TW506158B - Fuel cell having improved condensation and reaction product management capabilities - Google Patents

Description

506158 五、發明說明（1) 美國政府對在本文中發表之發明 照，同時在限定狀況下要求，可能具有已付費之執 許其他專利擁有者之權利。 擁有者在合理期限下，特 發明背景 一種然料電池轉換概-料 力以及一反應物。許多辦料電、、也總稱為反應劑）成為電 氣做為氧化劑。此處之反應物主t用氫氣做為燃料而以氧 交換薄膜（PEM)燃料電池。在_p 汶一燃料電池為質子 電池，包含一陽極以及一被—‘…料電池中之每一個別 陰極，其通常共同被稱之 之離子傳導薄膜分隔之 子傳導薄膜對立面上極：成 媒及一氣體擴散層組成。氫氣供庳内含薄片之薄觸 極。氧體擴散層轉保氫氣可有二=而氧氣供應至陰 確保氧氣有效地傳送至陰極觸二陽極觸媒，同時 電化氧化，因而產生質子而媒中可呈 媒上與氧氣反應而產生水。個別之M E A .是電性同序時列在地陰堆極觸 置，其間配置不透水之導電雙極板，並一 鄰靠MEA之陰極間傳導電☆。雙極板在= : 料通過一MEA總成之通道，同時在另一側上且= t = 劑通過鄰靠MEA總成之通道。諸如氫氣及氧氣^化 經由通道自個別入口歧管泵壓至對應之出口歧其 叙燃於各種理由被考量為—具吸引力：能源。在 ”畜電池相較了 ’燃料電池之優點為只要燃料持續供應， 其可維持特定之功率輸出，$時不受充電放電循環困擾。

506158 五、發明說明（2) 燃料電池亦較小且質軔， 放。PEM燃料電池因其且有°較氏終究不會產生有害環境之排 非腐蝕性電解質而尤具利多。低刼作溫度及採用非液態、 不顧這些優點之外，彳靠 諸如水之反應物可堆隼通嘴=燃料電池易於改良。譬如， 内渔氣亦可在通、曾=ΐ ^ ^ 堵塞反應劑流動。反應劑 入口#其@ ψ 、内，辰縮及堆積。傳統式燃料電池藉由在 反應物I、* f、口 f管間產生—壓差（或壓力降）而尋求請除 /@ &辰、濕氣。一預期壓差為大到足以防止反應物及 次辰縮物堆積於一個或更多之雙極板通道内。期望壓差 土本上介於數時水柱高及15 PSI之間，其端視多項因素而 疋’包含燃料電池操作條件（亦即流動率及溫度）、雙極板 通道材料及構造、以及通道外形。 在傳統式燃科電池中，壓力在當反應劑移越通道時藉由 壁面磨擦影響而減小。尤其疋產生一足夠之以壁面磨擦為 主之壓；^之傳麻方式’為使付又極板内反應劑通道更長及 彎曲，或是具有較小之液壓直徑。變通地，反應劑流動率 可增加以產生吏大之磨擦損耗及；壓力降。 因此，本發明者確信產生一壓差之長曲形反應劑流動通 道方法並非最#選擇。譬如，通道至通道之壓差規則性以 確保均勻之反應劑流動甚為重要，士但是產生一系列等長之 長曲形通道甚為困難且價昂。同時亦有某種案例顯示使用 長曲形通道既不實際亦不玎行。譬如 '六角形雙極板通常 包含Z形流動通道，其旅不特別長i或是彎曲。六角形雙極 板外形，要求長曲形通道相隔甚遠而無法獲到可接受之反 5Q6158 ! 91 7, 23 案號 89116529 曰 修正 1：\普明說呀(3) 應劑擴散至氣體 道難以獲得要求 導致較為平直之 建檔且共同讓受 之第 0 9/ 3 7 5, 0 9 2 因此，本發明 應劑通道產生之 通道，需要極緊 成通道至通道之 動。因此，雖可 |需要使用較為耗 因此，本發明 之產生壓差方法 減少燃料電池效 及風扇所需要之 發明總論 因此，本發明 反應劑通道内之 供一雙極板總成 差以清除來自反 長曲形通道。本 _入口及出口歧管 應劑通道之反應 通道。本發明另 擴散電極内。因此，採用傳統式長曲形通 之廢差。此外，雙極板技術之最新進展， 反應劑流動通道。該一雙極板發表於同時 之署名為π燃料電池及用於其上之雙極板π 號專利申請案，其納入本文參考。 者亦確信藉由使用具有較小液壓外徑之反 壓差並非最佳。使用較小液壓外徑反應劑 密之製造公差，因為如無緊密公差將可造 磨擦改變，其將導致不均勻之反應劑流 利用具較小液壓外徑之雙極板，但其製造 力且昂貴之加工過程。 者亦確信增大之反應劑流動率，並非最佳 。增大燃料流動率導致棄丟之燃料，因而 率。增加氧化劑流動率由於因相關壓縮機 額外電力而進一步減少燃料電池之效率。 一目標為提供一燃料電池，其可清除來自 反應物及濃縮溼氣。本發明另一目標為提 ，其在入口及出口歧管間產生一足夠之壓 應劑通道之反應物及濃縮溼氣却不需依賴 發明另一目標為提供一雙極板總成，其在 間產生一足夠之壓力降，用以清除來自反 物及濃縮溼氣却不需依賴較小之液壓外徑 一目標為提供一雙極板總成，其在通道至

