TWI613863B - 具優化氣體流道之雙極板結構 - Google Patents

具優化氣體流道之雙極板結構 Download PDF

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Abstract

本發明關於具優化氣體流道之雙極板結構，係至少包括有一陽極電極板，以及一陰極電極板；陽極電極板係具有以沖壓加工成型之氣體流道面，氣體流道面係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氫氣流通之溝槽；陰極電極板係具有以沖壓加工成型之氣體流道面，氣體流道面係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氧氣流通之溝槽；藉此，本發明可使燃料電池內的燃料氣體、氧化劑，以及冷卻劑等能均勻分布於特定之氣體流道面，以達到提升金屬雙極板之耐腐蝕性能、機械強度，以及燃料電池之使用壽命。

Description

具優化氣體流道之雙極板結構
本發明係有關於一種具優化氣體流道之雙極板結構，尤其是指一種適用於燃料電池之陽極電極板與電極板且具有創新氣體流道設計之金屬雙極板結構，可有效使燃料電池內的燃料氣體、氧化劑，以及冷卻劑等均勻分布於特定之氣體流道面，以達到提升金屬雙極板之耐腐蝕性能、機械強度，以及燃料電池之使用壽命者。
按，基於傳統石化能源已逐漸耗盡，且石化能源之利用容易對生態環境產生重大的衝擊，因此，發展低汙染且具高發電效率的能源利用方式，早已成為各國政府重要的課題；在各種已發展的新興能源利用方式中，較常見的有太陽能電池、生化能源，以及燃料電池等，其中又以燃料電池約60%的高發電效率與低污染性而備受矚目；燃料電池係為一種直接將化學能轉換為電能的發電裝置，所使用的燃料可以是甲醇、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，而在此電化學反應過程中則會生成水為反應副產物；與傳統發電方式比較，燃料電池具有低汙染、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氣體氧化產生電能，因此其放電電流可以隨著燃料供應量增加而增大，只要持續供給燃料氣體及氧氣，便可持續發電，因此沒有電力衰竭及充電的問題，係一種極具前瞻性的乾淨能源。
基本上，燃料電池的組成結構主要是由一片薄膜電極組(Membrane Electrode Assembly，MEA)，以及兩電極板所構成，薄膜電極組(MEA)為燃料電池之核心，作為電化學反應之功用，而電極板則是影響燃料電池商業化的關鍵因素之一，電極板的材料、流場結構或加工成本等均存在許多亟待解決的問題，習用的電極板材料主要有石墨、複合碳材與金屬基材等，針對由石墨與複合碳材所形成的電極板而言，雖然具有良好的導電性與耐腐性等優點，然而，由於製程複雜、耗費工時，且以該等材料製成的電極板厚度無法低於3毫米，而不利於燃料電池之微型化；對於金屬基材所形成的電極板而言，雖具有厚度薄、質量輕，以及可縮減燃料電池體積與質量等優點，然而，由於燃料電池的燃料氣體係藉由電極板的流道進行運輸，因此，流道的運輸能力亦會直接影響燃料電池的產電效能。
本案發明人之一曾於中華民國專利發表公開號201419644的「燃料電池堆分隔板」的發明案，明白揭示一種以相同結構之分隔板分別供燃料電池之陽極與陰極使用，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布於氣體流道面，以提升燃料電池之產電效能，其使用的架構係令分隔板具有以沖壓成型之氣體流道面，以及對應氣體流道面之冷卻劑流道面，其中氣體流道面係具有複數個流道，該等流道皆具有複數個彎折，且彎折連接線為直線形狀與箭簇形狀，而箭簇形狀的尖端係位於同一水平面上，並於兩分隔板以冷卻劑流道面接合時，兩冷卻劑流道面之溝槽形成可輸送冷卻劑之直線流道；然而，由於此發明案所設計的氣體流道係具有複數個彎折，而當燃料氣體之氫氣或氧化劑之氧氣等氣體在氣體流道中流通反應時，容易因為流道所具有的複數個彎折而增加了氣體流動阻力，因而減低了 燃料電池的產電效率。
今，發明人即是鑑於上述之燃料電池堆分隔板之氣體流道存在因複數個彎折而造成氣體流動阻力增加等諸多缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之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具優化氣體流道之雙極板結構，尤其是指一種適用於燃料電池之陽極電極板與電極板且具有創新氣體流道設計之金屬雙極板結構，可有效使燃料電池內的燃料氣體、氧化劑，以及冷卻劑等均勻分布於特定之氣體流道面，以達到提升金屬雙極板之耐腐蝕性能、機械強度，以及燃料電池之使用壽命。
