TWI483451B - Fuel cell series structure - Google Patents

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Description

燃料電池串聯結構
本發明係與燃料電池有關，特別是關於一種燃料電池串聯結構。
習用之燃料電池主要包含有一陽極板、一陰極板，以及一夾在該陽極板與該陰極板之間的質子交換膜，只要持續提供氫氣及氧氣，以於陽極分解氫氣而產生質子與電子，使得電子經由一外接電路流通至陰極，並於陰極將氧氣、電子及經交換膜抵達陰極之質子還原成水，即可在該外接電路產生電流。
為了提高燃料電池之電壓，市面上的燃料電池大多係將多數如前述之結構的單電池相疊，以使該等單電池串聯而產生較高之電壓，然而，如此之堆疊式燃料電池的厚度相當大，因此使用上相當不方便。
另外，市面上有些燃料電池之陰極板及陽極板設有電路，可使得多數單電池藉由共用該等極板而產生串聯或並聯之效果，進而達到提高燃料電池電壓之功效。如此之內設電路的燃料電池雖厚度較小，但其製程較複雜且成本較高。
有鑑於上述缺失，本發明之主要目的在於提供一種燃料電池串聯結構，其厚度小、電壓高、製程簡單，且成本較低。
為達成上述目的，本發明所提供之燃料電池串聯結構包含有複數極板及複數交換膜，各該交換膜係夾設於二該極板之間，該等極板中包含有至少三外極板，各該外極板具有一連接面，其中一該外極板的連接面係與另二該外極板的連接面相對，且前述每兩相對之外極板的連接面之間分別設有至少一該交換膜。
藉此，各該交換膜係與其連接之二極板形成一單電池，除了用以外接輸出電路之極板以外，其餘極板皆能為二單電池所共用，並使該二單電池串聯；如此一來，在電壓相同之前提下，本發明所提供之燃料電池串聯結構的厚度係較傳統之堆疊式燃料電池的厚度小得多，並較內設電路的燃料電池製程簡單且成本低。
有關本發明所提供之燃料電池串聯結構的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。
以下將藉由所列舉之實施例配合隨附之圖式，詳細說明本發明之技術內容及特徵，其中：第一圖為本發明一第一較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體組合圖；第二圖為本發明該第一較佳實施例所提供之燃料電池 串聯結構之立體分解圖；第三圖為本發明一第二較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖；第四圖為本發明一第三較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖；第五圖為本發明一第四較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖；以及第六圖為本發明一第五較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖。
申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。其次，當述及二元件之間設有另一元件時，代表前述該二元件之間可能僅設有該另一元件，亦可能除了該另一元件之外還設有一個或多個其他元件；而述及一元件夾設於另二元件之間時，代表該另二元件之間僅設有前述該元件。
請先參閱第一圖及第二圖，本發明一第一較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構10包含有五個外極板20A~E、十六個內極板30，以及二十個交換膜40。
該等外極板20A~E包含有面積較小之一外接陽極板20A及一外接陰極板20B，以及面積較大之一第一跨接極板20C、一第二跨接極板20D及一第三跨接極板20E，該等外極板20A~E可由金屬材料或其他可導電之材料製成。各該外極板20A~E具有一外表面22、一連接面24， 以及多數貫穿該外表面22及該連接面24之穿孔26，且該外接陽極板20A及該外接陰極板20B分別具有一外接部28。
該等內極板30同樣可由金屬材料或其他可導電之材料製成，其面積係概與該外接陽極板20A及該外接陰極板20B相同，且各該內極板30設有多數能與外極板之穿孔26對應的穿孔32。
該等交換膜40可為習用之質子交換膜(proton exchange membrane；簡稱PEM)，其中具有可傳遞質子之電解質，且各該交換膜40亦設有多數能與外極板之穿孔26對應的穿孔42。
該第一跨接極板20C及該第三跨接極板20E的連接面24係分別與該外接陽極板20A及該外接陰極板20B的連接面24相對，且該第一跨接極板20C及該第三跨接極板20E的連接面24同時與該第二跨接極板20D的連接面24相對。前述每兩相對之連接面24之間分別設有四個內極板30及五個交換膜40，每一該交換膜40係夾設於一該內極板30與一該外極板20A~E之間或二該內極板30之間。
