TWI328308B - - Google Patents

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1328308 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種燃料電池組之結構設計，且特別 是有關於一種燃料電池流場板之氣體通道之氣體入口壓力 調節結構。 【先前技術】 隨著人類文明的進步，傳統能量如媒、石油及天然氣 的/肖耗里持續的升高，造成地球嚴重的污染，導致溫室效 應及酸雨等環境的惡化。人類已清楚地體認到天然能源的 存量有限，如果持續地濫用，在不久的將來便會消耗殆 盡。因此，世界先進國家近來無不致力於研發新的替代能 源，而燃料電池組便是其中一種重要且具發展潛力及實用 4貝值之選擇。與傳統之内燃機相較，燃料電池組具有能量 轉換效率高、排氣乾淨、噪音低、且不使用傳統燃油等多 項優點。 燃料電池組疋一種將氫氣與氧氣透過電化學反應產生 黾月匕之發電衣置，其基本上可說是一種水電解之逆反應， 以將其化學旎轉換成電能。以質子交換膜燃料電池組為 例’其包括多個！池單H，在此將先對單一電池單體進行 說明。請參閱第一圖，其係習用燃料電池組之電池單體結 構之剖面示意圖。如圖所示，—電池單體1包含位於中央 之一質子父換膜（Proton Exchange Membrane，PEM)11，其 兩側各設-催化劑層12、12a，該催化劑層i2、ua之^ 5 1328308 側再各设置一層氣體擴散層（Gas Diffusion Layer， 、13a，最外側則分別設一陽極流場板14與一陰極 流場板15 ’將上述構件依序緊密結合在一起後，即形成該 電池單體1。陽極流場板14與陰極流場板15上各設有複 數氣體通道。 請蒼閱第二圖與第三圖，第二圖係顯示習用燃料電池 組部份結構之剖面圖，第三圖係顯示第二圖3_3斷面之剖 面圖。如圖所示’在一習知燃料電池組1〇〇中，分別作為 兩相鄰電池單體1之該陽極流場板14與該陰極流場板15 通㊉可結合統稱為一雙極板（Bip〇lar piate) 16，雙極板！ 6 的兩面設有許多溝槽式之氣體通道17，藉以輸送反應用之 氣體，如氫氣與含氧氣的空氣，並排出反應後的生成物， 如水滴或水氣。 由方；。亥燃料電池組1 〇 〇之雙極板1 6 (第一圖中之該陽 極流場板14與該陰極流場板15亦相同）中的氣體必須具 有相當程度的濕度，始能將反應生成之離子攜帶並穿越該 質子交換膜11,實現質子導電。因為氣體含水量過少時， 質子交換膜11會脫水，使得該燃料電池組1〇〇的電阻增 大、電壓降低，進而影響該燃料電池組1〇〇的壽命，故^ 可能設計一加濕裝置使氣體蘊含足夠的水氣以改善此情 況。 ° 當氣體的含水氣量過多時，則會在特定條件下凝結成 水滴2’並會因為表面張力之牽引而附著在該氣體通道17 的内壁。該水滴2之累積將會使職體通道17之有效氣體 6 1328308 流通截面積縮小’甚至還有可能會完全阻塞該雙極板i6中 供氣體流通之該氣體通道17，使得氣體無法持續流通而中 斷-亥燃料電池組100的電化學反應，亦會對該燃料電池組 1〇〇之性成產生負面的影響。因此，在該燃料電池組_ 中’該雙極板16 (陽極流場板與陰極流場板亦同）之設計 便顯得非常的重要。 當氣體因為該氣體通道17被水滴2阻塞，且該氣體 通這17人口處之壓力與錢體通道π出π處之壓力相等 ，相近時，亦即其間之壓力差心與截面積之乘積不足以 克服水滴與通道間之黏滞力與表面張力時，該水滴將會持 縯停滞在該氣體通道17内。為了防止雙極板16中之氣體 通道Π被該水滴2所阻塞’其常用之—種解決方式係提升 该礼體通it 17人口處之壓力，使該壓力差Δρι增加至1 與截面狀乘積足以克服水滴與通道間之黏滞力與表面張 2。此吩’該水滴2就會經由該氣體通道17出口處而自該 氣體通道17排出。 然而，在-般實務應用之經驗中，當該壓力差心增 力口至其與截面積之乘積足以克服水滴與通道間之黏滞力與 :面張力4 ’該氣體通道17人口處之壓力通常會增加至一 2壓Γ在該特定壓力之作用下，該質子交換膜、催化 、軋體擴散層輕則會產生位置偏移或剝離 會產生破裂或損壞現象。 【發明内容】 7 1328308 本發明所欲解決之技術問題： • 有鑒於習用燃料電池組必須藉由增溼之方式來增加反 應生成離子的活動力，並防止質子交換膜脫水。