TWI411155B - 燃料電池流體分配板 - Google Patents

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Description

燃料電池流體分配板
本發明係關於燃料電池以及特別指適用於固態高分子電解質燃料電池(solid polymer electrolyte fuel cell)的諸流體流場板(fluid flow field plates)，該等板擔任的角色係燃料電池中傳送流體至電極表面的導管。
習知電化學燃料電池將燃料和氧化劑轉換成電能和反應產物。一典型的習知燃料電池10之配置係顯示於圖1，為了清楚表示，該圖以分解的形式來說明不同的層。一固態高分子離子轉移膜(solid polymer ion transfer membrane)11被夾於一陽極12與一陰極13之間。典型地，該陽極12與該陰極13都係以一導電且多孔材料所形成，例如多孔碳，其結合了鉑的細小粒子以及/或其他貴重金屬觸媒。該陽極12與該陰極13通常被直接地與隔膜11的個別鄰接面結合。此結合體通常被共同地稱為一膜電極組件(membrane-electrode assembly)，或MEA 17。
將此高分子膜和諸多孔電極層夾在中間的係一陽極流體流場板14以及一陰極流體流場板15。於此亦被稱為擴散層(diffuser layer)之中間支撐層(backing layer)18及19亦可被使用於陽極流體流場板14和陽極12之間；且同樣地可被使用於陰極流體流場板15和陰極13之間。該等支撐層具有多孔性質，且被製作成可確保氣體有效率地擴散至陽極和陰極表面或從該陽極和陰極表面擴散，同時協助 水蒸汽和液態水之管理。
該流體流場板14、15係由導電及非多孔性材料所形成，藉此，電氣接觸可被連至個別之陽極電極12與陰極電極13。同時，流體流場板促進了流體燃料、氧化劑和/或反應產物的傳送至多孔電極12、13或自多孔電極12、13排出。利用在流體流場板之一表面之液態流通路的形成，例如呈現給多孔電極12、13之表面上的溝槽或流道16，來達到此習知作用。
亦參考圖2(a)，一液態流通道的習知表面配置提供位於陽極14(或陰極15)流體流場板之一面上的蜿蜒式結構(serpentine structure)20，其具有一入口孔21和一出口孔22，如圖2(a)所示。根據習知設計，能瞭解到蜿蜒式結構20係包含一位於該板14(或15)之該表面上之流道16，而該孔21和22各自包含一貫穿板之孔洞，如此，傳送至或自該蜿蜒式結構20排出之流體能夠以正交於板，特別在顯示於圖2(b)之A-A斷面上以箭號標示出的方向，流通過一疊板的厚度。
參考圖3，諸板堆疊被建立於一習知燃料電池組件30中。於此配置中，相鄰的陽極和陰極流體流場板以習知方式被結合，以形成單一雙極板(bipolar plate)31，其具有陽極流道32於一個面上和陰極流道33於相反面上，每一個面與個別之膜電極組件(MEA)34相鄰。該入口孔21和出口孔22皆被覆蓋以提供入口和出口歧管至整個電池堆疊。為清楚表示，電池堆疊中不同的元件被稍微的分開顯 示，儘管，本發明之目的會被瞭解到，這些不同的元件將會使用密封墊片被壓縮於一起。
其他的歧管孔洞23、25可被提供，用於燃料、氧化劑、其他流體或排出物之傳遞至板上的其他流道，例如圖2a顯示的。
該流體流場板14、15中之諸流道16可以開口方式終結於兩端部，例如，於如所示之一入口孔21和一出口孔22中間延展之流道，容許一連續的流體通量。此開放端部之安排，典型地被使用於結合氧化劑的供應以及反應物的排出。另一選擇為，該流道16可於一端部閉合，例如，每一個流道僅以唯一入口孔21流通以供應流體，其100%全然依靠氣體材料轉移進出該MEA的多孔電極。該封閉流道能典型地以梳狀形式的結構被使用於傳送氫燃料至MEA11-13。
