TWI699037B - 電極分隔板結構及其應用之燃料電池 - Google Patents

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Abstract

一種電極分隔板結構，包括一導電阻氣層和一導電多孔結構，其中導電阻氣層具有一容置空間和至少一組出入口，至少該組出入口係具有通路且分別與該容置空間連通；導電多孔結構設置於容置空間內，且導電多孔結構係與至少該組出入口連通並形成反應氣體流動通路，其中導電多孔結構包括複數個孔洞疊置成至少兩層孔洞層，兩層孔洞層係沿著垂直於導電多孔結構延伸之一平面的方向上錯位地疊置。

Description

電極分隔板結構及其應用之燃料電池
本揭露是有關於一種電極分隔板結構，且特別是有關於一種應用於燃料電池之一種電極分隔板結構。
燃料電池(Fuel Cell)是一種透過電化學反應，在需要電能時將燃料的化學能轉化成電能的裝置。主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能。目前最常見的燃料為氫氣，其他燃料來源來自於任何的能分解出氫氣的碳氫化合物，例如天然氣、醇、和甲烷等。燃料電池的優點在於只要持續穩定地供應氧和燃料來源，即可不間斷的提供穩定電能，而不像一般電池一樣用完就丟棄，且其燃料來源皆可取自於可再生來源，不會造成環境污染，因此燃料電池是一種合乎環保概念的綠色能源。
燃料電池的運作原理基本上大致相同，包含陽極、陰極以及讓電荷通過電池兩極的電解質，電子由陽極傳至陰極產生直流電，以形成完整的電路。基於不同電解質的使用以及電池大小，而可將燃料電池區分為許多不同種類。再者，由於單一顆電池只能輸出相對較小的電壓，大約0.7V，因此燃料電池多以串連多個或一組單電池的方式製造，以增加電壓，配合應用需求。
燃料電池中，質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，其運作溫度相對低溫(約50℃ 至 100℃)與常壓運作的特性，加上以高分子質子交換膜為傳導媒介，沒有任何化學液體，發電後產生純水和熱，因此對人體無化學危險、對環境無害，適合應用在日常生活，例如被發展為可應用於日常運輸動力、現場設備、或攜帶式等電池裝置。
質子交換膜燃料電池的原理是，首先氫分子經由陽極端流場板的氣體導流槽進入電池組，經擴散層到陽極觸媒反應層，經陽極觸媒作用氧化為氫離子（也就是質子），與釋出電子，此化學反應過程稱為陽極半反應(如下)。
陽極半反應：H 2à 2H ++ 2e -
然後氫離子受電滲透力驅策，伴隨數個水分子，經由交換膜輸送至另一端的陰極觸媒反應層。接著游離的電子經導電板收集，因電位差的原故，通過連接在導電板上的電路，流向陰極的導電板，變成電流產生電力，電子最後會由陰極導電板送到陰極觸媒反應層。 最後氫離子、電子、加上由陰極流場板輸送來空氣中的氧氣，匯集在陰極觸媒反應層，經陰極觸媒催化而產生水，這化學反應過程稱為陰極半反應(如下)。
陰極半反應：1/2 O 2+ 2H ++ 2e -à H 2O
總反應可表示為：
H 2+ 1/2 O 2à H 2O 。
然而，上述反應產生的水若無法快速排除，會影響質子交換膜燃料電池的電化學反應，而限制了燃料電池的放電性能。
本揭露係有關於一種電極分隔板結構及其應用之燃料電池。
根據一實施例，係提出一種電極分隔板結構，包括一導電阻氣層和一導電多孔結構。導電阻氣層具有一容置空間和至少一組出入口，至少該組出入口係具有通路且分別與該容置空間連通。導電多孔結構設置於容置空間內，且導電多孔結構係與至少該組出入口連通並形成反應氣體流動通路，其中導電多孔結構包括複數個孔洞疊置成至少兩層孔洞層，兩層孔洞層係沿著垂直於導電多孔結構延伸平面上的方向錯位地疊置。
