TWI648902B - 燃料電池堆單元 - Google Patents

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盧錫全
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

一種燃料電池堆單元，包含二雙極板及一層合體，每一雙極板包含一陽極側及一陰極側。該陽極側具有一組流體燃料進口流道、一組流體燃料出口流道及一流體燃料流場，該組流體燃料進口流道與該流體燃料流場連通處的流道橫截面積大於該組流體燃料出口流道與該流體燃料流場連通處的流道橫截面積，該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道為互相對應的直線型流道。該陰極側具有一組含氧流體進口流道、一組含氧流體出口流道及一含氧流體流場，該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道為互相對應的直線型流道。本發明可提高燃料電池堆單元的最大功率密度、燃料利用率及發電效率。

Description

燃料電池堆單元
本發明是有關於一種燃料電池堆(fuel cell stack)單元，特別是指一種包含流道橫截面積具有差異之雙極板(bipolar plate)的燃料電池堆單元。
燃料電池可將燃料中的化學能轉換成電能，無需充電或替換即可持續提供穩定電力，其中平板型固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)由於可簡單透過堆疊串接燃料電池堆單元而提高產出的電能，並具有長期穩定性及低成本的優點，所以在各應用領域受到青睞。
然而，在不變更燃料電池堆單元中雙極板的燃料流場(flow field)之結構設計的前提下，現有燃料電池堆單元的功率密度、燃料利用率、發電效率仍有提升空間。
因此，本發明之目的，即在提供一種燃料電池堆單元，可以克服上述先前技術的缺點。
於是，本發明燃料電池堆單元包含二雙極板及一層合體(laminate)。每一雙極板包含一陽極側及一與該陽極側相對設置的陰極側。該陽極側具有一組流體燃料進口流道(inlet channels)、一組流體燃料出口流道(outlet channels)及一連通該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道的流體燃料流場(flow field)，該組流體燃料進口流道與該流體燃料流場連通處的流道橫截面積大於該組流體燃料出口流道與該流體燃料流場連通處的流道橫截面積，該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道為互相對應的直線型流道。該陰極側具有一組含氧流體進口流道、一組含氧流體出口流道及一連接該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道的含氧流體流場，該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道為互相對應的直線型流道。該層合體設置於該二雙極板之間，包括：一與該流體燃料流場對應設置的陽極金屬網、一與該含氧流體流場對應設置的陰極金屬網及一設置於該陽極金屬網及該陰極金屬網之間的SOFC單元電池(SOFC single cell)，該陽極金屬網的邊界是由該SOFC單元電池、該流體燃料流場與一陽極密封區(sealing region)共同圍繞界定，該陰極金屬網的邊界是由該SOFC單元電池、該含氧流體流場與一陰極密封區共同圍繞界定。
本發明之功效在於：該燃料電池堆單元的雙極板可提升流體燃料的流動均勻性，提高燃料電池堆單元的最大功率密度、燃料利用率及發電效率。
以下將就本發明內容進行詳細說明：
在本發明燃料電池堆單元中，該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道為互相對應的直線型流道，該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道互相對應的直線型流道，以利控制流體流動方向且具有整流作用。較佳地，該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道分別位在該流體燃料流場的兩對邊，該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道分別位在該含氧流體流場的兩對邊。更佳地，該組流體燃料進口流道及該組流體燃料出口流道的延伸方向垂直於該組含氧流體進口流道及該組含氧流體出口流道的延伸方向。
較佳地，該流體燃料流場及該含氧流體流場分別具有一呈棋盤狀設置的凸柱陣列，以分別形成一呈網格狀的流道網。
較佳地，該陽極密封區及該陰極密封區的材料是選自於玻璃陶瓷(glass ceramics)、雲母或焊料合金(solder alloy)，以分別對該陽極金屬網及該陰極金屬網構成絕緣。
較佳地，該二雙極板的材料是不鏽鋼，例如但不限於、SUS 430、SUS 431、SUS 441、Crofer® 22。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
參閱圖1至圖3，本發明平板型固態氧化物燃料電池堆單元1之一第一實施例包含二雙極板2、一層合體3、一陽極分隔模組4及一陰極分隔模組5。
每一雙極板2包括一陽極側24及一與該陽極側24相對設置的陰極側25。
該陽極側24具有一組流體燃料進口流道241、一組流體燃料出口流道242(參閱圖7)及一連通該組流體燃料進口流道241與該組流體燃料出口流道242的流體燃料流場243(參閱圖7)。該組流體燃料進口流道241與該組流體燃料出口流道242為互相對應的直線型流道，且分別位在該流體燃料流場243的兩對邊。該流體燃料流場243具有一呈棋盤狀設置的陽極凸柱陣列248(參閱圖7)，以形成一呈網格狀的陽極流道網249(參閱圖7)。