為了達到上述實施目的，本發明人提出一種具優化氣體流道之雙極板結構，係至少包括有一陽極電極板，以及一陰極電極板；陽極電極板係具有以沖壓加工成型之氣體流道面，氣體流道面係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氫氣流通之溝槽，溝槽係由一氫氣入口端朝一氫氣出口端形成有一第一氣體流道、一第二氣體流道，以及複數條介於第一氣體流道與第二氣體流道間的第三氣體流道；其中第三氣體流道係縱向延伸一距離後，再縱向各分流出一第一子流道與一第二子流道，第一子流道再縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第一孫流道與一第二孫流道，而第二子流道係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第三孫流道與一第四孫流道，第一孫流道與第二孫流道係橫向往外數個彎曲後，再匯流成第一子流道，第三孫流道與第四孫流道亦橫向往外數個彎曲後，再匯流成第二子流道，第一子流道與第二子流道再匯流後，由氫氣出口端流出；第一氣體流道係縱向延伸整個氣體流道面，再橫向往外數個彎 曲，匯流至鄰近第三氣體流道之第一子流道後，由氫氣出口端流出；第二氣體流道係橫向延伸並分流出一第三子流道與一第四子流道，第三子流道係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第五孫流道與一第六孫流道，第四子流道係橫向分流出一第七孫流道與一第八孫流道，第五孫流道與第六孫流道係橫向往外數個彎曲後，再匯流成第三子流道，第三子流道再匯流至鄰近第三氣體流道之第二子流道後，由氫氣出口端流出，第七孫流道與第八孫流道亦橫向往內數個彎曲後，再匯流成第四子流道，第四子流道係縱向延伸整個氣體流道面後，由氫氣出口端流出，其中橫向分布之流道係呈箭簇形狀，而箭簇形狀之尖端係位於同一水平線上；陰極電極板係具有以沖壓加工成型之氣體流道面，氣體流道面係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氧氣流通之溝槽，溝槽係由一氧氣入口端朝一氧氣出口端形成有一第四氣體流道、一第五氣體流道，以及複數條介於第四氣體流道與第五氣體流道間的第六氣體流道；其中第四氣體流道係縱向延伸整個氣體流道面，再橫向延伸並分流出一第五子流道與一第六子流道，第五子流道與第六子流道橫向往外數個彎曲，匯流至第四氣體流道後，由氧氣出口端流出；第六氣體流道係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第七子流道與一第八子流道，第七子流道與第八子流道橫向往內數個彎曲，匯流至第六氣體流道後，由氧氣出口端流出；第五氣體流道係縱向延伸一距離後，再橫向經過數個彎曲，最後縱向延伸整個氣體流道面，再由氧氣出口端流出，其中橫向分布之流道係呈箭簇形狀，而箭簇形狀之尖端係位於同一水平線上；其中，陽極電極板與陰極電極板係反轉相對疊合，而互相貼合之陽極電極板的氣體流道面與陰極電極板的氣體流道面係形成供氣體流通之迴流凹槽，係為一氫氣流道及一氧氣流道，亦交錯形成複數個空缺，而空缺係形成供冷卻劑流通之冷卻劑 流道。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，其中陽極電極板與陰極電極板兩側端中央處係各分別設置有對應之冷卻劑進入歧道，以及冷卻劑流出歧道，冷卻劑進入歧道與冷卻劑流出歧道係與空缺連通。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，冷卻劑進入歧道，以及冷卻劑流出歧道係進一步分別設有一冷卻劑入口支撐，以及一冷卻劑出口支撐。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，陽極電極板與陰極電極板係由金屬材質所製成。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，金屬材質係為不鏽鋼。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，陽極電極板與陰極電極板之板材厚度係介於0.1毫米(millimeter，mm)~0.2毫米之間。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，第一氣體流道、第二氣體流道，以及第三氣體流道係具有相同之總長度。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，第四氣體流道、第五氣體流道，以及第六氣體流道係具有相同之總長度。
