TW571458B - Gas humidification apparatus for a fuel cell bi-polar plate - Google Patents

Description

571458 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域j 本發明是關於一種燃料雷 置，應用於質子交換膜型2干t又極板燃料氣加濕裝 【先前技術】 .、、、料笔池。 成源」為人類生活蠢装 步：人類利用地球上所能開；二隨著？技的進 人颂生活的進化史，從日 、口種此源，不斷的改寫 可謂是不可或缺的生存條件到科技的應用，「能源] 然而，隨著各種能源運用， 漸加重，如溫室效應及空 }衣埏所造成的破壞也曰 萬物共同面臨的危機，因此開^ :=的污染，是地球上 是刻不容缓的事。一八三九年x =效率而低污染的能源， 項私人業餘的實驗中，：現c官威廉葛洛夫在-多年後，它雀屏中選為美國太空池的發電原理，一百 一九六五年正式應用在太空船雜孓:中的重要電源，並於 成飛航任務。 j^生五號（GEMINI V)，完 燃料電池有幾項符合時代趨勢的 發電世界中備受矚目，第一是效率，:使得它在未來 常高，可達百分之四十以上，^果丄它的能量轉換效率非 釋放的廢熱回收，其效率更可At 此再將其電化學反應時 過 乾淨，燃料電池的發電過程中幾乎产:之八十；其次是 目前容量最大的十一百萬瓦燃料電：發：，任何污染：以 天然氣為燃料，這個電廠運轉初期二:敞為例，同樣^ 為1 ppm，而硫氧化物及粒狀污染物化合物的排放Ϊ 又有測得，比目前最 571458 五、發明說明（2) 氣發電廠還乾淨；第三是安# ’即 五分貝， ：：附近，所測付的％音量也低於五十 力、工 ^ ·‘、、1包池的應用範圍十分廣泛，包括電 業運輸、太空、軍事等各領域，並已制成多頂產 品，例如發電廠、備用電池、電動車、小型潛：艇、乃至 於太空船和太空梭的電源等。

