TWI476986B - 燃料電池堆及其分隔板 - Google Patents

Description

燃料電池堆及其分隔板

本發明係有關於一種燃料電池堆及其分隔板，尤其是指一種以相同結構之分隔板分別供燃料電池之陽、陰極使用，以降低燃料電池之製造成本，且藉由氣體流道所形成之箭簇形區塊，使得燃料氣體與氧化劑皆可均勻分佈於氣體流道面，以提升燃料電池之產電效能者。

按，由於傳統石化能源已漸漸耗盡，且石化能源之利用會對於生態環境造成很大的衝擊，因此發展低污染且具高發電效率的能源利用方式，已成為重要的課題；而在各種已發展的新能源利用方式中(例如太陽能電池、生化能源、或燃料電池等)，燃料電池的高發電效率(約60%)與低污染性，使其倍受注目；燃料電池係一種利用化學能直接轉換為電能的發電裝置，其燃料可以為甲醇、乙醇、氫氣或其他碳氫化合物，再藉由氧氣作為氧化劑以產生電能，並且在這樣的電化學反應過程中會生成水做為副產物；與傳統發電方式比較，燃料電池具有低污染、低噪音以及高能量轉換效率等優點，且由於燃料電池係直接由燃料氧化產生電能，因此其放電電流可以隨著燃料供應量增 加而增大，且只要持續供給燃料及氧氣，便可持續發電，因此沒有電力衰竭及充電的問題，而成為極具前瞻性的乾淨能源。

基本上，燃料電池是一種利用水電解之逆反應而將化學能轉換成電能的發電裝置；以質子交換膜燃料電池來說，其主要是由一薄膜電極組(membrane electrode assembly，簡稱為MEA)及二分隔板所構成，而薄膜電極組為燃料電池之核心，作為電化學反應之功用，薄膜電極組依據結構層的數目，可區分成三層式、五層式或是七層式架構；其中，五層式架構的膜電極組由質子交換膜(proton exchange membrance)、一陽極觸媒層、一陰極觸媒層、一陽極氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)以及一陰極氣體擴散層所構成；其中，質子交換膜設置在正中間，其本身係為高分子聚合物，作為傳導(氫離子)並隔絕兩側反應氣體之功用，可視為固態電解質，於質子交換膜兩側分別配置有陽極觸媒層與陰極觸媒層，觸媒層的主要功能為加快反應效率，而陽極氣體擴散層與陰極氣體擴散層則分別設置在陽極觸媒層與陰極觸媒層之上，二分隔板則包括一陽極與一陰極，其分別配置於陽極氣體擴散層與陰極氣體擴散層之上，其中氣體擴散層主要作用為有效均勻分散陽極端的甲醇(DMFC)或是氫氣(PEMFC)，以及陰極端的氧氣，同時排除陰極端產生的水；通常，氣體擴散層的材料是以碳紙或碳布為主。

一般而言，分隔板係影響燃料電池商業化之關鍵因素之一，分隔板之材料、流場結構、加工成本均存在許多亟待解決之問題；習用之分隔板材料主要為石墨、複合碳材及金屬基材，針對石墨、複合碳材分隔板而言，雖具有導電性及耐蝕性等優點，然而其製程複雜、耗費 工時，且該種材料製成之分隔板厚度限制於3mm左右，不利於燃料電池之微型化；而對於金屬基材而言，雖然厚度較小、質量較輕，可縮減燃料電池之體積及質量，然由於燃料電池的燃料係藉由流道以進行運輸，因此流道之運輸能力影響著燃料電池之產電效能；因此，如何在微小的分隔板上利用流道的幾何外形或流場特性，設計出有利於燃料擴散之燃料電池堆分隔板便成為一項重要的課題。

今，發明人即是鑑於上述現有之燃料電池分隔板於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種能以相同結構之分隔板分別供燃料電池之陽、陰極使用，避免如傳統之燃料電池需要用到兩種不同設計的分隔板，以降低燃料電池之製造成本，且藉由氣體流道所形成之箭簇形區塊，使得燃料氣體與氧化劑皆可均勻分佈於氣體流道面，提升燃料電池之產電效能者。

