TWI311829B - Flow board of fuel cells - Google Patents

Description

1311829 九、發明說明： ‘ 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於應用於燃料電池領域中的流道板(e〇w board) 及其製造方法，特別是有關於一種具備高抗曱醇性、高機械強度、 較佳的燃料流動效能以及低加工成本之波浪型流道板及其製造方 法。 【先前技術】 如熟習該領域者所知’直接曱醇燃料電池(DirectMethand Fuel Cell，簡稱為DMFC)係一種利用稀釋曱醇水溶液作為燃料， 透過電化學程序將化學轉触電力之發電裝置。雜統的發電 方式相較，直接甲麵料電池具有低污染、低噪音、高能量密度 以及較高的能量轉換效率等優點，乃具有前瞻性之乾淨能源，可 應用之領域包括家用發電祕、不斷電系統、電子產品、運輸工 •具、軍用設備、太空工業等。 直接曱醇燃料電池之運作原理乃以甲醇水溶液在陽極觸媒層 進魏化反應，產生氫離子(H+)、電子(〇以及二氧化碳(c〇2)，其 中氫離子經由電解質傳遞至陰極，電子酿由外部電路傳遞至陰 極，此時供給陰極端的氧氣會與氫離子及電子在陰極觸媒層進行 還原反應ϋ產生水。燃料電池―般皆由數個基本單元所組成。 由於每個基本單几所能提供之電壓很小，因此在應用時必須串聯 多的基本單n麵所需要的操作電壓輸出。 .1311829 . 在直接甲醇燃料電池元件之模組結構中，通常包括有集電板 以及流道板，分別扮演著不同重要的角色，其中集電板負責收集 電化學反應所產生的電子，而流道姻是貞責燃料流動的分佈與 控制。過去，在流道板的部分皆著重在流道的設計，使燃料能夠 順利通過、道，而流電極ig^membrane electrode assembly，MEA)。 φ 習知的流道板通常是以石墨或是以玻璃纖維板，如FR4、 FR5，等材料做為基材，並需以電腦化數值控制(c〇mputer Numerical Control，簡稱為CNC)車床銑削技術製作而成，其缺點 疋CNC車床銑削製作之產能低、而加工成本高，且習知以石墨、 FR4或FR5等材質為基材之流道板機械性質普遍不佳、體積又大， 等種種因素皆不利於燃料電池之量產規模與普及化應用。 由此可知，好的流道板設計除了在材質選擇上必須耐燃料電 • 池之氣液燃料及其反應物的化學性腐姓之外，尚需具有高機械 性、低加工成本以及可快速大量生產之要求，而習知的流道板不 論在材質上或是在製作方法上均有進一步改善與改良之空間。 【發明内容】 有鑑於此，本發明之主要目的在提供一種改良之流道板及其 製造方法’以改善前述習知技藝之缺點。 - 本發明提供一種用於燃料電池之波浪型流道板，包含有—射 1311829 出成型之板體基材，以可射出成狀高分子材料所構成；及至少 • 一個波浪型流道反舰，定義有複數個互蝴立之流道，設於該 板體基材之表面上，其中該波浪型流道板可與膜電極組壓合後， 並使燃料流通該流道經催化反應而產生電流。 本發明提供一種用於燃料電池之波浪型流道板，包含有一射 鲁it!成型之板體基材’以可射出成型之高分子材料所構成；至少一 個流道反應區’設於該板體基材之表面上；及至少一波浪型集電 板’定義有複數個互相獨立之流道，整合固定在該流道反應區内； 其中該波浪型流道板可與膜電極組壓合後，並使燃料流通該流道 經催化反應而產生電流。 為了使貴審查委員能更進一步瞭解本發明之特徵及技術内 容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖。然而所附圖式僅 鲁供參考與輔助說明用，並非用來對本發明加以限制者。 【實施方式】 本發明係錢於麟以驗體為燃料之燃料電池的波浪型流 道板’其巾流道板具有-個或者—個以上的反應區’在與膜電極 組(MEA)壓㈣者組錢，可_ f _;概滅應而產生電流。 