TW550850B - Drainage pressure-boosting structure of the reaction electrode plate in fuel battery set - Google Patents

Description

550850 五、發明說明~----- 【發明之領域】 =發明是有關於一種燃料電池組，且特別是有關於一種 ^ ’斗電池組之反應極板之排水增壓結構。 【先前技術之描述】 ί肖^ ΐ人類文明的進步，傳統能量如媒、石油及天然氣的 $里持績的升南’造成地球嚴重的污染，導致溫室效應 旦=雨等環境的惡化。人類已清楚地體認到天然能源的存 =限’如果持續地濫用，在不久的將來便會消耗殆盡。 而t、’世界先進國家近來無不致力於研發新的替代能源， 料電池組便是其中一種重要且具發展潛力及實用價值 =^。與傳統之内燃機相較，燃料電池組具有能量轉換 六率同、排氣乾淨、噪音低、且不使用傳統燃油等多項優 點0 &燃料電池組是一種將氫氣與氧氣透過電化學反應產生電 月匕之發電裝置，其基本上可說是一種水電解之逆反應，以 $其化學能轉換成電能。以質子交換膜燃料電池組為例， 二匕括夕個電池單體’每一電池單體之結構大致如圖1為 習知燃料電池組之電池單體結構之剖面分解示意圖所示， 匕έ位於中央之一質子交換膜（Proton Exchange

Membrane ’PEM)11 ’其兩側各設一層催化劑i2，其外側再 f 設置一層氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL)14， ，外側則分別設一陽極板1 6與一陰極板1 8，將此等構件緊 密結合在一起後，及形成一電池單體。 、 如圖2為習知燃料電池組部份結構之剖面分解示意圖所

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550850 五、發明說明（2) ' ----- 作為兩個鄰接電、池單體中之陽極與陰極的電極板 為雙極板（Bipolar Plate)2〇，雙極板2〇的兩面通 二-有’多溝槽式之氣體通道22，其藉以輸送反應用之氣 如氫氣與含氧氣的空氣，並排出反應後的生成物，如 水滴或水氣。 以圖2為例，「由於燃料電池組之雙極板2〇(圖1之陽極板 16與陰極板18亦相同）中的氣體必須具有相當程度的濕 度二始能將反應生成之離子攜帶並穿越質子交換膜丨丨，實 見貝子‘電)因為氣體含水量過少時，質子交換膜11會脫 水，使得燃料電池組的電阻增大、電壓降低，進而影響燃 =電池組的壽命，故有可能設計一加濕裝置使氣體蘊含足 的水氣以改善此情況。若氣體的含水量過多時，則因為 毛細現象使水附著在氣體通道2 2的内壁，而水慢慢地累積 使氧體通道22的有效之截面積縮小，更有可能阻塞雙極板 中氣體流通之氣體通道22，如圖3為圖2之3-3剖面線所 传之剖面示意圖所示，使得氣體無法持續流通而中斷燃料 電池纽的電化學反應，亦會對燃料電池組之性能產生負面 的影響。因此，燃料電池組中針對雙極板2〇(陽極板與陰 極板亦同）之設計便顯得非常的重要。 (為了防止雙極板20中之氣體通道22被水滴24阻塞，其中 / 種解決方式為增加氣體通道22之入口與出口之間的壓力 差）。如此，當氣體通道2 2被水滴2 4阻塞時，如圖3所示， 由於此時氣體已不流通，故水滴24 —側的壓力將與氣體通 道入口的壓力相等，而水滴2 4另一側的壓力將與氣體通道

550850 五、發明說明（3) 出口的壓力 則此壓力差 或吹出氣體 習知增加 小氣體通道 成細長之婉 示，利用氣 道入口及出 必須將氣體 道，增加雙 細長彎曲之 種木利之流 電池組之效 相等，(若能使入口與出 A D ^ . , 興出口的壓力差ΛΡ加大， △ Ρ便會施加於水滴9 4 + 扒滴24之兩側並足以將其吹散 通道。） 氣體通道之入口血中 Μ —古广η ★ 一出口間壓力差的方式，為縮 之直徑及/或增加教辦、音 刀孔篮通道之長度，而將其製 蜒狀，如圖4為習知静搞& + ^ &卿雙極板之平面示意圖所 體流經通道壁面睹所& + Λ 0日w ^^吋所產生之摩擦力，在氣體通 口間形成，大之氣體壓力差。然而，此種方式 通道製成單-之延長婉蜒狀，且非常細之通 ，板製造上之困難度及相關成本。此外，此種 乳體通道，容易使氣體於流動時產生亂流或他 動情況，可能影響反應之順利進行而降低燃料 率。 本發明之目的在於提供一種燃料電池組之反應極板 二水增壓結構，其對反應極板之氣體通道的路徑作簡 ::计’可對氣體通道入口及出口間產生足夠大的氣體壓 力差，以吹散及吹出附著在氣體通道之内壁的水，並且可 使反應極板的製造、加工容易及節省相關的成本。 【發明之概述] 本發明在於提供一種燃料電池組之反應極板之排水增壓 結構，此反應極板包含一進氣孔、一出氣孔、數個寬氣體 ，道及數個窄氣體通道，這些寬氣體通道平行排列且與進 氣孔^目通，這些窄氣體通道平行排列且與出氣孔相通，這 些寬氣體通道的每一通道連通互相對應的這些窄氣體通道

