TW573378B - Fluid flow-fields for electrochemical devices - Google Patents

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及特別有關導電板之 til範疇 本發明有關新穎電化學燃料電池 流體流場設計。 技術背景 · 燃料電池係加伏電池，其藉由電化學程序將供應至電池 之燃料所衍生之化學能直接轉換成電能而產生電能，其中 f電池中將燃料氧化。典型之燃料電池包括裝置於厘内之 陽極、陰極、電化學反應催化劑、及電解質。將燃料材料 ，氧化劑個別連續及獨立供應至陽極與陰極，丨中燃料與 氧化劑化學反應以產生可使用之電流。將反應副產品自電 池取出。 燃料電池之一大優點為其將化學能直接轉換成電能，不 需進行任何中間步驟，例如，在火力發電廠中發生之碳氫 化合物或碳質燃料之燃燒。燃料電池反應器可包含單一電 池或多重電池之堆疊。在二例之任一例中，薄膜/電極組 合（MEA)，其包含質子傳導薄膜（電解質）及陽極與陰極， 典型上像二明治夾在二片有多重功能之高度導電流場板之 間。^首先，此等流場板可做為電流收集器，使燃料電池電 壓端子與電極間有電流連續性@外，流場板提供M E A機 械支撐’及使反應物與水分佈在MEA電極之活性區域上， 此係藉由設在各板之側面中與Μ E a之電極直接接觸之流場 所完成κ已熟知燃料電池之性能高度依反應物轉移至電極 之效率、Μ E A之均勻濕潤化、及電池之適當水管理（即， 在電池操作期間所產生之水之供應與移除）而定> I因為流 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

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場設計控制反應物濃度梯度、流速、壓力降、與水分佈， 所以泥場設計影響燃料電池之性能$ 連結桿與末板（end Plates)使燃料電池組合能夠在一起。 個別裝設饋料歧管以經由流體流場板將燃料（例如氫、重 組甲醇和天然氣）饋至陽極及將氧化劑（空氣或氧氣）饋至 陰極。裝設排放歧管以將過剩燃料與氧化劑氣體及水及其 他在陰極所形成之副產品排放。 多重電池結構包含依所需要以串聯或並聯連接一起以增 加燃料電池之總電力輸出之二或更多個此種燃料電池組: 。在此種排列中，典型上將電池以串聯方式連接，其中= 一板之一側為一電池之陽極板，及板之另一側為鄰接 之陰極板，及如此類推^ ^ f將流場設在直接與MEA電極接觸之每一流場板之側面中 。(:流場提供分佈/流動通道以將反應物分佈至me A電極之 活性區域上及移除副產品與水少 ^ (燃料電池之性 品與水自電極之 流場設計控制反 副產品移除，所 近來，在此技 認知了數個問題 物之燃料電池。 之燃料流動分佈 除不良。 能高度依反應物運送至電極之效率、副』 移除、及電池之適當流體管理而定y因』 應物濃度梯度、分佈、流速、壓降、及水 以流體設計影響電化學燃料電池之性能7。 藝中對於流場設計及反應物流動通道構开 ，尤其是使用液體燃料例如甲醇做為反肩 此等先前技藝設計之主要問題包括不充^ 、通過MEA之高壓降、及副產品與水之^ -5- 本紙張又度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 573378 A7 B7 五、發明説明（3 ) 習用之流場設計典型上包含銷（p i n )或者是蛇形設計。 銷狀流場設計實例見於美國專利第4,769,297號，其中陽極 流场板與陰極流場板各具有突出物，可視為銷。燃料流過 陽極板上通過突出物所形成之擾流凹槽（intervening grooves)，氧化劑類似的流經陰極流場板中所形成之擾流 凹槽。其他具有銷狀設計之流場實例見於美國專利第 4,826,742號。銷狀設計流場使通過對應流場之反應物壓降 為低，然而，流經此種流場之反應物傾向於依循通過流場 之最低阻力之路徑，可能導致通道效應（channeling)及不活 潑區域之形成。此進而導致不良之燃料電池性能。 具有單一蛇形設計之流場實例見述於美國專利第 4,988,583號。如在美國專利第4,988,583號之圖2中所示， 在流場板之主要表面上形成單一連續流體流動通道。反應 物經由心形流動通道之流體入口進入及在流過板之主要部 份後經由流體出口出去。此種單一蛇形流場強迫反應物流 流過對應電極之整個活性區域，藉以消除不活潑流動區域 。然而，此通過活性區域之反應物通道導致相對高之反應 物流動路徑長度，產生從入口至出口之實質上壓降及顯著 濃度梯度。此外，使用單一通道收集來自電極之整個液體 水產物可促進單一蛇形之溢滿（Hooding)，尤其在高電流密 度時。 美國專利第4,988,5 83號亦嘗試藉由提供一具體實施例解 r決此壓降問題，該具體實施例中有數個連續之個別通道。多 重蛇形流場設計見述於美國專利第5,1〇8,849號之圖4中。 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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線 573378 A7 B7 五、發明説明（4 ) 所述之流場設計具有若干缺點，尤其在使用甲醇做為反 應物燃料之燃料電池中。在此種系統中，副產品為大量二 氧化碳與水。主要缺點包括： -通過流場之不利之壓降。長、窄流動路徑，如在蛇形 設計中所發現，導致流動通道内部之高壓降。在此等例 中’需要高寄生電力以將反應物加壓。 -流場内之不活潑區域。不活潑區域内之燃料電池之反 應速率一般較低，因此顯著影響燃料電池之性能。不活 潑區域之形成與存在導致電極觸媒使用效率差。當反應 物為液體形式及副產品為在操作條件下在液體反應物中 具有有限溶解度之氣體時，會發生此狀況。副產品形成 氣泡’會吸附在電極表面及覆蓋活性觸媒區域及/或擾 亂/阻礙反應物在流場中之流動。 -電極之溢滿。在反應物為氣相而副產品為液體之例時 ’電池内部副產品之不良移除及堆積將促進溢滿。溢滿 會降低燃料電池效率，此係因為較少之反應物曝露至電 極内之觸媒。 -通過流場之反應物之高濃度梯度。長的流動路徑可導 致自燃料電池入口至出口之顯著濃度梯度，及導致燃料 電池之非均勻電流分佈。 … 本發明之流場設計解決此等及其他問題。 發明概要_ (本發明提供流體流場設計，其包括對角斜線通道與孔口 之组合,1»對角斜線通道提供路徑以將反應物燃料於全部方

