TWI600208B - 燃料電池之模組化結構 - Google Patents

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Description

燃料電池之模組化結構
本發明係關於一種燃料電池之模組化結構，特別是指一種具有二固定元件之燃料電池之模組化結構。
燃料電池是由多個單電池模組堆疊而成，而一個單電池模組又是由多層之組件所組成，例如使用石墨板之單電池組件可具有11層之組件，包括1質子交換膜層、2觸媒層、2氣體擴散層、1陰極板、1陽極板及4密封墊片；而使用金屬板之單電池組件則可具有13層之組件，即前述11層之組件再加上1陰極水冷板及1陽極水冷板。
因此，以具有1千瓦之燃料電池為例，則需要40個單電池模組，總共440層或520層之組件。由於燃料電池有太多層之組件，故在組裝燃料電池、更換或修復單電池模組時，常會面臨組裝精度不足、組裝時間過長、更換效率較差、修復速度緩慢或氣密性不佳等問題。
因此，如何克服上述習知技術之缺點，實已成為本領域技術人員之一大課題。
本發明提供一種燃料電池之模組化結構，其能提升對 燃料電池或單電池模組之組裝精度、組裝速度、更換效率或修復速度。
本發明之燃料電池之模組化結構包括：一膜電極組；至少一第一電極板，其配置於膜電極組之一側，且第一電極板具有至少一第一貫穿孔；至少一第二電極板，其配置於膜電極組之另一側，且第二電極板具有至少一對應於第一貫穿孔之第二貫穿孔；至少一第一固定元件；以及至少一第二固定元件，其對應於至少一第一固定元件，且第一固定元件與第二固定元件通過第一貫穿孔與第二貫穿孔互相結合以固定第一電極板與第二電極板，使第一電極板、膜電極組與第二電極板構成一單電池模組。
由上可知，本發明之燃料電池之模組化結構中，主要是透過二固定元件將至少一第一電極板、一膜電極組與至少一第二電極板固定成一單電池模組，藉此提升對燃料電池或單電池模組之組裝精度、組裝速度、更換效率或修復速度。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明。在以下描述內容中將部分闡述本發明之額外特徵及優點，且此等特徵及優點將部分自所述描述內容顯而易見，或可藉由對本發明之實踐習得。本發明之特徵及優點借助於在申請專利範圍中特別指出的元件及組合來認識到並達到。應理解，前文一般描述與以下詳細描述兩者均僅為例示性及解釋性的，且不欲約束本發明所主張之範圍。
1‧‧‧模組化結構
2‧‧‧膜電極組
21‧‧‧第三貫穿孔
3‧‧‧第一電極板
31‧‧‧第一貫穿孔
32‧‧‧表面
4‧‧‧第二電極板
41‧‧‧第二貫穿孔
42‧‧‧表面
5‧‧‧第一固定元件
51‧‧‧第一卡合部
52‧‧‧環狀部
53‧‧‧第一通孔
54‧‧‧斜面
6‧‧‧第二固定元件
61‧‧‧第二卡合部
62‧‧‧突出部
63‧‧‧凸緣
64‧‧‧凹部
65‧‧‧第二通孔
7‧‧‧密封墊片
71‧‧‧第四貫穿孔
8‧‧‧燃料電池
81‧‧‧鎖固元件
A‧‧‧線段
第1A圖繪示本發明中燃料電池之模組化結構之爆炸立體圖；第1B圖繪示本發明第1A圖中燃料電池之模組化結構之組合立體圖；第1C圖繪示本發明第1B圖中燃料電池之模組化結構之俯視圖；第1D圖繪示本發明第1C圖中燃料電池之模組化結構於線段A之剖視圖；第2A圖繪示本發明第1D圖中燃料電池之模組化結構之第一固定元件與第二固定元件之剖視圖；第2B圖繪示本發明第2A圖中燃料電池之模組化結構之第一固定元件之立體圖；第2C圖繪示本發明第2A圖中燃料電池之模組化結構之第二固定元件之立體圖；第3A圖至第3C圖係分別繪示本發明第2C圖之第二固定元件之各種不同態樣之立體圖；以及第4圖係繪示本發明中具有複數模組化結構之燃料電池之爆炸立體圖。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
第1A圖繪示本發明中燃料電池(見第4圖之燃料電池8)之模組化結構1之爆炸立體圖。第1B圖繪示本發明第1A圖中燃料電池之模組化結構1之組合立體圖。第1C圖繪示本發明第1B圖中燃料電池之模組化結構1之俯視圖。第1D圖繪示本發明第1C圖中燃料電池之模組化結構1於線段A之剖視圖。第2A圖繪示本發明第1D圖中燃料電池之模組化結構1之第一固定元件5與第二固定元件6之剖視圖。第2B圖繪示本發明第2A圖中燃料電池之模組化結構1之第一固定元件5之立體圖。第2C圖繪示本發明第2A圖中燃料電池之模組化結構1之第二固定元件6之立體圖。
如第1A圖至第2C圖所示，模組化結構1主要包括一膜電極組(Membrane Electrode Assembly,MEA)2、至少一(如二)第一電極板3、至少一(如二)第二電極板4、至少一(如四)第一固定元件5與至少一(如四)第二固定元件6。
膜電極組2可包括一質子交換膜層、至少一(如二)觸媒層與至少一(如二)氣體擴散層，但不以此為限。第一電極板3可配置於膜電極組2之一側，且第一電極板3具有至少一(如四)第一貫穿孔31。第二電極板4可配置於膜電極組2之另一側，且第二電極板4具有至少一(如四)對應於第一貫穿孔31之第二貫穿孔41。