為了從燃料電池獲得高且持久的電力傳送力，維持在膜電極組件中特別是隔膜中的高水含量是普遍地必要。
於先前技術中，此慣常藉由增濕透過孔21、22或23及流道16饋入之燃料、空氣之一或兩者之饋入氣體來達成。這項技術之缺點係，為了維持足夠的增濕程度，該進入的氣體流通常需要加熱和輔助裝置以導引水蒸氣進入氣體流中。
於先前技術中，該輔助裝置已被執行於一些方式中。在將燃料或氧化劑氣體導引至燃料電池內之前，通過熱水段，使其冒泡之方法已被應用。另一選擇為，具有滲透性 的隔膜已被利用作為水轉移媒介，以使水能從相鄰的裝有液態水之腔室被夾帶進入氣體流中。同理，芯已被採用作為水運輸媒介，液相至氣相。
該附加裝置能自燃料電池堆疊中分離出，或形成為一整合的部份。無論是哪一種實例，就整體而言，都會在大小和複雜度上因此而增加。
一個替代的方法係將水直接傳送至隔膜11、34，例如，直接地傳送到電極表面或進入雙極板31之流道16中。此技術具有的優點不只是供應水以維持高水含量之隔膜，而且能夠發揮透過蒸發潛熱的發散和排放，使燃料電池冷卻。
此直接的熱移除過程，透過該離開的氣體流，提供了能量排放的明顯優點，而此優點結合了燃料電池堆疊組件中之中間冷卻板的移除。
於先前技術中，採用散置於該電化學活性板之間的熱交換板之冷卻機制，以排放來自燃料電池中因電阻和熱力學效率不佳所產生之熱能，已相當普遍。此熱交換板或冷卻板，利用了帶走燃料電池堆疊中之熱的循環流體流或較少見地單程流體流。相較於活性板，散熱板一般具有不同的設計，因此增加了燃料電池組件的複雜性，大小以及成本。
在水的直接導引中，一項會被遭遇的困難係傳送精確的取水量至燃料電池堆疊30中之諸多流體流場板流道16。典型地，此動作需要傳送精確的取水量至數以千計的局部部位。為了達到此目的，流體流場板14、15或31的複雜 設計是被要求的，其係更加困難去達成並且增加了生產成本。
假如水傳送過程是不均勻的，則冷卻效果會分配不均，造成局部熱點，其過熱能導致物理應力以及該隔膜11之機械性質的劣化和終極的破裂。此效果的作用伴隨著整個表面上不佳(不均勻)的傳送以及不均勻的傳送至組成電池堆疊的單一電池。換言之，溫度變化能發生於單一電池中或電池與電池之間。
參考圖4(a)和4(b)，以上所提及之問題的先前技術之解決辦法提供了一系列延展於一流體流場板40a或40b的一入水孔25和個別流道16之間的注水導管。一般而言，該注水導管是藉由置於流體流場板40a、40b之表面上的隔膜或層狀結構所提供。該注水導管具有與進水歧管25連通之入口和限定在預定流體流場板中之流道16上之注水點的出口。
該層狀結構通常是以兩覆蓋於板40上的金屬箔層41、42的形式被提供，該等金屬箔層之位置係以虛線概略繪示於圖4(a)和4(b)中。
圖4(a)圖示說明具有蜿蜒流道16和金屬箔41a、42a之一流體流場板40a之平面視圖，該等金屬箔41a、42a具有與進水歧管25一致之第一邊緣43a、44a，以及位於或相鄰於該流道16之預定注水點49之第二邊緣45a、46a。
圖4(b)圖示說明一具有兩叉合梳狀流道(interdigitated comb channel)47、48和金屬箔41b、42b的流體流場板40b 之平面視圖，該等叉合梳狀流道各自與個別之歧管21、22相流通，該等金屬箔41b、42b具有與進水歧管25一致之第一邊緣43b、44b，以及位於或相鄰於流道47之預定注水點49的第二邊緣45b、46b。