根據一實施例，提出一種燃料電池，其包括一陽極分隔板、一陰極分隔板和一膜電極組(Membrane Electrode Assembly，MEA)設置於陽極分隔板與陰極分隔板之間，其中陰極分隔板包括如上述之電極分隔板結構。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
在此揭露內容之實施例中，係提出一種電極分隔板結構及其應用之燃料電池。實施例所提出之電極分隔板結構可應用於燃料電池例如質子交換膜燃料電池(PEMFC)之陰極，以改善燃料電池陰極的反應物質傳(mass transfer)與質子交換膜水管理(water management)對電化學反應的侷限。實施例中，係以導電多孔結構取代傳統燃料電池雙極板上特別是陰極側的肋-通道結構，以形成反應氣體分布的流道。應用實施例之電極分隔板結構，可以增進陰極氧氣交換率、和移除陰極反應產生於流道內的液態水以避免淹水(flooding)情況產生。相較於傳統蜿蜒流道結構，應用實施例之電極分隔板結構確實可以提升電流密度，改善燃料電池之電化學反應。
以下係提出相關實施例，配合圖示以詳細說明本揭露所提出之電極分隔板結構及其應用之燃料電池。文中係以燃料電池的基本單元-單電池做示例說明，亦即兩個電極分隔板之間設置一膜電極組(Membrane Electrode Assembly，MEA)，而由多個基本單元組裝起來就構成一個電池組，若再將電池組集合起來即構成一燃料電池發電裝置。
再者，如實施例中所提出之敘述，如各結構之細節與排列設置以及可應用之製作方式等等，僅為舉例說明之用，本揭露欲保護之範圍並非僅限於所述之態樣，未於本揭露提出的其他實施態樣也可能可以應用。因此，本揭露並非顯示出所有可能的實施例，相關領域者可在不脫離本揭露之精神和範圍內對實施例之結構和製程加以變化與修飾，以符合實際應用所需。再者，實施例中所提出之實驗與其結果僅為本揭露之其中幾組示例之內容，以利清楚例示依實施例所製得之電極分隔板結構的特性與效果，該些示例內容並非用以限制本揭露之保護範圍。因此，說明書和圖示內容僅作敘述實施例之用，而非作為限縮本揭露保護範圍之用。
再者，說明書與請求項中所使用的序數例如”第一”、”第二”、”第三”等之用詞，是為了修飾請求項之元件，其本身並不意含及代表該請求元件有任何之前的序數，也不代表某一請求元件與另一請求元件的順序、或是製造方法上的順序，該些序數的使用僅用來使具有某命名的一請求元件得以和另一具有相同命名的請求元件能作出清楚區分。再者，說明書與請求項中可能使用的空間相關之用詞，例如”之下”(beneath)”、“下方,”(below)、“較低的”(lower)、 ”之上” 、“上方”(above)、“較高的”(upper) 或類似詞語，是用來便於敘述和參照如圖示所繪製之其中一元素或特徵與另一元素或特徵之間的空間關係。因此具通常知識者可知，該些空間相關之用詞除了包括如圖所示之元件方位，更包括了元件於使用或操作時不同於圖示的方位。因此，說明書與請求項中所使用的該些用詞僅用以敘述實施例之用，而非用以限制本揭露保護範圍之用。
第1圖為應用為本揭露一實施例之電極分隔板結構的一種燃料電池之單電池示意圖。如第1圖所示，一燃料電池之單電池係包括一陽極分隔板(anode bipolar plate)AN、一陰極分隔板(cathode bipolar plate)CA和一膜電極組MEA設置於陽極分隔板AN與陰極分隔板CA之間。陽極分隔板AN和陰極分隔板CA即構成雙極板(又稱分隔板)。以一質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，陽極、質子交換膜、和陰極結合成三明治結構的單一元件稱為膜電極組MEA，­燃料電池主要的電化學反應都發生在此。而陽極和陰極各包括氣體擴散層(讓反應氣體均勻擴散進入觸媒層)和觸媒層(催化電化學反應的進行)。