TWI501461B - 燃料電池之模組化結構 - Google Patents

Description

燃料電池之模組化結構

本發明是有關於一種燃料電池，且特別是有關於一種燃料電池之模組化結構。

燃料電池主要是由多個單電池堆疊而成，利用氫氣和氧氣通過每個單電池以產生電化學反應，並釋放電能。另外，為了讓燃料電池在適當的溫度下操作，每個單電池的兩側有時還需要加裝水冷板、氣冷板或在雙極板上設置水冷或氣冷流道，並且需要二層或四層的密封墊片加以密封。由於單電池的數量眾多，因此，組裝單電池時常會面臨組裝精度不良、耗時且氣密性不佳等問題，有待進一步解決。此外，當單電池組成燃料電池堆後，若其中一個單電池損壞，必須拆解所有單電池才能更換損壞的元件，不利於後續的維修及保養。

本發明係有關於一種燃料電池之模組化結構，用以模組化燃料電池。

根據本發明之一方面，提出一種燃料電池之模組化 結構，包括一膜電極組、一第一電極板、一第二電極板以及至少一固定件。第一電極板配置於膜電極組之一側，第一電極板包括一第一對位部以及至少一第一通孔，第一通孔貫穿第一電極板的第一對位部，第一通孔包括一凹陷於第一對位部的第一卡合部。第二電極板配置於膜電極組之另一側，第二電極板包括一第二對位部以及至少一第二通孔，第二通孔貫穿第二電極板的第二對位部，第二通孔包括一凹陷於第二對位部的第二卡合部。各固定件貫穿相對應的第一通孔以及第二通孔，並卡合於第一卡合部與第二卡合部之間。

根據本發明之一方面，提出一種燃料電池之模組化結構，包括一膜電極組、一第一電極板以及一第二電極板。第一電極板配置於膜電極組之一側，第一電極板包括一第一對位部以及至少一通孔。通孔貫穿第一電極板的第一對位部，通孔包括一凹陷於第一對位部的卡合部。第二電極板配置於膜電極組之另一側，第二電極板包括一第二對位部以及至少一固定件。固定件突出於第二對位部。固定件貫穿通孔，並卡合於卡合部中。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧燃料電池

20‧‧‧繫桿

100、200‧‧‧模組化結構

101-103‧‧‧單電池模組

110、210‧‧‧膜電極組

111‧‧‧第三通孔

120、220‧‧‧第一電極板

121、221‧‧‧第一對位部

122‧‧‧第一通孔

123‧‧‧第一卡合部

124‧‧‧倒梯形凹口

125、135‧‧‧氣體通入孔

126‧‧‧冷卻氣體或液體通入孔

130、230‧‧‧第二電極板

131、231‧‧‧第二對位部

132‧‧‧第二通孔

133‧‧‧第二卡合部

134‧‧‧倒梯形凹口

140、240‧‧‧固定件

141、241‧‧‧突出部

142、242‧‧‧中空部

143、243‧‧‧空間收縮部

144‧‧‧環狀凸起

145‧‧‧第二突出部

146‧‧‧第二空間收縮部

150、160、250、260‧‧‧密封墊

165‧‧‧密封墊射出孔

170、180‧‧‧密封墊

223‧‧‧卡合部

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

S1、S2‧‧‧兩側

第1A及1B圖分別繪示依照本發明一實施例之燃料電池之模組化結構的分解示意圖及組合圖。

第1C圖繪示多個相互堆疊的單電池模組組成一燃料電池的示意圖。

第2A~2D圖繪示不同實施態樣之固定件。

第3A圖為第1B圖中模組化結構未組裝固定件時沿著A-A剖面的示意圖。

第3B圖為第1B圖中模組化結構沿著A-A剖面的示意圖。

第4圖為依照本發明一實施例之燃料電池之模組化結構的局部剖面圖。

根據本實施例之一範例，提出一種燃料電池之模組化結構，以做為燃料電池之單電池模組，其包括二電極板以及夾置於二電極板之間的一質子交換膜、一陽極觸媒層、一陰極觸媒層、一陽極氣體擴散層、一陰極氣體擴散層。質子交換膜、陽極觸媒層、陰極觸媒層、陽極氣體擴散層以及陰極氣體擴散層組成一膜電極組。在一實施例中，二電極板面向膜電極組之中央區域分別設有複數個陽極氣體槽道以及複數個陰極氣體槽道，而且二電極板面向膜電極組之周圍區域分別設有陽極氣體通入孔以及陰極氣體通入孔，以使陽極氣體與陰極氣體流通於膜電極組中以產生化學反應而生成水，並釋放電能。此外，二電極板的陽極或陰極氣體流道背面之中央區域分別設有複數個水冷或氣冷之液體或氣體槽道，而且二電極板的陽極或陰極氣體流道背面之周圍區域設置冷卻氣體通入孔或冷卻液體通入孔，並以複數個密封墊環繞於陽極氣體通入孔、陰極氣體通入孔、冷卻氣體通入孔及/ 或冷卻液體通入孔之周圍，以達到密封的效果。