O:\65\65908-910723.ptc 第6頁 506158 五、發明說明（4) 通道間及雙極至雙極板間產生均勾之壓差。 為了成就某些這些及其.他目標，一根據本發明較佳實例 之雙極板總成，包含多數個界定個別入口及出口之反應劑 通道，鄰靠通道之入口相互鄰靠，而鄰靠通道之出口相互 鄰靠，而至少兩個流量限制器分別與至少兩個鄰靠之反應 劑通道關連。在某一應用中，入口與一共用入口歧管相 連，而出口與一共用出口歧管相連。

本發明較傳統式雙極板及燃料電池提供許多之優點。譬 如，流量限制器產生一足以清除來自通道之反應物及濃縮 溼氣之壓差，因而不再需要在傳統式燃料電池中用以產生 壓差之長曲形通道、小液壓外徑之通道以及過高之流動 率。其亦較為容易製作均勻尺寸之流量限制器，其可產生 均勻之壓差及均勻之反應劑流過通道而無與製作具緊密公 差之同一長度通道有關之困難及費用。

在這些其中入口與出口與共同入口及出口歧管相關連之 本發明應用中，壓差將由流動率及限制器外形而定。如果 一通道變得堵塞時，通道歧管之壓差將無實質改變，而通 過與堵塞通道有關之流量限制器之壓力降將因沒有流動而 為零。因此，通過堵塞物本身之壓力降，將相同於通過入 口及出口歧管之壓力降。此一壓力降將足以清除所有反應 物及濃縮溼氣之通道。 本發明上述及許多其他特徵及伴隨之優點，將因本發明 藉由搭配附圖參考下面詳細說明而更易了解而顯見。 圖式簡述

第7頁 五 、發明貌明（5) — 本發明 ~ -- 圖1 A 乂佳實例之詳細說明，將夂者& 圖2 Λ〜根據本發明較佳實例之雙>極寸圖進行。 圖4;;:概示之部分雙極板總成之Λ成圖之平面圖 , ?民據本發明較#宭也丨β Π , 圖5為圖4中m：例之陰極板之平面圖。 圖6為圖4:ςΛ 所取之部分立面圖。 根據本發明較佳實例之燃料電池模組之放大 圖 圖7為〜柄：::久雙極板總成之放大圖 圖8為m 7 立面阊°中所示燃料電池模组在一細姑/ 甸圖。 保、、且在組裝妥狀況下之部分 圖9為〜 圖。一根據本發明較佳實例之燃料電池堆積物之透視 較佳實例詳述 Υ面為勃# I a 說明並非為一—〜月目剷已知最佳模式之詳細說明。此一 之目的。#、 觀點其僅為達到說明本發明一般原理 如圖1 - 3戶斤- 一 i 〇，包入一錐不’一根據本發明較佳實例之雙極板總成 一 ^ 3雙極板12及一框體14。雙極板12及框體14可如 圖不為焊合、盔人々 件， 、黏a或其他機械式地互相緊固之分離結構元 一二’疋成形為一整體單元。範例式雙極板1 2包含一具有 交錯排列氧化劑通道1 8及氧化劑侧隆脊2 〇之氧化劑側 1 6，以及_ 目士 ^ 、,、 ^ 吳有一父錯排列燃料通道24及燃料側隆脊2 6之 燃料侧22 °氧化劑通道1 8包含入口 2 8及出口 3 0，而燃料通