質子交換膜則是一種固態高分子聚合物，內部為網狀結構，提供原子級(atomic scale)的離子通道，其作用包括隔離反應物，以避免兩極氣體互混而造成電池短路效能降低；作為離子導體，傳導陽極生成的H+離子透過電解質到達陰極，完成反應；並且為電子絕緣體，避免電子直接通過電解質到達陰極而造成短路。而構成雙極板的陰極分隔板CA和陽極分隔板AN是分別位於陰極與陽極外側之組件，可提供良好的氣密性，以分隔氧化劑與還原劑，並且蒐集產生之電流；以及藉由內部流場通道將反應氣體均勻地輸送至電極(傳統多以帶有如平行流道或蛇狀流道的氣體流動通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板)。實施例之電極分隔板結構則應用於雙極板之結構中，例如作為如第1圖所示之陰極分隔板CA之結構。於一示例中，一陰極分隔板CA之結構係包括一導電阻氣層20和一導電多孔結構30。
第2A圖為本揭露一實施例中一種電極分隔板結構示意圖。於一實施例中，電極分隔板結構包括一導電阻氣層20和一導電多孔結構30。導電阻氣層20例如是包括一本體(body)21和一容置空間(e.g. 皿狀區)，此容置空間係提供一空間以設置導電多孔結構30。如第2A圖所示，導電阻氣層20具有一容置空間22和至少一組出入口(例如由一或多個入口231和一或多個出口232所組成並設置於本體21處)，此組出入口係具有通路且分別與容置空間22相連。如第2A圖所示，入口231和出口232例如分別與容置空間22之相對兩側邊221S、222S相連，以與設置於容置空間22的導電多孔結構30連通，而形成反應氣體流動通路。
實施例之導電阻氣層30例如是以可隔阻氣體穿透之導電材料製成，其上以任意加工方式形成一皿狀擺放區。導電阻氣層30的材質例如是由鈦或不銹鋼或其他可應用之金屬材質所製成。當然，實施例中並不僅限於使用一組出入口，出入口的設置位置亦可選擇容置空間22的任兩側邊。
第2B圖為本揭露一實施例中電極分隔板結構的另一種導電阻氣層之示意圖。實施例之另一種導電阻氣層20可包括多組出入口與容置空間22相連，且這些出入口各具有通路以與容置空間22的導電多孔結構連通，而形成反應氣體流動通路。如第2B圖所示，多組出入口例如是由多個入口231a~231g和多個出口232a~232g所組成，此組出入口係具有通路且分別與容置空間22之相對兩側邊223S、224S相連，以與設置於容置空間22的導電多孔結構30連通。因此，與容置空間22連通的出入口在位置上、數量上以及尺寸上可任意設計，只要可達成分佈反應氣體的需求即屬本揭露之應用。
第3A圖為本揭露一實施例中電極分隔板結構的一種導電多孔結構之立體示意圖。第3B圖為第3A圖之導電多孔結構的部分孔洞之上視圖。請同時參照第2A、3A、3B圖。於一實施例中，電極分隔板結構之一導電多孔結構30係包括複數個孔洞，且導電多孔結構30係在第一方向DN1(例如X方向)和第二方向DN2(例如Y方向)構成之平面(例如X-Y平面)上延伸。若應用實施例於如第1圖所示之單電池中，則導電多孔結構30的延伸平面係平行於膜電極組MEA的平面上。實施例中，導電多孔結構30的此些孔洞係週期性地重複排列而形成一陣列，如第3A圖所示。再者，根據孔洞所在的位置，可將該些孔洞區分為至少兩層孔洞層，且此兩層孔洞層係沿著垂直於導電多孔結構30之延伸平面(例如X-Y平面)的方向上(例如沿著圖示中的第三方向DN3例如Z方向)錯位地疊置。於一示例中，容置空間22之延伸平面係平行於導電多孔結構30之延伸平面，此時兩層或更多層孔洞層亦可視為沿著垂直於容置空間22之延伸平面的方向上錯位地疊置。此示例中，第三方向DN3係分別垂直於第一方向DN1和第二方向DN2。其中導電多孔結構30之上下層孔洞係彼此連通，以形成反應氣體流動通路。因此，位於不同層之孔洞的錯位排列使一氣流於垂直於導電多孔結構30之延伸平面上的方向(例如圖示中的Z方向)上穿越流動。若應用實施例之電極分隔板結構於如第1圖所示的燃料電池之陰極分隔板CA時，氣流可透過不同層之孔洞的錯位排列而於垂直於反應面上的方向上穿越流動，可改善反應進行時之陰極側的氧氣交換速率和產物水的移除。其中發生電化學反應的膜電極組MEA，其反應面例如是平行於第3A圖中導電多孔結構30所延伸的X-Y平面。
