TWI755327B - 燃料電池雙極流道板與燃料電池電堆 - Google Patents

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Abstract

一種燃料電池雙極流道板與燃料電池電堆，所述雙極流道板包括第一氣體流道與第二氣體流道。每個氣體流道具有數條子流道，每條子流道都具有數個彎折部，且相鄰子流道的流向是相反的。兩個氣體流道的子流道在雙極流道板的反應區域內構成一幸運草狀（four-leaf clover type）圖案，其中所述幸運草狀圖案中的每個彎折部的彎折角度都在90度以內，以大幅降低燃料電池的流場壓力和阻力，可以提升電池的效能。

Description

燃料電池雙極流道板與燃料電池電堆
本發明是有關於一種燃料電池設計，且特別是有關於一種燃料電池雙極流道板與燃料電池電堆。
燃料電池是目前備受矚目的再生能源之一，但在將電池面積放大的過程會造成氣體濃度不均、電池內部流體阻力過大等問題，導致燃料電池的發電效能和使用的持久性降低。
上述問題主要是因為雙極板的流道設計引起的。雙極板是氣體輸入的通道，在燃料電池的應用上，雙極板所提供的燃料流場會因為燃料電池面積的放大、隨著燃料的反應造成進口端與出口端以及整體流場的濃度差異。而因為雙極板面積的放大，流道的長度也會增加，進而增加了流場的流體阻力。因此需要更多外加的幫浦來提供進出口的壓力差和提高流體速度來克服流阻，增加額外的耗能。
本發明提供一種燃料電池雙極流道板，以降低流場的壓力差、減少流阻，進而降低了整個流場的濃度差異，可以使燃料電池的反應更均勻，提高效能也提高使用壽命。
本發明的燃料電池雙極流道板，具有一反應區域，所述雙極流道板包括第一氣體流道與第二氣體流道。所述第一氣體流道具有數條第一子流道，每條第一子流道連通一第一出口與一第一進口，且每條第一子流道具有數個第一彎折部。所述第二氣體流道具有數條第二子流道，每條第二子流道連接一第二出口與一第二進口，其中每條第二子流道具有數個第二彎折部，且第二子流道與第一子流道交替設置。每條第二子流道的流向與相鄰的第一子流道的流向是相反的，且第一與第二子流道在所述反應區域內構成一幸運草狀（four-leaf clover type）圖案。所述幸運草狀圖案中的每個第一彎折部與每個第二彎折部的彎折角度都在90度以內。
在本發明的一實施例中，上述第一進口與上述第二出口可設置在雙極流道板的第一側，上述第二進口與上述第一出口可設置在雙極流道板的第二側，所述第一側與所述第二側是相對側。
在本發明的一實施例中，以上述反應區域的面積為100%，反應區域內的第一子流道與第二子流道的總面積佔比例如在40%~60%之間。
在本發明的一實施例中，上述每條第一子流道的寬度例如在0.5cm~1.5cm之間。
在本發明的一實施例中，上述每條第二子流道的寬度例如在0.5cm~1.5cm之間。
在本發明的一實施例中，上述雙極流道板還可包括一第一連通道，連接每個第一進口。
在本發明的一實施例中，上述雙極流道板還可包括一第二連通道，連接每個第二進口。
本發明的燃料電池電堆，包含上述燃料電池雙極流道板。
在本發明的另一實施例中，上述燃料電池雙極流道板的材料例如碳材或金屬。
基於上述，本發明以對向流道供應燃料電池所需燃料，降低電池內燃料的濃度差異；並通過幸運草狀圖案的子流道設計，而降低整體氣體流道的流阻、壓降和流速，進而增加燃料電池的持久性和效能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下將參考圖式來描述本發明的例示性實施例，但本發明還可採用多種不同形式來實施，且不應解釋為限於下文所述的實施例。而在圖式中，為了清楚起見，各區域、部位及流道的大小與寬度可不按實際比例繪製，且為了方便理解，下述說明中相同的元件將使用相同的符號標示。
圖1是依照本發明的一實施例的一種燃料電池雙極流道板的平面示意圖。
