TWI302762B - - Google Patents

Description

1302762 九、發明說明： 【發明所屬之技術領威】 本發明係有關於/種燃料電池’特別是有關於一種可固定 間距之燃料電池。 【先前技術】 質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells)的結構是由兩塊雙極板 10 (Bipolar Plate or Separator)， 中間夾一層膜電極組 20 ( Membrane Electrode Assembly，MEA ) 組成’如第1圖所示。雙極板10的材料需有良好的導電性（如 石墨）’板上具有流道結構11 (Flow Channel)的設計；膜電 極組20則是在-層質子交換膜21( Pr〇t〇n佐咖辱 PEM)的表層，如Naf麵等高分子材料，塗上電極觸媒 (Catalyst)及黏貼氣體擴散層23 ( Gas D胞si〇n Layer，咖）， 氣體擴散層23通常_氣體容祕過的細續料 的就是碳布或碳紙。 吊見 燃料電池的發電原理是藉氫氣與氧氣的結合，產生水、哉 與電，當含钱__通人陽極的流 雕、 士 μ '極表面，然後分解成電子鱼氣f;甘 中電子可以峨叫㈣糾=子，其 水份子結合，穿過質+丄 充足的衣^下會與 子讀膜’與陽極的氧分子反應成水。 1302762 =反應順利進行，陽極的氫氣（氫分子）與陰極的氧 =(氧Η)越是料分碑勻地_顺_ 電池組裝時，必須施加外力 …、竹 卜力F固疋整個燃料電池組，使各單雷 池30之間能緊密接觸 U及減低電阻的效果，如 弟2圖的不意圖。然而 & t 、、、 加的④力，可因組裝之些微誤差，