573378 A7 _____ B7 _ 五、發明説明（5 ) 向分佈成流場，及具有孔口以使入口與出口歧管間之燃料 流體通道中之壓力降最適化，藉以改進流體分佈及副產品 移除。 因此’提供一種流場板供部份交換薄膜燃料電池使用， 該泥場板係由適合之導電性材料所製及包括： (a) 實質上平坦之表面； (b) 在實質上平坦之表面中所形成之流場，該流場包括 多數個參差陸地（lands)，其在流場内界定實質上對稱之 内連接孔及對角斜線通道形成之網狀； (〇流體供應歧管，將燃料及氧化劑由此導入流場中； 及流體排放歧管，將反應副產品與過剩燃料及氧化劑由 此流場移除； 藉以將燃料、氧化劑、及反應副產品物流連續分離及轉向 至個別通道中，及然後將個別物流與來自毗鄰通道之物流 在孔中混合。 在本發明之第二具體實施例中，提供一種燃料電池組合 ’其包括： U)陽極； (b)陰極； (〇放置在陽極與陰極之間之固態聚合物電解質；及 ⑷-對由適合之導電性材料所製之相對流場板及包括： (1)實質上平坦之表面； (」）在實質上平坦之表面中所形成之流場，該流場包 多數個參差陸地（lands)，其在流場内界定實質上對 -8 本紙張尺度適用^ii^(CNS) A4規格「2抓297公釐) 573378

稱之内連接孔及對角斜線通道形成之網狀； (m)流體供應歧管，將燃料及氧化劑由此導入流場中 ，·及流體排放歧管，冑反應副產品與過剩燃料及氧化 劑由此流場移除； ㈣將燃料、氧化劑、及反應副產品物流連續分離及轉向 至個別通道中，及然後將個別物流與來自毗鄰通道之物流 在孔中混合。 邏_式簡軍說明· 將參照附圖敘述本發明之較佳具體實施例，其中在數個 顯示圖中相同之數字指相同之部件，及其中： 圖1顯示本發明之流場設計之二實例； 圖2顯示本發明之典型流場；即蜂窩形設計； 圖3顯示圖2之流場之反應物壓降（液體甲醇與氣體） 圖4顯示圖2之流場之二相壓力梯度（液體甲醇與c〇2氣 體）。 ” 2、 較佳具體實施例之評如铃π 典型之燃料電池反應器可包括單一電池或多重電池堆叠 。在二例中之任一例，薄膜/電極組合（ΜΕΑ),其包含質 子傳導薄膜（電解質）及陽極與陰極，典型上像三明产^ ^ 二片高度導電流場板之間。陰極與陽極典型上包括導杏陳 材料所製之多孔性背材，例如碳紙、布、岑鉍，η $ $ 4苑 及黏合至 多孔性背材之電觸媒層。各電極之電觸媒層包括電觸媒顆 粒與質子導性顆粒之混合物。