如上所述的具優化氣體流道之雙極板結構，陽極電極板與陰極電極板之一側係各進一步設置有一第一快速接頭與一第二快速接頭，以提供量測電壓與電流使用。
本發明之另一目的為利用如上所述之陽極電極板與陰極電極板以提供一種燃料電池，係由複數個燃料電池單元串接而成，其中燃料電池單元係包括一習知之薄膜電極組、至少兩組以一陽極電極板與一陰極電極板反轉相對疊合之迴流凹槽雙極板，以及至少二 個密封件，薄膜電極組之二側係分別依序設置一個密封件與一組迴流凹槽雙極板。
藉此，本發明之具優化氣體流道之雙極板結構係藉由陽極電極板蜿蜒之第一氣體流道、第二氣體流道與第三氣體流道，以及陰極電極板蜿蜒之第四氣體流道、第五氣體流道與第六氣體流道所形成之大量筆直直線形狀與箭簇形狀之分隔區塊，除有助於維持電池結構強度，燃料氣體之氫氣與氧化劑之氧氣可均勻且無阻力地分佈於順暢筆直之氣體流道面，確保反應氣體有足夠的濃度進入薄膜電極組(MEA)，以便能進行燃料電池之充分反應，進而提升燃料電池之產電效能；此外，本發明之具優化氣體流道之雙極板結構係藉由將金屬材質之不鏽鋼板沖壓加工成型方式形成燃料氣體流道，由於不鏽鋼板材具有厚度薄與質量輕等優點，不僅可以縮減燃料電池之體積，亦能達到輕量化之需求，且不鏽鋼板成型後會經過鍍膜處理或氣體熱處理等表面改質動作，藉以改善金屬板之耐腐蝕性能與增加機械強度，達到提升電池使用壽命之目的；最後，本發明之具優化氣體流道之雙極板結構係藉由陽極電極板與陰極電極板反轉相對貼合之面交錯形成之空缺，以形成冷卻劑流道，因此接點處必須足夠多以承受燃料電池壓迫組裝之壓力，且藉由氣體流道匯流設計，增大在陽極電極板之氣體流道面與陰極電極板之氣體流道面背面所形成之冷卻劑流道的最大面積，同時滿足冷卻需求與提供較高重量功率密度之優點。
(1)‧‧‧陽極電極板
(11)‧‧‧氣體流道面
(111)‧‧‧第一氣體流道
(112)‧‧‧第二氣體流道
(1121)‧‧‧第三子流道
(11211)‧‧‧第五孫流道
(11212)‧‧‧第六孫流道
(1122)‧‧‧第四子流道
(11221)‧‧‧第七孫流道
(11222)‧‧‧第八孫流道
(113)‧‧‧第三氣體流道
(1131)‧‧‧第一子流道
(11311)‧‧‧第一孫流道
(11312)‧‧‧第二孫流道
(1132)‧‧‧第二子流道
(11321)‧‧‧第三孫流道
(11322)‧‧‧第四孫流道
(114)‧‧‧彎曲
(12)‧‧‧溝槽
(13)‧‧‧氫氣入口端
(14)‧‧‧氫氣出口端
(15)‧‧‧尖端
(16)‧‧‧冷卻劑進入歧道
(161)‧‧‧冷卻劑入口支撐
(17)‧‧‧冷卻劑流出歧道
(171)‧‧‧冷卻劑出口支撐
(18)‧‧‧第一快速接頭
(19)‧‧‧氫氣進氣歧道
(2)‧‧‧陰極電極板
(21)‧‧‧氣體流道面
(211)‧‧‧第四氣體流道
(2111)‧‧‧第五子流道
(2112)‧‧‧第六子流道
(212)‧‧‧第五氣體流道
(213)‧‧‧第六氣體流道
(2131)‧‧‧第七子流道
(2132)‧‧‧第八子流道
(214)‧‧‧彎曲
(22)‧‧‧溝槽
(23)‧‧‧氧氣入口端
(24)‧‧‧氧氣出口端
(25)‧‧‧尖端
(26)‧‧‧第二快速接頭
(3)‧‧‧氫氣流道
(4)‧‧‧氧氣流道
(5)‧‧‧空缺
(6)‧‧‧冷卻劑流道
(7)‧‧‧燃料電池單元
(71)‧‧‧薄膜電極組
(72)‧‧‧迴流凹槽雙極板
(73)‧‧‧密封件
第一圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之陽極電極板結構俯視圖
第二圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之陰極電極板結構俯視圖
第三圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之雙極板疊合示意圖
第四圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之冷卻劑流道示意圖