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五、發明說明（4) 的每一通道，(由於氣體流通由這些寬氣體通道而到這些 氣體通道’因氣體通道寬度改變，而使這些寬氣體通^ 進氣壓力與這些窄氣體通道的出氣壓力所產生之一壓力差 變大，可使此壓力差與通道之一戴面積的乘積所得到之一 力足以吹出因毛細現象而吸附在氣體通道的水$ 根據上述之目的，本發明提供一種燃料電池組之反應極 板之排水增壓結構’其對反應極板之氣體通道的路徑作簡 單的設計，可對氣體通道入口及出口間產生足夠大的氣體 壓力差，以吹散及吹出附著在氣體通道之内壁的水。、

本發明之其他目的及優點將由隨後之詳細說明及隨附之 申請專利範圍當可更加明白。 【發明之詳細說明】 圖5為本發明陰極板之平面示意圖。在圖5中，燃料電池 組之陰極板30包含空氣進氣孔32、34與空氣出氣孔36、 38 ’數個寬氣體通道40平行排列且與空氣進氣孔32、34相 通’數個窄氣體通道42平行排列且與空氣出氣孔36、38相 通’寬氣體通道40的每一通道連通互相對應之窄氣體通道 42的每一通道；當含氧氣的空氣由空氣進氣孔32、34進入 陰極板30後’流經寬氣體通道4〇、窄氣體通道42以進行電 化學反應’反應後的空氣再由空氣出氣孔36、38流出陰極 板3 0 〇 圖6為圖5之6-6剖面線所得之剖面示意圖，圖7為圖5之 7-7^剖面線所得之剖面示意圖，圖6中之寬氣體通道4〇可流 經氣體的截面積是比圖7中之窄氣體通道42可流經氣體的

550850 五、發明說明（5) ' ' — —- 截面積來得大，（因此，氣體由大截面積的通道流入小截 =的通道，其會產生較大的壓力差力假設在寬氣體通道Μ 、入口處之進氣壓力為匕（即近似鼓風機吹入燃料電池組 的氣體壓力），寬氣體通道4〇的截面積為Αι，在窄氣體 道42的出口處之出氣壓力為匕（即近似大氣壓力），窄氣體 通道42的截面積為A2，因此在寬氣體通道4〇會產生一力F 二（PrΡΟχ^^ΛΡχΑ!，由於寬氣體通道4〇與窄氣體通道 ^間的壓力差ΔΡ增大，而且寬氣體通道4〇的截面積Μ 又較大，所以在寬氣體通道4〇上的力F足以吹散及吹出^ 毛細現象而吸附在寬氣體通道4〇的水；然而，在窄氣體通 道的截面積Α2比較小，但因截面積小可使窄氣體通道42 的氣體流速增大，有如同喷嘴之作用，亦可吹散及吹出因 毛細現象而吸附在窄氣體通道42的水 =圖5所示，氣體通道由寬通道（即寬氣體通道4〇)縮小 二乍通，（即窄氣體通道42)之排水增壓結構，（其可以有效 =除附著在氣體通道内壁的水，而且如此之氣體通道的製 造]加工都很容易完成，以及可節省相關的成本9 同樣地，在圖8為本發明陽極板之平面示意圖中，燃料 電=f之陽極板50包含氫氣進氣孔52與氫氣出氣孔54，數 $ ‘氣體通道56平行排列且與氫氣進氣孔52相通，數個窄 ί道58平行排列且與氫氣出氣孔54相通，寬氣體通道 合入ΓΓ通道連通互相對應之窄氣體通道58的每一通道； 、=έ氫，由氫氣進氣孔5 2進入陽極板μ後，流經寬氣體通 I56、窄氣體通道58以進行電化學反應，未反應完的氫氣

