TW560104B - Fuel-cells block - Google Patents

Description

560104 五、發明說明（1) 本發明汲及一種燃料電池組，其包含多個上下堆疊之 平面式燃料電池，一個末端板及一經由末端板而延伸之 驅動劑通道。 在水之電解液中，水分子藉由電流而分解成氫及氧。 在燃料電池中，另以相反之方向進行該過程。由於氫及 氧以電化學方式結合成水，若使用純氫作爲燃料氣體時 ，則會形成高效率之電流而不會發出有害物質及二氧化 碳（co2)。 燃料電池之技術上之轉換原理已造成各種不同之解法 ，其利用不同形式之電解液且操作溫度介於80°c及 1 000 °c之間。依據其操作溫度，燃料電池可劃分成低溫 ，中溫及高溫燃料電池，其又以技術上不同之實施形式 來互相區別。 驅動劑添加至燃料電池以進行操作，該驅動劑例如可 爲驅動氣體，潤濕用之水及冷卻水。含氫之燃料氣體及 含氧之氧化氣體可用作驅動氣體。天然氣，煤氣或純氫 可用作燃料氣體且空氣或純氧通常用作氧化氣體。潤濕 用之水用於某些低溫燃料電池之實施形式中，特別是用 於具有聚合物-電解液-薄膜（PEM)之燃料電池中，其薄 膜必須保持潤濕狀態。各驅動氣體在適當之裝置（例如 ，液體-環形壓縮機或潤濕單元）中加熱至燃料電池之溫 度且以水蒸氣而成爲飽和狀態。 各別之燃料電池之操作電壓最大是1.1 V。多個燃料電 池因此須共同連接成一種燃料電池堆疊，其是燃料電池 560104 五、發明說明 ( 2 ) 組之組 件。 藉 由 各 燃料電池 之 串 聯 ，則燃料電池組之操 作電壓 可達 1 00V 或更多。 除了 至少 —* 個 燃 料電池堆 疊 以 外 ，燃料電池組通常亦 包含潤 濕用 之 電 池 堆疊及一 所 謂 驅 動件（亦稱爲供應件） 。該潤 濕用 之 電 池 堆疊包含許 多 電 池，其中各驅動氣體 藉助於 薄膜 而 被 潤 濕。供應 件 可 容 納各設備（例如，泵 ，壓縮 機及 潤 濕 機 )以及各種裝置C 例如，閥，感測器， 電子監 視器 脫 水 機及其它 等 等 )。 這些組件之組合藉 由多條 管線 及 管 連 接件來達 成 〇 這 些管連接件原則上容 易發生 洩漏 〇 管 線 (其輸送- -種驅動氣體）中之洩漏位置 在特殊 之範 圍 中 使 操作安全 性 受 到 危害，此乃因在漏洞 周圍使 用含 氫 -及氧之驅動氣體時會有發生火災（甚至爆 炸）之危險。 在機動車中使月 !燃料電池組時，其它之因 難點是 :燃 料 電 池 組會受到 衝 擊 及 各種震動現象。 本發 明之 的 是 提供一種 燃 料 電 池，其在一種由震動 所標示 之操 作 中 就 管連接件 之 密 封 性而言仍能滿足高的 安全需 求。 此目 的以 上 述 形 式之燃料 電 池 組 來達成，其中依據本 發明一 種驅 動 劑 控 制裝置至 少 一 部 份配置在驅動劑通道 中且至 少一 部 份 整 合在末端 板 中 0 驅動 劑控 制 裝 置 是一種裝 置 y 其 可影響該驅動劑之數 量或狀 態或 可 測 量 該驅動劑 之 狀 態 (例如，壓力或溫度） 。一種 有影 響 力 之 驅動劑控 制 裝 置 例如是一種閥，調整 元件或 —^種 脫 水 機 ，且測量 用 4- 之 驅 動劑控制裝置例如是 560104 五、發明說明（3) 一種流量監視器或一種感測器，例如，溫度探測器，測 量値測定器，壓力測定器或位準測定器。 燃料電池組之不同之構件，即，燃料電池堆疊，潤濕 用之電池堆疊及供應件，通常以至少一個末端板在二側 作爲邊界。末端板因此位於燃料電池組之一個末端上或 在其二個構件之間。末端板通常是一種穩定之金屬板， 其使燃料電池組具有某種程度之穩定性。配置在二個構 件之間之末端板亦稱爲中間板。向外限制該供應件所用 之末端板可容納該燃料電池組之終端。’