第一電極板3或(及)第二電極板4可為金屬板、石墨板或複合石墨板等。或者，第一電極板3或(及)第二電極板4為陽極板、陰極板或雙極板等。抑或者，至少一第一 電極板3或至少一第二電極板4可為二金屬板(如一水冷金屬板與一燃料金屬板)，且二金屬板可為沖壓成型、或通過雷射銲接互相固定。
第一固定元件5與第二固定元件6互相對應，並分別通過第一貫穿孔31與第二貫穿孔41互相結合以各自固定第一電極板3與第二電極板4，使第一電極板3、膜電極組2與第二電極板4構成一單電池模組，如可拆式單電池模組。
膜電極組2可具有至少一(如四)對應於第一貫穿孔31與第二貫穿孔41之第三貫穿孔21，且第一固定元件5與第二固定元件6可通過第一貫穿孔31至第三貫穿孔21互相結合以固定第一電極板3、膜電極組2與第二電極板4，使第一電極板3、膜電極組2與第二電極板4構成單電池模組。
如第1D圖至第2C圖所示，第一固定元件5與第二固定元件6可分別具有一第一卡合部51及一第二卡合部61，且第一卡合部51與第二卡合部61可分別卡合於第一電極板3之部分表面32(如在第一貫穿孔31處之第一電極板3之上表面)、以及第二電極板4之部分表面42(如在第二貫穿孔41處之第二電極板4之下表面)。
第一固定元件5可具有一連接第一卡合部51之環狀部52，且第一固定元件5之環狀部52可卡合於第二固定元件6、膜電極組2、第一電極板3與第二電極板4之間。第一固定元件5可具有一第一通孔53，第二固定元件6可具有 至少二突出部62，且至少二突出部62可通過第一通孔53以將第二固定元件6結合於第一固定元件5。
第一固定元件5可具有一位於第一卡合部51與環狀部52間之斜面54，第二固定元件6之至少二突出部62各者均具有一凸緣63，且至少二突出部62之凸緣63抵靠第一固定元件5之斜面54。第二固定元件6可具有分別位於至少二突出部62間之至少二凹部64(或空間收縮部)，且至少二凹部64之空間能夠被壓縮，以將第二固定元件6迫緊結合至第一固定元件5。
第二固定元件6可具有一對應於第一固定元件5之第一通孔53之第二通孔65，且第二固定元件6之第二通孔65之尺寸(或孔徑)小於第一固定元件5之第一通孔53之尺寸(或孔徑)。在下列第4圖中，可將至少一鎖固元件81通過複數模組化結構1之第二固定元件6之第二通孔65中，以將互相堆疊之複數模組化結構1鎖固成一燃料電池8。
如第1A圖所示，模組化結構1可包括四密封墊片7，其中，二密封墊片7分別密封於第一電極板3與膜電極組2之間、以及膜電極組2與第二電極板4之間，另二密封墊片7分別密封於第一電極板3與第二電極板4上，以使第一電極板3、膜電極組2與第二電極板4之周圍形成一密封結構。
各密封墊片7可具有至少一(如四)對應於第一貫穿孔31至第三貫穿孔21之第四貫穿孔71，且第一固定元件5與第二固定元件6可通過第一貫穿孔31至第四貫穿孔71 互相結合以固定第一電極板3、膜電極組2、第二電極板4與密封墊片7，使第一電極板3、膜電極組2、第二電極板4與密封墊片7成單電池模組。
如第1A圖(由右至左)所示，模組化結構1是由一密封墊片7、二第一電極板3(如水冷金屬板與燃料金屬板)、一密封墊片7、一膜電極組2、一密封墊片7、二第二電極板4(如燃料金屬板與水冷金屬板)、一密封墊片7依序堆疊而成。
如第1A圖至第3C圖所示，第一固定元件5或(及)第二固定元件6之材質可為塑膠材質、絕緣材質或非導電材質，如矽膠、氯乙烯、聚丙烯或尼龍等。密封墊片7之材質也可為塑膠材質、絕緣材質或非導電材質，如矽膠、聚氯乙稀、聚乙稀、聚丙稀或聚苯乙烯。第一固定元件5、第二固定元件6、或(及)密封墊片7之絕緣電阻可大於109歐姆(Ω)，且第一固定元件5、第二固定元件6、或(及)密封墊片7之承受溫度可為60℃以上。因此，本發明之第一固定元件5、第二固定元件6與密封墊片7可提供第一電極板3、膜電極組2與第二電極板4間之絕緣保護。
第3A圖至第3C圖係分別繪示本發明第2C圖之第二固定元件6之各種不同態樣之立體圖。如第3A圖所示，第二固定元件6可具有二突出部62與分別位於二突出部62間之二凹部64。如第3B圖所示，第二固定元件6可具有六突出部62與分別位於六突出部62間之六凹部64。如第3C圖所示，第二固定元件6可具有八突出部62與分別 位於八突出部62間之八凹部64。但是，本發明並不以此為限。
第4圖係繪示本發明中具有複數模組化結構1之燃料電池8之爆炸立體圖。如第4圖與上述第1A圖至第3C圖所示，可將至少一鎖固元件81(如螺絲或螺栓)通過複數模組化結構1之第二固定元件6之第二通孔65中，以將互相堆疊之複數模組化結構1鎖固成一燃料電池8。例如，在本實施例中，可將四鎖固元件81分別通過六模組化結構1之四第二通孔65中，以將六模組化結構1鎖固成燃料電池8。
由上可知，本發明之燃料電池之模組化結構中，主要是透過二固定元件將至少一第一電極板、一膜電極組與至少一第二電極板固定成一單電池模組，藉此提升對燃料電池或單電池模組之組裝精度、組裝速度、更換效率或修復速度。
同時，當將複數模組化結構組裝成燃料電池後，若其中一個模組化結構(單電池模塊)損壞時，可將損壞之模組化結構直接更換成新的或未損壞的模組化結構，故可無須拆解所有的模組化結構才能更換損壞之組件。
