TWI400833B - Fuel cell bipolar plate structure - Google Patents

Description

燃料電池之雙極板結構

本發明係有關於一種雙極板結構，特別是指一種燃料電池之雙極板結構。

燃料電池，是一種能將化學能轉換為電能的轉換器。當燃料(氧化劑)沿著流道到達反應區域後，燃料(氧化劑)分別在陰陽極的觸媒層進行氧化(陰極)與還原(陽極)的過程，轉換過程中電流流經外部迴路來做功。燃料電池的轉換效率越高，會與燃料(氧化劑)的需求量成正比。若是燃料無法有效的到達反應區域，或是反應生成物無法排除都將會嚴重的影響燃料電池的效能。因此各國均將燃料電池之開發列入新世紀能源技術開發之重點科技。

請參閱第一圖，其係為習知燃料電池之結構示意圖；如圖所示，習知燃料電池主要係由一具有質子交換作用之電極薄膜組(Membrane Electrode Assembly)10，及二設於該電極薄膜組10兩外側之雙極板20所構成。該電極薄膜組10係包括一質子交換膜12，交換膜12上兩側分別塗有觸媒層是12a與12b。而在觸媒層12a與12b外側係分別設有一氣體擴散層14，而各雙極板20相對應之內側面係分別設有一燃氣流道22，用以分別供應氧氣及氫氣進入兩側陽極與陰極後，經由該電極薄膜組10產生化學反應，其中，為使氧氣及氫氣之流通順暢，並能與該電極薄膜組10之接觸均勻，由各雙極板20相對應之內側面設置之燃氣流道22可知，各燃氣流道22之長度、 截面形狀及大小皆為影響燃氣與該電極薄膜組10間化學反應之程度，進而影響整體電池之發電效率。

燃料電池目前仍有許多技術有待改進，尤其是雙極板的流道設計，以應用在幾何尺寸較大的燃料電池，以及在大反應面積下如何確保燃料的均勻性等問題。目前可見之雙極板的流道設計與改良，除利用迴旋式設計等方式來提高氣體的使用率外，大多數是對其內部燃氣流道結構作改良。

如中華民國新型專利公告第200633295號，一種「燃料電池雙極板之流道設計」，使用迴旋式流道提升氣體使用效率，也能使得質子交換膜的潤濕度於整個燃料電池內的分佈更均勻，而進一步提升燃料電池整體的性能。

如中華民國新型專利公告第M292791號，一種「燃料電池流場板之改良結構」，係將流場板表面區域形成有複數條流道，每一流道分別具有一銜接進氣通道之流道入口、一銜接出氣通道之流道出口與一介於流道入口與流道出口之間的流道槽體部，每一條流道之流道槽體部之管徑大於流道出口之管徑。藉此使每一條流道之進出口氣體壓差加大，以利排出積水，增加燃料電池之效能。

如中華民國新型專利公告第200908425號，係由若干入口段流道、分歧幹道、中間流道及出口段流道構成網狀的流道，以減少流體由入口流入及出口流出的壓力差，並使流道內的流體流速較為穩定，而提升燃料電池的輸出功率。

如中華民國新型專利公告第200539497號，係利用複數個氣體通道供做氣體之進出，且在在至少一側面之板面上至少設有一個銜接於氣體通道之間的流道；其中，該流道之壁面係為圓弧狀之圓弧避面，使液態水不易在流道內附著，俾達到流道中不易沾附及滯留於液態積水之目的。

如中華民國新型專利公告第M293537號，係裡用數個不同截面所連續構成的流道，改變反應物在流道中的流速、壓力，進而能控制反應氣體濃度與電位變化、以及反應物的反應效率，達到均勻電化學反應之目的。

另外，如中華民國新型專利公告第553496號，係用一種「多孔雙極板之薄膜燃料電池」，利用多孔材料的高滲透性可以將氣體有效的分布均勻，而不用藉助其他流道。

綜觀前述六種雙極板結構，其改良方式大同小異，燃氣流道走向雖得到改良，終究受限於雙極板的流道設計，對於發電效率之改善程度極為有限。上述之專利雖有改善前述習用者缺失，然而，在面臨大面積的反應區域或是在燃料的均勻性上，雙極板還是需要額外改良。

因此本發明提供一種燃料電池之雙極板結構，其係可使雙極板應用在尺寸較大的燃料電池，以使雙極板使用在大面積的反應區域時，依舊可以保持燃料的均勻，以提升燃料電池的使用效率。

本發明之目的之一，在於提供一種燃料電池之雙極板結構，其包含一雙極板與一擴散元件，雙極板具有設 置一流道，並於流道設置至少一擺放區，擴散件設於擺放區內，擴散元件之材料為一多孔性材質，藉由多孔性材質本身極佳之滲透率使燃料電池之燃料均勻分布，如此可增加燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

