TWI649919B - 燃料電池單元與燃料電池堆 - Google Patents

Abstract

一種燃料電池單元與燃料電池堆，其中燃料電池單元包括陰極導流板、陽極導流板、膜電極組、陰極氣密墊片以及陽極氣密墊片。陰極導流板包括複數溝槽，陽極導流板包括流道部。陰極氣密墊片位於陰極導流板與膜電極組之間，以便於各溝槽與膜電極組間形成陰極氣體密封層。陽極氣密墊片位於陽極導流板與膜電極組之間，以便於流道部與膜電極組間形成陽極氣體密封層。

Description

燃料電池單元與燃料電池堆

本發明係關於一種燃料電池單元與燃料電池堆，特別是一種具有陰極導流板、陽極導流板、膜電極組、陰極氣密墊片以及陽極氣密墊片供燃料電池單元運作時所需之反應氣體通過之燃料電池單元與燃料電池堆。

目前用於燃料電池堆之陽極/陰極導流板在使用上容易發生與膜電極組接不良，應力分配不均的情況，若要克服此問題，需施加壓力於燃料電池堆上，容易造成燃料電池堆之組件材料損害，若不施壓足夠壓力，容易造成陽極/陰極導流板與膜電極組接觸面積不夠，發電效率不彰的情況發生，故有改進之必要。

本發明之主要目的係在提供一種具有陰極導流板、陽極導流板、膜電極組、陰極氣密墊片以及陽極氣密墊片供燃料電池單元運作時所需之反應氣體通過之燃料電池單元。

本發明之另一主要目的係在提供一種具有陰極導流板、陽極導流板、膜電極組、陰極氣密墊片以及陽極氣密墊片供燃料電池單元運作時所需之反應氣體通過之燃料電池堆。

為達成上述之目的，本發明之一種燃料電池單元包括陰極導流板、陽極導流板、膜電極組、陰極氣密墊片以及陽極氣密墊片。陰極導流板包括複數溝槽，各溝槽供陰極反應氣體通過。陽極導流板包括流道部，流道部供陽極反應氣體通過。陰極氣密墊片位於陰極導流板與膜電極組之間，形成陰極導流板與膜電極組間的陰極氣體密封層，防止陰極反應氣體洩漏於外界或陽極流道區。陽極氣密墊片位於陽極導流板與膜電極組之間，形成陽極導流板與膜電極組間的陽極氣體密封層，防止陽極反應氣體洩漏於外界或陰極流道區。

本發明另提供一種燃料電池堆，包括複數如前述之燃料電池單元，其中各燃料電池單元係沿垂直方向堆疊。

藉由上述設計，本發明之陰極氣密墊片以及陽極氣密墊片能分隔燃料電池單元運作的陽極反應氣體與陰極反應氣體，並且藉由陰極導流板與陽極導流板收集電流，同時因為利用複數溝槽與流道部的設計，可確保將複數燃料電池單元組裝成燃料電池堆時，陰極導流板與陽極導流板的受力能均勻分布，不損害燃料電池堆之組件材料，且陰極導流板與膜電極組、陽極導流板與膜電極組接觸面積一致的效果，不僅能降低陰極導流板與陰極氣體密封層之接觸阻抗，並提升本發明之燃料電池壽命與性能。

為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。以下請一併參考圖1至圖3關於本發明之燃料電池單元之一實施例之示意圖、結構爆炸示意圖以及側視圖。

如圖1與圖2所示，根據本發明之一實施例，本發明之燃料電池單元1包括陰極導流板10、陽極導流板20、膜電極組30、陰極氣密墊片40以及陽極氣密墊片50，其中各元件係沿垂直方向堆疊。陰極導流板10以及陽極導流板20由金屬或金屬複合材料製成，陰極導流板10包括複數溝槽11，陽極導流板20包括流道部21。陰極氣體密封層S1位於陰極導流板10與膜電極組30間，陰極氣體密封層S1以及陰極導流板10上之各溝槽11可供陰極反應氣體(空氣)通過。陽極氣體密封層位於陽極導流板20與膜電極組30間，陽極氣體密封層以及陽極導流板20之流道部21可供陽極反應氣體(氫氣)通過。根據本發明之一具體實施例，複數燃料電池單元1沿垂直方向堆疊可形成一燃料電池堆。

如圖2所示，根據本發明之一實施例，本發明之燃料電池單元1更包括膜電極組承載部60用以承載膜電極組30，當燃料電池單元1運作時，利用膜電極組承載部60分隔燃料電池單元1運作所需之陰極反應氣體(空氣)與陽極反應氣體(氫氣)由膜電極組30上下兩側接觸膜電極組30，且膜電極組承載部60之相對兩面分別接觸陰極氣密墊片40以及陽極氣密墊片50，以防止陰極反應氣體(空氣)與陽極反應氣體(氫氣)外漏。