以上先前技術之解決方式的金屬箔層為一併入燃料電池組件之附加構件。此構件必需是薄的(典型地約40微米)，以便能被密封於燃料電池之密合墊片部位中。該注水導管形成於普遍利用蝕刻形成之金屬箔層中。為了有效地傳送水冷卻劑至整個流體流場板之每一個流道，蝕刻導管必須具有相同深度和一高度精確的製造之複雜樣式。這些因素的結合造成了燃料電池成本和複雜度的提高，以及一如此細微設計之構件的潛在品質控制困難度。
本發明之目的為，考慮到燃料電池中之具有低複雜性的冷卻劑分配。
根據第一觀點，本發明提供一種用於燃料電池的流體流場板，該板係包含一第一複數個流道，其形成於該板之一第一表面上，並且以一預定圖樣擴展遍及於該第一表面，該板具有一沿側面邊緣的摺疊部位，該摺疊部位係包含一腔室(plenum)和一接合部位(interface region)，該腔室係具有一大致上係與板邊緣平行的縱軸，該接合部位係包含第一表面上之兩相鄰且面相向的部分。
根據第二觀點，本發明提供一種形成一用於燃料電池的流體流場板之方法，其係包含有： 形成一第一複數個流道於板之第一表面上，該流道以一預定圖樣延伸至整個表面；以及形成一沿板側面邊緣之摺疊部位，該摺疊部位包含一腔室和一接合部位，該腔室係具有一大致上係與板邊緣平行的縱軸，該接合部位係包含該第一表面上之兩相鄰且面相向的部分。
圖1至4之燃料電池組件和構件之先前技術實施例已於上述中被描述。
圖5a所示為一流體流場板51a，其具有複數個流道53被提供於其一第一表面57上。第一54a和第二54b摺疊表面被提供於該第一表面57上。該等摺疊表面54a、54b之一或二者可具有一表面紋理。該表面紋理(其功能將稍後被描述)可藉由例如是磨蝕，蝕刻或壓紋於該等摺疊表面54a、54b之一或二者而形成。
當圖5a之流體流場板51a經歷了一摺疊操作，轉變為一圖5b所示之摺疊流體流場板51b，於其中一摺疊部位52被形成於該板51b上。該摺疊部位52包含一具有一延伸平行於該板51b邊緣58的縱軸之腔室55，以及一藉由彼此緊密相鄰且面相向之摺疊表面54a、54b所形成之接合部位56。該接合部位形成一自腔室延伸至第一表面57上之諸流道53的流體連接。燃料或氧化劑流能經由沿著流體流場板51a之相對於該摺疊部位之一邊緣的孔口被提供至流道53。另一選擇為，燃料或氧化劑能經由於一個或多個其他 構件中之一個或多個流體分配特徵被提供，該等構件例如是一密合墊片或密封於該表面57上之分配歧管。
較佳而言，該接合部位56朝該流道53延伸，使得沿著該接合部位56通過之冷卻劑從出口邊緣56a離開並且流入其最接近之流道53。該出口邊緣56a能視情況被提供，使得冷卻劑能離開接合部位直接進入流道，例如藉由適當地造形該邊緣56a使得該摺疊表面54a部分地覆蓋該等流道53或一選擇數目之流道的。例如，該出口邊緣56a可被形成荷葉邊或扇形邊，或除此之外，可為了提升相對應於該流道53之水集中點而被造形。例如，此等造形可和一相對應之金屬箔的邊緣46b(圖4b)具有相同的方式。其餘構件，例如位於最接近表面57之擴散層可提供分配從接合部位的出口邊緣56a至諸流道之冷卻劑的功能。
圖6所示為一流體流場板51之部分截面視圖，其係以一雙極板的形式，亦即具有一陽極側60和一陰極側69。於此種狀況下，該陰極流道53(未顯示於圖6)以及該陽極流道61係透過一塑性成形製程形成於板51上，該製程例如是一金屬板坯料之壓製。在此部份，顯示該陽極流場流道61，藉由箭號62標示流經該流道之燃料的流向。沿著陰極側69之氧化劑流以箭號63標示。該燃料流62和氧化劑流63可於一可壓縮墊片之電池開放部位(open cell region)中，例如英國專利申請號0601986.3中所描述。該陽極側60和陰極側69藉由該雙極板51和一密合墊片68彼此流體式密封開。一陽極擴散層66被提供於該板51的該陽極側 60上，以及一陰極擴散層65被提供於陰極側69上。MEA65位於任一側。該組件是透過重覆相似單元裝置組成一燃料電池堆疊。
