TWI686004B

TWI686004B - 燃料電池雙極板結構

Info

Publication number: TWI686004B
Application number: TW107126220A
Authority: TW
Inventors: 陳永松; 林派臣; 黃旭盛; 吳南億; 方俊昌; 吳晃熏
Original assignee: 國立中正大學
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-02-21
Also published as: TW202008636A

Abstract

本發明提供一種燃料電池雙極板結構，其包含金屬導電基板及高分子外框，金屬導電基板包含複數第一流道、複數第二流道及嵌合部，第一流道彼此平行且具有一第一流向；第二流道彼此平行且具有一第二流向；嵌合部位於金屬導電基板的第一基板側。高分子外框與金屬導電基板組合且包含卡槽、容置空間、入口、上流道、下流道及出口，卡槽供嵌合部氣密嵌合；容置空間供容置第一流道；入口供氫氣進入；上流道連通入口以導引氫氣進入容置空間；下流道連通容置空間；出口與下流道連通。藉此，可增加燃料電池雙極板結構的結構強度及氣密性。

Description

燃料電池雙極板結構

本發明是有關於一種燃料電池雙極板結構，且尤其是有關一種應用於開放式陰極的燃料電池雙極板結構。

燃料電池可將化學能轉換為電能，且產物為水，其具有零污染之優點，而被廣泛的應用於各領域中。

一般的燃料電池包含膜電極、雙極板及集電板，其中習用之雙極板可分為金屬雙極板及石墨雙極板，金屬雙極板強度較佳且導電性較好，但容易腐蝕，且單位密度較高、重量較重，故有應用上之限制。石墨雙極板具有抗腐蝕性佳及質量較輕等優點，但其製作成本高、材質易脆且難以加工，無法製作小型雙極板，因此在小型化和輕量化方面有很大瓶頸。此外，石墨基板容易因材料本身之特性造成脆裂，而有強度不足之缺點。

有業者發展出複合雙極板，其包含導電流道板、結合層及框體，導電流道板為石墨材質製成，框體由聚醯胺材質製成，透過熱壓可使導電流道板、結合層及框體結合。藉由框體保護導電流道板，而能避免其脆裂。然而，此種多層結合之複合雙極板具有氣密性不足之缺點。

有鑑於此，如何有效改善雙極板結構，使其具有重量輕、結構強度高及氣密性佳等優點，遂成相關業者努力的目標。

本發明提供一種燃料電池雙極板結構，透過高分子外框與金屬導電基板的結構配置，可以增加燃料電池雙極板結構的結構強度，同時能減輕重量並有助於氣密。

依據本發明之一態樣之一實施方式提供一種燃料電池雙極板結構，其包含一金屬導電基板及一高分子外框，金屬導電基板包含複數第一流道、複數第二流道及一嵌合部。複數第一流道位於金屬導電基板的一第一基板側，各第一流道彼此平行且具有一第一流向；複數第二流道位於金屬導電基板的一第二基板側，各第二流道彼此平行且具有一第二流向，各第二流向垂直各第一流向；嵌合部位於金屬導電基板的第一基板側。高分子外框與金屬導電基板組合且包含一卡槽、一容置空間、一入口、一上流道、一下流道及一出口，卡槽位於高分子外框朝向第一基板側的一第一側，卡槽供嵌合部氣密嵌合；容置空間供容置第一流道；入口供一氫氣進入；上流道連通入口以導引氫氣進入容置空間；下流道連通容置空間；出口與下流道連通。其中，氫氣由入口進入，沿上流道流入位於容置空間內的第一流道後，再沿下流道由出口離開。

藉此，金屬導電基板具有一定強度而能避免破裂，高分子外框有助於減輕燃料電池雙極板結構的重量，且透過嵌合部與卡槽的卡合，有助於組裝時的定位及氣密。

依據前述之燃料電池雙極板結構的複數實施例，其中高分子外框可具有彈性且由3D列印技術製成。或上流道及下流道可位於高分子外框的一第二側，第二側相反於第一側。

依據前述之燃料電池雙極板結構的複數實施例，其中嵌合部可呈一矩框結構且包圍第一流道。或高分子外框可更包含一凹接部及一開口，開口開設於凹接部以形成容置空間；其中，卡槽位於凹接部且呈一環槽結構包圍開口，卡槽與嵌合部嵌合以使金屬導電基板對應組設於凹接部。