以下請繼續參考圖1與圖2，並一起參考圖4、圖5A、圖5B以及圖6與圖7，其中圖4係本發明之陰極導流板之第一實施例之示意圖、圖5A係本發明之陰極導流板之側視圖、圖5B係圖4A之B處的局部放大圖、圖6係本發明之陰極導流板之第二實施例之局部放大圖以及圖7係本發明之陰極導流板之第三實施例之局部放大圖。

如圖4、圖5A與圖5B所示，在本實施例中，陰極導流板10之各溝槽11皆包括散熱部111、反應部112以及側壁113，且散熱部111位於相鄰之兩反應部112之間，且各散熱部111與各反應部112利用側壁113彼此相連，以形成U型之溝槽結構。當燃料電池單元1運作時，如圖1、圖4與圖5A所示，陰極導流板10之各反應部112接觸膜電極組30。如圖4所示，當燃料電池單元1運作時，U型之溝槽結構可供陰極反應氣體：空氣通過，再利用陰極導流板10將膜電極組30與陰極反應氣體產生的電化學反應所生成的電導出。

如圖1、圖4、圖5A與圖5B所示，在本實施例中，為確保陰極導流板10與膜電極組30的接觸面積，複數溝槽11的垂直高度均相同以控制組裝後各反應部112的水平度，讓各第一接觸面1121及第二接觸面1122等所有陰極接觸面均勻接觸膜電極組30，藉此降低陰極導流板10與陰極氣體密封層S1間之接觸阻抗，進而避免使燃料電池單元1的反應效率下降，進而影響燃料電池堆整體發電效率的情況。同時也提升燃料電池單元1壽命與性能。

在本實施例中，以單一燃料電池單元1為例，如圖1、圖4與圖5B所示，反應部112包括第一接觸面1121以及第二接觸面1122，第一接觸面1121接觸陰極導流板10下方之膜電極組30，當燃料電池單元1運作時，膜電極組30與陰極反應氣體產生的電化學反應所生成的會先累積於第一接觸面1121兩側的膜電極組30上，再藉由側壁113之開孔1132將水氣w排至相鄰之第二接觸面1122，以維持燃料電池單元1的發電效率。

如圖1、圖4、圖5A與圖5B所示，為確保各反應部112具有最佳水平度，側壁113更設有微型槽1131，藉此消除本發明之陰極導流板10製造時複數溝槽11垂直高度的公差，以藉此達到當複數燃料電池單元1沿垂直方向堆疊時，各個陰極導流板10之反應部112能均勻地接觸膜電極組30，且燃料電池堆內各陰極導流板10與各膜電極組30間壓合平整，讓燃料電池堆整體發電效率穩定。在此須注意的是，微型槽1131的設置位置、尺寸與數目，不以本實施例為限，微型槽1131的設置只要達到確保各反應部112具有相同的水平度即可。此外，開孔1132的其他實施例開孔1132a、1132b如圖6與圖7所示，微型槽1131與開孔1132的形式、尺寸與分布位置，排列密度等特徵可有多種變化型，不已前述該些實施例為限。

以下請繼續參考圖1與圖2，並一起參考圖8與圖9，其中圖8係本發明之陽極導流板之示意圖，圖9係圖8之C處的局部放大圖。

如圖1、圖8與圖9所示，陽極導流板20包括流道部21、兩氣體導入孔22與複數分隔件23，其中兩氣體導入孔22分別設置於流道部21的兩端，用以將陽極反應氣體導入流道部21。如圖8所示，在本實施例中，流道部21包括第一端211、第二端212以及複數流道213，其中複數流道213位於第一端211與第二端212之間，陽極反應氣體係由氣體導入孔22導入複數流道213，同時各流道213位於相鄰之兩分隔件23之間。各分隔件23包括側邊231、頂面232、微型槽233以及導電部234，其中導電部234位於頂面232，微型槽233位於側邊231，藉以控制各導電部234的水平度。

如圖9所示，當燃料電池單元1運作時，複數流道213可供陽極反應氣體：氫氣通過，再利用陽極導流板20上之導電部234將膜電極組30與陽極反應氣體產生的電化學反應所生成的電導出。

如圖9所示，在本實施例中，為確保陽極導流板20與膜電極組30的接觸面積，導電部234的垂直高度均相同以控制組裝後各的水平度，讓導電部234之所有接觸面均勻接觸膜電極組30，藉此降陽極導流板20與陽極氣體密封層間之接觸阻抗，進而避免使燃料電池單元1的反應效率下降，進而影響燃料電池堆整體發電效率的情況。同時也提升燃料電池單元1壽命與性能。