該等極板20A~E、30及交換膜40的一部分穿孔26、32、42係用以設置螺絲或其他固定元件，以使得該等極板20A~E、30及交換膜40相互結合，每一交換膜40及其連接之二極板20A~E、30可視為一單電池，亦即，該燃料電池串聯結構10可視為由二十個單電池所組 成，該等單電池形成四個矩陣排列的電池堆12，每一電池堆12具有五個相疊之單電池，每一跨接極板20C~E係為位於不同電池堆12之二相鄰的單電池所共用，且係分別作為該二單電池之陽極板及陰極板，每一內極板30係為同一電池堆12之二相疊的單電池所共用，且係分別作為該二單電池之陽極板及陰極板。
該等極板20A~E、30及交換膜40的另一部分穿孔26、32、42係作為氧氣及氫氣之流道，以使得前述該等單電池與氧氣及氫氣產生化學作用而放電，同時，該外接陽極板20A及該外接陰極板20B之外接部28係分別用以外接電路而與一電氣設備(圖中未示)的正、負極接點電性連接，進而供電至該電氣設備。
由於同一電池堆12的單電池係相互串聯，且該等電池堆12又藉由該等跨接極板20C~E而相互串聯，因此，該燃料電池串聯結構10產生之電壓為單電池電壓的二十倍。該燃料電池串聯結構10之各單電池的面積可製成僅為標準規格之燃料電池面積的四分之一，如此一來，相較於傳統堆疊式燃料電池，該燃料電池串聯結構10能以相同之體積產生四倍之電壓，若在產生相同電壓之前提下，該燃料電池串聯結構10的厚度則會較傳統堆疊式燃料電池小得多。而且，相較於習用之內設電路的燃料電池，該燃料電池串聯結構10之製程較簡單且成本較低。
由於本發明之重點在於利用跨接極板串聯單電池，以使得燃料電池串聯結構具有高電壓且厚度小，因此，只要 具有前述特徵，即使未形成如前述之由複數單電池相疊之電池堆，亦屬於本發明之範疇，例如第三圖至第六圖所示之本發明第二、三、四、五較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構50、60、70、80。
請參閱第三圖，本發明第二較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構50與上述該燃料電池串聯結構10之差異在於，該等外極板20A~E之每兩相對之連接面24之間僅設有一交換膜40；藉此，該燃料電池串聯結構50產生之電壓為單電池電壓的四倍。
事實上，本發明所提供之燃料電池串聯結構只要包含有至少三外極板，且其中一該外極板(亦即跨接極板)的連接面與另二該外極板的連接面之間分別設有至少一該交換膜，即可利用跨接極板串聯單電池而達到增加電壓卻不增加厚度之目的。
例如第四圖所示之燃料電池串聯結構60，其外極板僅包含有一外接陽極板60A、一外接陰極板60B及一跨接極板60C，該外接陽極板60A及該外接陰極板60B的連接面62與該跨接極板60C的連接面62之間分別設有一交換膜40；藉此，該燃料電池串聯結構60之厚度與單電池相同，並可產生二倍之單電池電壓。
又例如第五圖所示之燃料電池串聯結構70，其外極板包含有一外接陽極板70A、一外接陰極板70B及二跨接極板70C、70D，該外接陽極板70A及該外接陰極板70B的連接面72分別與該二跨接極板70C、70D的連接 面72之間設有一交換膜40，且該二跨接極板70C、70D的連接面72之間亦設有一交換膜40；藉此，該燃料電池串聯結構70之厚度與單電池相同，並可產生三倍之單電池電壓。
藉由利用跨接極板串聯單電池之概念，本發明亦可擴充成具有超過三個跨接極板的燃料電池串聯結構，例如第六圖所示之燃料電池串聯結構80，其外極板包含有一外接陽極板80A、一外接陰極板80B及四跨接極板80C~F，其中二該跨接極板80C、80F的連接面82分別與該外接陽極板80A及該外接陰極板80B的連接面82相對，且該二跨接極板80C、80F的連接面82更分別與其餘二跨接極板80D、80E的連接面82相對，且該二跨接極板80D、80F的連接面82係相對，前述每兩相對之連接面之間分別設有一交換膜40；藉此，該燃料電池串聯結構80之厚度與單電池相同，並可產生五倍之單電池電壓。
前述該第二、三、四、五較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構50、60、70、80中，其外極板之每兩相對之連接面之間亦可設有更多交換膜40，並以內極板30分隔該等交換膜40，以形成如同第一較佳實施例所述之電池堆，進而更提高燃料電池串聯結構50、60、70、80產生之電壓。
最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍， 其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧燃料電池串聯結構
