來連接。

本發明的目的是要提供適合用於燃料電池堆疊之改良形式的收集板。

根據一方面，本發明提供燃料電池堆疊組件，其包括：呈堆疊組態的多個電池，每個電池包括配置在陽極流動板和陰極流動板之間的膜電極組件；在堆疊之每個末端的電流收集板；以及壓縮組件，其建構成將堆疊維持在壓縮下；其中至少一電流收集板包括印刷電路板，其具有配置成靠著堆疊的最外面電池之陰極流動板或陽極流動板的第一面；以及其中第一面包括配置在印刷電路板之基板上的導電層。

印刷電路板的第一面可以包括配置在上面的至少一電子構 件。至少一電子構件可以包括感測器。感測器可以包括熱阻器或其他溫度感測器。感測器構件可以定位在印刷電路板上而對齊於沿著陰極流動板或陽極流動板之相鄰面所延伸的流動通道。感測器構件可以建構成凸出超過印刷電路板的面而到該流動通道的體積裡。印刷電路板可以包括連接器凸出物，其從堆疊組件的面側向往外延伸，並且導電層可以延伸到連接器凸出物上。印刷電路板可以包括至少一導電軌徑，其從電子構件延伸到從堆疊組件之面側向往外延伸的連接器凸出物，連接器凸出物則提供電端子而電連接到電子構件。印刷電路板基板可以由電絕緣的介電材料所形成。在堆疊之每個末端的電流收集板可以皆包括印刷電路板，其具有配置成靠著堆疊的最外面電池之個別陽極或陰極流動板的第一面。在印刷電路板之第一面上的導電層可以建構成做為堆疊電流收集電極的功能。燃料電池堆疊組件可以包括在印刷電路板相對於第一面之第二面上的導電軌徑，該導電軌徑乃建構成做為電連接到安裝於印刷電路板的第一面之一或更多個電子構件的功能。至少一電流收集板可以側向延伸超過呈堆疊組態的多個電池所界定出之堆疊組件的面以界定出側向延伸部分，並且可以進一步包括安裝在側向延伸部分上的至少一電子構件。於另一方面，本發明提供製造具有上面特色之燃料電池堆疊組件的方法。

1‧‧‧燃料電池堆疊組件

2‧‧‧電池

3‧‧‧膜電極組件(MEA)

4‧‧‧陽極流動板

5‧‧‧陰極流動板

6‧‧‧皺折板

7‧‧‧正面

8‧‧‧流動通道

9‧‧‧陽極電流收集板

10‧‧‧陽極電流收集器凸出物

11‧‧‧陰極電流收集板

12‧‧‧陰極電流收集器凸出物

13‧‧‧頂端板

14‧‧‧底端板

15‧‧‧左端夾子

16‧‧‧右端夾子

17‧‧‧電壓監測凸出物

18‧‧‧襯墊安排

19、20‧‧‧埠

21、22‧‧‧陽極流體分布廊道

23、24‧‧‧間隔板或襯墊層

25‧‧‧印刷電路板基板

26‧‧‧高度導電材料層

27‧‧‧電構件

28‧‧‧導電軌徑

29‧‧‧空氣流動通道

30‧‧‧側向延伸凸出物

31‧‧‧區域

現在將藉由舉例的方式並且參考所附圖式來描述本發明的具體態樣，其中：圖1顯示燃料電池堆疊的立體圖； 圖2顯示圖1之燃料電池堆疊的立體圖，而移除了壓縮末端板以顯露內部構件；以及圖3顯示圖1和2的堆疊之電流收集板的立體圖。

全篇說明書中關於相對指向和位置的描述用語，例如「頂部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」、「下」、「前」、「後」以及其衍生的任何形容詞和副詞，係以如圖式所呈現之燃料電池堆疊組件的指向意義來使用，以幫助理解所述的具體態樣。然而，此種描述用語不打算以任何方式受限於燃料電池堆疊組件所想要的用途。

參考圖1，燃料電池堆疊組件1具有多個平行的電池2，每個電池包括配置在陽極流動板4和陰極流動板5之間的膜電極組件(MEA)3。於圖1所示的堆疊組件，陽極流動板4水平躺在每個個別的MEA 3之上，並且陰極流動板5水平躺在每個個別的MEA 3之下。

所示的燃料電池堆疊是空氣冷卻的開放陰極變化例，其中陽極流動板4是薄金屬層，每層具有一組流動通道，其蝕刻或以其他方式形成於陽極流動板面對MEA的表面(圖1中看不見)，以傳遞例如氫的陽極燃料氣體到MEA 3的陽極側。一層多孔性氣體擴散材料(圖1中看不見)可以定位在MEA和陽極流動板之間以幫助將燃料分布到MEA表面。襯墊則延伸在MEA和陽極流動板的周邊以提供密封而避免陽極燃料逃脫。