此種亦稱爲終端 板之末端板例如用來供應該驅動劑，排出廢氣，測定所 產生之電流或測定各測量信號。末端板（其作爲燃料電 池堆疊或潤濕用之電池堆疊之邊界）是與最外部之複合 電路板或堆疊之隔離板相鄰，依據燃料電池組之實施形 式，在最外部之複合電路板及末端板之間亦可存在其它 之構件。 本發明之構想是：燃料電池組之供應件中該驅動劑供 應-及排出管線所具有之密封-及連接位置越少，則燃料 電池組之操作安全性越高。此外，一種連接位置（例如 ，管件及閥之間之終端）對洩漏之抵抗力越弱，則該連 接位置所承受之機械負載越大。在供應一驅動劑（例如 ，驅動氣體）至燃料電池時，該驅動氣體首先藉由一種 終端而經過終端板，一種管件經過該供應件之內部而到 達一種閥中，藉此閥可對該驅動氣體供應至燃料電池堆 疊進行控制。當閥直接配置在該終端板上時，則燃料電 560104 五、發明說明（4) 池組之供應件內部中之各連接位置可減少。終端板及閥 之間之管件因此可省略。爲了使終端板及閥之間之連接 位置達成一種特別高之可負載性，則閥之一部份須整合 在終端板中。終端板中例如安裝一種閥座，在安裝該燃 料電池組時該閥固定地接合至該閥座中。閥及終端板因 此形成一種固定之連接。這樣可使閥及終端板之間之連 接位置內部之密封只承受一種很小之機械負載。 由於驅動劑控制裝置之至少一部份整合在燃料電池組 之末端板中，則目前在該末端及驅動劑控制裝置之間之 一般管件即可省略。燃料電池組內部中之連接位置之數 目即可減少，燃料電池組內部中涉及洩漏之操作安全性 即可提高。藉由上述之部份整合作用，驅動劑控制裝置 可固定地與末端板相連且驅動劑控制裝置及末端板之間 之密封位置可配置在末端板內部。這樣可使該密封位置 之機械負載較小，燃料電池組之操作安全性因此較高。 此種優點在驅動劑控制裝置完全整合在末端板中且完全 由末端板所容納時特別明顯。以上述之閥爲例，這表示 該閥完全在末端板中操作，末端板及閥之間之密封位置 ，閥及其後之管件之間之密封位置或閥及另一驅動劑控 制裝置之間之密封位置因此可直接配置在末端板中或末 端板上。該二個密封位置只會受到較小之機械負載。在 驅動劑控制裝置完全整合至末端板中時，末端板及驅動 劑控制裝置之間之密封位置甚至亦可省略，此乃因驅動 劑控制裝置以無縫隙之方式接合至末端板中。 560104 五、 發明說明 (5: ) 本 發 明 之 其它 優 點 是 • 使 驅 動 劑 控制 裝 置 之至 少 一 部 份 整 合 至 末 端板 中 則 管 件 及 其 空 間即 可 省 略。 供 應 件 及 整 個 燃 料 電池 組 即 可 緊 密 地 構 成 。整 體 燃 料電 池 堆 及 供 應 件 藉 由本 發 明 可特別 穩 定 且 特別 省 空 間。 ΧΞ. 在 機 動 車 中 特別有利 ， 機 動 車 機 械 負 載 及有 限 之 空間 都 對 燃 料 電 池 組 有很高 之 需 求 〇 本 發 明 之 其它 優 點 以 下 述 方 式 達 成： 驅 動 劑控制 裝 置 是 一 種 脫 水 機。 在 將 氫 及 氧 一 齊 供 應至 燃 料 電池 中 時形 成 水 (H2〇) 此種水必須由燃料電池中引出。 此種水混 合 至 — 由 燃 料電 池 中 引 出 之 未在 燃 料電 池 中 使用 之 驅 動 氣 體 流 中 且 須由 此 種 氣 體 流 中 去 除 。