如圖9所示，為確保各導電部234具有最佳水平度，利用微型槽233消除本發明之陽極導流板20製造時分隔件23之垂直高度的公差，以藉此達到當複數燃料電池單元1沿垂直方向堆疊時，各個陽極導流板20之導電部234能均勻地接觸膜電極組30，且燃料電池堆內各陽極導流板20與各膜電極組30間壓合平整，讓燃料電池堆整體發電效率穩定。在此須注意的是，微型槽233的設置位置、尺寸與數目，不以本實施例為限，微型槽233的設置只要達到確保各導電部234具有相同的水平度即可。微型槽233的形式、尺寸與分布位置，排列密度等特徵可有多種變化型，不已前述該些實施例為限。

藉由上述設計，因為利用陰極導流板10與陽極導流板20的設計，可確保將複數燃料電池單元1組裝成燃料電池堆時，各個陰極導流板10與各個陽極導流板20能均勻受力，不須施加過多壓力，也就不會損害燃料電池堆之組件材料，且因為本發明之陰極導流板10/陽極導流板20能分別達到與陰極氣體密封層S1/陽極氣體密封層接觸面積一致的效果，不僅能降低陰極導流板10與陰極氣體密封層S1以及陽極導流板20與陽極氣體密封層之接觸阻抗，並提升燃料電池單元1之壽命與性能。

需注意的是，上述僅為實施例，而非限制於實施例。譬如 此不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準。

燃料電池單元1 陰極導流板10、10a、10b 複數溝槽11 散熱部111 反應部112 第一接觸面1121 第二接觸面1122 側壁113 微型槽1131、233 開孔1132、1132a、1132b 陽極導流板20 流道部21 第一端211 第二端212 流道213 氣體導入孔22 膜電極組30 陰極氣密墊片40 陽極氣密墊片50 膜電極組承載部60 陰極氣體密封層S1 導電部234 側邊231 頂面232 微型槽233

圖1係本發明之燃料電池單元之一實施例之示意圖。 圖2係本發明之燃料電池單元之結構爆炸示意圖。 圖3係本發明之燃料電池單元之側視圖。 圖4係本發明之陰極導流板之第一實施例之示意圖。 圖5A係本發明之陰極導流板之側視圖。 圖5B係圖4A之B處的局部放大圖。 圖6係本發明之陰極導流板之第二實施例之局部放大圖。 圖7係本發明之陰極導流板之第三實施例之局部放大圖。 圖8係本發明之陽極導流板之示意圖。 圖9係圖8之C處的局部放大圖。

Claims (12)

1. 一種燃料電池單元，包括：一陰極導流板，包括複數溝槽，各該溝槽供一陰極反應氣體通過，各該溝槽皆包括一反應部；一陽極導流板，包括一流道部，該流道部供一陽極反應氣體通過；一膜電極組，其中各該反應部接觸該膜電極組；以及一陰極氣密墊片，位於該陰極導流板與該膜電極組之間，以便於各該溝槽與該膜電極組間形成一陰極氣體密封層；一陽極氣密墊片，位於該陽極導流板與該膜電極組之間，以便於該流道部與該膜電極組間形成一陽極氣體密封層，以防止該陰極反應氣體及/或該陽極反應氣體外漏。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池單元，各該溝槽皆包括一散熱部。
3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池單元，各該溝槽皆包括一側壁，該散熱部位於相鄰之兩該反應部之間，且各該散熱部與各該反應部利用該側壁彼此相連，以形成一U型之溝槽結構。
4. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池單元，各該溝槽皆包括一側壁，且該側壁設有至少一開孔，以排出該燃料電池單元運作時反應生成的水氣。
5. 如申請專利範圍第4項所述之燃料電池單元，各該反應部包括一第一接觸面以及一第二接觸面，其中該第一接觸面接觸該膜電極組，該燃料電池單元運作時反應生成的水氣得沿該第二接觸面擴散，以減少液態水的機率。
6. 如申請專利範圍第4項所述之金屬導流板，各該側壁設有一微型槽，以控制各該反應部的水平度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池單元，該燃料電池單元包括一膜電極組承載部，用以承載該膜電極組，且該膜電極組承載部之相對兩面分別接觸該陰極氣密墊片以及該陽極氣密墊片。
8. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池單元，該陽極導流板包括兩氣體導入孔，用以將該陽極反應氣體導入該流道部。
9. 如申請專利範圍第8項所述之燃料電池單元，該流道部包括一第一端、一第二端以及一複數流道，其中該複數流道位於該第一端與該第二端之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之金屬導流板，該陽極導流板包括複數分隔件，各該流道位於相鄰之兩該分隔件之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池單元，各該分隔件皆包括一側邊、一頂面、一微型槽以及一導電部，其中該導電部位於該頂面，該微型槽位於該側邊，藉以控制各該導電部的水平度。
12. 一種燃料電池堆，包括：複數如申請專利範圍第1項至第11項任一項所述之燃料電池單元，其中各該燃料電池單元係沿垂直方向堆疊。