TWI394313B - 燃料電池的導電雙極板 - Google Patents

Description

燃料電池的導電雙極板

本發明係關於一種導電雙極板，特別關於一種燃料電池的導電雙極板。

地球環境污染問題持續加重，石油枯竭危機迫在眉睫，人類為了能源的使用問題引發了一次又一次的國際糾紛，有形或無形的戰火蔓延到世界的各個角落，而這些痛苦驅使著科學家急切又努力地尋找新能源，尤其是無污染的替代能源。

燃料電池，具有零污染、高轉換效率以及添加氫能便可持續使用等優點，是被期待能在家庭式獨立發電、大樓社區或工商業備用發電、各式3C產品的電池以及汽機車或大型巴士等領域中取代舊有動力來源的新興技術。一顆燃料電池主要是由質子交換膜、觸媒、氣體擴散層及導電雙極板所組成，其中又以導電雙極板與燃料電池的發電與電輸出效率最息息相關。

適於燃料電池使用的導電雙極板必須要具備導電性佳、抗氧化、抗腐蝕以及可製作複雜微細之流道結構等特性；在滿足這些條件的材質中，目前是以使用碳-碳複合式的導電雙極板最為普遍，產業接受度也最高，然而，這種以石墨為基材，再添加20%至40%樹脂所製成的複合碳板，本身可承受的應力不足，整體結構易碎，無法應用在震動的環境中；但若以增加金屬鍍層的方式則又會造成導電雙極板單價過於高昂，間接影響燃料電池的製造成本。總體而言，若無法解決上述導電雙極板的問題，必會形成燃料電池在市場推廣的阻礙，限制此一替代能源的發展。

因此，如何提供一種燃料電池之導電雙極板，其兼具高導電性與高剛性，避免在震動環境中使用時導致導電雙極板破碎的問題是當前重要的課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種燃料電池的導電雙極板，其兼具高導電性與高剛性，避免在震動環境中使用時導電雙極板破碎的問題。

為達上述目的，依據本發明之一種燃料電池的導電雙極板包含一金屬板及一石墨層。金屬板具有一表面，且在此表面上具有至少一結合部。石墨層是藉由結合部而與金屬板結合。

此外，在本發明之燃料電池導電雙極板中，結合部是為金屬板突出於表面之一部分，且結合部之至少一側具有與表面間不連續的斷面。

承上所述，因依據本發明之一種燃料電池導電雙極板是藉由在金屬板的表面上設置結合部，使石墨層可穩固地與金屬板結合，進而產生一種具備高導電性及高剛性的雙層複合式導電雙極板，適於提供燃料電池使用。與習知技術相較，以此種結構製成的燃料電池導電雙極板，不僅可利用其優異的導電性能，提高燃料電池的發電效率，更可以利用石墨優異之抗化學腐蝕性能，降低燃料電池之酸性環境對於金屬之腐蝕作用，此腐蝕作用將釋出金屬陽離子阻斷質子交換膜對氫離子(質子)之傳導能力，導致電池壽命之減損。以石墨層保護之金屬雙極板可提升燃料電池之壽命，有助於擴展燃料電池的應用範疇；再者，此種燃料電池導電雙極板亦較能承受碰撞，方便燃料電池的搬運與運輸，實現在劇烈動作的環境中仍能以燃料電池作為動力來源的構想。

本發明之燃料電池導電雙極板是適合燃料電池所使用，特別是質子交換膜燃料電池。依據質子交換膜燃料電池的基本結構，主要是由兩塊燃料電池導電雙極板中間夾以一片膜電極組而組成，其中，膜電極組亦是呈三明治式的結構，其是包含有一質子交換膜與兩側黏貼的氣體交換層；燃料電池導電雙極板除用以收集質子交換膜燃料電池在反應中所釋放出來的電子外，更重要的是，燃料電池導電雙極板上所製作的流道，負有輸入與導流發電反應所需的氫氣與氧氣的功能，是質子交換膜燃料電池中的關鍵構件。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種燃料電池導電雙極板，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參考圖1所示，本發明之燃料電池導電雙極板1包含有一金屬板11以及一石墨層12。在本實施例中，金屬板11是為一鋁合金金屬板，當然，金屬板11亦可為其他材質或合金的金屬板11，使用上並無特別的限制；至於石墨層12為一柔性石墨層12，其主要是由不含黏結劑的石墨成分所組成，此種柔性石墨層12具有極佳的導電性，比之複合式碳板更適於作為燃料電池中的導電元件，但是，石墨層12並非必要由不含黏結劑的石墨所組成，而可在石墨層12的製作過程中依比例添加入適當的樹脂成分，其中樹脂的含量可佔石墨層12重量百分比的約0%至65%。