於所示的範例，陰極流動板5是開放陰極型並且形成做為皺折板6。皺折則提供開放末端的流動通道8以讓空氣通過MEA的表面或配 置在上面之氣體擴散層。如圖1所看到之堆疊1的正面7提供空氣入口面，空氣可以藉此通入堆疊體積而到MEA的陰極表面。堆疊的相反面(亦即如圖1所看到之堆疊的背面)可以提供進一步的空氣入口面。替代而言，如果堆疊是強制通風的，則相反面可以是空氣出口面以供被迫進入正面7的空氣出去。

在堆疊組件1的頂部，陽極電流收集板9包括陽極電流收集器凸出物10，其從堆疊側向往外延伸以提供可以附接電連接器的電端子。在堆疊組件1的底部，陰極電流收集板11包括陰極電流收集器凸出物12，其從堆疊側向往外延伸以提供可以附接電連接器的電端子，譬如藉由焊接來附接。

堆疊組件1藉由一對末端板(特定而言是頂端板13和底端板14)而置於壓縮下，該板片則藉由左和右端夾子15和16而握持在一起。末端夾子15、16施加成張力，使得堆疊層被緊緊壓縮，以便讓所有的襯墊正確密封靠著堆疊中之電池的多樣層。

堆疊組件1也可以包括一系列的電壓監測凸出物17，其皆從個別的陽極流動板或陰極流動板側向往外延伸。於所示範例，電壓監測凸出物17是陽極流動板的側向延伸。電壓監測凸出物可以提供給堆疊中的每一電池，或者可以堆疊中的每幾個電池才被提供，並且可以用來監測整個堆疊在操作期間的電池電壓。

襯墊安排18可以提供堆疊中之電池末端的密封，並且也可以提供垂直延伸的廊道，其穿過堆疊而用於將燃料傳遞和分布到堆疊中的每個電池。埠19、20可以提供於頂板13的每個末端以提供對分布廊道的存 取，這可以於圖2看到。襯墊可以大致呈適合於部署的電池和堆疊之特殊組態的任何形式。

圖2顯示燃料電池堆疊組件1，而移除了頂端板13以顯露陽極電流收集板9、經由埠19和20來存取的陽極流體分布廊道21、22。如果陽極電流收集板9不延伸到堆疊的左側和右側，則間隔板或襯墊層23、24可以提供成具有類似於陽極電流收集板9的厚度，如稍後將會討論。此種襯墊層23，24的厚度當未壓縮時可以大致是任何適合的厚度，使得當適當壓縮用於組合的堆疊時，它們發揮正確的功能來提供密封和間隔功能。

現在參見圖3，相較於圖1和2的指向，陰極電流收集板11乃顯示成從堆疊組件1移除出來並且旋轉回到正面。陰極電流收集板11是由適合的電絕緣介電材料做的印刷電路板基板25所製成，例如於層合結構中具有編織或非編織之支持物的環氧樹脂。配置在基板25上的是一層高度導電材料26，例如銅，其係圖案化而延伸於大部分的基板上。這層材料26做為燃料電池堆疊的電流收集電極。更一般而言，高度導電材料層26可以建構成延伸於電流收集板11的基板25之任何足夠的面積上以提供來自相鄰電池的適當電流收集。導電材料層26可以部分或全部由導電鑲嵌織物或其他材料所形成，其可加以橡膠化或大致為可撓的以提供某程度的可撓性和壓縮性。

在印刷電路板基板25之表面上的選擇位置或多個選擇位置則安裝了一或更多個電構件27，而對該電構件做出導電軌徑28以供電連接。也可以使用做為堆疊電流收集電極之導電材料26的主場區域來做為用於電構件27的第二電連接，或者可以改成使用多條分開的軌徑28。多個構 件27可以配置於印刷電路板25/陰極電流收集板11的表面上，並且這些構件可以對齊於相鄰流動板5中或基板25上之任何其他地方的流動通道。導電軌徑28較佳而言乃延伸到它們所終結之板片25的邊緣或者接近該板片的邊緣，較佳而言是在側向延伸凸出物30上。在堆疊的組合期間或之後，推壓配合或夾上電連接器可以附接於做出的凸出物或焊接接合。