但是，卻 也因此飽受水滴凝結堵塞氣體通道，影響電化學反應之困 擾。因此，在後續的改進措施之中，係以一增壓裝置（如 鼓風機）對氣體通道加壓以利排水。然而，在一般實務應 • 用±之經驗中，當該壓力增加至足以排去氣體通道之水； .· 時，質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層卻會因為無法承 文由該塵力造成之推擠力而產生位置偏移、剝離、破裂或 損壞等現象。 因此，本發明之主要目的即是提供一種燃料電池流場 板之氣肢入口壓力调節結構，其係在燃料電池流場板之氣 月'入口處’备目小氣體通道之戴面積，以減小膜電極組與氣 體通道之接觸面積，藉以減少其受壓面，以及減小在增壓 過程中反應氣體對其造成之向外推擠力。 本發明解決問題之技術手段： 本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提 供一種燃料電池流場板之氣體入口屋力調節結構，該流場 3至乂 it氣孔、至少-出氣孔與複數個氣體通道。 ^氣體，道係、彼此平行排列，且具備有—窄。端與一寬口 二違乍口端之截面積係小於該寬口端之截面積。此外， :乍口端係與該進氣孔相通’該寬口端係與該出氣孔相 通0 8 1328308 . 在該燃料電池進行反應時，會在該氣體通道上產生至 . 少一水滴，並藉由表面張力之牵引而吸附在該氣體通道， 由於在該進氣孔處可藉由增壓裝置（如鼓風機）予=增 壓，故在該進氣孔處之壓力將會大於該出氣孔處之壓力，曰 其壓力差足以將該氣體通道内之該水滴經由該出氣孔而 出。 同時，由於該窄口端之截面積較小，且其與該膜電極 • 組接觸寬度較窄之緣故，故其受壓面積較小，其所承受來 自該氣體通道内之氣體向外推擠力亦相形較小，故該^電 極組較不易產生位置偏移、剝離、破裂或損壞現象。/、 本發明對照先前技術之功效： 相較於現有技術，本發明所提供之燃料電池流場板之 乳體入口壓力調節結構不僅能順利將堵塞於氣體通道内之 水滴排出’更能有效減小膜f極組承受來自該氣體通道内 • 之氣體向外推擠力，進而防制膜電極組、催化劑層、氣體 擴散層之位置偏移、剝離、破裂或損壞等現象之發生。 本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及 附呈圖式作進一步之說明。 【實施方式】 凊參閱第四圖至第八圖，第四圖係顯示本發明第—實 施例之平面示意圖，第五圖係顯示第四圖中圈示部份A所 不區域之局部放大圖，第六圖係顯示第五圖66斷面之斷 面圖，第七圖係顯示第五圖7-7斷面之斷面圖，第八圖係 ί、’頁示本發明第一實施例之流場板與膜電極組之局部相對位 置示意圖。 燃料電池組之流場板3包含二進氣孔31與32、二 出氣孔33與34以及複數個氣體通道35，其上則依序覆蓋 有一膜電極組4與另一流場板3，。此外，在該流場板3之 中央區域外圍，在該流場板3與該流場板3，彼此對合面之 間開設有一環繞該中央區域之溝槽36，以容置一密封元件 5 (如第九圖所不，在本實施例中，該密封元件係建議採用 垓型固熔膠），並將該流場板3之該進氣孔31、該進氣孔 “ °亥出氣孔33、該出氣孔34、該氣體通道35以及該膜 電極組4始、封於該流場板3與該流場板3，之間。此時，在 °玄氣也通道3 5上方會直接與該膜電極組4相接觸。該膜電 極組4係包含有一質子交換膜4卜-對催化劑層42' 42a 與一對氣體擴散層43、43a。 在該流場板3上，各氣體通道35係彼此平行排列且 具備有-窄口端351與-寬口端352 (同時參閱第十圖）， 且該窄，351之截面積係小於該寬口端说之截面積。 其中’該窄口端351係與該進氣孔31相通，該寬口端说 係與該出氣孔33相通。 該氣體通道35包含有-窄通道段353、—漸寬通道段 354與一寬通道段355。該窄通道段353係在該窄口端⑸ 處與該進氣孔3Η目通。該漸寬通道段354之兩端係連通 該窄通道段353與該寬通道段355，且其在鄰接該窄通道 1328308 段353處之截面積，係逐漸增大至其鄰接該寬通道段 處之截面積。該寬通道段355係在該寬口端352處與該出 氣孔3 3相通。 在該燃料電池進行反應時，一反應氣體G (可為氫氣 或=乳氣氣體）會由該進氣孔31進人流場板3，依序流經 5亥乍通道段353、該漸寬通道段354與該寬通道段355，以

