TWI721741B - 用於金屬燃料電池的集電板及包含其之金屬燃料電池電堆 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於金屬燃料電池的集電板及包含其之金屬燃料電池電堆。集電板具有結構面，而結構面包括氫氣入口及出口區、空氣入口及出口區、冷卻劑流通區及墊圈溝槽。墊圈溝槽至少沿著結構面的外圍設置並圍繞氫氣入口區及氫氣出口區，且墊圈溝槽中設置有光固化材料。本發明所提供的集電板除了通過特殊設計的墊圈溝槽及其中的光固化材料而能夠達到優良的密封效果，還特別包括冷卻劑流通區而提供金屬燃料電池電堆除了導通功能外的冷卻效果。

Description

用於金屬燃料電池的集電板及包含其之金屬燃料電池電堆

本發明是有關一種集電板及包含其之電池電堆，特別是有關於一種用於金屬燃料電池的集電板及包含其之金屬燃料電池電堆。

現有技術中，一般金屬燃料電池並無完善的堆疊的手法可以同時達到所欲的氣密以及導電效果。除此之外，如何減少燃料電池中產生之有關歐姆阻抗的問題也是現有技術中亟待解決的技術問題之一。舉例而言，現有技術中，為了增強金屬燃料電池電堆的密封性，可以增加用以提供密封(氣密)效果之墊圈(O-ring)之材料用量，然而，如此一來可能會造成過高的歐姆阻抗。

據此，在現有技術中，仍有需要提供一種用於金屬燃料電池的集電板及包含其之金屬燃料電池電堆，以解決前述技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種用於金屬燃料電池的集電板及包含其之金屬燃料電池電堆，其可以在達到優良的氣密效果的同時確保燃料電池電堆不會具有過高的歐姆阻抗，還能提供燃料電池電堆 除了導通之外的冷卻效果。

本發明之一實施例提供一種用於金屬燃料電池的集電板，其具有一結構面，所述結構面包括一氫氣入口區、一氫氣出口區、一空氣入口區、一空氣出口區、一冷卻劑流通區，以及一墊圈溝槽；其中，所述墊圈溝槽至少沿著於所述結構面的外圍設置，並圍繞所述氫氣入口區及所述氫氣出口區，且所述墊圈溝槽中設置有一光固化材料。

在一個較佳的實施例中，所述結構面具有一近似矩形的形狀。

在一個較佳的實施例中，用於金屬燃料電池的集電板為一陽極集電板。

在一個較佳的實施例中，所述墊圈溝槽進一步圍繞所述空氣入口區及所述空氣出口區。

在一個較佳的實施例中，所述氫氣入口區及所述氫氣出口區是分別設置於所述用於金屬燃料電池的集電板的兩個對角。

在一個較佳的實施例中，所述空氣入口區及所述空氣出口區是分別沿著所述用於金屬燃料電池的集電板的兩個相對的長邊設置，而所述氫氣入口區及所述氫氣出口區是分別設置於所述用於金屬燃料電池的集電板的兩個相對的短邊上。

在一個較佳的實施例中，所述冷卻劑流通區是位於所述氫氣入口區、所述氫氣出口區、所述空氣入口區及所述空氣出口區之間，且所述冷卻劑流通區是與所述氫氣入口區、所述氫氣出口區、所述空氣入口區及所述空氣出口區鄰接。

在一個較佳的實施例中，所述墊圈溝槽具有介於1毫米及3毫米之間的寬度及介於9毫米及11毫米之間的深度。

在一個較佳的實施例中，所述墊圈溝槽是凹設於所述冷卻劑流通區的外圍。

在一個較佳的實施例中，所述光固化材料的總高度為介於10毫米及12毫米之間。

在一個較佳的實施例中，所述光固化材料在70至80℃下具有介於20至25%之間的壓縮比且具有50至60之蕭氏A硬度，以及25度C及S1420rpm下介於31000至48000cps之間的黏度。

本發明之另一實施例提供一種金屬燃料電池電堆，其包括如前所述的用於金屬燃料電池的集電板做為一陽極集電板、一電芯以及一陰極集電板。

在一個較佳的實施例中，所述電芯包括一電芯陽極板、一邊框、一膜電極組及一墊芯陰極板，且所述電芯陽極板是與所述陽極集電板的所述結構面導通且與設置於所述墊圈溝槽中的所述光固化材料相互接觸而形成密封效果。