第8頁 五替發明---- 道包含入口 - 樞體14包二出口34。鄰靠通道以側壁36分隔。範例 入口及出口站故繞雙極板1 2周緣伸出之框體構件38。燁1 以及冷却劑入二40及42、氧化劑入口及出口歧管44及4 6 : 内三每—歧管®及出口歧管48及50，均成形於框體構件38 籍由圖2範例好包含多數個強化構件5 2。 ，鄰靠之氣化，，範例式雙極板1 2具有一波形結構。 。導欵一密^、逼18及燃料通道24間，基本上沒有重 機料電池及用且輪質雙極板之波形結構，在前述署名為 外’雖然亦可採；其上之雙極板”申請專中詳細討論。此 面。一概略正二用其他形態，然而每一通道概略是梯形剖 剖面。雖然如此化剖面可變通地用做為部分或全部地曲形 與總成接觸三為了最好之電流收集，隆脊20及26 (將 電之需。 宜概略是平面形，俾減小接觸面積以供集 在入口歧管4Πβ/ΐ/ΐ 量限制笑 t 次44及出口歧管42及46間產生一壓差之流 連。在圖Μ概^之某且最好戶斤有之通道18及24相關 過框髀姓从 之祀例式實例中，流量限制藉由使用通 之燃料入口 且將燃料入口歧管4 0與燃料通道入口 3 2連接 aa2 ^ 口官54、以及通過框體構件且將氧化劑入口歧管 一，化劑通道入口 2 8連接之氧化劑入口管5 6而得。燃料 口 & 58將燃料通這出口34與燃料出口歧管42連接，而氧 化劑出口管6 0將氧化劑通道出口 3 0與氧化劑出口歧管4 6連 接。入口官5 4及5 6之剖面（或流動）區域可使其產生一限流 作用，同時在入口歧管及通道入口間產生一壓差。雖然可

506158 五、發明說明（？） 以^用其他形狀，但在圖示實例中之入口管54及56以及出 口 I 5 8及β q均呈圓形刹面，而出口管内徑大約為入口管内 徑之兩倍。因此，出口管58及60之流動面積大約為入口管 面積之四倍，同時大到足以不必生成任何少許之流 量限制。 流置限制器（圖1 - 3概示實例中之管件5 4及5 6 )生成一足 以清除來自通道18及24之反應物及濃縮溼氣之壓力降。此 可不再需要傳統式長曲形通道、具較小液壓外徑通道以及 過多之流動率。至少5〇 g/q、而最好所有之壓力降宜生成於 >/lL里限制器内。此外，由於通道入口及出口與共同之入口 及出口歧管相關連，歧管間之壓差將由限制器外形及反應 劑流動率決定。當一通道被反應物或濃縮物阻擋時，該通 道之流動停止，而其餘未被堵塞之通道持續流動。入口及 出口歧官間之壓差，由於正常時流經堵塞通道之反應劑現 在流經其餘未堵塞通道而增加。在堵塞通道内，由於沒有 流動通過限制器而無壓差。因此，通道堵塞體本身之壓 ^ 相同於通過入口及出口歧管之壓差，此一壓差將足以 月除任何反應物及浪縮、屋氣之堵塞通道。限制器亦最好是 勻勻尺寸，其提供通過通道且自極板至極板間之均勻壓 及反應劑流動。 且了解流量限制器並非限定於圖丨—3所示之較小入口管 =。譬如，圖4-6所示之陰極板62，包含一系列自入口 f官66伸向出口歧管68之2形通道64。較z形通道64更窄之 又制件70，成形於每一通道之入口端72。在範例式實例