該板51之摺疊部位52包含一腔室55以及一接合部位56。顯示於腔室55中的是冷卻劑64，其較佳為水。該冷卻劑64自腔室通過接合部位56，以及以箭號70標示之方向，沿著該接合部位之外側邊緣56a，流出位於該陰極側69上之該接合部位。該冷卻劑接著流過陰極擴散層65以及沿著陰極側之流體流道53(標示於圖5a)。該板51之冷卻，較佳地透過陰極側69中之冷卻劑的蒸散而增強。該冷卻劑接著與進入之氧化劑和排出之氣體一起將熱排出燃料電池。
該接合部位56較佳係包含複數個分布遍及於摺疊表面54a、54b之一或二者的導管。此些導管可透過不同方法被設計，最簡單方法之一係以一預定程度之表面粗糙度施加於表面54a、54b之一或二者，以提供一具有紋理之表面。當該等摺疊表面54a、54b接觸時，一內部導管連結網路被提供於表面之表面紋理的尖峰之間。該導管較佳地為一平均截面的大小(典型地大約係25微米或更小，更佳地為5微米或更小)係提供整個延伸於腔室55與陰極流道53之間之接合部位充分的壓力降。整個流道53之冷卻劑能因此被平均分配，將沿腔室55的長度之壓力降減到最小。該接合部位因此形成一對水流提供阻力、反壓水的供應以及保證於整個板51寬度上的平均分配計量界面(metering interface)。
該接合部位56之計量界面功能的另一選擇為，藉由壓紋、微蝕刻、噴砂法或其他適當的表面形成或研磨製程被提供。使多孔介質(porous medium)陷入摺疊表面54a、54b之間亦是可行的，其中該計量功能是利用此介質被執行。適當的多孔介質能包括紙、布或膨脹聚四氟乙烯(PTFE)。
圖7所示為一流體流場板51之部分的立體圖，一摺疊部位52被形成於其中，其包含一腔室55以及一接合部位56。流道53透過該板的壓紋，形成於該板51之一第一表面57上。一個或多個孔洞71可被提供於板51之摺疊邊緣58，以容許冷卻劑流體進入該腔室55，該孔洞71自摺疊部位52之一外表面延伸至該腔室55。
通過圖7之板51之一斷面係顯示於圖8中，其中一陽極流道61係顯示於該板51之第二表面59上，對應圖6之陽極側60。
於摺疊部位52中之該腔室55，較佳地係在組裝成一燃料電池堆疊之前或期間於兩端部被密封。例如，藉由一模製彈性複合物(moulded elastomeric compound)所形成之塞子達到密封之效用，其可能是一分離的構件。密封之另一選擇為藉由將該板51之側邊緣一起捲摺或透過板51邊緣附近的密封墊片之壓縮變形被形成。
圖9所示為一部分組合之燃料電池堆疊90中之一板51之部分的立體圖。該雙極流體流場板51被顯示具有第二表面59面朝上，顯示該陽極側流道61。一密合墊片91圍繞 著該板51之邊緣。該密合墊片91係包含複數個腔室，其等部分延伸通過密合墊片的厚度，該等空腔被形成於電池開放部位92和電池封閉部位93中。該密合墊片可依照英國專利申請號0601986.3之教導被提供。該電池開放部位92包含內部連結之空腔，使得流體能夠沿著密合墊片的表面通過。該電池封閉部位93包含彼此互相隔離開的空腔，如此流體流被阻止通過墊片的表面。板51之該側邊緣94被密封頂靠該密合墊片91之一電池封閉部位93，如此密封該包含了腔室55以及接合部位56之摺疊部位52的邊緣。然而，該板51之摺疊邊緣58至少是部分位於密合墊片的電池開放部位92中，因此容許流體流至該邊緣58。該摺疊邊緣58提供有一個或多個孔洞71(顯示於圖7和圖8)，冷卻劑能通過密合墊片91之電池開放部位92被導引進入腔室55。該冷卻劑能透過適當修正密合墊片91之電池開放及封閉部位的配置，被選擇式地或額外地導向該腔室開放端部之一或二。