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、發明説明（7 ) 媸所^)。炊节性材料所製，及較佳由非多孔性核子級碳 、；、、:而，使用其他習用之導電性材料例如導電性聚 口物、抗腐蝕金屬、及石墨/聚合物複合物製造流場板。 如圖2中~示，板2G包含實質上平坦之表面22 ,具有中心 ^ 形成於表面22之中心部24中之流場26。在所說 具體實施例中，流場板2〇與流場“二者均顯示具有 :般之正万形，其為習用之工業標準流場與板之典型形狀 應了解本發明之流場板與所包括之流場之新颖特 徵並=又限於特別之幾何形狀〉。街於本發明而言，應進一 步了解流場26不必位於板20之表面22之中心，如圖2所示。 、如圖ΙΑ、、ιΒ、及圖2中所示，本發明涵括包括對角斜線 通道與孔之組合或網狀之流場設計。在圖1 A與圖1 B中， 顯不一部份流場26，而圖2顯示完整之場20及流場26。 、在圖1 A中，流場2 6包括多數個參差八角形陸地2 8，形 成蜂窩形設計”V角形陸地28將一系列或網狀之對角斜線 通C30界疋在流場26中。八角形陸地亦將多數個孔η 界定在與^角斜線通道30之流體連接處。圖1A之箭頭顯 二··":料氧化劑、及副產品在流場2 6中之流動。在此說明 例中，材料一般自底部向上流動。 (箭頭34顯示在孔32中流動之部份材料。然後如箭頭36 所=，當材料遇到陸地28之一者時將材料分成大約二相等 物泥。因此，在圖丨A之設計中，當材料遇到陸地2 8時， 持續將材料之流動分成二大約相等之物流) 再者，亦將注意到當材料流過通道3 〇時，進入孔3 2， -10- 573378 發明説明（8 材料在此處與鄰接通道 图1 Λ >袼喻π， 0中泥動之材料混合。換+夕 m 圖之奪窩形設計，當材料（燃料 口 ，因 到陸地2 8時其持續分開 及剡產品）遇 物流當進入孔32時盥來ή s 逍U及然後分開之 叮/、來自鄰接通道之物流混合。 在圖1B所示之具體實施例中，流場26包 菱形陸地30，其界定内連接 數個參差 -運接足對角斜線通道3 8血 ，:狀。在圖1B之實例中材料亦-般自底部向頂部二: 頭42顯示材料之物流遇到陸地及分成二大約相等物户J 分開之物流個自流經其通道38及在孔4〇相遇，材料：此 處與來自鄰接通道之材f昆合。因此，在此實例中， 料遇到陸地36時其亦持續分開及流進二通道“，及二後 分開之物流當進入孔4 0時與來自鄰接通道之物流混合。 在圖2中，顯示完整之板2〇,具有實質上平坦之表面二] ，其上有流場26位於表面22之中心部24中。圖2顯示蜂窩 形設計泥場圖案’類似於圖1 A所示。板進一步包括流體供 應歧管，及自該處延伸之流體入口通道5 2。反應物（燃料 與氧化劑）進入歧管5 0及反應物流被分開及導向多數個入 口通道52。然後反應物自入口通道52進入由多數個參差 八角形陸地5 8所界定之對角斜線通道5 4與孔5 6之網狀。 當反應物進入流場2 6時，開始反應及產生副產品。燃料 、氧化劑、及副產品一般自底部向頂部連續流過流場2 6。 在流場2 6之出口處，有多數個出口通道6 0與流體排放歧 管6 2流體連接，將過剩之燃料、氧化劑、及副產品由此移 除0 -11 -