第五圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之氣體岐道入口剖面示意圖
第六圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之燃料電池單元堆疊示意圖
第七圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之燃料電池結構示意圖
第八圖：本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之燃料電池單元剖面示意圖
本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先，燃料電池之電極板的主要功能係導引燃料氣體之氫氣與氧化劑之氧氣等反應氣體分別由陽極電極板(1)之氫氣入口端(13)與陰極電極板(2)之氧氣入口端(23)進入流道，以及導引冷卻劑由冷卻劑進入歧道(16)進入位於陽極電極板(1)與陰極電極板(2)的背面流道，藉由創新之流道設計使氫氣與氧氣分布於反應面積，再將未使用的反應氣體和冷卻劑由流道導引排出，而陽極電極板(1)與陰極電極板(2)係設置於薄膜電極組的二側端，其運作的原理為燃料氣體之氫氣由陽極電極板(1)進入燃料電池，而氧化劑之氧氣則由陰極電極板(2)進入燃料電池，經由薄膜電極組的反應作用，使得陽極燃料氣體的氫分子分解成兩個質子(proton)與兩個電子 (electron)，其中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，而質子、氧及電子於陰極發生反應形成水分子，燃料電池的運作方式已為習知技藝中眾所皆知的知識，且並非本發明之重點，在此將不再贅述，本發明之技術特徵係著重於金屬雙極板之流道造型的安排和設置，以解決本發明人先前之發明案所遭遇的氫氣與氧氣等反應氣體不易均勻而無阻力地分布於陽極電極板(1)的氣體流道面(11)與陰極電極板(2)的氣體流道面(21)之缺點；再者，請參閱第一、二圖所示，為本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之陽極電極板結構俯視圖，以及陰極電極板結構俯視圖，其中本發明具優化氣體流道之雙極板結構係至少包括有：
一陽極電極板(1)，係具有以沖壓加工成型之氣體流道面(11)，氣體流道面(11)係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氫氣流通之溝槽(12)，溝槽(12)係由一氫氣入口端(13)朝一氫氣出口端(14)形成有一第一氣體流道(111)、一第二氣體流道(112)，以及複數條介於第一氣體流道(111)與第二氣體流道(112)間的第三氣體流道(113)；其中第三氣體流道(113)係縱向延伸一距離後，再縱向各分流出一第一子流道(1131)與一第二子流道(1132)，第一子流道(1131)再縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第一孫流道(11311)與一第二孫流道(11312)，而第二子流道(1132)係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第三孫流道(11321)與一第四孫流道(11322)，第一孫流道(11311)與第二孫流道(11312)係橫向往外數個彎曲(114)後，再匯流成第一子流道(1131)，第三孫流道(11321)與第四孫流道(11322)亦橫向往外數個彎曲(114)後，再匯流成第二子流道(1132)，第一子流道(1131)與第二子流道(1132)再匯流後，由氫氣出口端(14)流出；第一氣體流道(111)係縱向延伸整個氣體流道面(11)，再橫向往外數個彎曲(114)，匯流至鄰近第三氣體流 道(113)之第一子流道(1131)後，由氫氣出口端(14)流出；第二氣體流道(112)係橫向延伸並分流出一第三子流道(1121)與一第四子流道(1122)，第三子流道(1121)係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第五孫流道(11211)與一第六孫流道(11212)，第四子流道(1122)係橫向分流出一第七孫流道(11221)與一第八孫流道(11222)，第五孫流道(11211)與第六孫流道(11212)係橫向往外數個彎曲(114)後，再匯流成第三子流道(1121)，第三子流道(1121)再匯流至鄰近第三氣體流道(113