為了達到上述實施目的，本發明人提出一種燃料電池堆及其分隔板，其金屬基材(可例如為不鏽鋼材質)之分隔板係具有以多次沖壓加工成型之氣體流道面以及對應氣體流道面之冷卻劑流道面，氣體流道面與冷卻劑流道面具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個溝槽，氣體流道面之溝槽形成有一第一氣體流道、一第二氣體流道，以及位於第一氣體流道與第二氣體流道間複數條第三氣體流道，第一~三氣體流道皆具有複數個彎折，且第一、二氣體流道之二彎折連接線皆分別為直線形狀與箭簇形狀，而第三氣體流道之二彎折連接線皆為對應之箭簇形狀，且該等箭簇形狀之尖端係位於同一水平線上；藉此，分隔 板利用蜿蜒之第一~三氣體流道所形成之箭簇形區塊，使得燃料氣體可均勻分佈於氣體流道面，確保反應氣體有足夠的濃度進入薄膜電極組，以便能與薄膜電極組充分反應，進而提升燃料電池之產電效能；此外，當二分隔板以冷卻劑流道面接合時，二分隔板間未接觸之空間形成冷卻劑之立體流場，意即二冷卻劑流道面之溝槽形成輸送冷卻劑之直線流道，藉以減小冷卻劑的流動阻力，避免燃料電池堆中冷卻劑堵塞之問題，有效達到冷卻燃料電池，進而穩定電池工作溫度之需求，避免溫度過高而影響電池性能甚至於造成組件損壞；再者，由於本發明之分隔板係以金屬基材製成，具有厚度小、質量輕之優點，不僅可縮減燃料電池之體積，亦能達到輕量化之需求，且只需設計(開模)一種分隔板即可供燃料電池之陽、陰極使用，可避免如傳統之燃料電池需要用到兩種不同設計的分隔板，有效降低燃料電池因模具複雜性所產生之製造成本。

再者，分隔板二側端中央處分別設有對應之冷卻劑進入歧道以及冷卻劑流出歧道，而於冷卻劑進入歧道二側分別設有第一氣體進氣歧道與第二氣體進氣歧道，且於冷卻劑流出歧道二側分別設有第一氣體排氣歧道與第二氣體排氣歧道，其中第一氣體進氣歧道與第一氣體排氣歧道係為對角設置，而第二氣體進氣歧道與第二氣體排氣歧道亦為對角設置，第一、二氣體進氣歧道與第一、二氣體排氣歧道係皆與氣體流道面之溝槽連通，而冷卻劑進入歧道以及冷卻劑流出歧道係與冷卻劑流道面之溝槽連通；此外，氣體流道面可進一步設有氣密結構，氣密結構係設置於第一氣體進氣歧道與第一氣體排氣歧道之周圍，使其與氣體流道面之溝槽不連通，或氣密結構係設置於第二氣體進氣歧道與第二氣體排氣歧道之周圍，使其與氣體流道面之溝槽不連通；藉 此，不僅可使得氣體進出口為對角設置，以增加氣體均勻分佈於氣體流道面之功效外，亦可防止燃料氣體與冷卻劑洩露至環境中而造成電池性能下降與損壞，甚至因洩漏所產生的安全問題。

如上所述之燃料電池堆分隔板，其中第一~三氣體流道之總長度係分別相同。

如上所述之燃料電池堆分隔板，其中第一~三氣體流道之彎折總數量係分別相同。

如上所述之燃料電池堆分隔板，其中二分隔板係以銲接接合或導電膠黏合，銲接接合之銲點可供分隔板間傳遞電子之用；再者，銲接方式較佳可以雷射點銲接合二分隔板，因雷射銲接(LBW)因具能量密度高，入熱量低、熱影響小等優點，可有效降低銲道熱裂與銲接敏化的發生。