區域31可以提供抵抗熱脫層的保護，譬如藉由在圖案化於基板上之導電材料層或片26中提供不連續性來為之。這可以允許材料層26和底下基板25有差異性的熱膨脹率。

於較佳的安排，電構件27是感測器；並且於更進一步較佳的安排，感測器是用於監測溫度的熱阻器。多個感測器可以分布跨越陰極電流收集板的面積。於所示的較佳範例，熱阻器是表面安裝的並且從印刷電路板25的主表面向上凸出，使得它部分凸出到空氣流動通道29裡(見圖2)，因此正確監測流動經過陰極流動通道之空氣的溫度。

其他類型的感測器可以採取類似方式而安裝到印刷電路板25以感測燃料電池的狀態。此種感測器或可包括溫度感測器、溼度感測器、雜質感測器等。印刷電路板基板25或可更大致的側向延伸超過呈堆疊組態的電池2所界定之堆疊組件1的面(譬如正面7)，以界定出側向延伸部分，在這上面或可安裝電構件27而在堆疊的主體外面(附加於或取代側向延伸凸出物30)。舉例而言，熱阻器可以在相鄰於主空氣流動路徑的主體外面工作得很有效。

安裝於印刷電路板25的電構件27可以經由配置在板片背側(亦即上面配置了陰極電流收集導體26之那一側的相反側)上的電軌徑而被 電連接。這選項可以提供導體26有更廣泛或未破碎的面積，而仍允許對側向延伸凸出物30做出電連接。

陰極電流收集凸出物12和用於感測器導電軌徑28的凸出物30或可組合於一個凸出物。感測器連接和陰極電流收集連接或可配置在該凸出物的相對二面上。

於另一安排，或可免去某些或所有的側向延伸凸出物。電流收集連接或可藉由在末端板14中提供切出物而提供在收集板11的主體上，該切出物允許存取收集板相對於上面有導電材料26之那一面的連接器區域。可以使用傳統的電通孔或類似者而做出穿過印刷電路板基板25的電連接。或可提供多個此種連接。

做為印刷電路板25上的堆疊電流收集電極之導電材料26的主場區域則不須連續跨越陰極電流收集器11的整個表面。於所示之開放陰極燃料電池堆疊的範例性安排，印刷電路板的導電度在板片25將實體接觸陰極之皺折板6的區域是重要的。因此可能提供導電材料26做的離散軌徑，其皆對齊於皺折板6接觸印刷電路板的個別部分。然後跨越堆疊寬度的共同軌或可將每條離散軌徑電耦合而連接到陰極電流收集凸出物12。這共同軌或可提供在印刷電路板的任一面上。

僅在印刷電路板和皺折板6之間接觸的區域提供導電軌徑26的可能優點在於金屬軌徑不須形成於流動通道上。金屬軌徑因此較少暴露於流動於通道29中的流體，並且較不易於受到此種流體的腐蝕。於另一安排，導電材料26的選擇部分或可披覆上保護層。

然而，一般而言，在做為堆疊電流收集電極之印刷電路板上 的金屬軌徑可以由任何適合的導電材料所形成，其可以印刷或以其他方式沉積在基板25上。雖然較佳的金屬包括具有最高導電度者，但是可以使用其他的材料以減少對於在相鄰流動通道中流動之任何氣體的反應性。範例性材料或可包括銀、金或不鏽鋼層或披覆。

使用印刷電路板做為電流收集板的原理不須僅用於陰極電流收集板11，而是也可應用於陽極電流收集板9。由印刷電路板所形成的陽極電流收集板9不須包括感測器，雖然它或可包括。如所示，印刷電路板收集板9不須延伸於整個堆疊寬度上，而可以是由間隔板23、24所限制的部分層。間隔板可以是襯墊材料，但或許也可以是由印刷電路板基板材料所製成，只是上面不須具有導電軌徑。印刷電路板基板材料可以選擇成具有像是襯墊的密封性質，譬如一定程度的壓縮性和氣體密封能力，或者可以具有結合於基板上的襯墊材料。印刷電路板或可使用單一層板或多個層板來提供。

使用印刷電路板電流收集板9、11則在模組性和設計變化上提供了顯著的好處。用於任何類型的堆疊組件之電流收集板所需的導電圖案可以使用高效率和良好建立的PCB製造技術而輕易改變，並且可以適應於不同組態的陽極或陰極流動板4或5、不同的感測器位置、不同的外部連接(例如凸出物或焊接點)。它們係高度適合於整合製造和組合並且極有成本效益。可以使用標準的PCB連接器安排，並且可以使用標準的構件安裝技術以降低成本。將例如溫度感測器的感測器整合到電流收集板裡則意謂可以減少製造的構件數目和複雜度。