)之第二子流道(1132)後，由氫氣出口端(14)流出，第七孫流道(11221)與第八孫流道(11222)亦橫向往內數個彎曲(114)後，再匯流成第四子流道(1122)，第四子流道(1122)係縱向延伸整個氣體流道面(11)，由氫氣出口端(14)流出，其中橫向分布之該等流道係呈箭簇形狀，而該等箭簇形狀之尖端(15)係位於同一水平線上；此外，值得注意的是，橫向分布之氣體流道往內或往外數個彎曲(114)之判斷方式係以氣體流道流出之延伸方向為法向量為區分，往氣體流道之法向量方向靠近的氣體流道稱之為「往內」彎曲，而遠離氣體流道之法向量的氣體流道稱之為「往外」彎曲；再者，在本發明其一較佳實施例中，位於第一氣體流道(111)與第二氣體流道(112)間係有4條第三氣體流道(113)，而第一氣體流道(111)、第二氣體流道(112)，以及第三氣體流道(113)係具有相同之總長度，以求每條氣體流道之阻力皆相近；在此值得注意的是，氣體流道的數量僅為其一較佳實施例，在閱讀及了解本發明的教導後，熟此技藝者當知道，本發明第三氣體流道(113)的數量係可少於4條或多於4條，並不會影響本發明的實際實施；以及
一陰極電極板(2)，係具有以沖壓加工成型之氣體流道面(21)，氣體流道面(21)係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氧氣流通之溝槽(22)，溝槽(22)係由一氧氣入口端(23)朝一氧氣 出口端(24)形成有一第四氣體流道(211)、一第五氣體流道(212)，以及複數條介於第四氣體流道(211)與第五氣體流道(212)間的第六氣體流道(213)；其中第四氣體流道(211)係縱向延伸整個氣體流道面(21)，再橫向延伸並分流出一第五子流道(2111)與一第六子流道(2112)，第五子流道(2111)與第六子流道(2112)橫向往外數個彎曲(214)，匯流至第四氣體流道(211)後，由氧氣出口端(24)流出；第六氣體流道(213)係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第七子流道(2131)與一第八子流道(2132)，第七子流道(2131)與第八子流道(2132)橫向往內數個彎曲(214)，匯流至第六氣體流道(213)後，由氧氣出口端(24)流出；第五氣體流道(212)係縱向延伸一距離後，再橫向經過數個彎曲(214)，最後縱向延伸整個氣體流道面(21)，再由氧氣出口端(24)流出，其中橫向分布之流道係呈箭簇形狀，而箭簇形狀之尖端(25)係位於同一水平線上；在本發明其一較佳實施例中，位於第四氣體流道(211)與第五氣體流道(212)間係有9條第六氣體流道(213)，而第四氣體流道(211)、第五氣體流道(212)，以及第六氣體流道(213)係具有相同之總長度，以求每條氣體流道之阻力皆相近；在此值得注意的是，氣體流道的數量僅為其一較佳實施例，在閱讀及了解本發明的教導後，熟此技藝者當知道，本發明第六氣體流道(213)的數量係可少於9條或多於9條，並不會影響本發明的實際實施。
此外，陽極電極板(1)與陰極電極板(2)係可反轉相對疊合，而互相貼合之陽極電極板(1)的氣體流道面(11)與陰極電極板(2)的氣體流道面(21)係形成供氣體流通之迴流凹槽，係為一氫氣流道(3)及一氧氣流道(4)，亦交錯形成複數個空缺(5)，而空缺(5)係形成供冷卻劑流通之冷卻劑流道(6)，請一併參閱第三、四圖所示，為本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之雙極板疊合 示意圖，以及冷卻劑流道示意圖，其中第三圖表示陽極電極板(1)與陰極電極板(2)之疊合，係將陽極電極板(1)上下反轉180度而疊合在陰極電極板(2)之上方，第四圖所示則是利用陽極電極板(1)之氣體流道面(11)與陰極電極板(2)之氣體流道面(21)的背面，也就是陽極電極板(1)與陰極電極板(2)的外側，當陽極電極板(1)與陰極電極板(2)的外側互相疊合時，電極板與電極板接觸的地方會產生阻隔，非接觸的空缺(5)則產生通道提供冷卻劑之液體流動，即是所謂的冷卻劑流道(6)，此亦是將橫向氣體流道設計為箭簇形狀之理由，也就是陽極電極板(1)與陰極電極板(2)疊合後產生的柵格狀空間可以善加運用成為冷卻劑流通的通道；再者，冷卻劑流場希望盡可能達到最大面積來提升冷卻效果，同時接點處也必須夠多以承受燃料電池壓迫組裝的壓力，因此陽極電極板(1)與陰極電極板(2)等金屬雙極板係具有靈活與細膩的設計，可同時滿足冷卻需求與提供較高的重量功率密度；此外，陽極電極板(1)與陰極電極板(2)兩側端中央處係各分別設置有對應之冷卻劑進入歧道(16)，以及冷卻劑流出歧道(17)，冷卻劑進入歧道(16)與冷卻劑流出歧道(17)係與形成空缺(5)之冷卻劑流道(6)連通，以提供冷卻劑進入，且冷卻劑進入歧道(16)，以及冷卻劑流出歧道(17)係進一步分別設有一冷卻劑入口支撐(161)，以及一冷卻劑出口支撐(171)。