本發明更進一步依據上述之燃料電池堆分隔板分別設置於習知之薄膜電極組二側端，以形成燃料電池單元，且將複數個燃料電池單元以形成燃料電池堆。

(1)‧‧‧分隔板

(1a)‧‧‧第一分隔板

(1b)‧‧‧第二分隔板

(11)‧‧‧氣體流道面

(111)‧‧‧第一氣體流道

(112)‧‧‧第二氣體流道

(113)‧‧‧第三氣體流道

(114)‧‧‧彎折

(115)‧‧‧氣密結構

(12)‧‧‧冷卻劑流道面

(121)‧‧‧直線流道

(13)‧‧‧溝槽

(14)‧‧‧尖端

(15)‧‧‧冷卻劑進入歧道

(16)‧‧‧冷卻劑流出歧道

(17)‧‧‧第一氣體進氣歧道

(18)‧‧‧第二氣體進氣歧道

(19)‧‧‧第一氣體排氣歧道

(20)‧‧‧第二氣體排氣歧道

(2)‧‧‧薄膜電極組

第一圖：本發明較佳實施例之單電池結構立體分解示意圖

第二圖：本發明較佳實施例之單電池分隔板其氣體流道面之平面示意圖

第三圖：本發明較佳實施例之單電池分隔板其冷卻劑流道面之平面示意圖

第四圖：本發明較佳實施例之雙電池結構立體分解示意圖

第五圖：本發明較佳實施例之雙電池結構其冷卻劑流道面接合形成直線流道之剖面示意圖

第六圖：本發明較佳實施例之雙電池結構其冷卻劑流道面接合形成直線流道之另一剖面示意圖

第七圖：本發明較佳實施例之雙電池結構之冷卻劑直線流道說明圖

第八圖：本發明較佳實施例之燃料電池堆其氣體以及冷卻劑流動分佈示意圖

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，請參閱第一圖所示，係本發明較佳實施例之單電池結構立體分解示意圖，值得注意的是，燃料電池堆之分隔板(1)其主要功能係導引反應氣體(氧化劑及燃料)與冷卻劑分別由第一、二氣體進氣歧道(17)、(18)與冷卻劑進入歧道(15)進入流道，藉由流道之設計使反應氣體與冷卻劑分佈於反應面積，再將未使用的反應氣體、產物水與冷卻劑由流道導引排出；在此為了說明方便，係將單電池結構位於薄膜電極組(2)左側之分隔板(1)定義為第一分隔板(1a)，且第一分隔板(1a)係作為供燃料(可例如為氫氣)進入之陽極，而位於薄膜電極組(2)右側之分隔板(1)定義為第二分隔板(1b)，且第二分隔板(1b)作為供氧化劑(例如為空氣)進入之陰極；而其運作原理係燃料氣體由燃料電池的陽極進入，氧氣(或空氣)則由陰極進入燃料電池，經由薄膜電極組(2)的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子(proton)與兩個電子(electron)，其中氫質子被氧吸引到陰極，電子則經由 外電路形成電流後，到達陰極，而氫質子、氧及電子於陰極發生反應形成水分子，其運作方式已為習知技藝中眾所皆知之知識，且並非本發明之重點，在此不再贅述，本發明之技術特徵著重於透過分隔板(1)之流道造形的安排、設置，讓分隔板(1)和分隔板(1)間的空間得以形成直線形冷卻水流道，且箭簇形狀之流道亦能使得反應氣體更均勻分佈於氣體流道面(11)；請一併參閱第二、三圖所示，分別為本發明較佳實施例之單電池分隔板其氣體流道面以及冷卻劑流道面之平面示意圖，本發明之燃料電池堆分隔板(1)係具有以多次沖壓加工成型之氣體流道面(11)以及對應氣體流道面(11)之冷卻劑流道面(12)，氣體流道面(11)與冷卻劑流道面(12)具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個溝槽(13)，氣體流道面(11)之溝槽(13)形成有一第一氣體流道(111)、一第二氣體流道(112)，以及位於第一氣體流道(111)與第二氣體流道(112)間複數條第三氣體流道(113)，第一、二、三氣體流道(111)、(112)、(113)皆具有複數個彎折(114)，且第一、二氣體流道(111)、(112)之二彎折(114)連接線皆分別為直線形狀與箭簇形狀，而第三氣體流道(113)之二彎折(114)連接線皆為對應之箭簇形狀，且該等箭簇形狀之尖端(14)係位於同一水平線上；其中，於二分隔板(1)以冷卻劑流道面(12)接合時，二分隔板(1)間未接觸之空間形成冷卻劑之立體流場，意即二冷卻劑流道面(12)之溝槽(13)形成輸送冷卻劑之直線流道(121)。