506158 五、發明說明（8) 中’限制件7 0剖面面積大約 限制件 k壓力 7〇以相同於圖丨―3所示入D := 之十分之-降。 嘗54及56之方式生成 亦可使用其他型式之流量 管之流動面積均可大到足以使其將不；：成管及出口 力降。此時，㉟板可設置於通道内而作用少許之墨 檔板在圖1 -6所示實例中亦可— F用马/瓜夏限制契 及 出口歧管間之壓差。此外，雖添二至旦通道内以增大入口〃 置於或靠近反應劑通道之A^里限制器之較佳位置俜 改變。 口，然而位置可視應用需要： 關於材料及製造，圖1、3 ψ 最好用銘、鈦或鋼材成形 :之雙極板1 2及框體1 4， 形、壓印或其他一般金屬成二，米用液力成型、鑄壓、彎 陰極板62，最好用鋁、鈦、〇工^製作。圖4-6所示之 形，同時可以車製加工、鑄1 ^ 、或是傳導塑膠成 士 γ k及核壓加工盤作。、士士放 表面可以適合一PEM燃料電姊垆p 衣作攻些兀件 如金、白金、鈀、鈦、氣化物u方腐性塗劑塗層，諸 可以電化學存積或基汽鈦銘氮化物。這些材料 適當材料製： 飞存積。官件可以金屬、Μ勝或其他 =^其他形恝亦涵盍於本發明範疇内，然而圖1 — 3所示 之範例式雙極板總成1 0之形態如下。框體構件1 4大約1 〇 · 3 对長及大約9.6吋寬（不包含凸件56)，而雙極板12大約8() 吋長及大約8 · 0吋寬。總共有5 0條相同間隔之氧化劑通道 18及50條相同間隔之燃料通道24。每一通道寬度大約

第11頁 506158 五、發明說明（9) 〕·055才，殊度大約0.02#，而 吋。因此，阗-夕雒^ 向隆介Μ及26厚度大約〇, 〇1 :森0 J 2厚度大約為0,03吋。側壁28大 =〇二1时至〇.〇3忖厚’其與相關之燃 二 表面界疋一大約100度之角度。 4通道底 圖4-6中所示之範例式陰=板62是六 2.〇吋長及大約〇.40吋厚。通遺fi4官存|二八母側大約 大約0.01吋至大約〇 〇3 了 & 、纟、〇. 03吋，深度 叶，其深度大約為uj。限制件70見度大約為 示，圖Μ中所示雙極件總成1〇之一裝項置使内用老如圖7及8所 燃料電：模組74内。ΡΕΜ燃料電池模組最好包含 :固：：：池。在圖7及8所示之範例式實例中' 五…。尤其特殊者為範例 電 包含：圖所示方式堆置之-分離器板76、一冷去/=74 六：雙極板總成!。(每個均包含…皮12及:却= 以，五個ΜΕΑ總成8°。底雙極板總成i。基本上將 -夕數模組堆置法之鄰靠燃料電池模組之分離、J置;。疋 那些特定模組在堆置件中包含底模組、或是用二U 置件内之案例中，底分離器板(未圖示 總成1 0下方。 又夏於底雙極板 可由諸如銘、欽、鋼、r w斗、由

土或傳導塑膠材料赞作夕鈴存丨I f分離器板76，包含燃料歧管、氧化劑歧管、 官、以及對應於那些範例式雙極板總成10之 ς 範例式冷却劑板78亦包含燃料歧管、氧化劑歧J用：：劑