本發明之目的之一，在於提供一種燃料電池之雙極板結構，其係於雙極板上之流道設置複數個擺放區時，讓接設於擺放區之複數個第一分流區之截面積大小與第一分流區及入口之間的距離成正比，或者讓接設於擺放區之複數個第二分流區之截面積大小與第二分流區及出口之間的距離成正比，利用區域化的設計，增加角落部位燃料之使用效率，如此更可使燃料電池之燃料均勻分布，不但增加燃料之使用效率，更提升燃料電池之發電效率。

本發發明之燃料電池之雙極板結構包含一雙極板與一擴散元件，雙極板具有至少一入口與至少一出口，雙極板設置一流道，流道之兩端與入口及出口相接設，流道具有一擺放區，擴散元件設於擺放區，擴散元件之材料為一多孔性材質，藉由多孔性材質本身極佳之滲透率以使燃料電池之燃料均勻分布，以增加燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

另外，本發明亦可於流道內設置複數個擺放區，每一擺放區內別設置一擴散元件，流道包含一第一主流區、複數個第一分流區、複數個第二分流區與一第二主流區，第一主流區接設於入口，複數個第一分流區接設於第一主流區與擺放區，複數個第二分流區接設於擺放區 ，第二主流區，接設於第二分流區與出口。而本發明讓每一第一分流區之截面積大小依照第一分流區及該入口之間的距離成正比而增加，或是讓每一第二分流區之截面積大小與第二分流區及出口之間的距離成正比成正比而增加。利用區域化的設計，增加角落部位燃料之使用效率，更可使燃料電池之燃料均勻分布，不但增加燃料之使用效率，更提升燃料電池之發電效率。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第二A圖與第二B圖，其係為本發明較佳實施例之燃料電池之雙極板的立體圖與分解圖；如圖所示，本發明之燃料電池之雙極板結構包含一雙極板30與一擴散元件40，雙極板30具有至少一入口32與至少一出口34，雙極板30設置一流道36，流道36之兩端與入口32及出口34相接設，流道36具有一擺放區362，擴散元件40設於擺放區362，擴散元件40之材料為一多孔性材質。藉由多孔性材質本身極佳之滲透率以使燃料電池之燃料均勻分布，故當燃料電池之燃料由入口32流入擴散元件擺放區362時，燃料藉由擴散元件40擴散而均勻的分布。如此可增加燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

請一併參閱第三A圖至第三C圖，其係為本發明較佳實施例之燃料電池之雙極板的立體圖、分解圖與雙極板之前視圖；如圖所示，此實施例不同於圖二A與之實施例 在於流道36的結構不同，此實施例之流道36更包含複數個擺放區362，並於每一個擺放區362內設置一擴散元件40。流道36包含一第一主流區363、複數個第一分流區364、複數個第二分流區365與一第二主流區366，第一主流區363接設於入口32，第一分流區364接設於第一主流區363與擺放區362，第二分流區365接設於擺放區362，第二主流區366接設於第二分流區365與出口34。

當燃料電池之燃料由入口32流入第一主流區363，而燃料由每一個第一分流區364分流至每一個擺放區362內，並且藉由擴散元件40以使燃料電池之燃料均勻分布。而其餘燃料則由每一個第二分流區365流出而匯集至第二主流區366，最後再經由出口34流出。本發明藉由流道36設置複數個擺放區362，並於擺放區362設置擴散元件40，如此更可使燃料電池之燃料均勻分布，此實施例非常適合應用於較大之燃料電池，如此可避免燃料分布不均勻之情形，以增加燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

請一併參閱第四圖，其係為本發明另一較佳實施例之燃料電池之雙極板的分解圖；如圖所示，此實施例不同圖三B之實施例在於此實施例之每一擴散元件40的孔隙率皆不同。由於燃料電池之燃料在流道36輸送過程中，先經由入口32流入第一主流區363，再由第一主流區363分流至每一個第一分流區364，而較為靠近入口32之第一分流區364最先輸送燃料其連接之擺放區362，因此第一分流區364的燃料輸送速度較快，反之，遠離入口32之第一分流區364的燃料輸送速度較慢，故此實施例減小較靠 近入口32之擴散件40之孔隙，並且增加遠離入口32之擴散件40之孔隙，亦即讓擴散件40之孔隙率之大小與擴散件40及入口32之間的距離成正比。如此可讓第一分流區364較靠近入口32的燃料流速較慢，並且可讓第一分流區364較遠離入口32的燃料流速較快，如此可避免燃料分布不均勻之情形，以增加燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