再者，請一併參閱第五圖所示，為本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之氣體岐道入口剖面示意圖，其中當陽極電極板(1)與陰極電極板(2)反轉相對疊合時，燃料氣體之氫氣係由氫氣入口端(13)進入，再經由一氫氣進氣歧道(19)與下方之陰極電極板(2)間的間隙進入陽極電極板(1)之氣體流道面(11)，第五圖中之黑色箭頭所示之路徑即為燃料氣體之氫氣所行進之路線。
此外，陽極電極板(1)與陰極電極板(2)係由金屬材質所製 成，最佳之金屬材質係為不鏽鋼板，板材厚度係介於0.1mm~0.2mm之間，最佳係為0.15mm，而陽極電極板(1)與陰極電極板(2)等金屬雙極板的總面積係為202.7cm2，流道伸度係為0.5mm，流道寬度係為1mm，總反應面積係為132cm2。
再者，陽極電極板(1)與陰極電極板(2)之一側係各進一步設置有一第一快速接頭(18)與第二快速接頭(26)，以提供量測電壓與電流使用。
此外，請再參閱第六圖及第七圖所示，為本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之燃料電池單元堆疊示意圖，其中本發明係進一步提供一種燃料電池，燃料電池係由複數個燃料電池單元(7)串接而成，其中燃料電池單元(7)係包括一習知之薄膜電極組(71)、至少兩組以一陽極電極板(1)與一陰極電極板(2)反轉相對疊合之迴流凹槽雙極板(72)，以及至少二個密封件(73)，薄膜電極組(71)之二側係分別依序設置一個密封件(73)與一組迴流凹槽雙極板(72)，陽極電極板(1)與陰極電極板(2)係取自上述之具優化氣體流道之雙極板結構；接續請參閱第八圖，為本發明具優化氣體流道之雙極板結構其一較佳實施例之燃料電池單元剖面示意圖，此為氧氣入口端(23)之部分，陽極電極板(1)與陰極電極板(2)疊合後之迴流凹槽雙極板(72)，具有供氣體流通之迴流凹槽，即為一氫氣流道(3)及一氧氣流道(4)，箭號即為表示氧氣從入口端進入後的流動方向，而密封件(73)則會完整密合，以防止氣體洩漏。
根據上述之具優化氣體流道之雙極板結構於實際實施時，首先，本發明之陽極電極板(1)與陰極電極板(2)係以金屬材質製成，最佳之金屬材質係為不鏽鋼板，不鏽鋼板之板材厚度係介於0.1mm~0.2mm之間，最佳係為0.15mm，總面積係為202.7cm2，流道伸度係為0.5mm，流道寬度係為1mm，總反應面積係為 132cm2，使用之加工方式係利用沖壓成型壓出所要的氣體流道；實際應用之燃料電池係將複數個燃料電池單元(7)串接，以形成一燃料電池，獲得足夠發電功率，於燃料電池單元(7)中，陽極電極板(1)與陰極電極板(2)係反轉相對疊合，而互相貼合之陽極電極板(1)的氣體流道面(11)與陰極電極板(2)的氣體流道面(21)係形成供氣體流通之迴流凹槽，係為一氫氣流道(3)及一氧氣流道(4)，亦交錯形成複數個空缺(5)，而空缺(5)係形成供冷卻劑流通之冷卻劑流道(6)，亦即利用陽極電極板(1)之氣體流道面(11)與陰極電極板(2)之氣體流道面(21)的背面，也就是陽極電極板(1)與陰極電極板(2)的外側，當陽極電極板(1)與陰極電極板(2)的外側互相疊合時，電極板與電極板接觸的地方會產生阻隔，非接觸的空缺(5)則產生通道提供冷卻劑之液體流動，即是所謂的冷卻劑流道(6)，此亦是將橫向氣體流道設計為箭簇形狀之理由，也就是陽極電極板(1)與陰極電極板(2)疊合後產生的柵格狀空間可以善加運用成為冷卻劑流通的通道，而冷卻劑流場希望盡可能達到最大面積來提升冷卻效果，同時接點處也必須夠多以承受燃料電池壓迫組裝的壓力，因此陽極電極板(1)與陰極電極板(2)等金屬雙極板係具有靈活與細膩的設計，可同時滿足冷卻需求與提供較高的重量功率密度；在陽極電極板(1)係具有6條氣體流道，亦即除最上端之第一氣體流道(111)與最下端之第二氣體流道(112)，位於第一氣體流道(111)與第二氣體流道(112)間共有4條第三氣體流道(113)，而第一氣體流道(111)、第二氣體流道(112)，以及第三氣體流道(113)係具有相同之總長度，以求每條氣體流道之阻力皆相近；在陰極電極板(2)係具有11條氣體流道，亦即除最上端之第四氣體流道(211)最下端之第五氣體流道(212)，位於第四氣體流道(211)與第五氣體流道(212)共有9條第六氣體流道(213)，而第四氣體流道(211)、第五氣體流 