爲 達 此 一目 的 在 燃 料 電 池 中 未使 用 之 驅 動 氣 體 須 流 經一 種 脫水機 ， 在脫 水 機 中 使水 由驅 動 氣 體 中 分 離 〇 在某些 型 式 之低 溫 燃 料 電 池 (特別是ΡΕΜ ί 燃 料， 電: 池）中 該 驅動 氣 體 須潤 濕 而 進 入 燃 料 電 池 中， 此 乃 因 燃 料 電 池 之 電解 液 須 持續 地保 持 潤 濕 〇 在 具 有此 種 燃 料 電 池 之 燃 料 電池 組 中 ，脫 水 機 通 常 亦 配 置 在 驅動 劑 管 路 中 y 藉 此 管 路使 已 潤 濕之 驅 動 劑 輸 送 至 燃 料 電池 中 〇 在 燃 料 電 池 操 作期 間 潤濕 之 水 可 在各 管 路 內 部中 冷 凝 出 來 〇 此 種 已 冷凝 之 潤 濕之 水 不 會 淹 沒 該 燃 料 電池 > 脫 水 機 之 至 少 一 部份 整 合在末 丄山 贿 板 ( 例 如 中 間 板）中。 燃料電池組之供應件中已潤濕之驅 動 氣 體 因 此在進 入 該 燃 料 電 池 堆 疊 之前 直 接 經由 中 間 板 或 中 間 板 上 之脫水 機 〇 此 外 脫水 機可 固 定 地， 特 別 穩 定 地 與 末 端 板緊 密 地相 連 接 0 7- 560104 五、發明說明 ( 6 : ) 「特別有利 之 方 式 是 使 脫 水 機 兀 全整 合在 末 端板 中 〇 管 連接件及脫 水 機 之 間 之 密 封位 置 因此 可完 全 省略 0 另 外 ，構造上之 空 間 又 可 特 別 節 省 0 驅動 劑導 入 末端 板 中 且 在該處之脫 水 機 中 使 過 多 之 潤 濕 用之 水或 m 多之 已 產 生 之水被釋出 然 後 又 由 末 端 板 導 出。 適當之方 式 是 使 脫 水 機 之 排 空 閥之 一部 份 或全 部 整 合 在末端中。 水位 指 示 器 之 ·— 部份 或全 部亦 整 合在末 端 板 中。藉由此 種 方 式 則排 空 閥 (或水位指示器）及j 脫； 水: 機 之間之洩漏 即 可 有 效 地 防 止 〇 此 外， 供應 件 及燃 料 電 池 組可特別緊 密 地 構 成 〇 本發明之 其 它 優 點 由 — 在末 端 板中 操作 之 連接 通 道 ( 其用來連接 二 個 平 行於 電 池 之 堆 疊方 向而 對 準之 軸 向 通 道）來達成。 燃料電池堆疊內部之軸向通道用來對燃料 電池供應該 驅 動 氣 體 及 冷卻水或 解除 對驅 動 氣體 及 冷 卻 水之供應。 此 處 以 末 端 板 內 部 中 供應 該冷 卻 水所 用 之 通 道來描述： 依 據 燃 料 電 池 堆 疊 之 冷卻 槪念 冷卻水 由 燃 料電池組之 供 應 件供 應 至 軸 向 通 道中 且在 該 處流 經 燃 料 電池堆疊， 由 軸 向 通 道 分佈 至 堆 疊之 燃料 電 池中 > 以 便 又集中至另 一 軸 向 通 道 中 〇 在 燃 料電 池堆 疊 之末 端 上 該 冷卻水轉向 至 另 一 軸 向 通 道 中 ， 冷卻水因 此 又回 到 燃 料 電池組之供 應 件 中 〇 集 中 該 冷卻水所 用之 軸 向通 道 及 使 冷卻水回到 燃 料 電 池 組 之供 雁 件所用 之軸 向 通道 之 間 之 連接管線在 向 外 限 制 該 燃 料 電 池 堆疊 所用 之 末端 板 內 部 中構成一種 通 道 〇 以 此 種 方 式使 8- 該二 個軸 向 通道 之 間 之 560104 五、發明說明（7) 連接件及所需之其它密封位置都可不需要。這樣可增加 安全性且節省空間。由於金屬末端板可使整個燃料電池 組穩定，則其厚度通常須使其可容納該驅動劑控制裝置 或驅動劑通道。 適當方式是使脫水機配置在該連接通道中且整合在末 端板中。一即將脫水之驅動氣體在此種構造中不可經由 其它之管線而至脫水機中而是直接在排出之後或直接在 進入該燃料電池堆疊之前被脫水。這樣可達成之其它優 點是：驅動氣體不需在所需之其它管線中冷卻（其中額 外之水藉由冷凝而析出）。該驅動氣體因此保持在末端 板之溫度且可藉由此種可輕易控制之溫度而導入燃料電 池堆疊中。 