TWI338408B - - Google Patents

Description

1338408 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種燃料電池之結構，特別是一種裁切 成具有三側緣膜電極組結構，該三側緣膜電極組結合一1 有相對應㈣之-陽極集電板、—陰極集電板、及流道板 而形成一燃料電池組。 【先前技術】 查燃料電池（Fuel Cell)係一種藉著電化學反應，直接 利用含氫燃料和空氣產生電力的裝置β由於燃料電池具有 低β染、低噪音、高效率等優點，是符合時代趨勢的能源 技術。在各種不同類型之燃料電池中，最常見的有質子交 換膜燃料電池（PEMFC)以及直接甲醇燃料電池（DMFC)兩種 類型。 麥閱第1圖及第2圖所示，習用燃料電池丨〇〇包括有 一陰極集電板101、一膜電極組〗02(Membrane Ekctr〇de Assemble ’縮寫為MEA)、一陽極集電板1 〇3、一陽極流道 板104。其中膜電極組1〇2係由一質子交換膜（pr〇t〇n Exchange Membrane，PEM)、一陽極觸媒層、一陰極觸媒 層、一陽極擴散層（Diffusion Layer，GDL)、一陰極擴散層 所組成。陽極流道板104通常由石墨所構成，其係配置在 膜電極組1 02之陽極側，並將陽極集電板1 〇3夾置在膜電 極組102與陽極流道板丨04之間。 陽極流這板104設有一對燃料入口丨〇5及一對燃料出 5 1338408 口/06,並連通於陽極流道板i〇4之流道空間107。直接甲 醇1.、料電A般使用甲醇水溶液作為陽極燃料，〒醇水溶 液經幫浦（未示）經燃料入口⑻輸送入流道空間107中， 以使曱醇水溶液與膜電極組之陽極觸媒進行反應。為了要 使甲醇與陽極觸媒均勻反應，陽極流道板之流道空間設計 與燃料入口、燃料出口之相對連通位置即成為—重要的課 題。 而在膜電極組之設計方面，目前燃料電池組多使用方 形輪廓之膜电極組，如帛3圖所示之習用燃料電池膜電極 組之頂視平面圖。膜電極組作為具有方形輪廓型態之目的 是便於裁㈣有較佳的許交換制科，減少材料的浪 費。若將多個方形膜電極_列成燃料電池組時也比較小 巧、降低整個膜電極組之的尺寸。 雖然目前所使用之方形膜電極組具有較佳質子交換膜 利用率、減少材料浪費、小料優點，但卻使得方形膜電 極組具有較多的流場死角，在流道設計上較難達到均勻化 的目的4 4圖顯示第i圖中習用燃料電池膜電極組之陽 極流這板之流場示意圖。陽極燃料Fn、π2分別由各 燃料入口 105送入後，會分佈於陽極流道板104之流道* 間107中，再由燃料出口 106分別導出。在此一習用結ς 設計中’陽極燃料分佈於陽極流道板104之流道空間⑽ 中h ’由於X到流道空@ 1G7的幾何結構、以及受到燃料 入口105與燃料出^106對應於流道空間之配置位置之因 T曰在"U_運空間107中會有較大的低流速區域108、 6 1338408 iuy 存在菩=具有較大的流場死角，而使得流道空間107中 存在者％極燃料流場速度分佈 求。 c在目别㈣知技術中，顯然無法滿足此-要 目為=使燃料電池之方形膜電極組達到流場均勾化的 • ψ ㈣作法是在流射設計衫㈣料人口輕，料 出口，但此-作法卻增加了整體流道設計的複雜度。— 【發明内容】 .$ 之主要目的即是提供—種燃料電池組之結構改 良，其輪廊形狀不受限於傳統方形之結構，使 應用彈性更為廣泛。 本發明目的是提供—種具有三側緣結構之姆料 •- ’其胰電極組、陽極集電板、陰極集電板、流道板皆 成具有三側緣之結構型態，並配合燃料人α與燃料出 口之设計，可減少流道板之流場死角。 ^發明之另一目的是提供一種流道均勾之燃料電池 U道板係設計成三角形之結構型態，可在不需任何 導流板或均流板之狀況下，即可使陽極板之燃料輸送具有 良好的流場，使陽極燃料得以均佈在該流道板之燃料輸送 流道中。 為達到達到上述目的，本發明一實施例之燃料電池系 7 1338408 統之版電極組裁切成具有三側緣之輪廓結構，且該三側緣 喪入結合於一框架之鏤空區。三側緣膜電極組係結：在姆 料電池之陽極集電板與陰極集電板之間。-流道板配置在 膜電極組之陽極側，並將陽極集電板夾置在膜電極紐與济 迢板之間、道板具有—由三個側壁圍構形成具有三個角 端之流道空間，流道空間恰對應於膜電極組之三側緣輪 廓，亚連通有至少—燃料人口以及相對應於燃料人: 少一燃料出口。