金屬板11具有一表面111，且於表面111上具有至少一結合部112。請參考圖1所示，在本實施例中，結合部112是為金屬板11突出於表面111的一部份，至於結合部112突出的傾角或長度則並無限制，可依據金屬板11本身材質的特性與其後要結合的石墨層12之厚度進行規劃，然而，仍是以能提供金屬板11與石墨層12間足夠的結合力度，且同時確保在結合後不會刺穿石墨層12結構為原則(如圖2所示)。進一步檢視，請參考圖2所示，在本實施例中，結合部112的至少一側具有與金屬板11之表面111間不連續的一斷面A，換句話說，單一結合部112所具有的斷面A的數目是根據結合部112有多少側面與表面111間有不連續的情況而決定，並無特定的數目限制，舉例說明，若結合部112有兩側和金屬板11之表面111為不連續，則此結合部112即具有兩個斷面A。

由於結合部112是金屬板11在受到衝壓作用表面111發生撕裂所產生，故斷面A亦可以視作為結合部112與金屬板11間發生撕裂的位置，而可依衝壓技術的不同為平整的斷面A或粗糙的斷面A，請參考圖2所示，在本實施例中，斷面A為一平整的斷面A。結合部112的形狀則同樣可利用衝壓作用所使用的技術與工具進行調整，而可為各式適合提供石墨層12結合的形狀，其例如但不限於ㄑ字形、ㄇ字形、梯形、馬蹄形或星芒形，請參考圖3所示，在本實施例中，結合部112是為ㄑ字形，此種形狀的結合部112除具有較容易以衝壓方式產生之特性外，更便於在後製過程中於燃料電池導電雙極板1上規劃導流氣體所需之流道。

請參考圖2所示，在本實施例中，本發明之燃料電池導電雙極板1是藉由金屬板11之表面111上的結合部112以將金屬板11與石墨層12結合，而兩者結合的方式是先獨立製成具有結合部112的金屬板11與整片板狀或層狀結構的石墨層12，再將兩者壓合而成，使得石墨層12能被結合部112咬合，進而穩固地結合於金屬板11上(如圖3所示)。

如前所述，燃料電池導電雙極板1的結構與材質必須要能適於在其上製作流道，以負起輸入與導流燃料電池發電反應所需氣體的功能；據此，使用於燃料電池導電雙極板1上製作流道的方式可例如衝壓成型，其是藉由衝壓作用使燃料電池導電雙極板1形成波浪形或凹凸形，請參考圖4所示，在本實施例中，燃料電池導電雙極板1是以衝壓成型製成為波浪形，具此形狀的燃料電池導電雙極板1在與膜電極組組合後能提供氫氣或氧氣適用的氣體流道，有助於燃料電池進行發電反應；當然，使用衝壓成型之方式是為使燃料電池導電雙極板1能形成所需的形狀，其他可以達成此目的的方式或技術亦可以應用於此，而不僅限於衝壓成型一種。

在本實施例中，雖燃料電池導電雙極板1是呈整片的波浪形結構，然而，在本發明的另一態樣中，燃料電池導電雙極板1亦可以僅在內部之部分區域製成波浪形，而將包圍此部分區域的周緣部分留予平面狀，以供其他設計使用，端視燃料電池的氣體流道所需，並無特殊的要求或限制。