依據本發明之一態樣之另一實施方式提供一種燃料電池雙極板結構，其由一金屬導電基板與一高分子外框組成，其中金屬導電基板包含複數第一流道、複數第二流道及一嵌合部。複數第一流道位於金屬導電基板的一第一基板側，各第一流道彼此平行且具有一第一流向；複數第二流道位於金屬導電基板的一第二基板側，各第二流道彼此平行且具有一第二流向，各第二流向垂直各第一流向；嵌合部位於金屬導電基板的第一基板側。高分子外框與金屬導電基板組合且包含一卡槽、一容置空間、一入口、一上流道、一下流道及一出口，卡槽位於高分子外框朝向第一基板側的一第一側，卡槽供嵌合部氣密嵌合；容置空間供容置第一流道；入口供一氫氣進入；上流道連通入口以導引氫氣進入容置空間；下流道連通容置空間；出口與下流道連通。其中，氫氣由入口進入，沿上流道流入位於容置空間內的第一流道後，再沿下流道由出口離開。

依據前述之燃料電池雙極板結構的複數實施例，其中嵌合部可呈一矩框結構且包圍第一流道。或高分子外框可包含一凹接部及一開口，開口開設於凹接部以形成容置空間；其中，卡槽位於凹接部且呈一環槽結構包圍開口，卡槽與嵌合部嵌合以使金屬導電基板對應組設於凹接部。

100‧‧‧燃料電池雙極板結構

200‧‧‧金屬導電基板

201‧‧‧第一基板側

202‧‧‧第二基板側

210‧‧‧第一流道

220‧‧‧第二流道

230‧‧‧嵌合部

240‧‧‧第一凸脊

250‧‧‧上基板部

260‧‧‧下基板部

270‧‧‧第二凸脊

300‧‧‧高分子外框

301‧‧‧第一側

302‧‧‧第二側

310‧‧‧卡槽

320‧‧‧容置空間

330‧‧‧入口

340‧‧‧上流道

350‧‧‧下流道

360‧‧‧出口

370‧‧‧凹接部

380‧‧‧開口

391‧‧‧上框部

392‧‧‧下框部

R1‧‧‧第一流向

R2‧‧‧第二流向

第1圖繪示依照本發明一實施例之一種燃料電池雙極板結構的一立體示意圖；第2圖繪示第1圖之燃料電池雙極板結構的另一立體示意圖；第3圖繪示第1圖之燃料電池雙極板結構的一爆炸示意圖；以及第4圖繪示第1圖之燃料電池雙極板結構的另一爆炸示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，閱讀者應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示；並且重複之元件將可能使用相同的編號或類似的編號表示。

此外，本文中當某一元件(或機構或模組等)「連接」、「設置」或「耦合」於另一元件，可指所述元件是直接連接、直接設置或直接耦合於另一元件，亦可指某一元件是間接連接、間接設置或間接耦合於另一元件，意即，有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而當有明示某一元件是「直接連接」、「直接設置」或「直接耦合」於另一元件時，才表示沒有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而第一、第二、第三等用語只是用來描述不同元件或成分，而對元件/成分本身並無限制，因此，第一元件/成分亦可改稱為第二元件/成分。且本文中之元件/成分/機構/模組之組合非此領域中之一般周知、常規或習知之組合，不能以元件/成分/機構/模組本身是否為習知，來判定其組合關係是否容易被技術領域中之通常知識者輕易完成。

請參閱第1圖、第2圖、第3圖及第4圖，其中第1圖繪示依照本發明一實施例之一種燃料電池雙極板結構 100的一立體示意圖，第2圖繪示第1圖之燃料電池雙極板結構100的另一立體示意圖，第3圖繪示第1圖之燃料電池雙極板結構100的一爆炸示意圖，第4圖繪示第1圖之燃料電池雙極板結構100的另一爆炸示意圖。燃料電池雙極板結構100包含一金屬導電基板200及一高分子外框300。