再者，分隔板(1)二側端中央處分別設有對應之冷卻劑進入歧道(15)以及冷卻劑流出歧道(16)，於本實施中，冷卻劑可為 水；而於冷卻劑進入歧道(15)二側分別設有第一氣體進氣歧道(17)與第二氣體進氣歧道(18)，而於冷卻劑流出歧道(16)二側分別設有第一氣體排氣歧道(19)與第二氣體排氣歧道(20)，其中，本實施例之第一氣體可例如為氫氣燃料，而第二氣體可例如為氧氣(空氣)，且第一氣體進氣歧道(17)與第一氣體排氣歧道(19)係為對角設置，而第二氣體進氣歧道(18)與第二氣體排氣歧道(20)亦為對角設置，第一、二氣體進氣歧道(17)、(18)與第一、二氣體排氣歧道(19)、(20)係皆與氣體流道面(11)之溝槽(13)連通，而冷卻劑進入歧道(15)以及冷卻劑流出歧道(16)係與冷卻劑流道面(12)之溝槽(13)連通；此外，氣體流道面(11)可進一步設有氣密結構(115)，氣密結構(115)係設置於第一氣體進氣歧道(17)與第一氣體排氣歧道(19)之周圍，使其與氣體流道面(11)之溝槽(13)不連通，或氣密結構(115)係設置於第二氣體進氣歧道(18)與第二氣體排氣歧道(20)之周圍，使其與氣體流道面(11)之溝槽(13)不連通；意即於第一分隔板(1a)與薄膜電極組(2)之間的氣密結構(115)係設置於第二氣體進氣歧道(18)與第二氣體排氣歧道(20)之周圍，而於第二分隔板(1b)與薄膜電極組(2)之間的氣密結構(115)則設置於第一氣體進氣歧道(17)與第一氣體排氣歧道(19)之周圍；其中，於本實施例中，氣密結構(115)可為一墊片，亦可以矽膠(silicone)施覆於氣密結構(115)所在之處，在此並不限制；再者，本實施例之氣密結構(115)係進一步設置於冷卻劑進入歧道(15)與冷 卻劑流出歧道(16)之周圍，以及設置於氣體流道面(11)之周圍，以避免燃料氣體的洩漏。