、 本發日狀補電池_錄黯道缺-機贼含氫化合 —物在催化劑下反應’將化學能轉換成電能之-種裝置，而本發二 1311829 - 岐板㈣可攜式電子產利之質子交換醜料電池，為了_ 献短小化’須能抗氣液燃料及其反應物之化學_性，並具有 良好之機械性質。 〃 請參閱第1 ® ’其繪示的是本發明触實施継浪型流道板 之上視示意圖。如第丨圖所示，本發明波浪型流道板ig包括有一 φ板體基材11，以及至少一個波浪型的流道反應區12。在第！圖中 係以四個波賴的流道反應區12a、12b、⑶及⑶舉例說明， 而流道反應區12b的側視圖如第]圖右邊所示，流道反應區以、 ⑶他及⑶的流道皆為由上到下或由下到上的相同流場方向， 其中’流道反舰12a、12b 1%者的流道為互通，减道反應區12c 及12d的流道為互通’在流道反應區12a及⑶之間為穿越區14, 在流道反應區12c及12d之間為穿越區16。 .此外’本發明並不限於在板體基材η的單面才有設置波浪型 的流道反應區，在板體基材i i的另一面亦可以同時形成相同的波 浪型的流道反應區，因此本發明可以有單面流道與雙面流道n 如第1圖所示，板體基材11在燃料注入端另設有一燃料注入 口 101、流入流道102以及分歧管103。燃料，如甲醇等，經由燃 料注入口 10卜流入流道102、分歧管103分別進入流道反應區⑵ 以及12c的各獨立流道中，然後再分別流入與流道反應區12a以 及12c銜接相通的流道反應區12b以及I2d，最後，由流出流道 1311829 112及113、燃料流出口 in流出。 本發明之主要特徵之一在於流道反應區12a、12b、12c及12d 的流道皆為由上到下或由下到上的相同流場方向，其中，流道反 應區12a、12b兩者的流道為互通，而流道反應區12c及12d的流 道為互通’而且各個流道反應區〗2a、12b、12c及12d中的單一 流道皆為互相獨立，如此可使流場更加順暢、均勻化。 根據本發明之較佳實施例，本發明之波浪型流道板之板體基 材11係運用射出成型技術形成者，利用一種可射出成型之高分子 複合材料，例如，聚醚醚酮(p〇lyetheretherket〇ne，簡稱為pEEK)、 聚醚__(p〇lyetherketoneketone，簡稱為 PEKK)、聚颯 (Polysulfone ’ 簡稱為 PSU)、液晶高分子(iiqUidcrystalp()lymer，簡 稱為LCP)、高分子塑或複合式材料等之工程塑膠中之其中一種。 需強調的是，並非所有可射出成型之高分子材料皆適合用來 製作本發明之波浪型流道板之板體基材u，舉例來說，像abs樹 脂、聚丙烯(PP)樹脂以及聚碳酸酯(p〇lycarb〇nate，簡稱為等， 儘管其可以藉由射出成型製成基板，但是卻不具備所要求的抗甲 醇性以及高機械強度，因此並不適合使用。因此，較適合的材料 還是以上文情列舉的幾種，其中制是以聚颯最為合適。 此外’上述之可射$成奴高分子複合射柯以制與填充 1311829 劑一併射出的加工方式。前述之填充劑例如改質劑、流動劑、脫 膜劑等。 Η 關於本發明形成波浪型流道板實施方式將以下例子說明之(此 例中以聚颯高分子作為流道板材料）。 ^ 基本上，本發明射出成型法的基本步驟有三個，分別是熔化、 流動及凝m。I先’紐綠的雜高分子轉㈣加熱溶化成 液態，然後，將熔化的聚颯高分子塑膠材料射入模具中再行冷 卻、凝固即成。整個製作過程快速，也可以自動化，尤其適合大 量生產。 (1)熔化·將粉粒狀的聚颯高分子塑膠材料在溫度及壓力下產生塑 行變形。 馨（2)流動.將變形的聚颯高命子塑膠材料在壓力作用下流動充滿整 個模具。 (3)凝固、冷卻：等待聚颯高分子塑膠材料冷卻後取出。 第2圖繪示的是本發明所使用的模具2〇的分解示意圖。本發 明所使用的模具20可包括定位環2卜注入口概套22、導銷23、 膜仁24、頂出板25、頂出銷26<桿27、挾槽％、頂出器套蓋 -29、注入口頂出器40、頂出器固定板4卜支撐板42、B板43、a 板44以及頂部挾版45，但不偈限在上述模具組態。 .1311829 、本發明之波浪型的流道反應區12可以是與板體基材11同時 乂射出成型方式—體成型者，但波浪型的流道反應區亦可以是另 外形成者’例如’以一集電板來定義流道，然後再與以射出成型 方式形成的板體基材u結合。 4參閱帛3圖’赌示的是本發㈣—較佳實酬定義有波 Φ 良道之集電板120示意圖。本發明之另一較佳實施例，集電 板(陽極)120包括有由不鏽鋼或者 .學腐軸金屬材料，例如，SUS3丨6、SUS3丨6L、SUS3Q4、sus3〇4L、 鈦合金等材質賴成之薄縣板施，以沖壓方式製作成之波浪 型流道。 如第3圖所示’在集電板12〇的正自121上係以沖壓方式形 成有複數個互相獨立之波浪型流道，能縣雜料糊通過。若 • 基板12〇a是以不鏽鋼所構成，由於不鏽鋼的電阻較高，則在集電 板120的背面122，可以鍍上一層銅膜12〇b，藉此降低電阻，然 後’再以-電著漆或者業界俗稱的「ED漆」12〇c覆蓋住隔離住銅 膜120b，使銅層12〇b不會無料電池的氣液燃料相接觸，而使銅 析出毋化電池。集電板12G另包括有―凸出、可拗折的導電耳部 132，用來將集電板120與形成在陰極導電板的線路電連接，讓電 子導出。 第3圖中的集f板I2G與以射出成型方式形成的板體基材u 1311829 U的悲樣’如第4圖所示。集電板12〇可以沾膠或其它環 氧績類高分子黏著轉與板縣材u黏合，或者緊密卡合固定 在板體基材U上’或以螺絲鉚丁等其它方式鎖固。集電板12〇設 置在板體基材11所提供相對應的凹陷區域220内，其形狀能與集 電板120相配合，以節省空間。 Φ _的’在流道方向上，兩個相鄰的集電板12〇之間亦提供 有穿越區14、16，其流道為一體成型與板體基材11同時形成，需 與集電板120之流道相對應銜接。導電耳部132在抛折後，可以 與形成在板體基材11的線路電連接，並可以將電池串並。 本發明將集電板12G整合在板縣材n上_法至少包括有 以下的優點。首先，集電板12G可以不鏽崎f製作，相較於習 知胁集電板崎縣者’姆可節料乡成本，鱗不鑛鋼基 籲板以賴方式定A出波㈣流道斜分簡單快速。此外，將集電 板12〇整合在板體基材u上的作法可以降低燃料電池組裳後的整 體厚度。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 . 【圖式簡單說明】 第1 ®繪示献本發雜佳實關波浪型流道板之上視示意圖。 1311829 第2騎示的是本發贿使㈣模制分解示意圖。 一 3、’、曰示的疋本發明另一較佳實施例定義有波浪型流道之集電板示意圖。 第4圖是第3 ®中的集電板與板體基材結合後的態樣示意圖。

【主要元件符號說明】 10 波浪型流道板 11 板體基材 12 流道反應區 12a 流道反應區 12b 流道反應區 12c 流道反應區 12d 流道反應區 14 穿越區 16 穿越區 20 模具 21 定位環 22 注入口襯套 23 導銷 24 膜仁 25 頂出板 26 頂出銷 27 C桿 28 挾槽 29 頂出器套蓋 40 注入口頂出器 41 頂出器固定板 42 支撐板 43 B板 44 A板 45 頂部挾版 101 燃料注入口 102 流入流道 103 分歧管 111 燃料流出口 112 流出流道 113 流出流道 120 集電板 120a 基板 •1311829 120b 銅膜 120c 電著漆 121 正面 122 背面 132 導電耳部 220 凹陷區域

Claims (1)

1311

