TWI587565B - 燃料電池組 - Google Patents

Description

燃料電池組

本發明是關於一種燃料電池組，且特別是關於一種具有多個散熱件的燃料電池組。

目前所發展出的燃料電池類型可概分為鹼性燃料電池、磷酸型燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質子交換膜燃料電池等不同類型。在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)最具商業利用價值。燃料電池之工作原理主要是利用氫氣和氧氣通過電化學反應生成水，並釋放電能，基本上可視為水電解之逆裝置。其特色為只產生電、熱和水，因此是一極環保的電力產生裝置。單一燃料電池並可串聯堆疊成燃料電池組，以提高電壓，來符合不同的應用及需求。

由於燃料電池的膜電極組在進行電化學反應時會產生熱量，若這些熱量無法被排出，將會影響膜電極組的發電效能。在已知的技術中，通常是在燃料電池組上加裝風扇來幫助散熱。然而，風扇體積過大，並不利於降低燃料電池組的體積，以致於限制了燃料電池組的應用領域。但若是不加裝風扇，則有可能造成燃料電池組的散熱效果不佳。

有鑑於此，本發明提供一種燃料電池組，具有多個散熱件，分別位於任兩相鄰的電池單元之間，以進行散熱。

本發明其中一實施例提供一種燃料電池組，其包括多個電池單元及多個散熱件。多個電池單元彼此堆疊且串聯，其中每一個電池單元的整體外觀呈一長方體，且每一個電池單元具有一電化 學反應區。多個散熱件分別夾設於每兩個相鄰的電池單元之間。每兩個相鄰的電池單元的兩個電化學反應區被相對應的散熱件所覆蓋，且每一個散熱件的一部分突出於長方體的一側壁面。

綜上所述，在本發明實施例所提供的燃料電池組中，電池單元的外觀為長方體，而散熱件是貼附於電池單元的電極導流板上，以覆蓋各電池單元的電化學反應區，且散熱件的一部分突出長方體的一側壁面。如此，在電化學反應區所產生的熱能很容易可通過散熱件傳導到燃料電池組的外部。

因此，本發明實施例的燃料電池組在運作過程中所產生的熱量不需要通過風扇來進行散熱，且本發明實施例的電池單元呈長方體，有利於進一步縮小燃料電池組整體的體積，而可擴大應用的領域。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

1‧‧‧燃料電池組

1a‧‧‧上端板

1b‧‧‧下端板

100‧‧‧電池堆

h1‧‧‧反應氣體入口

h2‧‧‧反應氣體出口

120‧‧‧鎖固組件

10、20a、20b‧‧‧電池單元

10A‧‧‧電化學反應區

101、201‧‧‧第一導流板

101a、201a、203b‧‧‧第一流體通道

102‧‧‧陽極氣體擴散層

103、203‧‧‧第二導流板

103a、203a‧‧‧第二流體通道

104‧‧‧陰極氣體擴散層

105‧‧‧膜電極組

105a‧‧‧質子交換膜

105b‧‧‧陽極觸媒層

105c‧‧‧陰極觸媒層

106‧‧‧第一密封墊

107‧‧‧第二密封墊

S1‧‧‧第一側表面

S2‧‧‧第二側表面

S3‧‧‧第三側表面

S4‧‧‧第四側表面

11、11’、11”、21‧‧‧散熱件

11a‧‧‧第一散熱件

11b‧‧‧第二散熱件

111、111a、111b‧‧‧第一端部

112、112a、112b‧‧‧第二端部

W1‧‧‧短邊長度

L1‧‧‧長邊長度

W2、W2’‧‧‧散熱件短邊長度

L2、L2’‧‧‧散熱件長邊長度

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

圖1繪示本發明實施例的燃料電池組的側視示意圖。

圖2繪示本發明實施例的電池堆的局部剖面示意圖。

圖3繪示本發明實施例的電池堆的局部側視示意圖。

圖4繪示本發明另一實施例的電池堆的局部側視示意圖。

圖5繪示本發明另一實施例的電池堆的局部剖面示意圖。

圖6繪示本發明另一實施例的電池堆的局部剖面示意圖。

圖7繪示本發明另一實施例的電池堆的局部剖面示意圖。

請參照圖1及圖2。圖1繪示本發明一實施例的燃料電池組的側視示意圖，圖2繪示本發明實施例的電池堆的局部剖面示意圖。

本發明實施例的燃料電池組1包括上端板1a、下端板1b以及夾設於上端板1a與下端板1b之間的電池堆100。

上端板1a與下端板1b分別具有一反應氣體入口h1與反應氣體出口h2，以使電池堆100反應所需要的陽極氣體，如：氫氣，可通過反應氣體入口h1流入每個電池單元內進行反應，再通過反應氣體出口h2流出。