導致分配到每個單電池3Q 的力里不谷易平均，造成各單電 池30的組件包括雙極板、氣職散層、電極（脑 會受到不同_力，使組合後的燃㈣池組 ' 内各組件的間距不同。 电 燃料電: 之各單電池若有某—單電池有過寬的間距，容 當氣體外漏，不僅可能造成氣 脰外_散到環境中，亦有可能造成陰I 低洛，甚至於燒毀。 =電池_密合度不足，使得氣_彳_中流出， 4 寸別疋當氣體具有壓力情況時。 陽雙極互通，電池性能 、/、人過見的間距造成電池内氣體擴散層與雙極板接觸面 積齡，會導致_電子阻抗增加，由於氣體擴散層多採用多 布或碳紙’此碳布或碳紙之石炭化纖維交錯織成平面，與 :心極板的接觸力隨著礙布或碳紙之壓縮量及壓縮力而不 :氚體擴政層會隨壓力而增加壓縮量，而壓縮量又與氣體擴 心曰/化纖維與雙極板接觸面積成正比例，當壓縮量高其接 s知曰加、接觸阻抗減小，即可減少電池因氣體擴散層與雙 1302762 趣板之接觸卩且拣過高而性態降低的影響。 从圖為不同之电池摩縮量（相當於氣體擴散層之屋縮 里對電池性能之影響實驗，在相同的電流下，電池隨氣 =擴政㈣-购加而提昇壓縮量增加對電池性能有 ，、’過寬的間酬會降低燃料電池性能，然械體擴散層壓縮 里對燃料電池有其最大限制，過大_縮量不但性能不再增 加，反而有降低的趨勢。 另外’過窄的間距將過度麼縮氣體擴散層的孔隙，孔隙擠 驗會妨魏體通過，使賴料穿鑛體擴散層到達觸媒層 (Catalyst Layer，CL)。此外，過度遂縮亦會造成氣封墊片 等軟質組件過度變形，使其彈性衰減，加速疲勞效 應的發生，減少電池壽命^氣封墊片（Gasket)過度變形也 有可能擠破MEA等组件或阻塞流道。當累積多片電池的變形 量後’電池組的總變形量過多，容易使脆性之雙極板龜裂，造 成氣體外A或陰陽極互通的嚴重問題，上述因素將導致燃料電 池組性能的不穩定性。 【發明内容】 鑒於習知技術的問題，本發明的主要目的在於提供一種燃 料電池，可維持固定的間距，有助於組合後之燃料電池組的性 能’並可使各燃料電池的性能表現更加一致。 因此，為達上述目的，本發明所揭露之燃料電池，乃由第 1302762 又極板與第二雙極板、膜電極組與阻撞件 μ =第二雙極板平行相對而具有一_，間隙中失 可維持第一雙極板與 雙極板與第二雙極板對 =且擋件’阻擋件位於難極組之外圍，而且其厚 Μ接組，ϋ此，勤此_件之鄕， 、 第二雙極板之間隙大小，並可控制第一 於膜電極組之壓迫力。 件： 雙極板的部份區域 此外’本發賴揭露之另—種麵電池，乃由第一雙極板 14弟二雙極板、膜電極組與阻擋件所構成，第一雙極板盥第二 雙極板平行相對而具有—間隙，間隙中夹設有膜電極組盘阻擋 件’阻揚件是由膜電她延伸而成，使膜電極組之部分厚度增 加，因此，藉由此阻檔件之擒持，可維持第一雙極板盘第二^ 極板之間隙大小，並可控制第—雙極板與第二雙極板對於膜電 極組之壓迫力。 有關本發明的特徵與實作，兹配合圖示作最佳實施例詳細 說明如下。 【實施方式】 如第4圖所示，本發明所提供之燃料電池，是由平行設置 的一對雙極板no、12〇與夾於雙極板11〇、12〇之間隙内的膜 1302762 黾極組130所組成’並自雙極板120上的周緣部位朝向另一片 雙極板110方向延伸出一阻擋件14〇，使雙極板12〇周緣部位 的厚度增加，而此阻擋件140環繞於膜電極組13〇的外圍，且 其厚度略小频電麵⑽的厚度；當施科力賴定整個燃 料電池時u雙極板11G會擠壓雜擋件14Q，就能阻止 雙極板110、120對於膜電極組13〇的過度壓迫，而將雙極板 110、120間的間距d控制在固定範圍。 於本實施例中，由於阻擋件140為雙_ 所延伸而 成’因此’為避免阻擂件140與另一片雙極板11〇的直接接觸， 本實施例的燃料電池更被覆有—絕緣層15G，於_件14〇座 另-片雙極板no之間，以達到阻擋件15〇與另一片雙極板 110之絕緣。 其次，本實施例之阻擋件140是沿著膜電板组130圍繞f 形成具有矩職面的賴；_，實務上，阻齡亦可以々 形狀來形成’如第5 _示，本發明之第二實施例之阻⑽ ㈣乃為具有弧形表面之環體，則阻擋件上亦被覆—層與 緣層250來提供絕緣效果。 另外’本發明之另—種構想，則是在膜電極組上的適者 綱加厚絲職輯件。如第6騎示，為本發明第三: 例之燃料電池，是包括男 對雙極板310、320、膜且3 與自膜電極組330之氣體擴散 ' ，、月文層331、332增加厚度所形成 1302762 阻擋件34〇與35〇，此阻擋件MO與35〇乃在膜電極組现之 氣_散層33卜332的周緣，分別朝向雙極板31〇、32〇向外 延伸’而形成對稱的二個環體；當施加外力明定燃料電池 k ’-片雙極板310、320會互相擠麗，藉由膜電極組33〇之 氣體擴散層33卜332的加厚部位(即，阻播件34〇、35〇)的存 在’二片雙極板310、320的間距何被控制在適當範圍。 此外，如第7圖所示，為本發明之第四實施倾提供之燃 料電池，其包括一對互相平行的雙極板41〇、42〇與夹於其間 之膜電極組430、以及直接置於膜電極組外圍並位於兩片 雙極板410、420之間的硬質的阻擔件44〇 ;當施加外力來固 定燃料電池時，阻擋件440會受到雙極板、樣的擠星， 因為阻擋件440的變形量很小或是不會變形，而可以控制兩片 雙極板410、420之間距d大小。 本實施例中，阻擋件440可為一圍繞於膜電極組43〇之外 圍<墊圈’在貫務上，只要能承受擦壓，不會過度變形的材料， 皆可用來製作此阻擋件。 另如第8圖與第9圖所示，上述各實施方式可以依據不同 燃料電池的流道與組裝方式設計，搭配其他密封結構使用，如 氣封塾片（gasket)、密封墊圈（0_ring)等，而此氣封塾片或 密封墊圈之硬度需小於阻擋件與雙極板的硬度，而阻擋件的硬 度而小於或等於雙極板的硬度，才不會對燃料電池組造成損 1302762 壞。當氣封墊片510、610或是密封墊圈520、620受到擠壓變 形時，藉由加厚的雙極板630所形成的阻擂件64〇或是硬質阻 擋件540的厚度設計，可以控制膜電極組的壓縮量X，避免密 封結構過度變形，而擠壓到膜電極組或是阻塞氣體流道，降低 燃料電池的性能。 上述實施例中（第一實施例〜第三實施例），阻擋件的製作 係可以利用射出成形技術，直接在雙極板或膜電極組之氣體擴 散層上製作出來。或者，配合第四實施例的實施方式，本發明籲 也可以在氣封墊μ或密封侧的製程中（例如射出成形的製 程）’同時製作阻擋件，可以減少後續的電池組裝步驟。 綜上所述’根據本發明所提供之燃料電池，乃利用在雙極 板或膜電極_組件上的適當區域（通f是受力較大的區域） 增加厚度’或者是在兩片雙極板間置入硬質的阻撞件，而能避 免發生間距過窄的情況，妨礙氣體通過，藉低電池性能，同時 將間距控制在適當的範圍’有助於維持氣密效果與提高電池性鲁 能。 雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習姆技藝者，在獨離本伽之於辦 範圍内，當可作些許之更動與'·，因此本發明之專鄉魏 圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 11 1302762 池之基本組成結構之 第1圖，係習知技術之質子交換膜燃料電 不意圖；