货年7月日修正本 十、申請專利範圍： 1. 一種用於燃料電池之波浪型流道板，包含有： 一射出成型之板體基材， 一第一波浪型流道反應區，設於該板體基材之—第一表面上； 一第二波浪型流道反應區，設於該板體基材之該第—表面上； 及 一穿越區，設於該第一波浪型流道反應區與該第二波浪型流道 反應區之間； 其中，該第一波浪型流道反應區與該第二波浪型流道反應區定 義有複數個互相獨立之流道，該第一波浪型流道反應區的流道經 由該穿越區與該第二波浪型流道反應區的流道互通，且該等互相 獨立的流道具有相同的流場方向，猎以獲得順暢、均勻化之流場。 2. 如申§青專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該第一、第 二波浪型流道反應區的流道與該板體基材係一體成型。 3. 如申請專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該板體基材 係選自以下之一的材料所構成：聚醚同(polyetheretherketone， PEEK)、聚醚酮酮(polyetherketoneketone，PEKK)、聚颯 (Polysulfone ’ PSU)、液晶高分子(liquid crystal polymer，LCP)或複 合式材料。 4.如申請專利範圍第1項所述之波浪型流道板，其中該波浪型流 16 I311829 道板在與膜電極組壓合後，使燃料流通該相同流場方向的流道， 經催化反應，而產生電流。 ✓ : 5.如申請專利範圍第4項所述之波浪型流道板’其中該燃料係一 液態燃料。 6·如申請專利範圍第4項所述之波浪型流道板，其中該燃料係一 氣態燃料。 7. —種用於燃料電池之波浪型流道板，包含有： 一射出成型之板體基材； 一第一流道反應區’設於該板體基材之第一表面上； 一第二流道反應區，設於該板體基材之該第一表面上； 一穿越區，設於該第一流道反應區與該第二流道反應區之間； 一第一波浪型集電板，定義有複數個互相獨立之流道，整合固 _ 定在該第-流道反應區内，·及 一第二波浪型集電板’定義有複數個互相獨立之流道，整合固 疋在該第二流道反應區内； 其中，该第一波浪型集電板的流道經由該穿越區與該第二波浪 型集電板的流道互通，且該等流道具有相同的流場方向，藉以獲 得順暢、均勻化之流場。 8·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該第_、第 17 13 Π 829 一机道反應區均為一凹陷區域。 • < Λ . \ 9·如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該板體基材 係選自以下之一的材料所構成：聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚颯、液 晶向分子或複合式材料。 10.如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該第一、第 ^ —波浪型集電板包括一基板。 11，如申請專利範圍第1〇項所述之波浪型流道板，其中該基板由 不鑛鋼或者其它能耐燃料電池氣液燃料之化學腐餘的金屬材料所 構成。 12.如申請專利範圍第1〇項所述之波浪型流道板，其中另包括— 銅膜，鍍於該基板之一面上，以降低電阻。 參 η.如申請專概圍第u柄述之波浪型流道板，其巾另包括— 電著漆，覆蓋住該銅膜，以避免該鋼膜與燃料接觸。 如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該第一、第 二波浪㈣電板均包括-可崎的料耳部，时使該第―、第 二波浪麵電板與形成在該波浪额道絲面上的線路電連接。 如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該第一、第 18 1311829 二波浪型集電板係以AB膠或環氧樹脂類高分子黏著材料分別固 定在該第一、第二流道反應區内。 16.如申請專利範圍第7項所述之波浪型流道板，其中該第―、第 二波浪型集電板係以卡合固定在該第一、第二流道反應區内。弟 Π.如申請專利範圍第7項所述之波浪型流，其中該波浪型流 道板在與膜電極組壓合後，使燃料流通該相同流場方向的流道， 經催化反應，而產生電流。 18.如申明專利範圍第17項所述之波浪型流道板，其中該燃料係 一液態燃料。 19.如申明專利範圍第17項所述之波浪裂流道板，其中該燃料係 一氣態燃料。 十一、圖式： 19