如第3A、3B圖所示，根據孔洞所在的位置，係將此些孔洞區分為至少兩層孔洞層，導電多孔結構30例如包括了一第一孔洞層310和一第二孔洞層320。第一孔洞層310具有多個第一孔洞310h， 這些第一孔洞310h係週期性地重複排列於平行於導電多孔結構30延伸的平面(例如X-Y平面)上而形成一陣列。同樣地，第二孔洞層320具有多個第二孔洞320h週期性地重複排列於平行於導電多孔結構30延伸的平面上而形成一陣列。而且，在垂直於導電多孔結構延伸之平面(例如X-Y平面)的方向(例如圖示中的Z方向)上，位於不同層之孔洞的形狀中心係相互錯位。於一實施例中，對於位在不同層之部分重疊而相互連通的兩個孔洞而言，其中心錯位距離為d，若此兩個孔洞其中一者具有最大徑向距離D(例如直徑D)，則0.5D £ d ＜D。
第3C圖為第3A圖之導電多孔結構中相鄰的一組上下層孔洞之剖面示意圖。若示例之第一孔洞310h和第二孔洞320h是圓形形狀，則其直徑可視為孔洞的最大徑向距離。如第3C圖所示，位於不同層的第一孔洞310h和第二孔洞320h分別具有第一直徑D1和第二直徑D2，而第一孔洞310h和第二孔洞320h兩者的中心錯位距離為d，則0.5D1 £ d ＜D1，和/或0.5D2 £ d ＜D2。
再者，於一實施例中，導電多孔結構30之孔隙率係在30%-80%之範圍。於一示例中，導電多孔結構30之孔洞的平均孔徑係在0.1mm至1.0mm之範圍。於一示例中，位在同一層最接近的兩個孔洞(例如兩相鄰之第一孔洞310h或第二孔洞320h)的排列間距例如約0.5mm至3mm之範圍。於一示例中，導電多孔結構30之各層(例如第一孔洞層310或第二孔洞層320)厚度例如約0.05mm至0.6mm之範圍。當然，前述該些數值僅為示例之用，並非限制本揭露可應用之範圍。
值得注意的是，實施例之層疊的兩層(甚至更多層)孔洞層中，不同層孔洞的形狀可以相同或不相同，同一層孔洞的形狀也可以相同或不相同；並且，不同層孔洞的尺寸可以相同或相異，同一層孔洞的尺寸也可以相同或相異。於此示例中，如第3A-3C圖所示，第一孔洞310h和第二孔洞320h皆是圓形，且D1＝D2。但實際應用中，本揭露對此並不多做限制。
再者，實施例中，導電多孔結構30的材質可以是一體成形的單一構件，亦可為兩件或兩件以上構件之組合件。如第3D圖所示，其為第3A圖之導電多孔結構中上下兩層部分孔洞之剖面示意圖。第3D圖係繪示兩個獨立的結構件(第一孔洞層310和形第二孔洞層320)組合而形成如第3A圖所示之導電多孔結構30。
第4A圖係繪示氣流於一燃料電池之陰極結構中流動之微觀示意圖。第4B圖為第4A圖之局部放大圖。第4A、4B圖係繪示一燃料電池之陰極側的質子交換膜(proton exchange membrane)M、陰極觸媒層(catalyst layer)C CL、陰極微孔層(micro porous layer)C MPL和陰極氣體擴散層(gas diffusion layer Layer)C GDL。另外，燃料電池還有陽極側(未繪示)，例如包括陽極觸媒層、陽極微孔層和陽極氣體擴散層等設置於質子交換膜M的另一側。其電化學反應機制為氫氣由陽極擴散層進入觸媒層，經由觸媒之催化產生質子(H+)及電子(e−)，H+通過質子交換膜M至陰極觸媒層C CL，同時電子(e−)則由外部線路到達陰極觸媒層，此時H+和e−與經由陰極氣體擴散層C GDL至陰極觸媒層C CL之氧氣，進行電化學催化反應而產生水。而氣流在穿越不規則狹縫時產生的紊流(如第4B圖所示之F V)使得垂直於氣體擴散層C GDL之方向(例如Z方向)的流動向量增加，促進了氧氣交換與產物水的移除。若使用如實施例之導電多孔結構30於陰極，則氣流在穿越複雜的三維陰極流道結構下，例如穿越錯位排列的不同層之孔洞時，局部產生紊流的區域變多，擴散效應在高雷諾數流動時的修正效用變得明顯，可以有效改善氧氣交換率並移除產物水，避免陰極流道有淹水(flooding)情況產生。