”中最常見的質子交換膜型燃料電池(Pr〇t〇n

Exchange Membrane FUei Cell ，PEMFC)，亦八 薄膜燃料電池，其單電池（single ceU)基本架構=二面 圖，請芩考「第1圖」所示，它是由一個薄膜電極組 (Membrane Electrode Assembly，MEA) 10 夹置於兩片雙 極板（Bi-Polar Plate ) 20間所組成。 而薄膜電極組1 0為其關鍵部分，其包含有五層結構： 陽極氣體擴散層、陽極觸媒層、電解質層（質子交換膜）、 陰極觸媒層和陰極氣體擴散層。其中，質子交換膜可使用 高分子薄膜，例如：DuPont公司所生產之Nafion，再於其 表面塗上一層觸媒及黏貼一層破布或碳紙，以分別作為觸 媒層及氣體擴散層，即可形成薄膜電極組1 〇。 而雙極板2 0則是由導電材料製作而成，例如：石墨， 其二侧的表面均嵌有氣體流道，以分別作為陽極及陰極之 燃料氣流道2 1與氧化劑流道2 2 ° 而它產生能量的原理，是將燃料氣和氧化劑分別通入 陽極之燃料氣流道2 1與陰極之氧化劑流道2 2中’而燃料氣 會於陽極侧的觸媒進行氧化反應’並釋放出電子而生成氫 571458 五 發明說明（3) -- 離 子 流 ’此釋放出來^子經由外力σ電橋通路形成可利 ，之後再進入陰極，與通過電解質（EiectrQlyt 水 氫離子會合，進與氧化劑内之氧原子進行還原反應y:形之成 而在燃料電池的使用中，燃料氣通常使用气氣， 使用富氫的重組氣（re formate)，而氧化劑通常^1 使也^可 氣，但在一般的應用時，則採用空氣。 用氣 在使用燃料電池時，如欲增加或調整燃料電池 電流量及功率，可將多個單電池串聯在一起，以形:—之 電池組（stack)，其分解圖請參考「第2圖所—/ 個 電池組之外圍設置有集電板3 0與端板4 〇，此隼φ = 以收集整個電池，所產生的電流，而二侧的端‘4〇上=用 具有燃料氣進氣官逞41、氧化劑進氣管道“、氧化:a 管道43以及燃料氣出氣管道44 ’以供燃料氣與氧化；之： 出。 在質子交換膜型燃料電池中，由帝 流之大小及功率，決定整個燃料電、:=怎所生成電 大小及功率之因素，包括有⑴==卜、而決定電流 與氧化劑流道22之設計（2 )薄膜= 本燃料虱流逞2 1 效使用面積(3)質子交換膜之:：=表：之觸媒的有 孔隙度等因素。 貝4寸〖生（4)電極層之厚度及 而溥犋電極組1 0中之質子丄 :止氫氣和氣氣等反應氣體的^ 要作用’是用以 雌電子，且允 子牙起（C]：〇ssover)，同時隔 工 、）由燃料電池的陽極側跑到陰 571458 橋的效果。然而，氬 分子為媒介，所以當 ic Drag)的作用下， 時’會使水分子由陽 陽極侧之質子交換膜 部阻抗上升，降低了 現，當每一個氫離子 子交換膜時，氫離子 的電壓也越大。因此 地提升燃料電池的性 池中的每一個氫氣分 子交換膜之傳遞量亦 氣加λ#、至餘和含濕量 量仍然相當有限。 於燃料氣入口處進行 氣流道2 1前段時處於 流道2 1而到達流道之 使氫離子無法穿越質 五、發明說明（4) 極側，因此獲得電 内的傳遞需透過水 力（E1ectro-Osmot 極側往陰極側運動 動，因此，會造成 使得燃料電池的内 根據實驗及分析發 隨，而同時穿越質 個燃料電池所產生 於氫氣中，可有效 然而，燃料電 氫離子，且其在質 量，因此雖然將氫 能夠伴隨氫離子的 因此，如果僅 燃料氣在通過燃料 氣；ill經整個燃料氣 乏足夠的潤濕水， 燃料電池之性能。 離子在質子交換膜 氫離子在電逆滲透 由質子交換膜的陽 極側往陰極侧流 乾化的現象，進而 燃料電池的性能。 被越多的水分子伴 的阻抗越低，且整 ，加入適當水分子 能。 子可以游離出兩個 受限於其飽和含濕 的狀態下，水分子 燃料氣的加濕，使 南屬狀態，當燃料 後段時，仍可能缺 子交換膜，而降低 nr以 ::從村电池隹燃料氣流迢U前段較濕潤的 3 /、内邛阻杬較低，而在燃料氣流道2丨後段 抗較高;如此-來，燃料電池在氮氣進^ :^比後段的電流密度較高，這樣電流密度不平均的 象g k成燃料電池電壓及發電容量的限制。因此，如何 571458 五、發明說明（5) 打中後段燃料氣流道2 1中燃 返2 1後段較乾燥區域之内部 料電池良好性能的必要條件 因此’有人研發出直接 方式，以加濕燃料氣，進而 方法雖然可以提高燃料氣流 昼’但是卻造成許多衍生的 首先，自燃料氣流道21 的處理對策，極易造成陽極 象5且當陽極側氣體擴散層 路徑反而受到阻礙，使燃料 其次’於燃料氣流道21 燃料氣流道2 1之中後段缺水 率之提升相當有限。 【發明内容】 鑒於以上習知技術的問 種燃料電池之雙極板燃料氣 極側燃料氣流道之中段流道 燃料氣含濕量不足的現象， :本發明係於燃料電池雙 置一個連通每個燃料氣流道 的底部貼覆一層吸水性材料 連通流道而連接至一個加濕 全填充滿吸水性特料，藉由 料氣之 阻抗， 〇 於燃料 降低:):然 道21人 問題。 之入ΠΤ 侧氣體 浸水時 電池之 之入口 的狀態 力口濕，以降低 是維持質子交 氣流道2 1入口 料電池的内部 D處之燃料氣 處加水，如果 擴散層被水淹 ’氫氣擴散至 性能不升反降 段加濕並無法 ’對於整體燃 燃料氣流 換膜型燃 處加水白勺 阻抗；此 的含濕 沒有適當 沒的現 觸媒層的 〇 有效改善 料電池效 題’本發明之目的在 加濕裝置，設置於燃 ，以克服燃料氣流道 進而提升燃料電池之 極板之燃料氣流道的 的相通流道，並於此 ;此相通流道是透過_ 水總管，此透水連通 此吸水性材料將加濕 於提供一 料電池陽 中後段之 性能。 中段，設 相通流道 一個透水 流道内完 水導入雙