進行氣體反應，反應後的空氣會經由該出氣孔33而流 流場板3。 〃

如第八圖所示’在進行氣體反應之後，在該氣體通道 35中可能會上產生凝結之水滴2，且該水滴2會藉由表面 牽引而吸附在該氣體通道35，並逐漸凝結而堵塞該 =體通道35。此時，由於在該進氣孔31端可藉由一增壓 衣置（如鼓風機）將該反應氣體增壓，故在該進氣孔Μ處 之^氣體壓力將會大於該出氣孔33處之反應氣體壓力， =力差所形成之推擠力足以使該反應氣體推播該氣體 ^ 5内之水滴2 ’並且經由該出氣孔33而將該水滴2 =觸同時，由於該氣體通道35上方會直接與該膜電極組 之氣丄述’明參閱第十圖，其係本發明第-實施例 氣反排水作用月J甲+立図 之壓力為P甘 如圖所示，在該進氣孔31端 (P) A 〃大小約略等於該增壓裝置所提供之增壓 =广帽力（約略等於一大氣壓力P。。同時，該 ^之壓力PB則為環境壓力（約略等於—大氣壓 11 1328308 力 P〇)。 氣體壓力造成之合力F係壓力差Ah (約略等於^減 :Β)與截面積Α之乘積’即F=m2 χ八，當該水滴2堵 塞該氣體通道35時，其與該氣體通道35之間，存在有一 黏滯力FV與一表面張力Ft，該表面張力&可區分為一表 面張力水平分力Ftl與-表面張力垂直分力^。依據牛頓 力學定律，當該合力F大於該黏滯力Fv與該表面張力水平 分f Fu時’亦即當F>Fv + Fti時，將可帶動該水滴2往該 出氣孔33之方向移動，亦即可將該氣體通道35 滴2排出。 "水 ，舉凡熟習此技藝之人士皆能理解··該流場板3可為燃 料電池组之陽極流場板、陰極流場板或雙極板。同時，該 進氣孔31可為燃料電池組之氫氣進氣孔或燃料電池組 氧氣體進氣孔。此外，由於該窄口端35 ♦ 3 且其與該膜電極組4接觸寬度較窄之緣故，== 車乂小，電極組4所承受來自該氣體通道之向外 = ，形較小’故該膜電極組4之催化劑層42、42a與氣體擴 ^層43 433較不易破裂、損壞或自該質子交換膜41制 示意：參:Γ:圖’其係本發明第二實施例之局部結構 圖所示，在本九圖所示之第一實施例結構。如 於該氣體通中，其與第一實施例最大之不同處在 道35a亦;^係以—氣體通道35&加以取代，該氣體通 /、有有一窄口端351a與一寬口端352a，且該窄 12 1328308 口端351a之截面積係小於該寬口端灿之戴面積。 其中，該窄口端351a係與該進氣孔31相通，該寬口 & 352a仏與_出氣孔％相通。該氣體通道仏尚包含 -漸見通道段353a與一寬通道段3Ma，該漸寬通道段 353a之-端係在該窄口端35u處與該進氣孔3丨相通並 f 一^係與該寬通道段354a相通，該寬通道段35a係在該 寬口端j52a處與該出氣孔33相通。

_ u閱第十—圖’其係本發明第三實施例之局部結構 不'。、圖㈣，凊比對第十圖所示之第二實施例結構。如 圖所示’在本實施例中，其與第二實施例最大之不同處在 於紅體通道35係以—氣體通道35b加以取代，該氣體通 道说之—端係與該進氣孔31相通’其另一端 孔33相通。 &札

在該氣體通道35b鄰近該進氣孔31冑，嵌設有一倒 三角形之分流節流楔塊37’以在該處形成一窄口端3训； 在該氣體通道35b與該出氣孔33相接處係具備有一寬口端 352b。因此，該窄口端351b之截面積係小於該寬口端 〇之截面積。5亥氣體通道35b尚包含有一漸寬通道段 354 (即嵌設有該分流節流楔塊37之區段）與一寬通道段 漸寬通道段3S3b之-端係在該窄口端35lb處與 氣孔31相通’其另—端係與該寬通道段354b相通， 。亥見通逼段35b係在該寬口端3迅處與該出氣孔Μ相 通0 藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之 13 1328308 -利用價值。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施 • 例說明’凡習於此項技術者當可依據本發明之上述實施例 說明而作其它種種之改良及變化。然而這些依據本發明實 施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神 及界定之專利範圍内。 【圖式簡單說明】 鲁第一圖係習用燃料電池組之電池單體結構之剖面示意圖； 第二圖係顯示習用燃料電池組部份結構之剖面圖； 第三圖係顯示第二圖3_3斷面之剖面圖； 第四圖係顯示本發明第一實施例之平面示意圖； 第五圖係顯示第四圖中圈A所示區域之局部放大圖； 第六圖係顯示第五圖6-6斷面之斷面圖； 第七圖係顯示第五圖7_7斷面之斷面圖； 第八圖係顯示本發明第一實施例之流場板與膜電極組之局 • 部相對位置示意圖； 第九圖係顯示本發明第一實施例兩相鄰流場板之間利用密 封元件加以封裝之示意圖； f十圖係本發明第—實施例之氣壓排水作用原理示意圖； 第十一圊係本發明第二實施例之局部結構示意圖； 第十-圖係本發明第三實施例之局部結構示意圖。 【主要元件符號說明】 100 燃料電池組 14 1328308