本發明的主要技術手段在於，本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板及包含其的金屬燃料電池電堆，是通過「墊圈溝槽至少沿著於結構面的外圍設置，並圍繞氫氣入口區及氫氣出口區，且墊圈溝槽中設置有光固化材料」之技術特徵，使得金屬燃料電池電堆能夠具有優良的氣密性、低歐姆阻抗，同時集電板除了能提供導通效果之外，還具有 冷卻的效果。

A‧‧‧陽極集電板

M‧‧‧電芯

M1‧‧‧電芯陽極板

M2‧‧‧邊框

M3‧‧‧電芯陰極板

M4‧‧‧電芯膜電極組

C‧‧‧陰極集電板

S‧‧‧結構面

1‧‧‧氫氣入口區

2‧‧‧氫氣出口區

3‧‧‧空氣入口區

4‧‧‧空氣出口區

5‧‧‧冷卻劑流通區

6‧‧‧墊圈溝槽

6’‧‧‧光固化材料

F1‧‧‧氫氣通道

圖1為本發明實施例所提供的金屬燃料電池電堆的爆炸示意圖；

圖2為本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板的立體示意圖；

圖3為本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板的上視示意圖；

圖4為本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板及光固化材料的上視示意圖；以及

圖5為沿圖1之B-B剖面線所得的局部剖面示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所揭露有關「用於金屬燃料電池的集電板及包含其之金屬燃料電池電堆」的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容瞭解本發明的優點與功效。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外，本發明的圖式僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸描繪，先予敘明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所揭示的內容並非用以限制本發明的技術範疇。

首先，請先參閱圖1。圖1為本發明實施例所提供的金屬燃料電池電堆的爆炸示意圖。如圖一所示，金屬燃料電池電堆包括陽極集電板A、電芯M及陰極集電板C。事實上，本發明實施例所提供的用於金屬燃料 電池的集電板A可以為圖1之金屬燃料電池電堆中的陽極集電板A。

接下來，請配合參閱圖2至圖4。圖2為本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板的立體示意圖，圖3為本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板的上視示意圖；而圖4為本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板及光固化材料的上視示意圖。

如圖2所示，本發明所提供的用於金屬燃料電池的集電板A具有結構面S。請參考圖1所示，由於集電板A是做為金屬燃料電池電堆的陽極板，其是位於金屬燃料電池電堆的最外側。在本發明的實施例中，集電板A的結構面S是位於金屬燃料電池電堆的內側的表面。如圖2至圖4所示，結構面S具有近似矩形的形狀。換句話說，結構面S大致上為具有兩個長邊及兩個短邊的矩形。在本發明的實施例中，用於金屬燃料電池的集電板A可以是由不鏽鋼，例如316不鏽鋼所製成。

承上所述，結構面S包括氫氣入口區1、氫氣出口區2、空氣入口區3、空氣出口區4、冷卻劑流通區5及墊圈溝槽6。墊圈溝槽6中設置有光固化材料6’。具體而言，墊圈溝槽6中設置的光固化材料6’可以是，舉例而言，UV(ultra-violet，紫外光)固化材料，其受到光照發生固化而形成提供密封性的墊圈。在本發明實施例中，通過針對墊圈溝槽6的位置進行設計，得以有效改良金屬燃料電池電堆的氣密性。因此，墊圈溝槽6是至少沿著於結構面S的外圍(周緣)設置，以提供整塊集電板A完整的氣密性。然而，僅在結構面S的外圍設置單圈的墊圈溝槽6所提供的氣密性可能仍有不足。

請參閱圖3，結構面S的各個區域是依照其等在集電板A及金屬燃料電池電堆整體中的功能進行定義與劃分。如圖所示，氫氣入口區1是 用以將氫氣引導進入金屬燃料電池電堆的通道入口的周邊區域，且是設置在集電板A的結構面S的其中一個角落。氫氣出口區2則是用以將氫氣引導離開金屬燃料電池電堆的通道出口的周邊區域，且是設置在集電板A的結構面S的另一個角落。在本發明的較佳實施例中，氫氣入口區1及氫氣出口區2是分別設置於用於金屬燃料電池的集電板A的兩個對角。

值得一提的是，在實際情形中，氫氣並非直接由圖中所標示的氫氣入口區1及氫氣出口區2流通，而是在金屬燃料電池電堆的電芯M中流通，但流通的位置最接近於集電板A的氫氣入口區1及氫氣出口區2。由於氫氣為可燃性氣體而具有危險性，集電板A的結構面S之氫氣入口區1及氫氣出口區2周圍的密封性(氣密性)需要經過特別強化。因此，在本發明實施例中，用以設置光固化材料6’的墊圈溝槽6是圍繞氫氣入口區1及氫氣出口區2。