根據本實施例之一範例，二電極板之周圍區域分別設有相對應的第一貫孔以及第二貫孔，以供組裝單電池模組時對位之用。第一貫孔以及第二貫孔分別具有一第一卡合部以及第二卡合部，以供至少一固定件穿過第一貫孔以及第二貫孔，並卡合於第一卡合部與第二卡合部之間，以使模組化之單電池結構更容易製作，並能事先檢測單電池的氣密性以及效能。因此，本範例中將單電池模組化之後，可避免發生組裝精度不良、耗時且氣密性不佳等問題。此外，當單電池模組組成燃料電池堆後，若其中一個單電池損壞，只需抽換損壞的一單電池模組，以方便後續的快速維修及保養。

以下係針對各實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

第一實施例

請參照第1A至1C圖，其中第1A及1B圖分別繪示依照本發明一實施例之燃料電池10之模組化結構100的分解示意圖及組合圖，而第1C圖繪示多個相互堆疊的單電池模組101-103組成一燃料電池10的示意圖。

模組化結構100為一單電池模組，其包括一膜電極組110、一第一電極板120、一第二電極板130以及多個固定件140。此外，二密封墊150、160各別接合於膜電極組110與第一電極板120之間與膜電極組110與第二電極板130之間，以使膜電極組110、第一電極板120以及第二電極板130的周圍區域形 成一密封結構。在一實施例中，二密封墊150、160包括一陽極氣體密封墊以及一陰極氣體密封墊，以使陽極氣體與陰極氣體可經由各別的氣體通入孔125、135流入於密封結構中。密封墊160、180直接由密封墊射出孔165直接雙面成型於第二電極板130上。在一實施例中，密封墊160、180也可使用網印或壓出方式分別單面成型於第二電極板130上，本發明對此不加以限制。

另外，在第1C圖中，二密封墊170、180各別結合於相互堆疊的單電池模組101-103之間，以使相互堆疊的單電池模組101-103的周圍區域形成一密封結構。在一實施例中，此二密封墊150、160包括二冷卻氣體密封墊或二冷卻液體密封墊，以使冷卻氣體或冷卻液體可經冷卻氣體或液體通入孔126(見第1C圖)流通於相互堆疊的單電池模組101-103之中。

在第1A圖中，模組化結構100為一可拆式單電池模組，其藉由固定件140組合為一體。請參照第1C圖，各個固定件140包括一中空部142，可供至少一繫桿20經由中空部142穿過各個單電池模組101-103。繫桿20的兩端可經由螺帽之類的鎖合結構固定在二端板(未繪示)上，以緊密疊合平行並排的單電池模組101-103。

請參照第2A~2D圖，其繪示不同實施態樣之固定件140，其差異在於卡合結構的數量多寡。詳言之，在第2A~2C圖中，固定件140包括多個突出部141、一中空部142、多個空間收縮部143以及一環狀凸起144。在一實施例中，突出部141沿著一第一方向D1突出於固定件140之一端，而中空部142沿 著一第二方向D2貫穿固定件140，第一方向D1與第二方向D2實質上垂直。此外，空間收縮部143例如為凹槽，其沿著第二方向D2延伸並凹陷於固定件140之一端，以分隔於此些突出部141之間。另外，環狀凸起144沿著第一方向D1突出於固定件140之另一端，以形成一兩端部尺寸大於中央尺寸的卡合結構，且此卡合結構在第一方向D1上的尺寸可經由彈性壓縮而縮小，以使固定件140能容納於通孔中，並藉由彈性回復而卡合於通孔中。

在第2D圖中，除了固定件140之一端包括多個突出部141以及空間收縮部143之外，固定件140的另一端更包括多個第二突出部145以及第二空間收縮部146，其配置方式與突出部141以及空間收縮部143相同，以形成一兩端部尺寸大於中央尺寸的卡合結構，且此卡合結構在第一方向D1上的尺寸可經由彈性壓縮而縮小，以使各個固定件140能容納於通孔中，並藉由彈性回復而卡合於通孔中。

接著，有關固定件140與膜電極組110、第一電極板120以及第二電極板130的組裝前與組裝後的模組化結構100，請參照第1A-1B及3A-3B圖，其中第3B圖為第1B圖中模組化結構100沿著A-A剖面的示意圖。