第10頁 571458 五、發明說明（6) 極板之燃料氣流道中，使燃料氣流道内之燃料氣獲得足夠 的水分，以增加質子交換膜之含濕量，進而提高燃料電池 之效率$ 根據本發明所揭露的燃料電池之雙極板燃料氣加濕裝 置，包括有下列之功效：： (1 )此燃料氣加濕裝置能夠有效地加濕雙極板陽極側燃 料氣流道中後段之燃料氣，提高燃料氣之含水量，有助於 提升氫離子穿越貝子父換膜之能力，且降低氫離子穿越質 子交換膜之阻抗’進而提高燃料電池之性能及效率。 (2 )本發明係於相通流道、透水連通流道及中後段之燃料 氣流道中設置有吸水性材料，因此，燃料氣之加濕量可 隨水份蒸發需求量獲得調節，不至於過量加濕而影響燃料 氣的擴散。 (3 ) 本發明之遂水連通流道，能使加濕水透過填充於其中 之吸水性材料而引導入燃料氣流道中，且防止燃料氣逆流 穿越此透水連通流道，而有效避免燃料氣之外流。 (4 ) 本發明之加濕水總管設有逆止閥，可調整流道‘中的壓 力，使其僅允許加濕水單方向流動，藉由調整此逆止閥可 進一步確保燃料氣不至於外、;食。 (5 )相通流道之底部貼覆有吸水性材料，且與各燃料氣流 逗内之吸水性材料相連接，使各燃料氣流道之吸水性材料 均能獲得充足水份，而達到均勻加濕的效果。 為使對本發明的目的、構造特徵及其功能有進一步的 了角午’钱配合圖示详細說明如下：

第11頁 571458 五、發明說明（7) 【實施方式】 根據本發明所揭露的燃料電池之雙極板燃料氣加濕裝 置：請參考「第3圖」及「第4圖」所示，分別為雙極板2 〇 之陽極侧燃料氣流道2 1的上視圖及立體圖。燃料氣經由 燃料氣入口 2 1 1進入燃料氣流道2 1中，經由質子交換膜型 燃料電池之電化學反應後’將反應後之氣體經由燃料氣出 口 2 1 2排出。 (在燃料電池之陽極侧燃料氣流道2 1的中段，設置有橫 向連通每一個燃料氣流道2 1的相通流道2 1 3，此相通流道 2 1 3係與透水連通流道2 1 4相連接，以使加濕水總管2 1 5中 的水可藉由透水連通流道2 1 4而進入相通流道2 1 3中，以加 濕燃料氣流道2 1中後段之燃料氣，進而降低燃料氣流道2 1 中後段較乾燥區域之内部阻抗，而提升燃料電池之性能）。 而上述之於燃料氣流道2 1中段的位置，設置有橫向連通每 一個燃料氣流道21的相通流道213，大約是在整個燃料氣 流道2 1長度的一半之位置附近，或是較下游一點，且易於 設置的地方，設置有相通流道2 1 3。 〇tb相通流道2 1 3的方向係垂直於每個燃料氣流道2 1的 方向，用以加濕流經每一個燃料氣流道2 1中後段之燃料 氣。且在製作此相通流道2 1 3時，其深度需較燃料氣流道 21深一點，以於其底部貼覆一層吸水性材料21$。（此吸水 性材料2 1 6可為不織布、脫脂棉、泡棉等易吸水的材料’ 而在設計雙極板2 0之燃料氣流道2 1時，即考慮到吸水性材 料2 1 6所佔之截面積，因此，不至於造成燃料氣流逗21之