如圖2及圖3所示，在氫氣入口區1及氫氣出口區2的周圍都至少有凹設於結構面S上的墊圈溝槽6，以在墊圈溝槽6中設置構成墊圈的光固化材料6。依據實際需求，甚至可以在氫氣入口區1及氫氣出口區2的周圍設置多於一圈的墊圈溝槽6。

承上所述，在用於金屬燃料電池的集電板A的結構面S上，空氣入口區3及空氣出口區4是分別沿著用於金屬燃料電池的集電板A的兩個相對的長邊設置。另外，由圖3及圖4中可知，氫氣入口區1及氫氣出口區2是分別設置於用於金屬燃料電池的集電板A的兩個相對的短邊上。類似地，由於空氣入口區3及空氣出口區4周圍同樣要供氣流流通，因此，在本發明較佳的實施例中，墊圈溝槽6是進一步圍繞空氣入口區3及空氣出口區4，使得通過固化光固化材料6’而形成的墊圈也圍繞於空氣入口區3及空氣出 口區4周圍，藉此強化氣密效果。

舉例而言，如圖3及圖4所示，在本發明的實施例中，氫氣入口區1、氫氣出口區2、空氣入口區3及空氣出口區4都各自由墊圈溝槽6圍繞。除此之外，在氫氣入口區1與空氣入口區3之間，以及在氫氣出口區2與空氣出口區4之間，都還設置有具有強化的墊圈溝槽6，以進一步強化氣密，性。

請同樣參閱圖3及圖4，本發明實施例所提供的用於金屬燃料電池的集電板A的結構面S還具有冷卻劑流通區5。由圖3可知，冷卻劑流通區5是位於氫氣入口區1、氫氣出口區2、空氣入口區3及空氣出口區4之間，且冷卻劑流通區5是與氫氣入口區1、氫氣出口區2、空氣入口區3及空氣出口區4鄰接。相較於現有技術的集電板，本發明實施例所提供的集電板A除了提供導通的功能，還進一步設計有冷卻劑流通區5，用以供冷卻劑於其中流通，藉此提供金屬燃料電池電堆冷卻的效果。舉例而言，冷卻劑可以是水。

詳細而言，在現有的集電板中，對應於本發明實施例，例如圖3所示的集電板A的冷卻劑流通區5的位置並未有空間讓冷卻劑流通，而是集電板A的材料是直接與電芯M中的陽極板接觸而進行導通。然而，本發明實施例是具有冷卻劑流通區5，且冷卻劑流通區5的外圍也是設置有墊圈溝槽6及設置於墊圈溝槽6中的光固化材料6’以提供氣密性。換句話說，在本發明的一個較佳實施例中，墊圈溝槽6也凹設於冷卻劑流通區5的外圍。

在本發明實施例中，墊圈溝槽6具有介於1毫米及3毫米(mm)之間的寬度及介於9毫米及11毫米之間的深度。另外，設置於墊圈溝槽6中 的光固化材料6’在固化後的總高度為介於10毫米及12毫米(mm)之間。本發明之發明人發現，將墊圈溝槽6控制於上述寬度範圍內，以及/或是將墊圈溝槽6中的光固化材料6’在固化後的高度控制於上述範圍內，可以達到最佳的氣密性。除此之外，在本發明的較佳實施例中，光固化材料為在70至80℃下具有介於20至25%之間的壓縮比且具有50至60之蕭氏A硬度(Shore A，採用ASTM D2240-03硬度劑量測)，以及25度C及S14 20rpm下介於31000至48000cps(Centipoise，厘泊)之間的黏度。

接下來，本發明還提供一種金屬燃料電池電堆。如先前圖1所示，金屬燃料電池電堆可以包括前述用於金屬燃料電池的集電板A做為陽極集電板、電芯以及陰極集電板。有關集電板A的詳細內容在此不再次敘述。

請參閱圖5。圖5為沿圖1之B-B剖面線所得的局部剖面示意圖。值得一提的是，雖然此處是以圖1之B-B剖面線來表示局部剖面示意圖觀察的方向，在圖5中，僅顯示金屬燃料電池電堆的陽極集電板A以及電芯M，而未顯示陰極集電板。

如圖5所示，電芯M包括電芯陽極板M1、邊框M2、膜電極組(Membrane electrode assembly，MEA)M4及墊芯陰極板M3，且電芯陽極板M1是與陽極集電板A的結構面S導通且與設置於墊圈溝槽6中的光固化材料6’相互接觸而形成密封效果。除此之外，電芯M中還包括位於電芯陽極板M1與邊框M2及膜電極組M4之間的氫氣通道F1。