550850 五、發明說明（6) 再由氫氣出氣孔54流出陽極板50。 圖9為圖8之9 - 9剖面線所得之剖面示意圖，圖1 0為圖8之 10-10剖面線所得之剖面示意圖，圖9中之寬氣體通道56可 流經氣體的截面積是比圖1 0中之窄氣體通道5 8可流經氣體 的截面積來得大，因此，氣體由大截面積的通道流入小截 面積的通道，其會產生較大的壓力差；假設在寬氣體通道 5 6的入口處之進氣壓力為Ρ!(即近似鼓風機吹入燃料電池 組的氣體壓力），寬氣體通道56的截面積為Ai，在窄氣體 通道58的出口處之出氣壓力為P2(即近似大氣壓力），窄氣 體通道58的截面積為A2，因此在寬氣體通道56會產生一力 FsCPrPJxAisAPxAi，由於寬氣體通道56與窄氣體通 道58之間的壓力差增大，而且寬氣體通道56的截面積又較 大，所以在寬氣體通道5 6上的力足以吹散及吹出因毛細現 象而吸附在寬氣體通道56的水；然而，在窄氣體通道5 8的 截面積比較小，但因截面積小可使窄氣體通道5 8的氣體流 速增大，有如同喷嘴之作用，亦可吹散及吹出因毛細現象 而吸附在窄氣體通道58的水。 如圖8所示，氣體通道由寬通道（即寬氣體通道56)縮小 為窄通道（即窄氣體通道58)之排水增壓結構，其可以有效 清除附著在氣體通道内壁的水，而且如此之氣體通道的製 造、加工都很容易完成，以及可節省相關的成本。 圖5與圖8所示之氣體通道的路徑形狀僅是說明本發明之 排水增壓結構，並非限定本發明之排水增壓結構應用於各 種反應極板（陽極板、陰極板及雙極板）之氣體通道的路

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五、發明說明（7) 徑。同樣地，本發明之排水增壓結構除了應用於陽極板及 陰極板之外，亦可應用於分別作為兩個鄰接電池單體中之 陽極與陰極的雙極板。 本發明之優點係對反應極板之氣體通道的路徑作簡單的 設計，可對氣體通道入口及出口間產生足夠大的氣體麼力 差，以吹散及吹出附著在氣體通道之内壁的水。 本發明之另一優點係可使反應極板的製造、加工 節省相關的成本。 免 本發明可在不離開本發明 特定之例示。本發明之範圍 定，而並非由上述說明所限 相等之變化均應包含於本發 【元件編號之說明】 11 質子交換膜 之精神及基本特徵下作成各種 為由隨附之申請專利範圍所限 制，所有與申請專利範圍意義 明中。 12 催化劑 14 氣體擴散層 1 6、5 0 陽極板 18 '30 陰極板 2 0 雙極板

2 2 氣體通道 24 水滴 32、34 空氣進氣孔 36、38 空氣出氣孔 40、56 寬氣體通道

550850 五、發明說明 (8) 42、58 窄氣體通道 52 氫氣進氣孔 54 氫氣出氣孔 11IH1 TF919512〇ptd 第12頁 550850 圖式簡單說明 圖1為習知燃料電池組之電池單體結構之剖面分解示意 圖； 圖2為習知燃料電池組部份結構之剖面分解示意圖； 圖3為圖2之3 - 3剖面線所得之剖面示意圖； 圖4為習知雙極板之平面示意圖； 圖5為本發明陰極板之平面示意圖； 圖6為圖5之6-6剖面線所得之剖面示意圖； 圖7為圖5之7-7剖面線所得之剖面示意圖； 圖8為本發明陽極板之平面示意圖； 圖9為圖8之9-9剖面線所得之剖面示意圖；以及 圖10為圖8A之10_10剖面線所得之剖面示意圖。

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Claims (1)

1. 550850 六、申請專利範圍 1.-極板包 個窄氣 通，該 氣體通 一通道 通道， 壓力與 大，可 足以吹 2. 如 之排水 極板及 3. 如 之排水 空氣進 空氣出 種燃料電 含—進氣 體通道， 些窄氣體 道的每一 ’由於氣 因氣體通 該些窄氣 使該壓力 出因毛細 申請專利 增壓結構 兼具陽極 申請專利 增壓結構 氣孔之其 氣孔之其 池組之反應極板之排水增壓結構，該反應 孔、一出氣孔、複數個寬氣體通道及複數 該些寬氣體通道平行排列且與該進氣孔相 通道平行排列且與該出氣孔相通，該些寬 通道連通互相對應之該些窄氣體通道的每 體流通由該些寬氣體通道而到該些窄氣體 道寬度改變，而使該些寬氣體通道的進氣 體通道的出.氣壓力所產生之一壓力差變 差與通道之一截面積的乘積所得到之一力 ，象而吸附在氣體通道的水。 靶ΐ Ϊ1項所述之燃料電池組之反應極板 、 該反應極板倍兔》1¾ yhr I— f陰極之-雙極板之；^之，板、一陰 IS 1項J斤述，燃料電池組之反應極板 中之一 Μ進氣孔係為一氫氣進氣孔及一 中之一該出氣孔係為一氫氣出氣孔及一

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