12‧‧‧電池堆
20A‧‧‧外接陽極板(外極板)
20B‧‧‧外接陰極板(外極板)
20C‧‧‧第一跨接極板(外極板)
20D‧‧‧第二跨接極板(外極板)
20E‧‧‧第三跨接極板(外極板)
22‧‧‧外表面
24‧‧‧連接面
26‧‧‧穿孔
28‧‧‧外接部
30‧‧‧內極板
32‧‧‧穿孔
40‧‧‧交換膜
42‧‧‧穿孔
50‧‧‧燃料電池串聯結構
60‧‧‧燃料電池串聯結構
60A‧‧‧外接陽極板(外極板)
60B‧‧‧外接陰極板(外極板)
60C‧‧‧跨接極板(外極板)
62‧‧‧連接面
70‧‧‧燃料電池串聯結構
70A‧‧‧外接陽極板(外極板)
70B‧‧‧外接陰極板(外極板)
70C、70D‧‧‧跨接極板(外極板)
72‧‧‧連接面
80‧‧‧燃料電池串聯結構
80A‧‧‧外接陽極板(外極板)
80B‧‧‧外接陰極板(外極板)
80C~F‧‧‧跨接極板(外極板)
82‧‧‧連接面
第一圖為本發明一第一較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體組合圖；第二圖為本發明該第一較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖；第三圖為本發明一第二較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖；第四圖為本發明一第三較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖；第五圖為本發明一第四較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖；以及第六圖為本發明一第五較佳實施例所提供之燃料電池串聯結構之立體分解圖。
10‧‧‧燃料電池串聯結構
20A‧‧‧外接陽極板(外極板)
20B‧‧‧外接陰極板(外極板)
20C‧‧‧第一跨接極板(外極板)
20D‧‧‧第二跨接極板(外極板)
20E‧‧‧第三跨接極板(外極板)
22‧‧‧外表面
24‧‧‧連接面
26‧‧‧穿孔
28‧‧‧外接部
30‧‧‧內極板
32‧‧‧穿孔
40‧‧‧交換膜
42‧‧‧穿孔

Claims (6)

  1. 一種燃料電池串聯結構，包含有複數極板及複數交換膜，各該交換膜係夾設於二該極板之間，該等極板中包含有至少三外極板，各該外極板具有一連接面，其中一該外極板的連接面係與另二該外極板的連接面相對，且前述每兩相對之外極板的連接面之間分別設有至少一該交換膜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池串聯結構，其中該等外極板包含有一外接陽極板、一外接陰極板及三個以上的跨接極板，其中二該跨接極板的連接面係分別與該外接陽極板的連接面及該外接陰極板的連接面相對，並分別或同時與其餘之跨接極板其中之一的連接面相對，且前述其餘之跨接極板其中之任一的連接面係與二該跨接極板的連接面相對；前述每兩相對之外極板的連接面之間分別設有至少一該交換膜。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池串聯結構，其中該等跨接極板包含有一第一跨接極板、一第二跨接極板及一第三跨接極板，該第一跨接極板的連接面及該第三跨接極板的連接面係分別與該外接陽極板的連接面及該外接陰極板的連接面相對，且該第二跨接極板的連接面係與該第一跨接極板的連接面及該第三跨接極板的連接面相對。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池串聯結構，其中該等外極板包含有一外接陽極板、一外接陰極板 及一跨接極板；該外接陽極板的連接面係與該跨接極板的連接面相對，且該二連接面之間設有至少一該交換膜；該外接陰極板的連接面係與該跨接極板的連接面相對，且該二連接面之間設有至少一該交換膜。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池串聯結構，其中該等外極板包含有一外接陽極板、一外接陰極板及二跨接極板；該外接陽極板的連接面係與其中一該跨接極板的連接面相對，且該二連接面之間設有至少一該交換膜；該外接陰極板的連接面係與另一該跨接極板的連接面相對，且該二連接面之間設有至少一該交換膜；該二跨接極板的連接面係相對，且該二連接面之間設有至少一該交換膜。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之燃料電池串聯結構，其中該等極板中更包含有複數內極板，每兩相對之外極板的連接面之間分別設有複數該交換膜及至少一該內極板，每一該交換膜係夾設於一該內極板與一該外極板之間或二該內極板之間。
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