該陰極側25具有一組含氧流體進口流道251、一組含氧流體出口流道252及一連接該組含氧流體進口流道251與該組含氧流體出口流道252的含氧流體流場253。該組含氧流體進口流道251與該組含氧流體出口流道252為互相對應的直線型流道，且分別位在該含氧流體流場253的兩對邊。該含氧流體流場253具有一呈棋盤狀設置的陰極凸柱陣列258(參閱圖6)，以形成一呈網格狀的陰極流道網259(參閱圖6)。
該組流體燃料進口流道241及該組流體燃料出口流道242的延伸方向垂直於該組含氧流體進口流道251及該組含氧流體出口流道252的延伸方向。
該層合體3設置於該二雙極板2之間，包括：一與該流體燃料流場243對應設置的陽極金屬網34、一與該含氧流體流場253對應設置的陰極金屬網35及一設置於該陽極金屬網34及該陰極金屬網35之間的SOFC單元電池(SOFC single cell) 33，該陽極金屬網34的邊界是由該SOFC單元電池33、該流體燃料流場243與一陽極密封區36共同圍繞界定，該陰極金屬網35的邊界是由該SOFC單元電池33、該含氧流體流場253與一陰極密封區37共同圍繞界定。
在該第一實施例中，該陽極密封區36及該陰極密封區37的材料皆為玻璃陶瓷，以分別對該陽極金屬網34及該陰極金屬網35構成絕緣。
參閱圖2至圖4，該陽極分隔模組4設置於該雙極板2的該陽極側24，可拆離地嵌設於該組流體燃料進口流道241及該組流體燃料出口流道242(參閱圖7)，並與該流體燃料流場243位在同一平面，以密封地分隔該組流體燃料進口流道241與該陽極密封區36，並密封地分隔該組流體燃料出口流道242與該陽極密封區36，以使該陽極密封區36在封裝該燃料電池堆單元1時得以均勻受力，不致隨著該組流體燃料進口流道241及該組流體燃料出口流道242而變形，且可避免該組流體燃料進口流道241及該組流體燃料出口流道242中的流體燃料與該陽極密封區36的材料發生作用或使其溶出。
參閱圖1至圖3，該陰極分隔模組5設置於該雙極板2的該陰極側25，可拆離地嵌設於該組含氧流體進口流道251及該組含氧流體出口流道252，並與該含氧流體流場253位在同一平面，以密封地分隔該組含氧流體進口流道251與該陰極密封區37，並密封地分隔該組含氧流體出口流道252與該陰極密封區37，以使該陰極密封區37在封裝該燃料電池堆單元1時得以均勻受力，不致隨著該組含氧流體進口流道251及該組含氧流體出口流道252而變形，且可避免該組含氧流體進口流道251及該組含氧流體出口流道252中的含氧流體與該陰極密封區37的材料發生作用或使其溶出。
在該第一實施例中，該組流體燃料進口流道241與該流體燃料流場243連通處的流道橫截面積(約為22.1 mm2 )大於該組流體燃料出口流道242與該流體燃料流場243連通處的流道橫截面積(約為13.26 mm2 )。
在該第一實施例中，該二雙極板2的材料為不鏽鋼，該陽極分隔模組4及該陰極分隔模組5各自為二片不鏽鋼片，可耐高溫且在高溫下具有良好導電性。
參閱圖5至圖7，以該燃料電池堆單元1進行發電時，一流體燃料由該組流體燃料進口流道241流入該流體燃料流場243，並藉由該陽極凸柱陣列248均勻分布，流經該陽極金屬網34，在該SOFC單元電池33發生氧化反應，剩餘的流體燃料由該組流體燃料出口流道242流出；同時，一含氧流體由該組含氧流體進口流道251流入該含氧流體流場253，並藉由該陰極凸柱陣列258均勻分布，流經該陰極金屬網35，在該SOFC單元電池33發生還原反應，剩餘的含氧流體由該組含氧流體出口流道252流出。
本發明燃料電池堆單元1之一第二實施例與該第一實施例相類似，差異之處在於在該第二實施例中，該組流體燃料進口流道241與該流體燃料流場243連通處的流道橫截面積等於該組流體燃料出口流道242與該流體燃料流場243連通處的流道橫截面積(皆約為22.1 mm2 )。
分別從該第一實施例及該第二實施例的燃料電池堆單元1 (單層)的該組流體燃料進口流道241通入氫氮混合氣(含3%水蒸氣)，並分別從該組含氧流體進口流道251通入乾燥空氣，進行100小時，使用電子負載(electronic load) [設定拉載電流(tensile load current)為32.4 A，操作電壓為0.6~0.7 V]測量最大功率密度(650℃)、燃料利用率及發電效率(測試溫度620℃)，結果分別如下表1所示。 【表1】
由上表1可以得知，該第一實施例的最大功率密度、燃料利用率及發電效率皆大於該第二實施例，顯示該第一實施例之流體燃料在其流體燃料流場243中的流動均勻性較佳。
綜上所述，本發明燃料電池堆單元1的雙極板2藉由該組流體燃料進口流道241與該流體燃料流場243連通處的流道橫截面積大於該組流體燃料出口流道242與該流體燃料流場243連通處的流道橫截面積，且該組流體燃料進口流道241與該組流體燃料出口流道242為互相對應的直線型流道，可提升流體燃料在流體燃料流場243中的流動均勻性，進而提高燃料電池堆單元1的最大功率密度、燃料利用率及發電效率，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧燃料電池堆單元
2‧‧‧雙極板
24‧‧‧陽極側
241‧‧‧流體燃料進口流道
242‧‧‧流體燃料出口流道
243‧‧‧流體燃料流場
248‧‧‧陽極凸柱陣列
249‧‧‧陽極流道網
25‧‧‧陰極側
251‧‧‧含氧流體進口流道
252‧‧‧含氧流體出口流道
253‧‧‧含氧流體流場
258‧‧‧陰極凸柱陣列
259‧‧‧陰極流道網
3‧‧‧層合體
33‧‧‧SOFC單元電池
34‧‧‧陽極金屬網
35‧‧‧陰極金屬網
36‧‧‧陽極密封區
37‧‧‧陰極密封區
4‧‧‧陽極分隔模組
5‧‧‧陰極分隔模組
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： ［圖1］是本發明燃料電池堆單元的一第一實施例的一立體圖； ［圖2］是該第一實施例的一立體分解示意圖； ［圖3］是該第一實施例的一雙極板、一陽極分隔模組及一陰極分隔模組的一立體分解圖； ［圖4］是沿著圖1中的線Ⅳ–Ⅳ所截取的剖視示意圖； ［圖5］是沿著圖1中的線Ⅴ–Ⅴ所截取的剖視示意圖； ［圖6］是該第一實施例的該雙極板、該陽極分隔模組及該陰極分隔模組的一俯視示意圖；及 ［圖7］是該第一實施例的該雙極板、該陽極分隔模組及該陰極分隔模組的一仰視示意圖。