另外，可將複數密封墊片密封於第一電極板、膜電極組與第二電極板之間或其上，藉此增加燃料電池之模組化結構之氣密性。而且，可透過二固定元件提供第一電極板、膜電極組與第二電極板間之絕緣保護，並透過鎖固元件快速鎖固或分離複數模組化結構以迅速組合或拆解燃料電 池。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本發明之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。
1‧‧‧模組化結構
2‧‧‧膜電極組
21‧‧‧第三貫穿孔
3‧‧‧第一電極板
31‧‧‧第一貫穿孔
4‧‧‧第二電極板
41‧‧‧第二貫穿孔
5‧‧‧第一固定元件
6‧‧‧第二固定元件
7‧‧‧密封墊片
71‧‧‧第四貫穿孔

Claims (17)

  1. 一種燃料電池之模組化結構，包括：一膜電極組；至少一第一電極板，其配置於該膜電極組之一側，且該第一電極板具有至少一第一貫穿孔；至少一第二電極板，其配置於該膜電極組之另一側，且該第二電極板具有至少一對應於該第一貫穿孔之第二貫穿孔；至少一第一固定元件；以及至少一第二固定元件，其對應於該至少一第一固定元件，且該第一固定元件與該第二固定元件通過該第一貫穿孔與該第二貫穿孔互相結合以固定該第一電極板與該第二電極板，使該第一電極板、膜電極組與第二電極板構成一單電池模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該膜電極組包括一質子交換膜層、至少一觸媒層與至少一氣體擴散層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該膜電極組具有至少一對應於該第一貫穿孔與該第二貫穿孔之第三貫穿孔，且該第一固定元件與該第二固定元件通過該第一貫穿孔至該第三貫穿孔互相結合以固定該第一電極板、膜電極組與第二電極板。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結 構，其中，該第一電極板或該第二電極板為金屬板、石墨板或複合石墨板。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第一電極板或該第二電極板為陽極板、陰極板或雙極板。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該至少一第一電極板或該至少一第二電極板為二金屬板，且該二金屬板為沖壓成型或通過銲接互相固定。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第一固定元件與該第二固定元件分別具有一第一卡合部及一第二卡合部，且該第一卡合部與該第二卡合部分別卡合於該第一電極板之部分表面與該第二電極板之部分表面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第一固定元件更具有一連接該第一卡合部之環狀部，且該第一固定元件之該環狀部卡合於該第二固定元件、膜電極組、第一電極板與第二電極板之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第一固定元件具有一第一通孔，該第二固定元件具有至少二突出部，且該些突出部通過該第一通孔，以將該第二固定元件結合於該第一固定元件。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之燃料電池之模組化結 構，其中，該第一固定元件更具有一斜面，該第二固定元件之各該突出部均具有一凸緣，且該些突出部之該些凸緣抵靠該第一固定元件之該斜面。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第二固定元件更具有至少二分別位於該些突出部間之凹部，且該些凹部之空間被壓縮以將該第二固定元件迫緊結合至該第一固定元件。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第二固定元件具有一第二通孔，且該第二通孔對應於該第一固定元件之該第一通孔。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第一固定元件或該第二固定元件之材質為塑膠材質、絕緣材質或非導電材質。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第一固定元件或該第二固定元件之絕緣電阻大於109歐姆(Ω)。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，其中，該第一固定元件或該第二固定元件之承受溫度為60℃以上。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結構，更包括二密封墊片，其分別密封於該第一電極板與該膜電極組之間、以及該膜電極組與第二電極板之間。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池之模組化結 構，更包括二密封墊片，其分別密封於該第一電極板與該第二電極板上。
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