金屬導電基板200包含複數第一流道210、複數第二流道220及一嵌合部230，複數第一流道210位於金屬導電基板200的一第一基板側201，各第一流道210彼此平行且具有一第一流向R1；複數第二流道220位於金屬導電基板200的一第二基板側202，各第二流道220彼此平行且具有一第二流向R2，各第二流向R2垂直各第一流向R1；嵌合部230位於金屬導電基板200的第一基板側201。

高分子外框300與金屬導電基板200組合且包含一卡槽310、一容置空間320、一入口330、一上流道340、一下流道350及一出口360，卡槽310位於高分子外框300朝向第一基板側201的一第一側301，卡槽310供嵌合部230氣密嵌合；容置空間320供容置第一流道210；入口330供一氫氣進入；上流道340連通入口330以導引氫氣進入容置空間320；下流道350連通容置空間320；出口360與下流道350連通。其中，氫氣由入口330進入，沿上流道340流入位於容置空間320內的第一流道210後，再沿下流道350由出口360離開。

藉此，金屬導電基板200具有一定強度而能避免破裂，高分子外框300有助於減輕燃料電池雙極板結構 100的重量，且透過嵌合部230與卡槽310的卡合，有助於組裝時的定位及氣密。後面將詳述燃料電池雙極板結構100的細節。

金屬導電基板200可由鋁合金、鈦合金或不鏽鋼製成，而具有導電能力，金屬導電基板200的表面可再鍍有防腐蝕層，而能具有抗腐蝕的能力。金屬導電基板200呈矩板狀，且金屬導電基板200包含複數第一凸脊240位於第一基板側201，第一凸脊240間隔排列而形成位於二第一凸脊240間的第一流道210。另外，在第1圖至第4圖的實施例中，嵌合部230可呈一矩框結構且包圍第一流道210，而能更有利於組裝後的氣密。但在其他實施例中，嵌合部亦可以為其他形狀，不受上述揭露拘束。

金屬導電基板200包含複數第二凸脊270位於第二基板側202，第二凸脊270間隔排列而形成位於二第二凸脊270間的第二流道220。金屬導電基板200更可包含一上基板部250及一下基板部260，複數第二流道220間隔排列於上基板部250及下基板部260之間。

高分子外框300可具有彈性且由3D列印技術製成，藉此可以在高分子外框300製成時一併形成入口330、上流道340、出口360及下流道350，而高分子外框300的材料可為碳纖維複合材料。其中，在第1圖至第4圖的實施例中，上流道340及下流道350位於高分子外框300的一第二側302，第二側302相反於第一側301。在其他實施例中，上流道及下流道亦可位於高分子外框的內部，而與容置空間連通。

高分子外框300可更包含一凹接部370及一開口380，開口380開設於凹接部370以形成容置空間320；其中，卡槽310位於凹接部370且呈一環槽結構包圍開口380，卡槽310與嵌合部230嵌合以使金屬導電基板200對應組設於凹接部370。

更仔細的說，開口380貫穿高分子外框300的一厚度方向(未繪示)而能形成容置空間320。且高分子外框300更包含一上框部391及一下框部392，上框部391與下框部392之間形成相對凹陷之凹接部370。也就是說，上框部391與凹接部370之間具有段差，而下框部392與凹接部370之間亦具有段差。

金屬導電基板200的長度與凹接部370的長度相等，金屬導電基板200的寬度與凹接部370及高分子外框300的寬度相等。因此，當金屬導電基板200與高分子外框300組裝時，是讓金屬導電基板200的第一基板側201面對高分子外框300的第一側301，並讓金屬導電基板200對應凹接部370，透過嵌合部230卡合於卡槽310的關係，可以達成金屬導電基板200與高分子外框300的組設。

組裝後，上基板部250平整連接於上框部391，下基板部260平整連接於下框部392，且第一流道210位於容置空間320內供氫氣流過，第二流道220則可與外界環境相連通以供空氣流過，而可應用於陰極開放式燃料電池。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。