道(212)，以及第六氣體流道(213)係具有相同之總長度，以求每條氣體流道之阻力皆相近；此外，本發明具優化氣體流道之雙極板結構之陽極電極板(1)與陰極電極板(2)係可結合一習知之薄膜電極組(71)以及密封件(73)而組成一燃料電池單元(7)，其中陽極電極板(1)與陰極電極板(2)板係先反轉相對疊合以形成迴流凹槽雙極板(72)，係具有供氣體流通之氫氣流道(3)與氧氣流道(4)，於薄膜電極組(71)之二側端依序設置一個密封件(73)與一組迴流凹槽雙極板(72)，藉由密封件(73)避免氣體洩漏，而複數個燃料電池單元(7)串接即可形成一燃料電池。
由上述之實施說明可知，本發明具優化氣體流道之雙極板結構與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：
1.本發明之具優化氣體流道之雙極板結構係藉由陽極電極板蜿蜒之第一氣體流道、第二氣體流道與第三氣體流道，以及陰極電極板蜿蜒之第四氣體流道、第五氣體流道與第六氣體流道所形成之大量筆直直線形狀與箭簇形狀之分隔區塊，除有助於維持電池結構強度，燃料氣體之氫氣與氧化劑之氧氣可均勻且無阻力地分佈於順暢筆直之氣體流道面，確保反應氣體有足夠的濃度進入薄膜電極組，以便能進行燃料電池之充分反應，進而提升燃料電池之產電效能。
2.本發明之具優化氣體流道之雙極板結構係藉由將金屬材質之不鏽鋼板沖壓加工成型方式形成燃料氣體流道，由於不鏽鋼板材具有厚度薄與質量輕等優點，不僅可以縮減燃料電池之體積，亦能達到輕量化之需求，且不鏽鋼板成型後會經過鍍膜處理或氣體熱處理等表面改質動作，藉以改善金屬板之耐腐蝕性能與增加機械強度，達到提升電池使用壽命之目的。
3.本發明之具優化氣體流道之雙極板結構係藉由陽極電極 板與陰極電極板反轉相對貼合之面形成供氣體流通之氫氣流道及氧氣流道，亦交錯形成之空缺，即為冷卻劑流道，因此接點處必須足夠多以承受燃料電池壓迫組裝之壓力，且藉由氣體流道匯流設計，增大在陽極電極板之氣體流道面與陰極電極板之氣體流道面背面所形成之冷卻劑流道的最大面積，同時滿足冷卻需求與提供較高重量功率密度之優點。
綜上所述，本發明具優化氣體流道之雙極板結構，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)‧‧‧陽極電極板
(11)‧‧‧氣體流道面
(111)‧‧‧第一氣體流道
(112)‧‧‧第二氣體流道
(1121)‧‧‧第三子流道
(11211)‧‧‧第五孫流道
(11212)‧‧‧第六孫流道
(1122)‧‧‧第四子流道
(11221)‧‧‧第七孫流道
(11222)‧‧‧第八孫流道
(113)‧‧‧第三氣體流道
(1131)‧‧‧第一子流道
(11311)‧‧‧第一孫流道
(11312)‧‧‧第二孫流道
(1132)‧‧‧第二子流道
(11321)‧‧‧第三孫流道
(11322)‧‧‧第四孫流道
(114)‧‧‧彎曲
(12)‧‧‧溝槽
(13)‧‧‧氫氣入口端
(14)‧‧‧氫氣出口端
(15)‧‧‧尖端
(16)‧‧‧冷卻劑進入歧道
(161)‧‧‧冷卻劑入口支撐
(17)‧‧‧冷卻劑流出歧道
(171)‧‧‧冷卻劑出口支撐
(18)‧‧‧第一快速接頭

Claims (10)

  1. 一種具優化氣體流道之雙極板結構，係至少包括有：一陽極電極板，係具有以沖壓加工成型之氣體流道面，該氣體流道面係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氫氣流通之溝槽，該溝槽係由一氫氣入口端朝一氫氣出口端形成有一第一氣體流道、一第二氣體流道，以及複數條介於該第一氣體流道與該第二氣體流道間的第三氣體流道；其中該等第三氣體流道係縱向延伸一距離後，再縱向各分流出一第一子流道與一第二子流道，該第一子流道再縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第一孫流道與一第二孫流道，而該第二子流道係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第三孫流道與一第四孫流道，該第一孫流道與該第二孫流道係橫向往外數個彎曲後，再匯流成該第一子流道，該第三孫流道與該第四孫流道亦橫向往外數個彎曲後，再匯流成該第二子流道，該第一子流道與該第二子流道再匯流後，由該氫氣出口端流出；該第一氣體流道係縱向延伸整個氣體流道面，再橫向往外數個彎曲，匯流至鄰近該第三氣體流道之第一子流道後，由該氫氣出口端流出；該第二氣體流道係橫向延伸並分流出一第三子流道與一第四子流道，該第三子流道係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第五孫流道與 