除了如上述第3A圖所示之導電多孔結構30，實施例還包括了許多可應用之導電多孔結構的態樣，包括孔洞的形狀與排列設置方式，可依照實際應用條件而做適當排列與變化。本揭露對此並不多做限制。以下係列舉其中四種不同應用態樣的導電多孔結構做示例說明。
第5A-5D圖為本揭露實施例之電極分隔板結構中四種不同應用態樣的導電多孔結構之局部示意圖。其中導電多孔結構之該些孔洞的形狀例如是圓形、橢圓形、多邊形或任意形狀的其中一種形狀或不同形狀之組合。如第5A-5D圖所示，導電多孔結構51/53/55/57例如包括了第一孔洞層510/530/550/570和第二孔洞層520/540/560/580，第一孔洞層510/530/550/570和第二孔洞層520/540/560/580分別具有多個第一孔洞510h/530h /550h/570h和第二孔洞520h/540h/560h/580h，週期性地重複排列於平行於導電多孔結構延伸的平面上(例如X-Y平面)，且在垂直於導電多孔結構延伸平面的方向(例如Z方向)上，位於不同層之孔洞的形狀中心係相互錯位。由外觀上可根據孔洞所在位置而明顯定義出導電多孔結構的分層，而可視為多層疊積之結構。再者，所有孔洞之間皆有連通路徑彼此相連，並可導引氣流在垂直於導電多孔結構延伸平面之軸向上(例如Z方向)穿越流動。
再者，導電多孔結構中不同層孔洞的形狀可以相同或不相同。例如第5A、5B圖所示，導電多孔結構51/53之上層的第一孔洞510h/530h和下層的第二孔洞520h/540h，其形狀皆為圓形。而如第5C、5D圖所示，導電多孔結構55/57之下層的第二孔洞560h/580h其形狀為圓形，而上層的第一孔洞550h/570h形狀則分別為菱形和六邊形。再者，實施例之導電多孔結構中，上視時上層的一個孔洞係暴露出下層至少兩個相鄰孔洞的各一部份，因此透過上層的孔洞所暴露出下層兩個甚至更多個相鄰孔洞的部分面積，氣流除了透過不同層之孔洞的錯位排列而於垂直於導電多孔結構之延伸平面上的方向(例如圖示中的Z方向)上穿越流動，更可以增加氣流在橫向上(例如圖示中X-Y平面上的多個方向)之流動通路。如第5B圖所示，位於上層的一個第一孔洞530h係暴露出位於下層之兩個相鄰第二孔洞540h的各一部份，以導引氣流可以上下垂直穿越流動，並使氣流可透過上層孔洞暴露出下層兩個或更多個相鄰孔洞的部分面積而沿著導電多孔結構延伸平面流動。又，如第5A、5C、5D圖所示，位於上層的一個第一孔洞510h/550h/570h係暴露出位於下層之三個相鄰的第二孔洞520h/560/580的各一部份，以導引氣流可以上下垂直穿越並可沿著導電多孔結構延伸平面流動。
因此，於示例中，可應用之孔洞形狀例如是圓形、橢圓形、多邊形、或一任意形狀。其中多邊形例如是三角形、四邊形、五邊形、六邊形…等等。其中四邊形包括了正方形、長方形、菱形、梯形等至少一組對邊平行的四邊形。孔洞的形狀可以是各邊邊長相等，且各內角相等的正多邊形，包括正三角形、正四邊形、正五邊形、正六邊形…等等。或者，各個孔洞的形狀不侷限於上述幾何定義的形狀，而可以是某一或多種任意形狀。因此，於一示例中，導電多孔結構所包括的該些孔洞，其形狀可以是一或多種前述幾何定義形狀之組合(例如圓形、橢圓形、多邊形)、或是一或多種任意形狀之組合、或是一或多種非任意形狀與任意形狀之組合。若導電多孔結構所包括的孔洞為圓形，則前述之最大徑向距離可為圓形孔洞之直徑；若導電多孔結構所包括的孔洞非圓形，則前述之最大徑向距離則可定義為孔洞的最大長度或最大寬度，而不同層但連通的孔洞其形狀對稱中心仍相互錯位。再者，導電多孔性結構的材質例如是由鈦或不銹鋼或其他可應用之金屬材質所製成。