根據上述之較佳實施例於實際實施使用時，請再參閱第四圖所示，為本發明較佳實施例之雙電池結構立體分解示意圖；首先，本發明之分隔板(1)係以金屬基材(可例如為不鏽鋼材質)製成，其厚度約落在0.002~0.02英吋之間，加工方式利用衝壓成型壓出所要的流道和流體進出歧道，使得此分隔板(1)可同時作為陰極流道和陽極流道使用，藉此節省設計和加工生產成本；而實際應用之燃料電池通常係將複數燃料電池單元串聯起來成為一燃料電池堆，以獲得足夠發電功率，於燃料電池堆中，相鄰分隔板(1)係以對應冷卻劑流道面(12)相互接合，分隔板(1)跟分隔板(1)之間接觸的地方產生阻隔，而無接觸之溝槽(13)則形成可輸送冷卻劑之直線流道(121)(請一併參閱第五~七圖所示)，其中二分隔板(1)係以銲接接合或導電膠黏合，而銲接會有雷射銲接、氬焊、電弧焊、氧乙炔焊等不同銲接方式；本實施例係以雷射點銲接合二分隔板(1)，因雷射銲接(LBW)因具能量密度高，入熱量低、熱影響小等優點，可有效降低銲道熱裂與銲接敏化的發生，因此對薄型金屬分隔板(1)的接合是最好的方式，且銲接接合之銲點可供分隔板(1)間傳遞電子之用；再者，於本實施例中，氣體流道面(11)係具有九個氣體流道，意即除最上端之第一氣體流道(111)，以及最下端之第二氣體流道(112)，位於第一、二氣體流道(111)、(112)間共有7個第三氣體流道(113)；此外，第一氣體流道(111)、第二氣體流道(112)以及第三氣體流道(113)之總長度係相同，且每一氣體流道之彎折(114)總數量亦 相同，使得於氣體流道面(11)上形成各自蜿蜒的九個箭簇型區塊；在此值得注意的，氣體流道之數量僅為其一較佳實施例，在閱讀及了解本發明的敎導後，熟此技藝者當知道本發明第二氣體流道(112)之數量可少於7個或多於7個，而並不會影響本發明的實施。

再請參閱第八圖所示，為本發明較佳實施例之燃料電池堆其氣體以及冷卻劑流動分佈示意圖，當將上述較佳實施例之分隔板(1)分別設置於習知之薄膜電極組(2)之二側端後，燃料氣體(例如氫氣)係經由第一分隔板(1a)之第一氣體進氣歧道(17)導入，並藉由第一~三氣體流道(111)、(112)、(113)均勻擴散於整個氣體流道面(11)，使得燃料氣體可與薄膜電極組(2)充分反應後再經由第一氣體排氣歧道(19)排出，其中虛線「--」表示燃料氣體之路徑；而氧氣(空氣)則經由第二分隔板(1b)之第二氣體進氣歧道(18)導入，藉由第一~三氣體流道(111)、(112)、(113)均勻擴散於整個氣體流道面(11)，使得氧氣(空氣)亦可與薄膜電極組(2)充分反應後再經由第二氣體排氣歧道(20)排出，其中點段線「---」表示氧氣(空氣)之路徑；對於冷卻劑而言，當兩片分隔板(1)的外側互相疊合所產生柵格狀的直線流道(121)，可減小冷卻劑於直線流道(121)中流動的阻力，以有效達到冷卻燃料電池，進而穩定電池工作溫度之需求，避免溫度過高而影響電池性能甚至於造成組件損壞，其中實線「-」表示冷卻劑之路徑；在此，薄膜電極組(2)係已為習知技藝中眾所皆知之知識，且並非本發明之重點，因此不加以贅述其內部構造及其化學反應之原理。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：

1.本發明之分隔板藉由蜿蜒之第一、二、三氣體流道所形成之箭簇形區塊，使得燃料氣體與氧化劑皆可均勻分佈於氣體流道面，確保反應氣體有足夠的濃度進入薄膜電極組，以便能與薄膜電極組充分反應，進而提升燃料電池之產電效能。

2.本發明藉由將金屬分隔板以多次沖壓加工成型之方式形成燃料氣體流道，其金屬基材(可為不鏽鋼)厚度小、質量輕，不僅可縮減燃料電池之體積，亦能達到輕量化之需求，且只需設計(開模)一種分隔板即可供燃料電池之陽、陰極(第一分隔板、第二分隔板)使用，避免如傳統之燃料電池需要用到兩種不同設計的分隔板，有效降低燃料電池之製造成本。

3.本發明之燃料電池堆利用相鄰分隔板以對應冷卻劑流道面之相互接合，形成輸送冷卻劑之直線流道，減小冷卻劑於直線流道中流動的阻力，避免燃料電池堆中冷卻劑堵塞之問題，有效達到冷卻燃料電池，進而穩定電池工作溫度之需求，避免溫度過高而影響電池性能甚至於造成組件損壞。

