TWI394311B - 電能供應裝置 - Google Patents

Description

電能供應裝置

本發明關於一種電能供應裝置。

近幾年由於傳統能源如煤、石油及天然氣的持續消耗，造成地球環境的嚴重污染及全球的溫室效應，因此科學家亟欲尋找解決的方案，以減少傳統能源的使用及依賴，而燃料電池(fuel cell)便是其中一種重要且具發展潛力及實用價值之選擇。與傳統的內燃機相比，燃料電池具有能量轉換效率高、運作安靜、反應快及非常低的排放污染等優點，因此，燃料電池快速地成為例如機動車輛、或移動式發電機、或移動式電器設備之電力來源。

如圖1A所示，其為習知一種燃料電池1之結構的分解示意圖。在習知的燃料電池1中，由上至下依序包括導電基板12a、擴散層14a、膜電極14c、擴散層14b及導電基板12b。其中，導電基板12a與導電基板12b彼此對應設置並分別具有反應區R1a、R1b與傳輸區T1a、T1b。

為了電性上的導通，鄰設於導電基板12a的擴散層14a與鄰設於導電基板12b的擴散層14b亦具有導電能力，而夾設於擴散層14a與擴散層14b之間的膜電極14c，與導電基板12a及導電基板12b上的反應區R1a、R1b對應設置。膜電極14c具有二觸媒層141、142與夾設於其中的質子交換層143。其中，質子交換層143為固態之電解質，藉由質子交換層143以分隔觸媒層141、142，並使流動於導電基板12a與導電基板12b的流體不至於彼此混合。

以燃料電池1而言，由於膜電極14c將例如陰極的導電基板12a與例如陽極的導電基板12b分隔於兩側，為避免流動於導電基板12a、12b之間的流體發生洩漏或是彼此混合的情形，在膜電極14c與導電基板12a、12b之間分別設置有密封體18a、18b，以防止流體洩露，且由於一般的流體多為氣體(例如氫氣)，因此密封體18a、18b亦可稱為氣封(gasket)。

在習知技術中，密封體18a、18b分別設置於膜電極14c的兩側，因此，當燃料電池1進行組裝時，為了各組件的定位，必須先將密封體18a或18b置放於導電基板12a或導電基板12b上。例如，當密封體18b置放於導電基板12b上後，可利用密封體18b來定位以依序置放擴散層14b、膜電極14c、擴散層14a、密封體18a與導電基板12a。

然而，由於密封體18a、18b並非固定黏著於導電基板12a、12b上，因此各個組件經常會因為密封體18a、18b的滑動或移動，而產生定位上的困難，更可能因此導致密封效果不佳造成流體外洩。另外，燃料電池1也可能因為密封體18a、18b與膜電極14c之間的定位不準確，而造成燃料電池1在一段操作時間之後，因震動或熱漲冷縮導致密封體18a、18b與膜電極14c之間產生移位的現象，進而影響到燃料電池1整體的供電效能。

此外，若將複數組燃料電池1串聯並上下疊合，以構成一供電設備時，常用的連結方式如圖1B所示，可以螺桿將複數組燃料電池1鎖合，藉由鎖緊螺桿上下的螺絲S，使該等燃料電池1之間可緊密的疊合在一起，以構成一完整的供電設備。

然而，如圖1A及圖1B所示，若鎖合螺絲S時的力道不平均或不足，則可能會造成導電基板12a與擴散層14a之間，或擴散層14a、14b與膜電極14c之間，或擴散層14b與導電基板12b之間因接觸不良而造成接觸阻抗太大。更進一步，可能造成上、下兩燃料電池1之間的導電基板之接觸阻抗太大，而影響供電設備的整體供電效能。另一方面，若鎖合螺絲S時的力道太大，則可能會造成燃料電池1的內部組件，例如導電基板12a、12b、或擴散層14a、14b等變形或破裂，使得供電設備的整體供電效能降低。

因此，如何提供一種電能供應裝置，其結構具有良好的固定效果，且其組合的供電設備也具有良好的供電效能，實為當前重要的課題之一。

本發明之目的為提供一種不僅結構具有良好固定效果的電能供應裝置，且其組合的供電設備也具有良好的供電效能。

為達上述目的，本發明提出一種電能供應裝置，其包括二導電基板、一化電轉換模組、一密封結構以及一保持結構。其中，導電基板彼此相對設置。化電轉換模組夾設於二導電基板之間。密封結構環設於化電轉換模組的周緣並夾置於二導電基板之間，且頂抵二導電基板。保持結構鄰接於密封結構的周緣，並抵接二導電基板。