燃料電池組可有利地包含多個串聯配置之燃料電池 組-級（stage)，其中設有第一軸向通道以便由燃料電池 組-級送出該驅動劑，另有第二軸向通道以便使驅動劑 供應至隨後之燃料電池組-級。一種劃分成多個組級（亦 稱爲串聯級）之燃料電池組特別適用於一種操作中，其 中由燃料氣體或氧化氣體而來之氫或氧完全在燃料電池 組之內部中消耗。此種電池組主要用於以純氫及純氧之 操作中，此乃因該驅動氣體完全消耗且除了少量之鈍氣 成份之外燃料電池組不會產生廢氣。此種燃料電池組之 特徵是多個相鄰之燃料電池堆疊，其例如以中間板相隔 開。該驅動氣體及冷卻水藉由複雜之管線或通道而流經 燃料電池組之各別之串聯級。燃料電池堆疊之直接之周 560104 五、發明說明（8) 圍中大部份之管線由於串聯級之間或串聯級末端上之一 個或多個末端板之內部中之各連接通道之構成而可省略 ，其它管線所需之空間即可省下而不需要。 該驅動劑控制裝置可以是一種閥，一調整元件，一感 測器或一流量監視器。全部之驅動劑控制裝置之至少一 部份都可輕易地整合在燃料電池組之末端板中。此種驅 動劑控制裝置及管線之間之密封位置即可省略，燃料電 池組相對於洩漏所造成之干擾所顯示之安全性即可提高。 本發明以下將依據三個圖式來說明。圖式簡單說明： 第1圖燃料電池組，其包含一供應件，一潤濕用之 電池堆疊，二個燃料電池堆疊及5個末端板。 第2圖一種末端板，其中已整合一脫水機。 第3圖溫度感測器及一整合在末端板中之閥。 相同之組件在各圖中以相同之參考符號來表示。 第1圖是燃料電池組1之簡化圖，其具有一供應件3 ，一潤濕用之電池堆疊5 a及2個燃料電池堆疊5 b，5 c (由PEM燃料電池構成）。各堆疊是燃料電池組1之2個 串聯所形成之級（stage)。供應件3，潤濕用之電池堆疊 5a及二個燃料電池堆疊5b，5c分別以末端板7a，7b，7c，7d ，7e爲邊界。末端板7a以終端板構成。終端板具有許多 電流端9以測得燃料電池組1中所產生之電流。此外， 末端板7a具有各測量檢測輸出端1 1及驅動劑端1 3，其 使驅動劑供應至燃料電池組1或由其中輸出該驅動劑。 末端板7b，7c鄰接於潤濕用之電池堆疊5a且末端板 -10- 560104 五、發明說明（9) 7c，7d及7e鄰接於燃料電池堆疊5b及5c。該三個末端 板7 b，7 c及7 d以中間板構成而具有多個經由各板而延伸 之在圖中未顯示之驅動劑通道。限定燃料電池堆疊5 c 所用之末端板7e向外封住該燃料電池組1。 第2圖之末端板7c配置在燃料電池堆疊5&及5b之 間作爲中間板。脫水機1 5在末端板7c中操作，脫水機 完全整合在末端板7c中。一種連接通道i7a注入該脫 水機15中，該連接通道17a使燃料電池堆疊5b之堆疊 方向中延伸之軸向通道可與脫水機15相連。在燃料電 池組1操作時，含氧之氧化氣體經由燃料電池堆疊5b 之燃料電池而集中在燃料電池堆疊5b之連接在該連接 通道上之軸向通道且流經連接通道17b而至脫水機15 中。在脫水機1 5中由燃料電池堆疊5b之燃料電池所產 生之在氧化氣體中一起運行之水由氧化氣體中析出且集 中在脫水機15之下部中。 所產生之過多之水已析出之該氧化氣體繼續經由該連 接通道17a而至第二軸向通道，其經由燃料電池堆疊5a 而至燃料電池堆疊5c。第二軸向通道因此使氧化氣體供 應至燃料電池堆疊5c之驅動劑。各連接通道17a及17b 可視爲唯一之連接通道，其使伸入燃料電池堆疊5b中 之第一軸向通道可與伸入燃料電池堆疊5c中之第二軸 向通道相連接。 脫水機1 5包含一以水監視器構成之驅動劑控制裝置 19，其完全整合在末端板7c中。若集中在脫水機15之 -11- 560104 五、發明說明（1〇) 下部中之已產生之水之水位超過一預定之位準，則水監 視器發出一信號至第2圖中未顯示之控制單元，其因此 使閥23開啓（open)。脫水機15因此使水經由末端板& 之排空通道2 1而排出。