另外，導電多孔結構中孔洞之最大徑向距離，例如以第5A圖所示之第一孔洞510h之第一直徑D1表示，而其孔洞大小可以相同或相異，其平均孔徑範圍例如約0.1mm至1.0mm，而排列間距n1或n2例如約0.5mm-3mm。再者，如第5B圖所示，各層孔洞間錯位距離d之範圍為
Figure 02_image001
(D為孔洞直徑)。再者，導電多孔結構中各孔洞分層之厚度，例如第5B圖所示之厚度t1和t2，係(不限制地)分別約 0.05mm-0.6mm。
另外，導電多孔結構的孔洞例如可由車銑、沖壓、蝕刻、編織、放電加工、壓延擴張其中之一種方式製造。第6A圖係以壓延擴張、蝕刻而形成導電多孔結構之孔洞示意圖，其中孔洞係為菱形或六角形；第6B圖係以編織方式形成導電多孔結構之孔洞示意圖，其中孔洞係為矩形；第6C圖係以沖壓、車銑而形成導電多孔結構之孔洞示意圖，其中孔洞係為圓形。依製造方式不同，孔洞幾何外型會有所變化。
承前述，於實際製作時，如第3A、5A-5D圖所示之導電多孔結構30若為單一結構件，其製造方式可能為雙面蝕刻、車銑、積層加工或其他可應用之方式。導電多孔結構30若為多個結構件組合而成，考慮其機械強度及導電性，組合方式可能為熔接、壓合、燒結或其他可應用之方式。當然，本揭露對於導電多孔結構30/51/53/55/57的製造方式並不多做限制。關於實施例中導電多孔材之立體結構，熟悉機械加工方式之技藝者可根據實際應用所需要之孔洞形狀或排列方式，而由現有加工方式選擇適當方法以製造或結合而成。因此實施例提出之導電多孔結構30/51/53/55/57使設計變得更具有彈性，相較於習知之複雜結構，實施例無須受限於昂貴模具之使用以及設計變更費用。
應用實施例之電極分隔板結構於燃料電池之陰極分隔板，可以提高電流密度，改善燃料電池之電化學反應。第7A-7C圖係提出傳統和實施例之單電池結構於三組不同入口條件下的操作電壓和電流密度之結果。第7A圖中，陽極入口溫度/操作溫度/陰極入口溫度為63°C/66°C/60°C；第7B圖中，陽極入口溫度/操作溫度/陰極入口溫度為60°C/66°C/65°C；第7C圖中，陽極入口溫度/操作溫度/陰極入口溫度為60°C/66°C/50°C。再者，第7A-7C圖中，曲線P E代表傳統單電池結構(e.g.以帶有蜿蜒流道的氣體流動通道為電極分隔板(雙極板)結構的傳統單電池結構為對照組)中其操作電壓和電流密度之實驗數值曲線；曲線P S代表傳統單電池結構(e.g.習知蜿蜒流道)中其操作電壓和電流密度之模擬數值曲線；曲線E代表實施例之單電池結構中其操作電壓和電流密度之模擬數值曲線。
如第7A-7C圖所示，根據曲線P E(習知蜿蜒流道-實驗值)和曲線P S(習知蜿蜒流道-模擬值)的兩曲線斜率，可清楚得知，模擬結果在定量上雖然需要修正，但是在定性上的趨勢是與實驗值一致的，由此可驗證模擬數值模型具有良好可靠度。比較第7A-7C圖中曲線E(實施例之模擬值)和曲線P S(習知蜿蜒流道-模擬值)，於相同的操作電壓下實施例之結構係可產生較高的電流密度。因此相較於習知蜿蜒流道結構，在常用的單電池操作電壓例如0.7V -0.5V/cell區間，實施例提出之電極分隔板結構確實可以提高電流密度，改善燃料電池之電化學反應。
再者，本揭露亦對於作為流道之實施例的導電多孔結構於不同材料參數及操作條件下進行單電池電化學模擬實驗。例如觀察導電多孔結構之孔隙率與電流密度之間的關係，以及陰極入口濕度是否影響放電反應。當然，以下實驗內容及測試結果僅為舉例說明之用，並非用以限制本揭露之應用範圍。