此外，上述的各導電基板具有至少一反應區域及至少二流體傳輸區域，反應區域與化電轉換模組對應設置，且反應區域具有至少一導流道。上述的化電轉換模組具有二擴散單元及一膜電極單元，擴散單元分別鄰設於導電基板，膜電極單元夾設於擴散單元之間。上述的保持結構鄰接於密封結構的外周緣，且密封結構連續或不連續地環設於反應區域的周緣，又或者密封結構連續或不連續地環設於流體傳輸區域的周緣。上述的導電基板的至少其中之一亦具有至少一定位結構，且定位結構與密封結構對應設置。其中，密封結構與保持結構可為獨立的結構或一體成型的結構，而保持結構的厚度與化電轉換模組的厚度實質相等。

為達上述目的，本發明也提出一種密封體，其應用於上述之電能供應裝置，其中，密封體包括一密封結構以及一保持結構。密封結構環設於上述的化電轉換模組的周緣並夾置於導電基板之間，且頂抵導電基板。保持結構鄰接於密封結構的周緣，並抵接導電基板。

此外，上述的保持結構鄰接於密封結構的外周緣，且密封結構連續或不連續地環設於化電轉換模組的周緣。其中，密封結構與保持結構可為獨立的結構或為一體成型的結構，而保持結構的厚度與化電轉換模組的厚度實質相等。

承上所述，因本發明之電能供應裝置具有一保持結構設置於密封結構的周緣，且保持結構並抵接於二導電基板。藉此，保持結構可使電能供應裝置的兩導電基板之間保持一定的距離，因此，可避免電能供應裝置疊設以構成一供電設備時，因螺桿的鎖合力道太大或太小，造成內部構件變形、破裂或是接觸阻抗太大等問題，造成供電設備的固定不良及供電效能下降。藉由保持結構的設置，可使電能供應裝置之結構具有良好的固定效果，且所組成的供電設備也能具有良好的供電效能。

以下將提出較佳實施例以詳細說明本發明的技術特徵，更同時佐以圖式來輔助說明本發明所揭露之密封體及其應用的電能供應裝置。

首先，請參照圖2所示，其為本發明較佳實施例之一種電能供應裝置2之分解示意圖。本實施例的電能供應裝置2可為燃料電池裝置，可例如但不限為氫燃料電池裝置。電能供應裝置2亦可為瓦斯、汽油、甲烷、甲醇、或乙醇等燃料電池裝置，於此並不限制。

電能供應裝置2包括二導電基板22a、22b、一化電轉換模組24、一密封結構26以及一保持結構28。

導電基板22a、22b彼此相對設置。其中，導電基板22a及導電基板22b可分別作為電能供應裝置2的陰極導電基板或陽極導電基板，於此並不加以限定。

更詳細來說，請同時參照圖2及圖3所示，圖3為導電基板22a的結構示意圖。導電基板22a可具有至少一反應區域R2a及至少二流體傳輸區域T2a，導電基板22b亦可具有至少一反應區域R2b及至少二流體傳輸區域T2b。其中，部分的流體傳輸區域T2a、T2b用以使流體流入至反應區域R2a、R2b內，而部分的流體傳輸區域T2a、T2b則用以使已反應的流體由反應區域R2a、R2b流出。

為了提高流體的利用率，反應區域R2a、R2b更可具有至少一導流道S2a、S2b，俾使從流體傳輸區域T2a、T2b流入的流體可藉由密集的導流道S2a、S2b於反應區域R2a、R2b均勻地流動。其中，導電基板22a、22b上的導流道S2a、S2b可依據不同的需求而有不同的設計。另外，導電基板22a、22b也可僅在單一表面上設置有導流道S2a、S2b。不過，在實際的應用上，為達到特定的輸出電壓或輸出電流，可以串聯或並聯的方式連結多個電能供應裝置2以組成一供電設備，而為實現如此的態樣，在導電基板22a或導電基板22b的上下主要表面上均可設置有導流道S2a、S2b，俾使一個導電基板22a或一個導電基板22b即可同時應用在兩個電能供應裝置上。本實施例即為導電基板22a及導電基板22b的兩個主要表面上分別設有導流道S2a、S2b的態樣。

另外，由於導電基板22a、22b必須兼具有適當的剛性(用以支撐、保護夾設於其中的構件)、適當的彈性(用以吸收組裝時的結構應力)及良好的導電度，因此，導電基板22a、22b所採用的材料多為石墨與聚合物的組成物，當然，金屬材料或合金材料亦為經常選用的材料，於此並不加以限定。

化電轉換模組24夾設於導電基板22a與導電基板22b之間，並與導電基板22a、22b上的反應區域R2a、R2b分別對應。換言之，因反應區域R2a、R2b為主要的化電轉換區域，因此，化電轉換模組24與反應區域R2a、R2b對應設置，以提高化電轉換的反應效率。