排空通道2 1中配置一以流量監 視器構成之驅動劑控制裝置24。流量監視器完全下降至 排空通道21中而完全整合在末端板7c中。 由於脫水機1 5完全整合在末端板7c中，則在脫水機 15及各連接通道17a，17b之間以及脫水機15及排空通 道2 1之間都不需各連接位置及密封位置。此外，至脫 水機1 5之管線或由脫水機1 5朝向外之管線均不需要。 氧化劑因此可很可靠地流經脫水機1 5。此外，脫水機及 各連接通道17a，17b以及排空通道21及流量監視器都可 很緊密地構成。這樣可使整個燃料電池組1之體積減小。 第3圖是以終端板構成之末端板7a之切面圖。終端 板具有頂罩25，驅動劑通道27經由頂罩25。驅動劑通 道27使各驅動劑端1 3之一可與燃料電池組1之配置在 供應件3中之各供應裝置相連。在驅動劑通道27中配 置一種以溫度檢測器構成之驅動劑控制裝置29。溫度檢 測器用在末端板7a中且完全整合在末端板7a中。在驅 動劑通道27中同樣配置另一驅動劑控制裝置3丨，其以 閥構成。該以閥之調整元件構成之驅動劑控制裝置3 3 配置在閥上，該驅動劑控制裝置3 3就像閥本身一樣設 置在末靖板7a中且完全整合在末端板7a中。 由於驅動劑控制裝置29,31及33整合在末端板7a中 -12- 560104 五、發明說明（11) ，則它們很堅固地與末端板7a相連。沿著圍繞各驅動 劑控制裝置29,3 1及33所用之密封面因此不會發生機 械應力。這樣可確保這些密封位置之密封性有很高之可 靠性。 符號之說明 1 燃料電池組 3 供應件 5a '潤濕用之電池堆疊 5b，5c 燃料電池堆疊 7a，7b，7c，7d，7e 末端板 9 電流端 11 '測量檢測器輸出端 13 驅動劑端 15 脫水機 1 7a，1 7b 連接通道 19 驅動劑控制裝置（水監視器） 21 排空通道 23 驅動劑控制裝置（閥） 24 驅動劑控制裝置（流量監視器） 25 頂罩 27 驅動劑通道 29 驅動劑控制裝置（溫度檢測器） 3 1 驅動劑控制裝置（閥） 33 調整元件 -13-

Claims (1)

1. 560104 _—| 本____ 六、申請專利範圍 第9 1 1 2 1 626號「燃料電池組」專利案 (92年8月修正） A申請專利範圍： 1· 一種燃料電池組（1 )，其具有多個上下堆疊之平面式 燃料電池，一個末端板（7 a〜7 e )及一種經由末端板 (7 a〜7e)而延伸之驅動劑通道（17a，17b，27)，其特徵 爲一種至少一部份配置在驅動劑通道（17a，17b，27) 中且至少一部份整合在末端板（7 a，7 c )中之驅動劑控 制裝置（15，1 9,23,29,3 1，33)。 2·如申請專利範圍第1項之燃料電池組（1 )，其中驅動 劑控制裝置（1 5 )是一種脫水機。 3. 如申請專利範圍第2項之燃料電池組（1 )，其中脫水 機（15)完全在末端板（7c)中工作。 4. 如申請專利範圍第1，2或3項之燃料電池組（1 )，其 中設有平行於電池之堆疊方向而對準之第一及第二 軸向通道及一種在末端板（7c)中工作之連接通道 (17a，1 7b )，其用來連接此二個軸向通道。 5. 如申請專利範圍第4項之燃料電池組（1 )，其中設有 一配置在連接通道（17a，17b)中且整合在末端板（7c) 中之脫水機（1 5 )。 6. 如申請專利範圍第4項之燃料電池組（1 )’其中設 有多個串聯配置之燃料電池組-級（5b，5c) ’其中第 一軸向通道用來使驅動劑由串聯級（5b)中送出且第 560104 六、申請專利範圍 二軸向通道使驅動劑供應至隨後之串聯級（5c )。 7.如申請專利範圍第1項之燃料電池組（1 )，其中各驅 動劑控制裝置（19，23, 29, 3 1，33)是水監視器，流量 監視器，感測器，閥或調整元件。