本纸張尺度適财s @家標準(CNS) A4^m〇 X 297公D 裝 訂 線 573378 A7 -—____ __ 五、發明説明厂9 ) ' — A當材料自入口（底部）向出口（頂部）移動通過流場26時， 當遇到陸地連續分開流入二通道54•，及然後分開之物流當 進入孔5 6時與來自鄰接通道5 4之物流混合。此連續分開 及再混合有效於將反應物一般均等的分佈在流場26之整個 表面上，同時亦自其移除副產品。 因此，^在本發明之流場設計中，對角斜線通道提供將燃 料、氧化劑、及副產品以全方位在流場及孔内分佈之路徑 ，以使入口與出口歧管之間之流體流動通道之壓降最適化 ’藉以改進流動分佈及副產品移除) (對角斜線通道亦提供將反應物均句分佈在電極之催化表 面上之路徑。通道之平均路徑長度實質上相等，而使流場 每一部份曝露至相同流動條件與壓降。孔因文氏效應而顯 著’文氏效應產生推拉機制以改進反應物之混合及副產品 之移除> L藉由多數個參差"陸地"將對角斜線通道及孔界定在流場 中。較佳，參差陸地為八角形（如圖1 A與圖2所示），然而 可考慮其他形狀例如菱形（如圖1 B所示）j) 此外，流場設計包括多數個供應歧管及流動通道，使得 在燃料電池操作期間能有效供應燃料與氧化劑至流場，及 多數個排放歧管及流動通道，能有效接受來自流場所排出 之過剩燃料與氧化劑及副產品。 圖3與圖4顯示在本發明之典型流場中之理論（實驗性）壓 降及壓力梯度。在二者例中，假設二相物流僅以液態甲醇 作為燃料及二氧化碳作為副產品。 -12· 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

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B7 五、發明說明（1〇 有效運鈐毖^現本發明之流場設計在燃料電池操作期間处 電料或氣態氧化劑。本發明提供 私’内取適化之壓降，即， 能之間最適化之平衡 供壓降與燃料電池性 燃料電池内均勻之壓降 電池内最小之不活潑區域 增強燃料在板上之分佈且有最小壓降 增強副產品之移除 改進:料電池性能，即，與先前 ，較佳 < 系統性能 权< 本發明長：供新顆流場設計，係葬 定之内連接通道與孔之二： = = =所界 角排列，而孔以參差之方犬㈣广為㈣及彼此做對 道在流動交通中彼此内連万:㈣。通道經由橫向/縱向通 - = = =成多重孔與通道，其降低壓降以使流 一由推拉機制穩疋流動及防止形成會干擾 通道以對角斜線構形排列以確保燃料與氧化劑之均= 分佈及降低在泥場中形成不活潑區域之可能性。滿足大部 份上述需求之較佳設計包含（但不限於）圖1所 與 蜂窝形設計。可使用之其他設計包含组合孔線= 道之八角形或其他多角形結構。 用打永通 雖然以對於軚佳具體實施例顯示及敘述本發明但θ 等熟習此技藝者應了解可有其他改變、修飾、添加：： 略而不會背離如所附申請專利範園所界定之本發明之本體 與範疇。 ★ •13-

Claims (1)

1. 573378 A8 B8 C8 _____D8^ 六、申請專利範圍 1 · 一種流場板，係使用於質子交換薄膜燃料電池，流場 板係由適合之導電性材料製成及包括： (a) 實質上平坦之表面； (b) 在實質上平坦之表面中所形成之流場，該流場 包括多數個參差陸地（lands)，其在流場内界定實質 上對稱之内連接孔及對角斜線通道形成之網狀； (Ο流體供應歧管，將燃料及氧化劑由此導入流場 中，及流體排放歧管，將反應副產品與過剩燃料 及氧化劑由此流場移除； 藉以將燃料、氧化劑、及反應副產品物流連續分離及 轉向至個別通道中，及然後將個別物流與來自毗鄰通 道之物流在孔中混合。 2 ·根據申凊專利範圍第丨項之流場板，其中參差陸地為六 角形。 3 ·根據申凊專利範圍第丨項之流場板，其中參差陸地為對 角斜線形。 4·根據申請專利範圍第1項之流場板，其中對角斜線通道 之尺寸實質上相等。 5 · —種燃料電池組合，包括： U)陽極； (b)陰極； (c )放置在陽極與陰極之間之固態聚合物電解質；及 (d) —對由適合之導電性材料所製之相對流場板及 包括： -14· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱） 573378

   (υ實質上平坦之表面； (11)在實質上平坦之表面中所形成之流場，該流場 包括多數個參差陸地（lancJs)，其在流場内界 定實質上對稱之内連接孔及對角斜線通道形成 之網狀； (m)流體供應歧管，將燃料及氧化劑由此導入流場 中；及流體排放歧管，將反應副產品與過剩燃 料及氧化劑由此流場移除〆 精以將燃料、氧化劑、及反應副產品物流連續分離及 轉向至個別通道中，及然後將個別物流與來自毗鄰通 道之物流在孔中混合^ 6 ·根據申請專利範圍第5項之燃料電池組合，其中參差陸 地為六角形。 其中參差陸 其中對角斜 7 ·根據申請專利範圍第5項之燃料電池組合 地為對角斜線形。 8 ·根據申請專利範圍第5項之燃料電池組合 線通道之尺寸實質上相等。 -15-