請一併參閱第五A圖與第五B圖，其係為本發明另一較佳實施例之燃料電池之雙極板的立體圖與第五B圖之局部放大圖；如圖所示，此實施例不同圖三C之實施例在於此實施例之第一分流區364之截面積大小不同。由於靠近入口32之第一分流區364的燃料輸送速度較快，遠離入口32之第一分流區364的燃料輸送速度較慢，故此實施例之每一第一分流區364之截面積大小與每一第一分流區364及入口32之間的距離成正比。亦即縮小較靠近入口32之第一分流區364之截面積大小，並且增加較遠離入口32之第一分流區364之截面積大小，以讓靠近入口32之第一分流區364的燃料輸送速度降低，而遠離入口32之第一分流區364的燃料輸送速度提升，以使燃料分布均勻，以增加燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

同理可知，實施例之每一第二分流區365之截面積大小與每一第二分流區365及出口34之間的距離亦成正比。以確實的讓以靠近入口32之第一分流區364的燃料輸送速度降低，併確實的讓遠離入口32之第一分流區364的燃料輸送速度提升，以使燃料分布均勻。本發明除了可藉由多孔性材質之擴散元件40以使燃料電池之燃料均勻分 布外，並利用區域化的設計，以增加角落部位燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

綜上所述，本發發明之燃料電池之雙極板結構包含一雙極板與一擴散元件，雙極板具有至少一入口與至少一出口，雙極板設置一流道，流道之兩端與入口及出口相接設，流道具有至少一擺放區，擴散元件設於擺放區，擴散件之材料為一多孔性材質，藉由多孔性材質本身極佳之滲透率使燃料電池之燃料均勻分布，以增加燃料之使用效率，進而提升燃料電池之發電效率。

故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧電極薄膜組

12‧‧‧質子交換膜

14‧‧‧觸媒層

16‧‧‧陽極

18‧‧‧陰極

20‧‧‧雙極板

22‧‧‧燃氣流道

30‧‧‧雙極板

32‧‧‧入口

34‧‧‧出口

36‧‧‧流道

362‧‧‧擺放區

363‧‧‧第一主流區

364‧‧‧第一分流區

365‧‧‧第二分流區

366‧‧‧第二主流區

40‧‧‧擴散元件

第一圖為習知燃料電池之結構示意圖；第二A圖為本發明較佳實施例之燃料電池之雙極板的立體圖；第二B圖為本發明較佳實施例之燃料電池之雙極板的分解圖；第三A圖為本發明較佳實施例之燃料電池之雙極板的立體圖第三B圖為本發明較佳實施例之燃料電池之雙極板的分解 圖第三C圖為本發明較佳實施例之燃料電池之雙極板之前視圖；第四圖為本發明另一較佳實施例之燃料電池之雙極板的分解圖；第五A圖為本發明另一較佳實施例之燃料電池之雙極板的立體圖；以及第五B圖為第五B圖之局部放大圖。

30‧‧‧雙極板

32‧‧‧入口

34‧‧‧出口

36‧‧‧流道

362‧‧‧擺放區

40‧‧‧擴散元件

Claims (5)

1. 一種燃料電池之雙極板結構，包含：一雙極板，具有至少一入口與至少一出口，該雙極板設置一流道，該流道之兩端與該至少一入口及該至少一出口相接設，該流道具有一擺放區；以及一擴散元件，設於該擺放區，該擴散元件之材料為一多孔性材質；其中，該擴散元件之孔隙率之大小與該擴散元件及該至少一入口之間的距離成正比。
2. 一種燃料電池之雙極板結構，包含：一雙極板，具有至少一入口與至少一出口，該雙極板設置一流道，該流道之兩端與該至少一入口及該至少一出口相接設，該流道具有複數個擺放區；以及複數個擴散元件，設於分別設於該些擺放區，該些擴散元件之材料分別為一多孔性材質；其中，該些擴散元件之孔隙率之大小與該些擴散元件及該至少一入口之間的距離成正比。
3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池之雙極板結構，其中該流道包含：一第一主流區，接設於該至少一入口；複數個第一分流區，接設於該第一主流區與該些擺放區；複數個第二分流區，接設於該些擺放區；以及一第二主流區，接設於該些第二分流區與該至少一出口。
4. 如申請專利範圍第3項所述之燃料電池之雙極板結構，其中該些第一分流區之截面積大小與該些第一分流區及該至 少一入口之間的距離成正比。
5. 如申請專利範圍第3項所述之燃料電池之雙極板結構，其中該些第二分流區之截面積大小與該些第二分流區及該至少一出口之間的距離成正比。