本發明另一實施例中，其膜電極組區分為第一膜電極 ..且區域及第—膜電極組區域，第—膜電極組區域及第二膜 電極純域係相鄰地配置在同—平面’每—個膜電極組皆 f有-陽極側及-陰極側。膜電極組配合—具有對應第一 流道空間及第二流道空間之流道板而組成一燃料電池組。 本發明k傳統燃料電池所使用之方形膜電極組具有較 佳的流場均勻特性。其膜電極组、陽極集電板、陰極集電 板*迢板皆设计成具有三側緣之結構型態，並配合燃料 入口與燃料出口之設計，可減少流道板之流場死角及降低 流場阻抗。 本發明僅需以簡單的三角形膜電極組及流道板結構， 即可使陽極板之燃料輸送具有良好的流場，使陽極燃料得 以均佈在該流道板之燃料輸送流道中。 “本發明之設計不僅可以得到均勻流場之效果，且不失 膜電極組之質子交換膜利用率。 本兔明可將複數個成對流道板並配合成對之膜電極組 8 1338408 區域構成一整合式流道板’以適合於模組化之應用。而在 管路配置方面，亦可將流道板之各燃料入口以單一燃料入 口管路予以連通、及將各燃料出口以單一燃料出口管路予 以連通’如此可減化燃料入口及出口之管路配置。 【實施方式】 第5圖顯示本發明第一實施例燃料電池2⑼係包括有

-陰極集電板2、一膜電極組3、一陽極集電板4、一流道 板5膜％極組J具有一陰極側及一陽極側，其陰極側結 合陰極集電板2,而其陽極側結合陽極集電板4。流道板5 係配置在膜電極組3之陽極側，並將陽極集電板4夹置在 膜電極組3與流道板5之間。 參閱第6圖所示’其顯示第5圖中膜電極組3之剖視 圖:膜電極組3係裁切呈三㈣輪廓之㈣緣叫亦即其 具二側緣），且外伽竣q 9山 . )夕卜側，，象32肷入結合於-框架31之鏤空區

媒電極組3係包括有一質子交換膜33，質子交換 層心-，咖觸有—陰極觸媒 陰極本电板2係結合在膜電極組3之陰， 有對應於膜電極組3 " 一亦” 係結合在膜電極組3 形狀。陽極集電板4 3之三角形輪廓之形狀。、一具有對應於膜電極組 流道板5具有一 由三個側壁51、52、 5： 圍構形成具 9 1338408 有個角全而al、a2、a3之三角形流道空間54。流道空間 54恰對應於料極組3之輪_狀。流道板5之其中兩個 相鄰=端al、a2之鄰近處各連通有—燃料人σ…… 而在机逼板5之另-角端a3則設有-燃料出D 57。燃料 55 56與燃料出口 57與對應側壁之相對角度可為垂 直或任意角度。 參閱第7圖所示’其顯示第5圖中流道板5之流場示 二圖。當陽極燃料Fn、FI2分別由流道板5之燃料入口 γφ5,6導人至流道板5之流道空間54後，由燃料出口 57 L FQ ’使陽極_與膜電極組3進行觸媒反 入口 所示之實施例中，其流道板5係具有兩個燃料 5 5、5 6及一燃料出 示於流道板5連通们 亦可設計成如第8圖所 57 . 58 ^ 個燃料入口 55及兩個燃料出口 1由流道板一。 送出導出燃料F01、F:逼：間：後’由燃料出口 57、58 觸媒反應。 ’使~極_與膜電極組3進行 請參閱第9圖至第】 料電池烟同樣是包括有二本發明第二實施例燃 陽極集電板、一流道 陰極屬、-膜電極組、- 示第-實施例之燃料電、、也：糸將兩個如同前述第5圖所 亦即，在此予以組合成模組型態。 電板2a、第二陰極中’陰極集電板係由第-陰極集 包反2b在同—平面相鄰組合而成。 10