第12頁 506158 五、發明說明（ίο) 歧吕以及對應於那些範例式雙極板總成i q之組裝用通孔。 冷却，78之-正面為平面形，其另一正面82包含與冷却 劑歧=48及50連通之冷却劑通道81。適當冷却劑包含水、 乙一醇乙稀、以及聚之石壞。 參考MEA總成80，本發明可實用於傳統式之MEA總成。譬 如，薄膜電解液可自E.KhPoM de Nem〇urs公司以 “？1(^商才示產品、或是由¥1(；〇1^公司以(^^^_3616(^商 標產品販售之過氟硫酸聚合物成形。陽極及陰極薄片可自 / NAF I ON = ；f不產σσ或聚四氟乙烯黏合劑中之觸媒顆粒成 形。用於氣體擴散層之適當材料，包含E —Tek公司之elat 商標產品及LL· Gore公司之Carbel商標商品。在圖示實例 中，MEA總成80包含在組裝過程中使用之垂片84。變通 地，可用採用諸如由W.L.Gore公司（Primea商標產品）、 E-Tjk公司以及DeGussa_Huls公司出售之商用型mea總成。 精由圖9範例所示，一根據本發明較佳實例之燃料電池 隹置物86包含一端板88、一介於1〇〇及2〇〇個燃料電池模 、、且7 4間之集私器9 〇、一集電器9 2、以及一内含一端板g 6及 一襯墊98之端板總成94。端板88配置燃料入口及出口1〇〇 及102、氧化劑入口及出口^么及！ 〇6、以及冷却劑入口及 出口 1 〇 8及11 〇。通口將燃料，氧化劑及冷却劑（未圖示）源 與燃料電池模組74内之歧管連通。此處之燃料為氫氣或重 ，、且油 而氧化劑為氧氣或空氣。範例式燃料電池堆置物§ 6 亦配置一正電流收集器端子丨丨2以及一負電流收集器端子 Π 4。各種元件可藉由使用螺帽及螺栓配套丨丨6或其他機械

I麵

第13頁 506158 五、發明說明（11) 式緊固件相互緊固。螺栓 上凸件120内之通孔118， 122(註於圖1)、以及穿越 雖然本發明已藉由上述 可顯見對上述較佳實例之 據本發明之雙極板，可包 與陽極側無關之流量限制 每一通道相關連却與陰極 轉期欲延伸至所有該種修

穿越一系列成形於雙極板框體1 4 同時穿越框體角隅内之通道 其他堆置件元件之對齊通孔。 較佳實例說明，但通曉本技術者 各種修餘及/或增添。譬如，根 含與陰極侧上每一通道相關連但 器，或變通地可包含與陽極側上 側無關之流量限告丨|笑、j, ^

f j b。本發明範 飾及/或增添。 U

第14頁 5紐58 ! m, 7· 2 3 ίί '々二 i (。 」案號89116529 彳/年7月 曰 修正 < 圖式簡單說明> 元件符號說明 10 雙 極 板 總 成 12 14 框 體 16 18 氧 化 劑 通 道 20 22 燃 料 側 24 26 料 側 隆 脊 28 30 氧 化 劑 通 道18 之出 π 32 34 燃 料 通 道24之 出口 36 38 框 體 構 件 40 42 燃 料 出 V 歧管 44 46 氧 化 劑 出 口歧 管 48 50 冷 卻 劑 出 口歧 管 52 54 燃 料 入 V 管 56 58 /，··、 料 出 V 管 60 62 陰 極 板 64 66 入 π 歧 管 68 70 限 制 件 72 74 PEM燃料電池模組 76 78 冷 卻 劑 板 80 8 1 冷 卻 劑 通 道 82 84 88 垂片 端板 86 90 92 集 電 器 94 96 端 板 98

雙極板 氧化劑側 、

氧化劑側隆脊 燃料通道 I 氧化劑通道1 8之入口 燃料通道24之入口 側壁 燃料入口歧管 氧化劑入口歧管 冷卻劑入口歧管 . 強化構件 氧化劑入口管 氧化劑出口管 z形通道 出口歧管 入口端 分離器板 Μ E A總成 冷卻劑板7 8之另一正面 燃料電池堆置物 __ 集電器 端板總成 襯墊 ·