1 電池單體 11 質子交換膜 12 、 12a 催化劑層 13 、 13a 氣體擴散層 16 雙極板 17 氣體通道 2 水滴 3 ' 3， 流場板 31、32 進氣孔 33、34 出氣孔 35 氣體通道 351 窄口端 352 寬口端 353 窄通道段 354 漸寬通道段 355 寬通道段 35a 氣體通道 351a 窄口端 352a 寬口端 353a 漸寬通道段 354a 寬通道段 35b 氣體通道 351b 窄口端 352b 寬口端 15 1328308 353b 漸寬通道段 354b 寬通道段 36 溝槽 37 分流節流楔塊 4 膜電極組 41 質子交換膜 42 > 42a 催化劑層 43 ' 43a 氣體擴散層 5 密封元件 G 反應氣體 16

Claims (1)

1. %年|：1月丨J曰修正本 十、申請專利範圍： 種燃料電池流場板之氣體入口壓力調節結構，係在一 燃料電池之流場板之中央區域包含至少—進氣孔、至少 一出氣孔與複數個氣體通道，該流場板之中央區域同^ 亦覆蓋有-膜電極組，在該燃料電池中，該流場板係藉 由錢氣孔而獲得—反應氣體之供應，該反應氣體係由 該出氣孔排出，其特徵在於各氣體通道係彼此平行排列 且具備有-窄口端與—寬口端，該窄口端之截面積係小 於該寬口端之截面積，該窄口端具有一窄通道段與該進 氣孔相通，該窄通道段經由一寬通道段連通該寬口端再 與該出氣孔相通，在該燃料電池進行反應時，會在該氣 體通道上產生至少一水滴，並藉由表面張力之牵引而吸 附在該氣體通道，該反應氣體自該進氣孔，依序流經該 窄口端、該氣體通道與該寬口端，並於該出氣孔排出， 该進氣孔處之壓力大於該出氣孔之壓力，且由其壓力差 所形成之氣體推擠力足以將該氣體通道内之該水滴經由 該出氣孔而排出，同時該推擠力同時亦作用於該膜電極 組。 2.如申請專利範圍第1項所述之燃料電池流場板之氣體入 口壓力調節結構，其中，該氣體通道包含有一窄通道 段'一漸寬通道段與一寬通道段，該窄通道段係在該窄 口端處與該進氣孔相通，該漸寬通道段之兩端係連通該 窄通道段與該寬通奸，該寬通道段係在該寬π端處與 該出氣孔相通。 、 .如申請專利範圍帛1項所述之燃料電池流場板之氣體入 :壓力調節結構，其中，該氣體通道包含有—漸寬通道 段與一寬通道段，該漸寬通道段之一端係在該窄口端處 與該進氣孔相通，其另一端係與該寬通道段相通，該寬 通道段係在該寬口端處與該出氣孔相通。 4. 如申請專利範圍第丨項所述之燃料電池流場板之氣體入 口壓力調節結構，其中，該流場板係為該燃料電池組之 陽極流場板。 5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池流場板之氣體入 口壓力調節結構，其中，該流場板係為該燃料電池組之 陰極流場板。 6·如申請專利範圍第丨項所述之燃料電池流場板之氣體入 口壓力調節結構，該流場板係為該燃料電池組之雙極 板。 7.如申請專利範圍第丨項所述之燃料電池流場板之氣體入 口壓力調節結構，其中，該進氣孔係為該燃料電池組之 氫氣進氣孔，而該出氣孔係為該燃料電池組之氫氣出氣 1328308 孔。 8.如申請專利範圍第1項所述之燃料電池流場板之氣體入 口壓力調節結構，其中，該進氣孔係為該燃料電池組之 含氧氣體進氣孔，而該出氣孔係為該燃料電池組之含氧 氣體出氣孔。