請同時參照圖2及圖4所示，其中，圖4為圖2中的電能供應裝置2，沿直線A-A之剖面圖。密封結構26環設於化電轉換模組24的周緣，並夾置於導電基板22a與導電基板22b之間，且頂抵導電基板22a及22b。

其中，密封結構26可具有一第一凸部261。第一凸部261頂接於導電基板22a，且化電轉換模組24的至少一側頂抵於第一凸部261的內側緣。在本實施例中，以化電轉換模組24的左右兩側均頂抵於第一凸部261的內側緣為例，然並不以此為限。

更詳細來說，如圖2及圖4所示，在密封結構26中，第一凸部261頂接於導電基板22a與導電基板22b之間，且化電轉換模組24頂抵於第一凸部261的內側緣。換言之，在導電基板22a與化電轉換模組24之間，藉由第一凸部261以構成密封的空間，俾使自導電基板22a的流體傳輸區域T2a流入的流體，能夠密封在導電基板22a與化電轉換模組24之間，以避免產生流體外洩，或內部流體與外界流體混合等問題。

再者，密封結構26除可連續或不連續地環設於導電基板22a、22b的反應區域R2a、R2b周緣外，為避免流體自流體傳輸區域T2a、T2b流入或流出時發生外洩的情形，密封結構26亦可連續或不連續地環設於導電基板22a、22b的流體傳輸區域T2a、T2b外周緣，於此，均不加以限制。

另外，為使組裝流程更為簡單、便利，導電基板22a、22b的至少其中之一更可設置至少一定位結構Ca，且定位結構Ca與密封結構26對應。於此，是以導電基板22a具有定位結構Ca對應於密封結構26之第一凸部261為例。其中，定位結構Ca可例如為凹槽、粗糙面、凸部或其組合，於此是以凹槽為例。定位結構Ca可用以定位第一凸部261，使密封結構26可容易且正確地對位於導電基板22a，並避免密封結構26位移而影響密封效果。

此外，除了上述的定位結構Ca之外，更可在導電基板22a、22b與密封結構26對應的位置上設置至少一固定結構(圖未顯示)，使密封結構26能夠藉由固定結構以固定在導電基板22a、22b上，以進一步避免因密封結構26的滑動或位移而導致密封效果受到影響，其中，固定結構例如可為勾體、凸槽或凸塊等。

保持結構28鄰接於密封結構26的周緣，並抵接導電基板22a、22b。於此，保持結構28是以鄰接於密封結構26的外周緣為例。其中，保持結構28可例如為自密封結構26向外側延伸的一凸結構，其目的是用以保持兩導電基板22a、22b之間的距離。另外，保持結構28的水平延伸方向，以不超出導電基板22a、22b的外緣較佳，然其非限制性。其中，保持結構28的厚度與化電轉換模組24的厚度實質相等，因此，保持結構28可使兩導電基板22a、22b之間保持一定的距離。其中，密封結構26與保持結構28又可合稱為一密封體30。

值得一提的是，上述的密封結構26與保持結構28可分別為獨立的結構，或者，亦可為一體成型的結構，於此，是以一體成型為例。另外，密封結構26與保持結構28可由彈性體所構成，密封結構26與保持結構28的材料可例如為矽膠、聚氯乙稀、聚乙稀、聚丙稀、聚苯乙烯或上述材料的組合。因此，具有彈性的密封結構26與保持結構28在電能供應裝置2組裝的流程中可用以吸收部分組裝的應力。另一方面，由於具有彈性的密封結構26與保持結構28可額外吸收組裝的應力，使電能供應裝置2可承受較高的組裝力量，進而達到加強電能供應裝置2的結構強度與達到密封及固定的效果。

此外，當複數電能供應裝置2串聯並疊設成一完整供電設備時，因各電能供應裝置2具有上述的保持結構28，且其厚度與化電轉換模組24的厚度實質相等，因此，當組合成供電設備而鎖合兩側螺桿上的螺絲時，可使兩導電基板22a、22b之間保持一定的距離而不會造成內部構件的變形、甚至破裂的情況，因此，可避免鎖合力道太大或太小所造成的內部構件變形、破裂或是接觸阻抗太大等問題，因此，不僅可使電能供應裝置2之結構具有良好的固定效果，且組合成的供電設備也可具有良好的供電效能。

請參照圖5及圖6所示，其中，圖5為電能供應裝置2的另一變化態樣示意圖，而圖6為圖5中，沿直線B-B之剖面圖。

電能供應裝置2a與上述實施例之電能供應裝置2主要的不同在於，本態樣之化電轉換模組24d可具有二擴散單元24a、24b及一膜電極單元24c。擴散單元24a鄰設於導電基板22a，擴散單元24b鄰設於導電基板22b，膜電極單元24c夾設於擴散單元24a、24b之間，並與導電基板22a、22b上的反應區域R2a、R2b分別對應設置。其中，膜電極單元24c可具有二觸媒單元241、242及一質子交換單元243，觸媒單元241、242將質子交換單元243夾置於其中。