第一電極板120配置於膜電極組110之一側S1，第一電極板120包括一第一對位部121以及至少一第一通孔122。第一通孔122貫穿第一電極板120的第一對位部121，且第一通孔122包括一凹陷於第一對位部121的第一卡合部123。有關第一卡合部123之細部結構請參照第3A圖。

在第3A圖中，第一卡合部123相對於第一通孔122 之一端具有一倒梯形凹口124。也就是說，第一卡合部123具有一口徑尺寸由外向內遞減的凹口，以使固定件140的突出部141卡合於倒梯形凹口124中，如第3B圖所示。在一實施例中，突出部141與倒梯形凹口124齊平或者低於該倒梯形凹口(以避免影響單電池電性串聯)，以使模組化結構100的整體厚度能薄化。

第二電極板130配置於膜電極組110之另一側S2，第二電極板130包括一第二對位部131以及至少一第二通孔132。第二通孔132貫穿第二電極板130的第二對位部131，且第二通孔132包括一凹陷於第二對位部131的第二卡合部133。有關第二卡合部133之細部結構請參照第3A圖。

在第3A圖中，第二通孔132與第一通孔122相對，第二卡合部133相對於第二通孔132之一端具有一倒梯形凹口134。也就是說，第二卡合部133具有一口徑尺寸由外向內遞減的凹口，以使固定件140的環狀凸起144(或第2D圖的突出部145)卡合於倒梯形凹口134中，如第3B圖所示。在一實施例中，環狀凸起144與倒梯形凹口134齊平或者低於該倒梯形凹口(以避免影響單電池電性串聯)，以使模組化結構100的整體厚度能薄化。

因此，由第3A及3B圖可知，各個固定件140穿過相對應的第一通孔122以及第二通孔132，並卡合於第一卡合部123與第二卡合部133之間。因此，膜電極組110可經由固定件140而夾置於第一電極板120與第二電極板130之間。膜電極組110例如是一質子交換膜電極組，其包括一質子交換膜、一陽極觸媒層、一陰極觸媒層、一陽極氣體擴散層以及一陰極氣體擴散 層。

在一實施例中，膜電極組110可包括至少一第三通孔111，位於相對應的第一通孔122與第二通孔132之間，可供固定件140穿過以使膜電極組110、第一電極板120以及第二電極板130相互對齊。在一實施例中，第一電極板120為陽極板，而第二電極板130為陰極板，或是第一電極板120為陰極板，而第二電極板130為陽極板，或是第一電極板120與第二電極板130其中之一為雙極板或兩者皆為雙極板，本發明對此不加以限制。

第二實施例

請參照第4圖，其繪示依照本發明一實施例之燃料電池10之模組化結構200的局部剖面圖。以下說明相對於第一實施例的第3B圖，有關於膜電極組210、第一電極板220、第二電極板230以及二密封墊250、260的配置方式與第一實施例的配置方式相似，相同的元件以相對應的符號表示，在此不再贅述。

在第4圖中，第一電極板220配置於膜電極組210之一側，第一電極板220包括一第一對位部221以及至少一通孔。通孔貫穿第一電極板220的第一對位部221，通孔包括一凹陷於第一對位部221的卡合部223。關於通孔及卡合部223的細部說明請參照第一實施例的第3A圖。

第二電極板230配置於膜電極組210之另一側，第二電極板230包括一第二對位部231以及至少一固定件240。固定件240突出於第二對位部231。固定件240貫穿通孔，並卡合於卡合部223中。

固定件240包括多個突出部241、一中空部242以 及多個空間收縮部243。關於突出部241、中空部242以及空間收縮部243的配置方式與第一實施例的配置方式相似，相同的元件以相對應的符號表示，在此不再贅述。

在一實施例中，固定件240與第二電極板230一體化設計並製造，例如以沖壓的方式一次形成，可簡化製程及減少組裝元件的數量，有利於量產。固定件240的材質可為絕緣材質或包覆有絕緣材質的金屬，以使固定件240的突出部241與第一電極板220的卡合部223電性絕緣。

上述實施例所揭露之燃料電池之模組化結構，係利用固定件來模組化膜電極組、第一電極板以及第二電極板，以使模組化之單電池結構更容易製作，並能事先檢測單電池的氣密性以及效能。因此，上述實施例中將單電池模組化之後，可避免發生組裝精度不良、耗時且氣密性不佳等問題。此外，當單電池模組組成燃料電池堆後，若其中一個單電池損壞，只需抽換損壞的一單電池模組，以方便後續的快速維修及保養。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧模組化結構