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五、發明說明（8) 阻塞。 (與此相通流道213相連之透水連通流道214中完全填充 吸水性材料216 ’且此吸水性材料216與加濕水總管215 相銜接，以使加濕水連續地透過此吸水性材料216而補充 到相通流道213^中，進而加濕燃料氣流道21中之燃料氣 且加〉然水只旎單方向由加濕水總管2丨5流入相通流道2工3 中，以防止氫氣由透水連通流道214流出燃料氣流道21。 當相通流道213内的水分蒸發而被燃料氣吸收時，吸水性 ，料216會迅速由加漁水總管2 1 5補足所需之水分；而燃料 氣流道2 1中之加 >然1可隨水分蒸發需求量獲得調節，不會 造成燃料氣加濕過量而影響燃料氣的擴散。 由前述之說明可知：燃料氣是經由燃料氣入口 2丨1進 入燃料氣流道2 1中’赵由質子交換膜型燃料電池產生電 化學反應後，再由燃料氣出口 2 1 2將反應後之氣體排出。 如果欲再加強燃料氣流道2 1中後段之燃料氣加濕的效果， 請參考「第5圖」所示’可再於燃料氣流經相通流道2 1 3後 的每個燃料氣流道2 1的底部貼覆一層吸水性材料2 16，以 吸附由加濕水總管2 1 5吸引過來的加濕水，使燃料氣流經 相通流道2 1 3後，仍能繼續加濕燃料氣，以降低燃料氣流 道2 1中後段之内部阻抗，而提升整個燃料電池之性能。 如「第6圖」所示’為本發明之燃料電池組的組合 圖，在燃料電池組外圍之端板4 0上，除了燃料氣進氣管道 41、氧化劑進氣管道42、燃料氣出氣管道44與氧化劑出氣 管道4 3外，另設置有與加濕水總管2 1 5相連之加濕水總管 571458 五、發明說明（9) 逆止閥4 5，此 2 1 4中的壓力， 燃料氣流道21 流道2 1中，且 而為防止 氫離子的穿越 保質子交換膜 以上所述 非用來限定本 圍所作的均等 加濕水總管逆止閥4 5可調整透水連通流道 使其僅允許加濕水單向由加濕水總管2 1 5往 的方向流動，讓加濕水可由外界流入燃料氣 避免加濕水逆流導致燃料氣外泡。 所使用之加濕水中的雜質影響質子交換膜中 ，因此，可採用去離子水作為加濕水，以確 型燃料電池之正常運作。 者，僅為本發明其中的較佳實施例而已，並 發明的實施範圍；即凡依本發明申請專利範 變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

第14頁 571458 圖式簡單說明 第1圖為質子交換膜型燃料電池之單電池的基本架構剖面 圖； 第2圖為質子交換膜型燃料電池之電池組的分解圖； 第3圖為本發明之雙極板陽極侧燃料氣流道之上視圖； 第4圖為本發明之雙極板陽極侧燃料氣流道之立體圖； 第5圖為貼覆有吸水性材料之相通流道、燃料氣流道及透 水連通流道之上視圖；及 第6圖為本發明之燃料電池組的組合圖。 【圖式符號說明】

10 薄 膜 電 極 組 20 雙 極 板 21 燃 料 氣 流 道 211 燃 料 氣 入 Π 212 /”、、 料 氣 出 Π 21 3 相 、;奋 μ· 道 214 透 水 連 通 流 道 215 加 濕 水 總 管 216 吸 水 性 材 料 22 氧 化 劑 流 道 30 集 電 板 40 端 板 41 燃 料 進 氣 管 道 42 氧 化 劑 進 氣 管 道 43 氧 化 劑 出 氣 管 道