第8圖為操作電壓為0.4V/cell和0.6V/cell時，變化實施例之導電多孔結構的孔隙率對於電流密度之影響進行模擬實驗之結果。其模擬結果顯示，孔隙率增加時對電流密度值有改善的效果，亦即放電電流隨孔隙率上升而增加。但是電流密度約在孔隙率70-80%處呈現飽和。因此實施例之導電多孔結構的孔隙率在30%-80%之範圍時係呈現一較佳操作區間。再者，如第8圖之結果，當操作電壓為0.6V/cell時，孔隙率＞50%之後，其對於電流密度之改善效果有收斂的狀況；而在0.4V/cell的操作電壓下，增加孔隙率造成電流密度的改善更為明顯。當然文中所提出之電壓值及孔隙率僅為一示例之用，並非用以限制使用本發明結構時對於可應用電壓及孔隙率之範圍。
第9A、9B圖分別為實施例之導電多孔結構和傳統蜿蜒流道結構於不同的陰極入口相對溼度下對於電流密度之模擬實驗結果。其模擬結果顯示，陰極入口的相對溼度對於實施例之導電多孔結構所產生的電流密度值的影響相當小。對於傳統蜿蜒流道結構(第9B圖)，相對溼度自45%提高至75%時，電流密度值的變化增加約1.5％。而對於實施例之導電多孔結構(第9A圖)，相對溼度自45%提高至75%時，電流密度值的變化僅增加約0.6％。因此，根據模擬結果，實施例之導電多孔結構的放電反應對於陰極入口相對溼度的變化比起傳統蜿蜒流道結構更加地不敏感，陰極入口濕度並不影響實施例結構之放電反應，對於應用實施例結構之單電池的內部質傳管理上有正面的效果。當然，如圖中所示之數值(包括電流密度值與相對溼度)僅為其中一示例之數值，該些內容並不限制使用本發明結構時對於可能產生的電流密度值與相對溼度之範圍。
雖然上述實施例中所提出之電極分隔板結構係以應用於燃料電池的陰極分隔板CA為例做說明，但本揭露並不特別限制於陰極分隔板之應用。於實際應用時，燃料電池的陽極分隔板AN可以是傳統的平行流道或蛇狀流道之結構，也可以應用如上述實施例所提出之電極分隔板結構。本揭露對於燃料電池之雙極板的陽極分隔板結構類型並不多做限制。
根據上述實施例提出之一種電極分隔板結構，包括一導電阻氣層和一導電多孔結構設置於導電阻氣層的容置空間內。實施例之電極分隔板結構可應用於燃料電池之陰極，可增進陰極氧氣交換率、和移除陰極反應產生於流道內的液態水以避免淹水情況產生。相較於傳統蜿蜒流道結構，實施例之電極分隔板結構可以增進陰極的反應物質傳、改善質子交換膜水管理對電化學反應的侷限，因而提升電流密度，改善應用之燃料電池的電化學反應。
如上述結構或實驗內容，是用以敘述本揭露之部分實施例或應用例，本揭露並不限制於上述結構與應用態樣。再者，示例之結構可根據實際應用之需求而調整。因此例示數值與實驗結果圖僅為舉例說明之用，而非限制之用。通常知識者當知，應用本揭露之相關結構與細節等，都可能以依實際應用樣態所需而可能有相應的調整和變化。
綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
AN：陽極分隔板 CA：陰極分隔板 MEA：膜電極組 20、20’：導電阻氣層 21：本體 22：容置空間 221S、222S、223S、224S：側邊 231、231a~231g：入口 232、232a~232g：出口 30、51、53、55、57：導電多孔結構 310、510、530、550、570：第一孔洞層 310h、510h、530h、550h、570h：第一孔洞 320、520、540、560、580：第二孔洞層 320h、520h、540h、560h、580h：第二孔洞 d：中心錯位距離 n1、n2：排列間距 D：最大徑向距離 D1：第一直徑 D2：第二直徑 M：質子交換膜 C CL：陰極觸媒層 C MPL：陰極微孔層 C GDL：陰極氣體擴散層 t1、t2：厚度 DN1：第一方向 DN2：第二方向 DN3：第三方向