為使氣體在輸入燃料電池後能產生最大利用效率，燃料電池導電雙極板1上所製作的流道通常以最長的氣體運動路徑為目標，據此，流道一般是由複數主流道與相對應數目的次流道所組成，藉由彎曲的次流道將平行的主流道兩兩連結而成為一連通的氣體流道，整體觀之，此流道是呈連續髮夾形的交錯形式，而需特別說明的是，在本實施例中，燃料電池導電雙極板1製成波浪形的目的便是為配合此種流道樣式所設計的結果，然而，在將燃料電池導電雙極板1製成波浪形的過程中，石墨層12在結合部112的位置卻容易受力拉扯而發生碎裂，因此，在本實施例中，為避免石墨層12發生上述碎裂的情形，故，結合部112是設計以配合流道整體形式的方式排列於金屬板11之表面111上，請參考圖1所示，結合部112較佳是以似連續髮夾形的方式排列在表面111上，當然，結合部112亦可以其他實質上相似連續髮夾形的形式排列於表面111，此類形式是例如但不限於N形、S形、蛇形以及凹凸形等；除此之外，更重要的是，在本實施例中，結合部112所朝的方向是要約與流道的方向平行，如此可使燃料電池導電雙極板1在製成波浪形時，更能維持整體結構的完整。

綜上所述，因本發明之一種燃料電池導電雙極板是藉由結合部而將金屬板與石墨層穩固的結合，改良習知以複合碳板作為燃料電池導電雙極板材料所衍生的問題，進而組合成一種具備高導電性及高剛性的金屬-石墨雙層複合式燃料電池導電雙極板。與習知技術相較，此種燃料電池導電雙極板，不僅具備更為優異的導電性能，更可以利用石墨優異之抗化學腐蝕性能，降低燃料電池之酸性環境對於金屬之腐蝕作用，此腐蝕作用將釋出金屬陽離子阻斷質子交換膜對氫離子(質子)之傳導能力，導致電池壽命之減損。以石墨層保護之金屬雙極板可提升燃料電池之壽命，亦不容易因碰撞或承受較大應力而發生碎裂，以此導電雙極板所製成的燃料電池不僅可強化收集電子的能力，有助於提升發電效率，更能在依使用目的所需而將燃料電池累疊運用時，提高可累疊的燃料電池數目，避免因為燃料電池導電雙極板在材料及結構設計上的不足變相影響燃料電池的輸出功率，俾利於推廣燃料電池，使此替代能源能普及其他的應用層面中；再者，此種金屬-石墨雙層複合式的燃料電池導電雙極板亦較習知複合碳板更適於在劇烈動作的環境中使用，基於本身高剛性的特性，更使本發明之燃料電池導電雙極板可避免在搬運或運輸中所產生的損壞，有助於提升燃料電池的產品良率及減低在製成過程中的損耗成本。

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．．．燃料電池導電雙極板

11．．．金屬板

111．．．表面

112．．．結合部

12．．．石墨層

A．．．斷面

X．．．剖面線

圖1為本發明較佳實施例之燃料電池導電雙極板之示意圖；

圖2為圖1中X-X剖面線所得之剖面示意圖；

圖3為圖1之燃料電池導電雙極板之分解示意圖；以及

圖4為本發明較佳實施例之燃料電池導電雙極板經衝壓成型後之側視圖。

1．．．燃料電池導電雙極板

11．．．金屬板

111．．．表面

112．．．結合部

12．．．石墨層

A．．．斷面

X．．．剖面線

Claims (6)

1. 一種燃料電池導電雙極板，包含：一金屬板，具有一表面，且於該表面具有至少一結合部；以及一柔性石墨層，藉由該結合部而與該金屬板結合。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池導電雙極板，其中該燃料電池導電雙極板為波浪形或凹凸形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池導電雙極板，其中該至少一結合部為該金屬板突出於該表面之一部分。
4. 如申請專利範圍第3項所述之燃料電池導電雙極板，其中該至少一結合部之至少一側具有與該表面間不連續之一斷面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池導電雙極板，其中該至少一結合部為ㄑ字形、ㄇ字形、梯形、馬蹄形或星芒形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池導電雙極板，其中該柔性石墨層可含有樹脂，且該樹脂含量約佔該石墨層重量百分比之0%至65%。