Claims (6)

  1. 一種燃料電池堆單元，包含： 二雙極板，每一雙極板包括： 一陽極側，具有一組流體燃料進口流道、一組流體燃料出口流道及一連通該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道的流體燃料流場，該組流體燃料進口流道與該流體燃料流場連通處的流道橫截面積大於該組流體燃料出口流道與該流體燃料流場連通處的流道橫截面積，該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道為互相對應的直線型流道，及 一與該陽極側相對設置的陰極側，具有一組含氧流體進口流道、一組含氧流體出口流道及一連接該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道的含氧流體流場，該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道為互相對應的直線型流道；及 一層合體，設置於該二雙極板之間，包括：一與該流體燃料流場對應設置的陽極金屬網、一與該含氧流體流場對應設置的陰極金屬網及一設置於該陽極金屬網及該陰極金屬網之間的SOFC單元電池，該陽極金屬網的邊界是由該SOFC單元電池、該流體燃料流場與一陽極密封區共同圍繞界定，該陰極金屬網的邊界是由該SOFC單元電池、該含氧流體流場與一陰極密封區共同圍繞界定。
  2. 如請求項1所述的燃料電池堆單元，其中，該組流體燃料進口流道與該組流體燃料出口流道分別位在該流體燃料流場的兩對邊，該組含氧流體進口流道與該組含氧流體出口流道分別位在該含氧流體流場的兩對邊。
  3. 如請求項2所述的燃料電池堆單元，其中，該組流體燃料進口流道及該組流體燃料出口流道的延伸方向垂直於該組含氧流體進口流道及該組含氧流體出口流道的延伸方向。
  4. 如請求項1所述的燃料電池堆單元，其中，該流體燃料流場及該含氧流體流場分別具有一呈棋盤狀設置的凸柱陣列，以分別形成一呈網格狀的流道網。
  5. 如請求項1所述的燃料電池堆單元，其中，該陽極密封區及該陰極密封區的材料是選自於玻璃陶瓷、雲母或焊料合金。
  6. 如請求項1所述的燃料電池堆單元，其中，該二雙極板的材料是不鏽鋼。
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