另外，燃料電池組1還包括兩個用來收集電流的電流收集板(未圖示)，用以收集電池堆100所產生的電流。在一實施例中，電池堆100是設置於兩個電流收集板之間。電池堆100與電流收集板以及上下端板1a、1b的組合方式可利用已知的現有技術來完成。舉例而言，上端板1a以及下端板1b是通過多個鎖固組件120彼此結合固定，以使電池堆100被夾設固定在上端板1a與下端板1b之間。

請參照圖2，電池堆100包括多個電池單元10(圖中繪示兩個為例)以及多個散熱件11。所述的多個電池單元10與多個散熱件11交替堆疊設置。

多個電池單元10彼此堆疊且串聯，且每一個電池單元10具有一電化學反應區10A。電池單元10可以是質子交換膜燃料電池、磷酸型燃料電池、固體氧化物燃料電池等等。在本發明實施例中，是以質子交換膜燃料電池為例來進行說明。

詳細而言，每一個電池單元10包括一第一導流板101、一陽極氣體擴散層102、一第二導流板103、一陰極氣體擴散層104以及一夾設在第一導流板101與第二導流板103之間的膜電極組105，其中陽極氣體擴散層102、膜電極組105以及陰極氣體擴散層104被夾設於第一導流板101和第二導流板103之間。

在本實施例中，第一導流板101為陽極端導流板，而第二導流板103為陰極端導流板。第一導流板101的內表面，也就是面對膜電極組105的表面，設有第一流體通道101a，而第二導流板103的內表面設有第二流體通道103a。第一流體通道101a與第二流體通道103a會分佈於電化學反應區10A。

電池單元10反應所需要的陽極反應氣體與陰極反應氣體，也就是氫氣與氧氣(或空氣)，可分別通過第一流體通道101a與第二流體通道103a流入陽極氣體擴散層102與陰極氣體擴散層104。也就是說，通過陽極氣體擴散層102與陰極氣體擴散層104，氫氣與氧氣(或空氣)可擴散至整個電化學反應區10A。在本實施例中，第一流體通道101a沿著第一方向D1延伸，而第二流體通道103a沿著第二方向D2延伸，其中第一方向D1與第二方向D2會彼此交錯。因此，陽極反應氣體在第一流體通道101a沿著第一方向D1流動，而陰極反應氣體在第二流體通道103a內沿著第二方向D2流動。

膜電極組105包括質子交換膜105a以及塗佈於質子交換膜105a兩側的陽極觸媒層105b與陰極觸媒層105c。當氫氣接觸到陽極觸媒層105b時，會發生氧化反應，而產生氫離子與電子。電子會流向外部電路，而氫離子會通過質子交換膜105a到陰極觸媒層105c，並與擴散到陰極觸媒層105c的氧氣反應而生成水。

在本實施例中，電池單元10還包括設置於第一導流板101與陽極氣體擴散層102之間的第一密封墊106，以及設置於第二導流板103與陰極氣體擴散層104之間的第二密封墊107。第一密封墊106與第二密封墊107可避免反應氣體由第一流體通道101a以及第二流體通道103a洩漏，而降低發電效率。

在本發明實施例中，第一導流板101、陽極氣體擴散層102、第二導流板103、陰極氣體擴散層104以及膜電極組105的俯視形狀為長方形。因此，每一個電池單元10的整體外觀會呈一長方體，這可以降低電池單元10的體積。長方體具有一短邊與一長邊。在一實施例中，短邊長度W1與長邊長度L1之間的比值是介於0.4至0.8之間。

請參照圖3，在本發明實施例中，長方體具有彼此相對的第一側表面S1及第二側表面S2，且第一側表面S1與第二側表面 S2沿著長邊方向延伸。請參照圖1，長方體具有另一對彼此相對的第三側表面S3與第四側表面S4，且第三側表面S3與第四側表面是沿著短邊方向延伸。也就是說，第一側表面S1、第四側表面S4、第二側表面S2以及第三側表面S3依序連接而形成長方體的側壁面。

請再參照圖2，須說明的是，本實施例的第二流體通道103a會沿著長方體的短邊延伸到長方體的第一側表面S1與第二側表面S2，而在第一側表面S1與第二側表面S2上形成多個開口。陰極反應氣體可以通過位於第一側表面S1的開口進入電池單元10，以進行反應。陰極反應氣體與陽極反應氣體反應之後，生成的水氣以及熱能可以通過位於第二側表面S2的開口逸散到電池單元10的外部。

請參照圖2及圖3。多個散熱件11分別夾設於每兩個相鄰的電池單元10之間，其中兩個相鄰的電池單元10的兩個電化學反應區10A會和散熱件11重疊，且每一個散熱件11的一部分會突出於長方體的側壁面。