一第六孫流道，該第四子流道係橫向分流出一第七孫流道與一第八孫流道，該第五孫流道與該第六孫流道係橫向往外數個彎曲後，再匯流成該第三子流道，該第三子流道再匯流至鄰近該第三氣體流道之第二子流道後，由該氫氣出口端流出，該第七孫流道與該第八孫流道亦橫向往內數個彎曲後，再匯流成該第四子流道，該第四子流道係縱向延伸整個氣體流道面後，由該氫氣出口端流出，其中橫向分布之該等流道係呈箭簇形狀，而該等箭簇形狀之尖端係位於同一水平線上；以及一陰極電極板，係具有以沖壓加工成型之氣體流道面，該氣體流道面係具有對應相反凹陷與凸起交替之複數個提供氧氣流通之溝槽，該溝槽係由一氧氣入口端朝一氧氣出口端形成有一第四氣體流道、一第五氣體流道，以及複數條介於該第四氣體流道與該第五氣體流道間的第六氣體流道；其中該第四氣體流道係縱向延伸整個氣體流道面，再橫向延伸並分流出一第五子流道與一第六子流道，該第五子流道與該第六子流道橫向往外數個彎曲，匯流至該第四氣體流道後，由該氧氣出口端流出；該等第六氣體流道係縱向延伸一距離後，橫向分別流出一第七子流道與一第八子流道，該第七子流道與該第八子流道橫向往內數個彎曲，匯流至該第六氣體流道後，由該氧氣出口端流出；第五氣體流道係縱向延伸一距離後，再橫向經過數個彎曲，最 後縱向延伸整個氣體流道面，再由該氧氣出口端流出，其中橫向分布之該等流道係呈箭簇形狀，而箭簇形狀之尖端係位於同一水平線上；其中，該陽極電極板與該陰極電極板係反轉相對疊合，而互相貼合之陽極電極板的氣體流道面與陰極電極板的氣體流道面係形成供氣體流通之迴流凹槽，係為一氫氣流道及一氧氣流道，亦交錯形成複數個空缺，而該等空缺係形成供冷卻劑流通之冷卻劑流道。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該陽極電極板與該陰極電極板兩側端中央處係各分別設置有對應之冷卻劑進入歧道，以及冷卻劑流出歧道，該冷卻劑進入歧道與該冷卻劑流出歧道係與該等空缺連通。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該冷卻劑進入歧道，以及該冷卻劑流出歧道係進一步分別設有一冷卻劑入口支撐，以及一冷卻劑出口支撐。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該陽極電極板與該陰極電極板係由金屬材質所製成。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該金屬材質係為不鏽鋼。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該陽極電極板與該陰極電極板之板材厚度係介於0.1毫米~0.2毫米之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該第一氣體流道、該第二氣體流道，以及該等第三氣體流道係具有相同之總長度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該第四氣體流道、該第五氣體流道，以及該等第六氣體流道係具有相同之總長度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之具優化氣體流道之雙極板結構，其中該陽極電極板與該陰極電極板之一側係各進一步設置有一第一快速接頭與一第二快速接頭，以提供量測電壓與電流使用。
  10. 一種燃料電池，係由複數個燃料電池單元串接而成，其中該燃料電池單元係包括一習知之薄膜電極組、至少兩組以一陽極電極板與一陰極電極板反轉相對疊合之迴流凹槽雙極板，以及至少二個密封件，該薄膜電極組之二側係分別依序設置一個該密封件與一組該迴流凹槽雙極板，該陽極電極板與該陰極電極板係如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之具優化氣體流道之雙極板結構。
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