第7圖，係本發明之第四實施例之剖面示意圖； 第8圖，係本發明之硬質阻檔件與氣封塾片或密封塾圈搭配使 下，燃料電池間距（氣 用之使用示意圖；及 第9圖’係本發明之以加厚雙極板形成之阻擋件與氣封塾片或 密封墊圈搭配使用之使用示意圖。 【主要元件符號說明】 10 雙極板 11 流道結構 膜電極組 21 質子交換膜 22 電極觸媒 23 氣體擴散層 30 單電池 12 1302762 110、120 雙極板 130 膜電極組 140 阻擋件 150 絕緣層 240 阻擋件 250 絕緣層 310、320 雙極板 330 膜電極組 331、332 氣體擴散層 340、350 阻擋件 410、420 雙極板 430 膜電極組 440 阻擋件 510 氣封墊片 520 密封墊圈 540 阻擋件 610 氣封墊片 620 密封墊圈 630 雙極板 640 阻擋件 F 施力 1302762 d 間距 x 壓縮量

Claims (1)

1302762 、申請專利範圍： 種燃料電池，其包含·· 第雙極板與一第二雙極板，係相互平行置放，而形 成~間隙； 膜電極組，夾設於該第一雙極板與該第二雙極板之該 間隙内；及 “干一阻擋件，係自該膜電極組延伸所形成，以增加部分該 勝電極組之厚度’並使該第—雙極板與該第二雙極板可受該 _件之擋持’而維持該第—雙極板與該第二雙極板之該間 $的大小’進而控制該膜電極組受豸第一雙極板與該第二雙 極板的壓迫力。 2·如申％專利範圍第丨項所述之燃料電池，其中該阻擋件係利 用—射出成形方式而製得。 3树請專利範圍第丨項所述之燃料電池，其中該阻撐件係自 違膜電她周緣向外延伸軸_麵。 4.如八申請專纖_ 3項所述之_電池，其中麵電極組係 】朝向'^第雙極板與該第二雙極板延伸出二對稱的兮 阻擋件。 〜 5·如申請翻範圍第}項所述之燃料電池，更包含一密封結構， 失置於.亥第雙極板與該第二雙極板之該間隙中，並位於該 Ha之外g ’用以增加該膜電極組於該第—雙極板鱼 第二雙極板内之氣密性。 "Μ 15 1302762 6. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池，其中該密封結構係 氣封墊片（gasket)。 7. 如申請專利範圍第5項所述之燃料電池，其中該密封結構係 密封墊圈（〇-ring)。

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