在本實施例中，每一個散熱件11的短邊長度W2會大於長方體的短邊長度W1，而散熱件11的長邊長度L2會和長方體的長邊長度L1相等。也就是說，每一個散熱件11都會覆蓋長方體的整個上表面及整個下表面。

散熱件11具有一第一端部111及一與第一端部111相反的第二端部112。在本實施例中，第一端部111會突出於長方體的側壁面，也就是第一側表面S1，而第二端部112則是和長方體的第二側表面S2切齊。

由於電池單元10在進行電化學反應時會產生熱能，而熱能通常集中在電化學反應區10A。因此，散熱件11和電化學反應區10A重疊設置，使集中於電化學反應區10A的熱能可通過散熱件11被傳導到電池單元10的外部，以免影響電池單元10的發電效 率。

構成散熱件11的材料例如是石墨烯或者是金屬構成的散熱片，其中金屬例如是銅或鋁。在一較佳的實施例中，構成散熱件11的材料為石墨烯，且可通過膠層直接貼附於第一導流板101的外表面，或者是第二導流板103的外表面。由石墨烯構成的散熱件11不僅具有良好的散熱效果，且厚度薄，因此並不會大幅增加燃料電池組的整體體積。在其他實施例中，散熱件11也可以是扁平熱管。本實施例中，每一個散熱件11的厚度小於每一個電池單元10的厚度。

須說明的是，只要散熱件11覆蓋電化學反應區10A，且散熱件11一部分突出於長方體的側壁面，以使熱能可傳導到電池單元10外部，本發明中沒有限制散熱件11的形狀、尺寸以及設置的位置。

請參照圖4，其繪示本發明另一實施例的電池堆的局部側視示意圖。本實施例和圖2的實施例相同的元件具有相同的標號，且相同的敘述將被省略。

在本實施例中，散熱件11被區分為多個第一散熱件11a以及多個第二散熱件11b，其中每一個第一散熱件11a的一部分是突出於長方體的第一側表面S1，而每一個第二散熱件11b的一部分是突出於長方體的第二側表面S2。本實施例中，第一散熱件11a的第一端部111a突出於長方體的第一側表面S1，但第一散熱件11a的第二端部112a是和第二側表面S2切齊。第二散熱件11b的第一端部111b突出於長方體的第二側表面S2，但第二散熱件11b的第二端部112b是和第一側表面S1切齊。

在本發明實施例中，這些第一散熱件11a與這些第二散熱件11b是間隔設置。也就是說，在兩個第二散熱件11b之間會設有一個第一散熱件11a。

如此，可以使兩個最靠近的第一散熱件11a(或第二散熱件 11b)之間的間隔加寬，可使熱能在通過第一散熱件11a或第二散熱件11b被傳導到電池單元10外部之後，更快速地通過對流方式被散出。

請參照圖5，其顯示本發明另一實施例的電池堆的局部剖面示意圖。本實施例和圖1的實施例相同的元件具有相同的標號，且相同的敘述將被省略。

本實施例和圖1的實施例不同的地方在於，本實施例中的每個散熱件11’的第一端部111與第二端部112都突出於長方體的側壁面。詳細而言，散熱件11’的第一端部111是突出於長方體的第一側表面S1，而散熱件11’的第二端部112是突出於長方體的第二側表面S2。如此，可以增加熱能被傳導至電池單元10外部的路徑，以提高散熱效率。

請參照圖6，繪示本發明另一實施例的燃料電池組的局部剖面示意圖。在本實施例中，每一個散熱件11”的短邊W2’大於長方體的短邊W1，且每一個散熱件11”的長邊L2’也大於長方體的長邊L1。相較於圖1的實施例，本實施例的散熱件11”也具有較大的散熱面積，以增加散熱效率。

請參照圖7，繪示本發明另一實施例電池堆的局部剖面示意圖。本實施例的電池堆具有和圖1A所示的電池堆大致相同的結構，且相同的元件具有相同的標號。但在本實施例中，電池堆中的電池單元20a的第二導流板203為雙極板，且和散熱件21一體成型。

詳細而言，第二導流板203的兩相對表面分別具有第二流體通道203a以及第一流體通道203b。陽極反應氣體進入第一流體通道203b，以供應至下方的電池單元20b，而陰極反應氣體進入第二流體通道203a，以供應至上方的電池單元20a。也就是說，兩個相鄰的電池單元20a、20b是共用同一個電極板。

散熱件21是位於第一流體通道203b與第二流體通道203a 之間，並且散熱件21的一部分會突出電池單元20a、20b的側壁面，以進行散熱。散熱件21的詳細結構與實施例已在先前的實施例中敘明，在此不再贅述。由於第二導流板203與散熱件21為一體成型，因此可以進一步薄化燃料電池組整體的體積。