在此所述的組件特別適合具有很少電池的小規模燃料電池 堆疊，例如可以用於消費者電子裝置中者。然而，本原理可以應用於較大的燃料電池堆疊。

使用做為電流收集板的印刷電路板不須以堅固的基板材料來形成。可撓性板片是可得的，並且或可使用在堆疊設計允許或收集板需要某些可撓性的情形(譬如要吸收頂和底端板13、14所施加之不平均的壓縮力)。

使用做為電流收集板的印刷電路板可以用於各式各樣之廣泛類型的燃料電池堆疊架構，而不須受限於圖式所示和示範之具體態樣所述之特殊組態的堆疊。其他的具體態樣意欲落在所附請求項的範圍裡。

1‧‧‧燃料電池堆疊組件

2‧‧‧電池

3‧‧‧膜電極組件(MEA)

4‧‧‧陽極流動板

5‧‧‧陰極流動板

6‧‧‧皺折板

7‧‧‧正面

8‧‧‧流動通道

9‧‧‧陽極電流收集板

10‧‧‧陽極電流收集器凸出物

11‧‧‧陰極電流收集板

12‧‧‧陰極電流收集器凸出物

13‧‧‧頂端板

14‧‧‧底端板

15‧‧‧左端夾子

16‧‧‧右端夾子

17‧‧‧電壓監測凸出物

18‧‧‧襯墊安排

19、20‧‧‧埠

23、24‧‧‧間隔板或襯墊層

Claims (14)

1. 一種燃料電池堆疊組件，其包括：呈堆疊組態的多個電池，每個電池包括配置在陽極流動板和陰極流動板之間的膜電極組件；在該堆疊之每個末端的電流收集板；以及壓縮組件，其建構成維持該堆疊在壓縮下；其中至少一該電流收集板包括印刷電路板，其具有配置成靠著該堆疊的最外面電池之陰極流動板或陽極流動板的第一面；以及其中該第一面包括配置在該印刷電路板之基板上的導電層。
2. 如申請專利範圍第1項的燃料電池堆疊組件，其中該印刷電路板的該第一面進一步包括配置在上面的至少一電子構件。
3. 如申請專利範圍第2項的燃料電池堆疊組件，其中該至少一電子構件包括感測器。
4. 如申請專利範圍第3項的燃料電池堆疊組件，其中該至少一感測器包括熱阻器或其他溫度感測器。
5. 如申請專利範圍第3或4項的燃料電池堆疊組件，其中該感測器構件乃定位在該印刷電路板上而對齊於沿著該陰極流動板或該陽極流動板之相鄰面所延伸的流動通道。
6. 如申請專利範圍第5項的燃料電池堆疊組件，其中該感測器構件乃建構成凸出超過該印刷電路板的該面而到該流動通道的體積裡。
7. 如申請專利範圍第1項的燃料電池堆疊組件，其中該印刷電路板包括連接器凸出物，其從該堆疊組件的面側向往外延伸，並且其中該導電層 延伸到該連接器凸出物上。
8. 如申請專利範圍第2項的燃料電池堆疊組件，其中該印刷電路板包括至少一導電軌徑，其從該電子構件延伸到從該堆疊組件的面側向往外延伸的連接器凸出物，該連接器凸出物提供電端子而電連接到該電子構件。
9. 如申請專利範圍第1項的燃料電池堆疊組件，其中該印刷電路板基板是由電絕緣的介電材料所形成。
10. 如申請專利範圍第1項的燃料電池堆疊組件，其中在該堆疊之每個末端的該電流收集板皆包括印刷電路板，其具有配置成靠著該堆疊的最外面電池之個別陽極或陰極流動板的第一面。
11. 如申請專利範圍第1項的燃料電池堆疊組件，其中在該印刷電路板之該第一面上的該導電層乃建構成做為堆疊電流收集電極的功能。
12. 如申請專利範圍第11項的燃料電池堆疊組件，其進一步包括在該印刷電路板相對於該第一面之第二面上的導電軌徑，該導電軌徑乃建構成做為電連接到安裝於該印刷電路板的該第一面之一或更多個電子構件的功能。
13. 如申請專利範圍第1項的燃料電池堆疊組件，其中至少一該電流收集板側向延伸超過呈該堆疊組態的該多個電池所界定出之該堆疊組件的面以界定出側向延伸部分，並且進一步包括安裝在該側向延伸部分上的至少一電子構件。
14. 一種實質上如在此參考附圖所述的燃料電池堆疊組件。