要瞭解的是，本發明所提及之一流體流場板之該陰極側之冷卻並未意圖將本發明限制於陰極冷卻。本發明之流體流場板亦包含經適當修改之陽極冷卻。
其餘實施例係設想落於如隨附之申請專利範圍所界定之本發明的範疇中。
10‧‧‧燃料電池
11‧‧‧固態高分子離子轉移膜
12‧‧‧陽極
13‧‧‧陰極
14‧‧‧陽極流體流場板
15‧‧‧陰極流體流場板
16‧‧‧流道
17‧‧‧膜電極組件
18‧‧‧支撐層
19‧‧‧支撐層
20‧‧‧蜿蜒式結構
21‧‧‧入口孔
22‧‧‧出口孔
23‧‧‧入水孔
25‧‧‧入水孔
30‧‧‧燃料電池組件
31‧‧‧雙極板
32‧‧‧陽極流道
33‧‧‧陰極流道
34‧‧‧膜電極組件
40‧‧‧板
40a‧‧‧流體流場板
40b‧‧‧流體流場板
41‧‧‧金屬箔層
41a‧‧‧金屬箔
41b‧‧‧金屬箔
42‧‧‧金屬箔層
42a‧‧‧金屬箔
42b‧‧‧金屬箔
43a‧‧‧第一邊緣
43b‧‧‧第一邊緣
44a‧‧‧第一邊緣
44b‧‧‧第一邊緣
45a‧‧‧第二邊緣
45b‧‧‧第二邊緣
46a‧‧‧第二邊緣
46b‧‧‧第二邊緣
47‧‧‧叉合梳狀流道
48‧‧‧叉合梳狀流道
49‧‧‧注水點
51‧‧‧流體流場板
51a‧‧‧流體流場板
51b‧‧‧摺疊流體流場板
52‧‧‧摺疊部位
53‧‧‧第一複數個流道
54a‧‧‧摺疊表面
54b‧‧‧摺疊表面
55‧‧‧腔室
56‧‧‧外側部位
56a‧‧‧出口邊緣
57‧‧‧第一表面
58‧‧‧板邊緣
59‧‧‧第二表面
60‧‧‧陽極側
61‧‧‧陽極流道/第二複數個流道
62‧‧‧燃料流
63‧‧‧氧化劑流
64‧‧‧冷卻劑
65‧‧‧陰極擴散層
66‧‧‧陽極擴散層
68‧‧‧密合墊片
69‧‧‧陰極側
70‧‧‧箭號
71‧‧‧孔洞
90‧‧‧燃料電池堆疊
91‧‧‧密合墊片
92‧‧‧電池開放部位
93‧‧‧電池封閉部位
94‧‧‧邊緣
本發明之實施例藉由參考附圖中的示例來說明，該等圖式為： 圖1顯示一習知燃料電池之一部分的概要截面視圖；圖2(a)和2(b)分別顯示圖1之燃料電池的流體流場板之一簡化之平面視圖和剖面視圖；圖3顯示一具有雙極板之習知燃料電池堆疊的截面視圖；圖4(a)顯示一具有蜿蜒式流體導管的燃料電池之一流體流場板之平面視圖，其概略繪示出該水分配金屬箔和覆蓋金屬箔之覆蓋位置；圖4(b)顯示一具有叉合梳狀流體導管的燃料電池流體流場板之平面圖，其概略繪示出該水分配金屬箔和覆蓋金屬箔之覆蓋位置；圖5(a)顯示一個具有形成於該流體流場板之該第一表面之流道的部份流體流場板之立體圖；圖5(b)顯示圖5(a)之一個經摺疊操作於該板之部份流體流場板之立體圖；圖6顯示第圖5之一個摺疊流體流場板之概要截面圖；圖7顯示一個摺疊流體流場板之部分立體圖；圖8顯示一個截取部份之摺疊流體流場板之立體圖；及圖9顯示包含摺疊流體流場板的燃料電池堆疊之部分組件之立體圖。
51‧‧‧流體流場板
52‧‧‧摺疊部位
53‧‧‧第一複數個流道
55‧‧‧腔室
56‧‧‧接合部位
57‧‧‧第一表面
58‧‧‧板邊緣
71‧‧‧孔洞

Claims (13)

  1. 一種用於燃料電池中的流體流場板(51)，其包含被形成於其一第一表面(57)上並且以一預定圖樣擴展遍及於該第一表面之第一複數個流道(53)，該用於燃料電池中的流體流場板具有一沿側面邊緣(58)的摺疊部位(52)，該摺疊部位包含一腔室(55)和一接合部位(56)，該腔室具有一大致上係與該用於燃料電池中的流體流場板之該側面邊緣平行的縱軸，該接合部位係包含該第一表面上之兩相鄰且面相向的部分，其中，於該用於燃料電池中的流體流場板(51)之一摺疊邊緣(58)中提供有一孔洞(71)，以使冷卻劑流體進入該腔室(55)中，該孔洞從該摺疊部位之一外表面延伸至該腔室。