110‧‧‧膜電極組

111‧‧‧第三通孔

120‧‧‧第一電極板

121‧‧‧第一對位部

122‧‧‧第一通孔

125、135‧‧‧氣體通入孔

130‧‧‧第二電極板

131‧‧‧第二對位部

132‧‧‧第二通孔

140‧‧‧固定件

150、160‧‧‧密封墊

165‧‧‧密封墊射出孔

170、180‧‧‧密封墊

S1、S2‧‧‧兩側

Claims (20)

1. 一種燃料電池之模組化結構，包括：一膜電極組；一第一電極板，配置於該膜電極組之一側，該第一電極板包括一第一對位部以及至少一第一通孔，該第一通孔貫穿該第一電極板的該第一對位部，該第一通孔包括一凹陷於該第一對位部的第一卡合部；一第二電極板，配置於該膜電極組之另一側，該第二電極板包括一第二對位部以及至少一第二通孔，該第二通孔貫穿該第二電極板的該第二對位部，該第二通孔包括一凹陷於該第二對位部的第二卡合部；以及至少一固定件，貫穿相對應的該第一通孔以及該第二通孔，並卡合於該第一卡合部與該第二卡合部之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，更包括二密封墊，各別接合於該膜電極組與該第一電極板之間與該膜電極組與該第二電極板之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中各該固定件包括複數個突出部以及一中空部，該些突出部沿著一第一方向突出於該固定件之至少一端，該中空部沿著一第二方向貫穿該固定件，該第一方向與該第二方向實質上垂直。
4. 如申請專利範圍第3項所述之模組化結構，其中該固定件更包括多個空間收縮部，沿著該第二方向延伸並凹陷於該固定件之該至少一端，以分隔於該些突出部之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中該第一卡 合部相對於該第一通孔之一端具有一倒梯形凹口，而該固定件相對於該第一通孔之該端具有複數個突出部，該些突出部卡合於該倒梯形凹口中。
6. 如申請專利範圍第5項所述之模組化結構，其中該些突出部與該倒梯形凹口齊平或低於該倒梯形凹口。
7. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中該第二卡合部相對於該第二通孔之一端具有一倒梯形凹口，而該固定件相對於該第二通孔的該端具有一環狀凸起，該環狀凸起卡合於該倒梯形凹口中。
8. 如申請專利範圍第7項所述之模組化結構，其中該環狀凸起與該倒梯形凹口齊平。
9. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中該膜電極組包括至少一第三通孔，該第三通孔位於相對應的該第一通孔與該第二通孔之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中該第一電極板為陽極板、陰極板或雙極板。
11. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中該第二電極板為陽極板、陰極板或雙極板。
12. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中該模組化結構為一單電池模組，該燃料電池包括複數個相互堆疊的該單電池模組。
13. 如申請專利範圍第1項所述之模組化結構，其中該模組化結構為一可拆式單電池模組。
14. 一種燃料電池之模組化結構，包括： 一膜電極組；一第一電極板，配置於該膜電極組之一側，該第一電極板包括一第一對位部以及至少一通孔，該通孔貫穿該第一電極板的該第一對位部，該通孔包括一凹陷於該第一對位部的卡合部；以及一第二電極板，配置於該膜電極組之另一側，該第二電極板包括一第二對位部以及至少一固定件，該固定件突出於該第二對位部；其中該固定件貫穿該通孔，並卡合於該卡合部中。
15. 如申請專利範圍第14項所述之模組化結構，更包括二密封墊，各別接合於該膜電極組與該第一電極板之間與該膜電極組與該第二電極板之間。
16. 如申請專利範圍第14項所述之模組化結構，其中各該固定件包括複數個突出部以及一中空部，該些突出部沿著一第一方向突出於該固定件之一端，該中空部沿著一第二方向貫穿該固定件，該第一方向與該第二方向實質上垂直。
17. 如申請專利範圍第16項所述之模組化結構，其中各該固定件更包括多個空間收縮部，沿著該第二方向延伸並凹陷於該固定件之該端，以分隔於該些突出部之間。
18. 如申請專利範圍第14項所述之模組化結構，其中該卡合部相對於該通孔之一端具有一倒梯形凹口，而該固定件相對於該通孔之該端具有複數個突出部，該些突出部卡合於該倒梯形凹口中。
19. 如申請專利範圍第18項所述之模組化結構，其中該些突出部與該倒梯形凹口齊平或低於該倒梯形凹口。
20. 如申請專利範圍第18項所述之模組化結構，其中該固定件的材質為絕緣材質或包覆有絕緣材質的金屬。