Claims (1)

1. ^38408

   申請專利範圍： 種膜電極組結構，包括： ‘框架，具有一鏤空區； -膜電極Μ，具有—陽極側及—陰極側，該^電極組係 裁切成具有三側緣，且該三側緣係嵌人結合於該框架 之該鏤空區中。 . /' 2.如申μ專利托圍帛i項所述之膜電極組結構，i中^膜 ㈣組包括有—質子交㈣，該質子交換膜具有 ，及-陰極側’其中該陽極側塗佈有—陽極觸媒層及— ^擴散層’而陰極側塗佈有一陰極觸媒層及— 散層。 L、 3· —種燃料電池系統，包括： 7電極組’具有三側緣之輪廓，該膜電極組具有—陽 極側及一陰極側； 八有& 3極集電板，配置在該膜電極組之該陽極側； :陰極集電板’配置在該膜電極組之該陰極側. 一=夾=該!電極組之該陽極側，並將該陽極 _电極組與該流道板之間’該流道 間=:=:圍構形成具有三個角端之-流道ί 並連通有至少於㈣電極組之三側緣輪廓， μ科入口以及相對應於該燃料入口之 3 17 至少一燃料出口； 第96丨丨I 373號修正本 陽極燃料由該流道板之該姆 你 ,^ t ‘·‘、针入口導入至該流道空間 後’由S亥燃料出口導出 < 工门 行觸媒反應。 組進 4.如申請專利範圍第3項所 道;^ 玫之从枓t池糸統，其中該流 刖夂·^女, ，"、科入口，而在另兩個角端 貝J各§又有一燃料出口。 5·如申請專利範㈣3項戶㈣之揪 . # , y 枓電池糸統，其中該流 <板之其中一個角端設有一 則久-古私、科出口，而在另兩個角端 只J各叹有一燃料入口。 6.如申請專利範圍第3項所述 ^ .. , . ^ 枓电池糸統，其中該膜 电極組係被嵌置結合在一呈 /、有鏤空區之框架。 7·如申請專利範圍第3項所述 M . ^ ^ y. 之^枓黾池糸統，其中該燃 4¾池不統係一直接甲酵燃料電池。 8.—種燃料電池系統，包括： 至少一膜電極組，每一個腺+ + r , •極組區分為第一膜電極組 區域及第二膜電極組區域，該第-膜電極組區域及第 -版電極組區域係相鄰地配置在同—平面，每一個膜 電極組皆具有一陽極側及—陰極側； 第96 1Π 373號修正本 至少一陽極集電板，配置在該膜電極組之該陽極側； 至少一陰極集電板，配置在該膜電極組之該陰極側； 至少一流道板，配置在該膜電極組之該陽極側，並將該 陽極集電板夾置在該膜電極組與該流道板之間，該流 道板區分為第一流道空間及第二流道空間，恰對應於 忒膜電極組之該第一膜電極組區域與第二膜電極組區 域，每一個流道空間包括至少一燃料入口以及相對應 於該燃料入口之至少一燃料出口； 陽極燃料分別由該流道板之該第—流道空間及第二流道 空間之該燃料人Π導人至各別之該第—流道空間及第二 机迢工間後’再由各別之該第—流道空間及第二流道空 間之該燃料出口導出’使該陽極燃料分別與該膜電極纪 之該苐-膜電極組區域及第二膜電極組區域進行觸媒反 統，其中該等 而在另兩個角 統，其中該等 而在另兩個角 9.如申請專利範圍第8項所述之燃料電池系 流道板之其中一個角端設有—燃料入口， 全而則各設有一燃料出口。 1 〇.如申凊專利範圍第8項所述之燃料電池 流道板之其中一個角端設有—燃料出口 立而則各設有一燃料入口。 11.如申請專利範圍 第8項所述之燃料電池系統 其中該第 1338408 第961丨1373號修正本 一膜電極組區域及該第二膜電極組區域係被分別嵌置結 合在一框架之各別鏤空區中。 12.如申請專利範圍第8項所述之燃料電池系統，其中該燃 料電池系統係一直接曱醇燃料電池。

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