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Claims (1)

1. 571458 六、申請專利範圍 1 · 一種燃料電池之雙極板燃料氣加濕裝置，應 所 子交換膜型燃料電池，該質子交換膜型燃料電^也& _一質 以上之雙極板與薄膜電極組所組成，各該雙極板：：： 別具有一個以上之燃料氣流道及氧化劑流道，分裎j二 燃料氣與一氧化劑進入，使該燃料氣與該 膜電極組而產生電化學反應，其特徵在於.』^過該缚 該燃料氣流道沿著其流向之中段部份具有— 道、，該相通流道連通各該燃料氣流道，並透過—=: 覆有一吸水性 .、、、k n 而该相通流道之底部貼 吸水性材料，^且該透水連通流道之内部亦填充該 予該燃料氣流；；加濕水總管内之一加濕水提供給 2.如申請專IP 而提高該燃料氣之濕度。 加濕裴置，苴& j弟1項所述之燃料電池之雙極板燃料氣 接，以舖整；读加濕水總管與-加濕水總管逆止閥相連 而使該燃料氣連通流這中的壓力’防止該加濕水逆流 3 ·如申請專利笋 加渴P署 # u阗昂1 &所述之燃料電池之雙極板燃料氣 4. 專^…道係與各該燃料氣流道相垂直。 加濕裝】 '，复靶園第1項所述之燃料電池之雙極板燃料氣 5·二;請專利=該吸水性材料係為不織布。 加濕裝^、，盆範圍第1項所述之燃料電池之雙極板燃料氣 6 ·如申請專^丨t遠吸水性材料係為泡棉。 加濕裝^、，复鈿圍第1項所述之燃料電池之雙極板燃料氣 、，/、中該吸水性材料係為脫脂棉。

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   7·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之雙接 加濕裝置，其中該加濕水係為去離子水。 4料氣 8· 一種燃料電池之雙極板燃料氣加濕裝置，應用於—所 交換膜型燃料電池，該質子交換膜型燃料電池係由貝子 上之雙極板與薄膜電極組所組成，各該雙極板的 7個以 具有一個以上之燃料氣流道及氧化劑流道，分別提=^別 料氣與一氧化劑進入，使該燃料氣與該氧化劑透過誃:燃 電極組而產生電化學反應，其特徵在於： μ厚膜 該燃料氣流道沿著其流向之中段部份具有— 道，該相通流道連通各該燃料氣流道，並透過_ =通流 通流道而連接至一加濕水總管，而該燃料氣流經^，連 .流道後之該燃料氣流道的底部與該相通流道的^ ^目通 覆有一吸水性材料，且該透水連通流道之内部亦埴^ 吸水性材料，而可將該加濕水總管内之一加渴水楹=該 予該燃料氣流道，而提高該燃料氣之渴度。、托1、給 9·如申請專利範圍第8項所述之燃料電池之雙極板燃 加濕裝置，其中該加濕水總管與一加濕水總管逆止問 '相乳鱼 接，以調整該透水連通流道中的壓力，防止該加渴二= 而使該燃料氣外洩。 …k I 0 ·如申請專利範圍第8項所述之燃料電池之雙極板燃 加濕裝置’其中該相通流道係與各該燃料氣流道相垂直^ II ·如申請專利範圍第8項所述之燃料電池之雙極板燃料^ 加濕裝置，其中該吸水性材料係為不織布。 、、氣 1 2 ·如申請專利範圍第8項所述之燃料電池之雙極板燃料氣

   571458 六、申請專利範圍 加濕裝置，其中該吸水性材料係為泡棉。 1 3.如申請專利範圍第8項所述之燃料電池之雙極板燃料氣 加濕裝置，其中該吸水性材料係為脫脂棉。 1 4.如申請專利範圍第8項所述之燃料電池之雙極板燃料氣 加濕裝置，其中該加濕水係為去離子水。

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