綜上所述，本發明實施例所提供的燃料電池組中，電池單元的外觀為長方體，而散熱件是貼附於電池單元的電極導流板上，以覆蓋各電池單元的電化學反應區，且散熱件的一部分突出長方體的一側壁面。如此，在電化學反應區所產生的熱能很容易可通過散熱件傳導到燃料電池組的外部。

因此，本發明實施例的燃料電池組在運作過程中所產生的熱能不需要通過風扇來進行散熱，且本發明實施例的電池單元呈長方體，有利於進一步縮小燃料電池組整體的體積，而可擴大應用的領域。

雖然本發明之實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電池單元

10A‧‧‧電化學反應區

101‧‧‧第一導流板

101a‧‧‧第一流體通道

102‧‧‧陽極氣體擴散層

103‧‧‧第二導流板

103a‧‧‧第二流體通道

104‧‧‧陰極氣體擴散層

105‧‧‧膜電極組

105a‧‧‧質子交換膜

105b‧‧‧陽極觸媒層

105c‧‧‧陰極觸媒層

106‧‧‧第一密封墊

107‧‧‧第二密封墊

S1‧‧‧第一側表面

S2‧‧‧第二側表面

S3‧‧‧第三側表面

S4‧‧‧第四側表面

11‧‧‧散熱件

111‧‧‧第一端部

112‧‧‧第二端部

W1‧‧‧短邊長度

L1‧‧‧長邊長度

W2‧‧‧散熱件短邊

L2‧‧‧散熱件長邊

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

Claims (11)

1. 一種燃料電池組，其包括：多個電池單元，彼此堆疊且串聯，其中每一個所述電池單元的整體外觀呈一長方體，且每一所述電池單元具有一電化學反應區；以及多個散熱件，分別夾設於每兩個相鄰的所述電池單元之間，其中每兩個相鄰的所述電池單元的兩個所述電化學反應區被相對應的所述散熱件所覆蓋，且每一個所述散熱件的一部分突出於所述長方體的一側壁面；其中，所述散熱件為散熱片或扁平熱管，且每一個所述散熱件的厚度小於每一個所述電池單元的厚度。
2. 如請求項1所述的燃料電池組，其中，每一個所述散熱件的一短邊大於或等於所述長方體的一短邊。
3. 如請求項2所述的燃料電池組，其中，每一個所述散熱件的一長邊大於或等於所述長方體的一長邊，所述長方體的一短邊與所述長邊的比值介於0.4至0.8之間。
4. 如請求項1所述的燃料電池組，其中，多個所述散熱件中的至少一個具有一第一端部以及一與所述第一端部相對的第二端部，所述側壁面包括彼此相對的一第一側表面與一第二側表面，所述第一端部突出所述第一側表面，且所述第二端部與所述第二側表面切齊。
5. 如請求項1所述的燃料電池組，其中，多個所述散熱件中的至少一個具有一第一端部以及一與所述第一端部相對的第二端部，所述側壁面包括彼此相對的一第一側表面與一第二側表面，所述第一端部突出所述第一側表面，且所述第一端部突出於所述一第二側表面。
6. 如請求項1所述的燃料電池組，其中，多個所述散熱件被區 分為多個第一散熱件以及多個第二散熱件，所述側壁面包括彼此相對的一第一側表面與一第二側表面，多個所述第一散熱件的一部份突出於所述第一側表面，所述第二散熱件的一部份突出於所述第二側表面。
7. 如請求項6所述的燃料電池組，其中，多個所述第一散熱件與多個所述第二散熱件間隔設置。
8. 如請求項1所述的燃料電池組，其中，構成所述散熱件的材料為石墨烯或金屬。
9. 如請求項1所述的燃料電池組，其中，每一個所述電池單元至少包括一第一導流板、一第二導流板以及一夾設在所述第一導流板與所述第二導流板之間的膜電極組，每一個所述第一導流板的其中一表面設有一第一流體通道，每一個所述第二導流板的其中一表面設有一第二流體通道，且多個所述電池單元的多個所述第一流體通道與多個所述第二流體通道分佈於所述電化學反應區內。
10. 如請求項9所述的燃料電池組，其中，每一個所述電池單元還包括一位於所述第一導流板與所述膜電極組之間的第一密封墊以及一位於所述第二導流板與所述膜電極組之間的第二密封墊。
11. 如請求項9所述的燃料電池組，其中，所述第二導流板為一雙極板，並與所述散熱件一體成型，所述第二導流板的另一表面設有另一第一流體通道，且所述散熱件位於所述第一流體通道與所述第二流體通道之間。