[實施例的可行功效]

綜上所述，本發明的有益功效在於，本發明實施例所提供的 用於金屬燃料電池的集電板A及包含其的金屬燃料電池電堆，是通過「墊圈溝槽6至少沿著於結構面S的外圍設置，並圍繞氫氣入口區1及氫氣出口區2，且墊圈溝槽6中設置有光固化材料6’」之技術特徵，使得金屬燃料電池電堆能夠具有優良的氣密性、低歐姆阻抗，同時集電板A除了能提供導通效果之外，還能提供冷卻的功效。

詳細而言，相較於現有技術的集電板中僅以圍繞集電板表面的單圈墊圈的結構進行密封而容易有漏氣的問題，本發明實施例是針對集電板M的結構面S上接近氣流流通的區域進行墊圈結構的強化，即，設計多圈的墊圈溝槽6及設置於其中的光固化材料6’，來達到確保氣密性的效果。除此之外，本發明的一些較佳實施例中，還針對墊圈溝槽6的寬度、光固化材料6’的種類、光固化材料6’在固化後的高度等參數都進行調控，如此一來，可以在精確控制光固化材料6’的含量之下達到所欲的氣密效果，且可以避免金屬燃料電池電堆中的歐姆阻抗過高，進而提升金屬燃料電池電堆的性能。

雖然本發明之實施例係以上述較為詳細的方式揭示，所屬技術領域具有通常知識者可以了解本發明之各種修飾可以在不背離界定於所附之申請專利範圍中之本發明的範圍之下進行。因此，本發明之實例的進一步修飾將不會偏離本發明之技術。

A‧‧‧陽極集電板

1‧‧‧氫氣入口區

2‧‧‧氫氣出口區

3‧‧‧空氣入口區

4‧‧‧空氣出口區

5‧‧‧冷卻劑流通區

6’‧‧‧光固化材料

Claims (13)

1. 一種用於金屬燃料電池的集電板，其具有一結構面，所述結構面包括一氫氣入口區、一氫氣出口區、一空氣入口區、一空氣出口區、一冷卻劑流通區，以及一墊圈溝槽；其中，所述墊圈溝槽至少沿著於所述結構面的外圍設置，並圍繞所述氫氣入口區及所述氫氣出口區，且所述墊圈溝槽中設置有一光固化材料。
2. 如請求項1所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述結構面具有一近似矩形的形狀。
3. 如請求項1所述之用於金屬燃料電池的集電板，其為一陽極集電板。
4. 如請求項1所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述墊圈溝槽進一步圍繞所述空氣入口區及所述空氣出口區。
5. 如請求項2所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述氫氣入口區及所述氫氣出口區是分別設置於所述用於金屬燃料電池的集電板的兩個對角。
6. 如請求項2所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述空氣入口區及所述空氣出口區是分別沿著所述用於金屬燃料電池的集電板的兩個相對的長邊設置，而所述氫氣入口區及所述氫氣出口區是分別設置於所述用於金屬燃料電池的集電板的兩個相對的短邊上。
7. 如請求項6所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述冷卻劑流通區是位於所述氫氣入口區、所述氫氣出口區、所述空氣入口區及所述空氣出口區之間，且所述冷卻劑流通區是與所述氫氣入口區、所述氫氣出口區、所述空氣入口區及所述空氣出口區鄰接。
8. 如請求項1所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述墊圈溝槽具有介於1毫米及3毫米之間的寬度及介於9毫米及11毫米之間的深度。
9. 如請求項1所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述墊圈溝槽是凹設於所述冷卻劑流通區的外圍。
10. 如請求項1所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述光固化材料的總高度為介於10毫米及12毫米之間。
11. 如請求項1所述之用於金屬燃料電池的集電板，其中，所述光固化材料在70至80℃下具有介於20至25%之間的壓縮比且具有50至60之蕭氏A硬度，以及25度C及S14 20rpm下介於31000至48000cps之間的黏度。
12. 一種金屬燃料電池電堆，其包括如請求項1至12之任一項所述的用於金屬燃料電池的集電板做為一陽極集電板、一電芯以及一陰極集電板。
13. 如請求項12所述之金屬燃料電池電堆，其中，所述電芯包括一電芯陽極板、一邊框、一膜電極組及一墊芯陰極板，且所述電芯陽極板是與所述陽極集電板的所述結構面導通且與設置於所述墊圈溝槽中的所述光固化材料相互接觸而形成密封效果。

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