4.本發明之分隔板搭配對應之氣密結構，不僅使得氣體進出口為對角設置，以增加氣體均勻分佈於氣體流道面之功效外，亦可防止燃料氣體與冷卻劑洩露至環境中而造成電池性能下降與損壞，甚至因洩漏所產生的安全問題。

綜上所述，本發明之燃料電池堆及其分隔板，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請 前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧分隔板

(1a)‧‧‧第一分隔板

(1b)‧‧‧第二分隔板

(11)‧‧‧氣體流道面

(115)‧‧‧氣密結構

(12)‧‧‧冷卻劑流道面

(15)‧‧‧冷卻劑進入歧道

(16)‧‧‧冷卻劑流出歧道

(17)‧‧‧第一氣體進氣歧道

(18)‧‧‧第二氣體進氣歧道

(19)‧‧‧第一氣體排氣歧道

(20)‧‧‧第二氣體排氣歧道

(2)‧‧‧薄膜電極組

Claims (10)

1. 一種燃料電池堆分隔板，係具有以沖壓加工成型之氣體流道面以及對應該氣體流道面之冷卻劑流道面，該氣體流道面與該冷卻劑流道面具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個溝槽，該氣體流道面之溝槽形成有一第一氣體流道、一第二氣體流道，以及位於該第一氣體流道與該第二氣體流道間複數條第三氣體流道，該第一、二、三氣體流道皆具有複數個彎折，且該第一、二氣體流道之二彎折連接線皆分別為直線形狀與箭簇形狀，而該第三氣體流道之二彎折連接線皆為對應之箭簇形狀，該等箭簇形狀之尖端係位於同一水平線上，其中該冷卻劑流道面係於一分隔板旋轉180度與另一分隔板接合時產生，而該冷卻劑流道面之溝槽形成輸送冷卻劑之直線流道。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池堆分隔板，其中於分隔板二側端中央處分別設有對應之冷卻劑進入歧道以及冷卻劑流出歧道，於該冷卻劑進入歧道二側分別設有第一氣體進氣歧道與第二氣體進氣歧道，而於該冷卻劑流出歧道二側分別設有第一氣體排氣歧道與第二氣體排氣歧道，該第一氣體進氣歧道與該第一氣體排氣歧道係為對角設置，而該第二氣體進氣歧道與該第二氣體排氣歧道亦為對角設置，且該第一、二氣體進氣歧道與該第一、二氣體排氣歧道係皆與該氣體流道面之溝槽連通，該冷卻劑進入歧道以及該冷卻劑流出歧道係與該冷卻劑流 道面之溝槽連通。
3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池堆分隔板，其中於該氣體流道面進一步設有氣密結構，該氣密結構係設置於該第一氣體進氣歧道與該第一氣體排氣歧道之周圍，使其與該氣體流道面之溝槽部連通，或該氣密結構係設置於該地二氣體進氣歧道與該第二氣體排氣歧道之周圍，使其與該氣體流道面之溝槽不連通。
4. 如申請專利範圍第3項所述之燃料電池堆分隔板，其中該氣密結構係進一步設置於該冷卻劑進入歧道與該冷卻劑流出歧道之周圍，以及設置於該氣體流道面之周圍，避免燃料氣體的洩漏。
5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池堆分隔板，其中該第一氣體流道、該第二氣體流道以及該第三氣體流道之總長度係相同。
6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池堆分隔板，其中該第一氣體流道、該第二氣體流道以及該第三氣體流道之彎折總數量係相同。
7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池堆分隔板，其中該分隔板係為金屬基材。
8. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池堆分隔板，其中該金屬基材係為不鏽鋼。
9. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池堆分隔板，其中該二分隔板係以銲接接合或導電膠黏合，該銲接接合之銲點供該分隔 板間傳遞電子。
10. 一種燃料電池堆，係由複數個燃料電池單元串接形成，該燃料電池單元包括：一習知之薄膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)；以及二分隔板，分別設置於該薄膜電極組之二側端，該分隔板係如申請專利範圍第1至9項中任意一項所述之燃料電池堆分隔板。