第1圖為應用為本揭露一實施例之電極分隔板結構的一種燃料電池之單電池示意圖。 第2A圖為本揭露一實施例中一種電極分隔板結構示意圖。 第2B圖為本揭露一實施例中電極分隔板結構的另一種導電阻氣層之示意圖。 第3A圖為本揭露一實施例中電極分隔板結構的一種導電多孔結構之立體示意圖。 第3B圖為第3A圖之導電多孔結構的部分孔洞之上視圖。 第3C圖為第3A圖之導電多孔結構中相鄰的一組上下層孔洞之剖面示意圖。 第3D圖為第3A圖之導電多孔結構中上下兩層部分孔洞之剖面示意圖。 第4A圖係繪示氣流於一燃料電池之陰極結構中流動之微觀示意圖。 第4B圖為第4A圖之局部放大圖。 第5A-5D圖為本揭露實施例之電極分隔板結構中四種不同應用態樣的導電多孔結構之局部示意圖。 第6A-6C圖係以不同製造方式形成導電多孔結構之孔洞示意圖。 第7A-7C圖係提出傳統和實施例之單電池結構於三組不同入口條件下的操作電壓和電流密度之結果。 第8圖為操作電壓為0.4V/cell和0.6V/cell時，變化實施例之導電多孔結構的孔隙率對於電流密度之影響進行模擬實驗之結果。 第9A、9B圖分別為實施例之導電多孔結構和傳統蜿蜒流道結構於不同的陰極入口相對溼度下對於電流密度之模擬實驗結果。
20：導電阻氣層 21：本體 22：容置空間 221S、222S：側邊 231：入口 232：出口 30：導電多孔結構 DN1：第一方向 DN2：第二方向 DN3：第三方向

Claims (10)

  1. 一種電極分隔板結構，包括： 一導電阻氣層，具有一容置空間和至少一組出入口，至少該組出入口係具有通路且分別與該容置空間連通；和 一導電多孔結構，設置於該容置空間內，該導電多孔結構係與至少該組出入口連通並形成反應氣體流動通路，其中該導電多孔結構包括複數個孔洞疊置成至少兩層孔洞層，該至少兩層孔洞層係沿著垂直於該導電多孔結構延伸之一平面的方向上錯位地疊置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中該導電阻氣層包括複數組出入口，該些組出入口具有複數組通路以分別與該容置空間連通。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中位於不同層之最接近的兩該些孔洞，其中心錯位距離為d，兩該些孔洞其中一者具有最大徑向距離D，0.5D £ d ＜D。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中該至少兩層孔洞層係平行於該導電多孔結構延伸之該平面，該些孔洞係週期性重複排列而形成一陣列。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中該至少兩層孔洞層之該些孔洞係彼此連通。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中該導電多孔結構之孔隙率係介於30%-80%之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中該導電多孔結構之該些孔洞的平均孔徑係介於0.1mm-1.0mm之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中該導電多孔結構之該些孔洞的形狀為圓形、橢圓形、多邊形或任意形狀的其中一種形狀或形狀組合。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電極分隔板結構，其中該導電多孔結構係由至少兩組件接合而成。
  10. 一種燃料電池，包括一陽極分隔板、一陰極分隔板和一膜電極組設置於該陽極分隔板與該陰極分隔板之間，其中該陰極分隔板包括如申請專利範圍第1～9項任一項所述之電極分隔板結構。
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