O:\65\65908-910723.ptc 第15頁 506A58 案號 89116529 圖式簡單說明 9/年？ 修正烫 100 燃 料 入 V 1 02 燃 料 出 π 104 氧 化 劑 入 Π 1 06 氧 化 劑 出 Π 108 冷 卻 劑 入 V 1 10 冷 卻 劑 出 V 112 正 電 流 收 集 器 端子 1 14 負 電 流 收 集器端子 116 螺 帽 及 螺 栓 配 套 1 18 通 孔 120 凸 件 1 22 通 道

O:\65\65908-910723.ptc 第16頁

Claims (1)

1. 5064^8- Af 一 年月 翁正 .案號89116529 3丨年7月 曰 修正 六、歹讀專利範圍 1 . 一種用於燃料電池之雙極板總成，包含多數個界定個 別入口（28、32)與出口（30、34)之反應劑通道（18、24)， 鄰靠反應劑通道（18、24)之入口（28、32)相互鄰靠，而鄰 靠反應劑通道（1 8、2 4 )之出口（ 3 0、3 4 )相互鄰靠，其改良 之處包含： 至少兩個流量限制器（54、5 6 )，其分別與至少兩個鄰 靠之反應劑通道（1 8、2 4)相關連。 2. 根據申請專利範圍第1項之雙極板總成，其中每一反 應劑通道（18、24)均包含一流量限制器（54、56)。 3. 根據申請專利範圍第1項之雙極板總成，其中流量限 _制器（54、5 6)與反應劑通道入口（28、32)相關連。 4. 根據申請專利範圍第1項之雙極板總成，其中流量限 制器（5 4、5 6 )概略相互相同。 5. 根據申請專利範圍第1項之雙極板總成，其中雙極板 總成界定一第一側（1 6 )以及一第二側（2 2 )，而多數個反應 劑通道包含多數個置於第一側（1 6 )上之第一反應劑通道 (1 8 )，以及多數個置於第二側（2 2 )上之第二反應劑通道 (24) 〇 6. 根據申請專利範圍第1項之雙極板總成，其中多數個 通道包含多數個第一反應劑通道（1 8)以及多數個第二反應 劑通道（2 4 )，雙極板總成另外包含： ® 第一及第二入口歧管（44、40)，其分別與第一及第二 反應劑通道（1 8、2 4 )之入口（ 2 8、3 2 )相關連；以及 第一及第二出口歧管（30、34)，其分別與第一及第二

   O:\65\65908-910723.ptc 第17頁 50M5-8- /ί 二 案號 89116529 曰 修正 Ί.τ· 反 道 制 反 總 應 ⑩第 流 第 反 道 界 (1 wwwMWm 應劑通道（1 8、24 )之出口（ 34 · 3 Ο )相關連； 其中至少兩個鄰靠反應劑通道，包含第一反應劑通 7. 根據申請專利範圍第6項之雙極板總成，其中流量限 器包含自第一及第二入口歧管（44、40)伸至第一及第二 應劑通道（18、24)入口之第一流體連接器（54、56)，第 流體連接器（54、5 6 )界定個別之第一流動區域，雙極板 成另外包含： 多數個第二流體連接器（58、60)，其自第一及第二反 劑通道（18、24)延伸至第一及第二出口歧管（46、44)， 二流體連接器（5 8、6 0 )界定個別之第二流動區域，第二 動區域大於第一流動區域。 8. 根據申請專利範圍第7項之雙極板總成，其中第一及 二流體連接器（5.4、5 6、5 8、6 0 )包含圓管形構件。 9. 根據申請專利範圍第1項之雙極板總成，其中多數個 應劑通道（1 8、2 4 )，包含多數個概略直線形之反應劑通 〇 1 0.根據申請專利範圍第1項之雙極板總成，其中之雙極 定一陰極側以及一陽極側，而至少兩鄰靠反應劑通道 8或24)設置於同一側上。

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