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，第二複數個流道(61)形成於該用於燃料電池中的流體流場板(51)之一第二表面(59)。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該腔室(55)係自該用於燃料電池中的流體流場板的一第一邊緣(94)延伸至一第二相對邊緣。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該接合部位(56)包含複數個導管，該等複數個導管自該腔室(55)朝向該等第一複數個流道(53)延伸。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該等複數個導管是藉由壓紋、蝕刻或磨蝕位於該第一表面(57)之相鄰且面相向之部位而被提供。
  6. 根據申請專利範圍第4項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該等複數個導管是藉由一被插置於該第一表面(57)之相鄰及面相向之部位間的多孔介質而被提供。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該多孔介質的材料係選自紙、布和膨脹聚四氟乙烯之一。
  8. 根據申請專利範圍第3項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該腔室(55)是藉由流體密封被封住於第一及第二邊緣。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該流體密封是藉由該用於燃料電池中的流體流場板之諸捲摺部分被提供。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述之用於燃料電池中的流體流場板(51)，其中，該流體密封是藉由該腔室(55)中的一個或多個密封構件被提供。
  11. 一種燃料電池組件，其包含有：根據申請專利範圍第1項所述之該用於燃料電池中的流體流場板(51)；一相鄰於該用於燃料電池中的流體流場板之該第一表 面的膜電極組件(17)；以及一擴散層(19)，其與該用於燃料電池中的流體流場板中之該等第一複數個流道(53)流體相通，且被插置於該用於燃料電池中的流體流場板之該第一表面(57)和該膜電極組件之間，其中，該用於燃料電池中的流體流場板之該接合部位(56)之一出口邊緣係與該擴散層流體相通。
  12. 一種形成用於燃料電池中之流體流場板(51)的方法，其包含有：形成一第一複數個流道(53)於該用於燃料電池中的流體流場板之一第一表面(57)上，該等第一複數個流道以一預定圖樣延伸於整個表面；以及形成一沿著該用於燃料電池中的流體流場板之一側面邊緣(58)之摺疊部位(52)，該摺疊部位包括有一腔室(55)和一接合部位(56)，於該用於燃料電池中的流體流場板之一摺疊邊緣(58)中提供有一孔洞(71)，以使冷卻劑流體進入該腔室(55)中，該孔洞從該摺疊部位之一外表面延伸至該腔室，該腔室具有一大致上係與用於燃料電池中的流體流場板之該側面邊緣平行的縱軸，該接合部位包含該第一表面上兩相鄰且面相向的部分。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述之方法，其進一步包含有：提供一插置於該第一表面(57)之相鄰或面相向的部份之間的多孔介質。
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