另外，密封結構26a更可具有一第二凸部262，且第二凸部262鄰設於第一凸部261並對應於導電基板22b之定位結構Cb，並頂接於導電基板22b與膜電極單元24c，而擴散單元24b之至少一側頂抵於第二凸部262的內側緣。藉由密封結構26a之第二凸部262及對應之定位結構Cb的設置，使電能供應裝置2a的結構具有更好的密封及固定效果。

此外，本態樣之電能供應裝置2a的其它技術特徵與上述實施例之電能供應裝置2相同，於此不在贅述。

綜合上述，因本發明之電能供應裝置具有一保持結構設置於密封結構的周緣，且保持結構抵接於二導電基板。藉此，保持結構可使電能供應裝置的兩導電基板之間保持一定的距離，因此，可避免電能供應裝置疊設以構成一供電設備時，因螺桿的鎖合力道太大或太小，造成內部構件變形、破裂或是接觸阻抗太大等問題，造成供電設備的固定不良及供電效能下降。藉由保持結構的設置，可使電能供應裝置之結構具有良好的固定效果，且所組成的供電設備也能具有良好的供電效能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．燃料電池

12a、12b．．．導電基板

14a、14b．．．擴散層

14c．．．膜電極

141．．．觸媒層

142．．．觸媒層

143．．．質子交換層

18a、18b．．．密封體

2、2a．．．電能供應裝置

22a、22b．．．導電基板

24、24d．．．化電轉換模組

241、242．．．觸媒單元

243．．．質子交換單元

24a、24b．．．擴散單元

24c．．．膜電極單元

26、26a．．．密封結構

261．．．第一凸部

262．．．第二凸部

28、28a．．．保持結構

30、30a．．．封膠體

R1a、R1b．．．反應區

R2a、R2b．．．反應區域

S2a、S2b．．．導流道

T1a、T1b．．．傳輸區

T2a、T2b．．．流體傳輸區域

圖1A為習知一種燃料電池裝置之結構的分解示意圖；

圖1B為習知複數燃料電池裝置組合成之一種供電設備的示意圖；

圖2為本發明較佳實施例之電能供應裝置的分解示意圖；

圖3為圖2之導電基板的結構示意圖；

圖4為圖2中，沿直線A-A之剖面圖；

圖5為本發明電能供應裝置之另一變化態樣示意圖；以及

圖6為圖5中之，沿直線B-B之剖面圖。

2．．．電能供應裝置

22a、22b．．．導電基板

24．．．化電轉換模組

26．．．密封結構

261．．．第一凸部

28．．．保持結構

30．．．封膠體

R2a、R2b．．．反應區域

S2a、S2b．．．導流道

T2a、T2b．．．流體傳輸區域

Claims (10)

1. 一種電能供應裝置，包括：二導電基板，彼此相對設置；一化電轉換模組，夾設於該些導電基板之間；一密封結構，環設於該化電轉換模組的周緣並夾置於該些導電基板之間，且頂抵該些導電基板；以及一保持結構，鄰接於該密封結構的外周緣，並抵接該些導電基板。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電能供應裝置，其中各該導電基板具有至少一反應區域及至少二流體傳輸區域，且該反應區域與該化電轉換模組對應設置，該反應區域具有至少一導流道。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電能供應裝置，其中該密封結構連續地環設於該反應區域的周緣，或者該密封結構連續地環設於該些流體傳輸區域的周緣。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電能供應裝置，其中該些導電基板的至少其中之一具有至少一定位結構，該定位結構與該密封結構對應設置，且該定位結構為凹槽、粗糙面、凸部或其組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電能供應裝置，其中該密封結構與該保持結構為獨立或一體成型的結構。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電能供應裝置，其中該保持結構的厚度與該化電轉換模組的厚度實質相等。
7. 一種密封體，用於一電能供應裝置，該電能供應裝置 具有兩彼此相對設置的導電基板及一化電轉換模組夾設於該些導電基板之間，該密封體包括：一密封結構，環設於該化電轉換模組的周緣並夾置於該些導電基板之間，且頂抵該些導電基板；以及一保持結構，鄰接於該密封結構的外周緣，並抵接該些導電基板。
8. 如申請專利範圍第7項所述之密封體，其中該密封結構連續地環設於該化電轉換模組的周緣。
9. 如申請專利範圍第7項所述之密封體，其中該密封結構與該保持結構為獨立的結構或一體成型的結構。
10. 如申請專利範圍第7項所述之密封體，其中該密封結構及該保持結構為彈性體，該彈性體的材質選自矽膠、聚氯乙稀、聚乙稀、聚丙稀、聚苯乙烯及其組合。