請參照圖1，本實施例的燃料電池雙極流道板100具有一反應區域102，並且包括第一氣體流道（channel）110與第二氣體流道120。第一氣體流道110具有數條第一子流道116，每條第一子流道116連通一第一出口114與一第一進口112，且每條第一子流道116具有數個第一彎折部118，例如具有8個以上的第一彎折部118；但本發明並不限於此，第一彎折部118的數量可根據第一子流道116的設計而有增減。第二氣體流道120同樣具有數條第二子流道126，每條第二子流道126連接一第二出口122與一第二進口124，其中每條第二子流道126具有數個第二彎折部128，例如具有8個以上的第二彎折部128；但本發明並不限於此，第二彎折部128的數量可根據第二子流道126的設計而有增減。而且，第二子流道126與第一子流道116交替設置，使得每條第二子流道126的流向與相鄰的第一子流道116的流向是相反的；也就是說，每條第一子流道116的流向同樣與相鄰的第二子流道126的流向是相反的。第二子流道126與第一子流道116在反應區域102內會構成一幸運草狀（four-leaf clover type）圖案130，其中幸運草狀圖案130中的每個第一彎折部118的彎折角度θ與每個第二彎折部128的彎折角度θ都在90度以內。文中的「彎折角度」是指每一個彎折部的上游流道到下游流道所改變的方向的夾角。
由於本實施例中交替設置的第一子流道116的流向與相鄰的第二子流道126的流向是相反的，所以能降低電池內燃料的濃度差異；並通過幸運草狀圖案130中不超過90度的彎折角度θ設計，而降低第一氣體流道110與第二氣體流道120的流阻、壓降和流速，因此預期能增加使用這種雙極流道板的燃料電池的持久性和效能。
在圖1，所述第一進口114與所述第二出口122是設置在雙極流道板100的第一側100a，所述第二進口124與所述第一出口112是設置在雙極流道板100的第二側100b，且第一側100a與第二側100b是相對側，因此有利於氣體流動。而且，圖1還顯示一第一連通道113，連接每個所述第一進口114，其立體圖如圖2所示。
圖2是一部分流道的立體示意圖，其中顯示的是流道位置並非雙極流道板，亦即經由第一燃料輸入管200進入的氣體燃料會先抵達第一連通道113，以使氣體燃料的濃度更為均勻，再從而且第一進口114分別進入每一條第一子流道116。而從第二子流道126傳輸到第二出口122的分別離開雙極流道板抵達第二燃料輸出管202。同理，連接每個第二進口124的第二連通道123也具有使氣體燃料的濃度更為均勻的效果。然而，本發明並不限於此；在一實施例中，可在第一氣體流道110與第二氣體流道120的所有進口與出口都設置連通道；在另一實施例中，在第一氣體流道110與第二氣體流道120的所有進口與出口都不設置連通道。
請繼續參照圖1，以反應區域102的面積為100%，所述反應區域102內的第一子流道116與第二子流道126的總面積佔比例如在40%~60%之間，較佳是45%~55%之間；譬如在單一條(子)流道與流道牆（land）的比例為1:1且彎折部的外側有適當導角(如導角半徑接近流道寬度)時，第一子流道116與第二子流道126的總面積佔比約50%。在一實施例中，每條第一子流道116的寬度w1約在0.5cm~1.5cm之間；每條第二子流道126的寬度w2約在0.5cm~1.5cm之間；然而本發明並不限於此，寬度w1與w2可能更小或更大。
圖3是依照本發明的另一實施例的一種燃料電池電堆的剖面示意圖，其中使用與上一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述實施例的相關說明，不再贅述。
請參照圖3，本實施例的燃料電池電堆300可包括上述的燃料電池雙極流道板100，其材料可選自碳材（如石墨或碳複材）或金屬（例如不銹鋼）。而在燃料電池電堆300裡通常包含介於雙極流道板100之間的膜電極組302加上端板304，並配合設置第一燃料輸入管200、第二燃料輸出管202、第一燃料輸出管306以及第二燃料輸入管308；然而本發明並不限於此，燃料電池電堆300的細部構造可根據需求並配合縣有技術作變更，譬如在膜電極組302與雙極流道板100之間增設氣體擴散層(未繪示)。
以下列舉實驗來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。
〈實驗例〉
製作一個如圖1的雙極流道板，其面積為5cm × 5cm。
然後將雙極流道板組成單一燃料電池，其中燃料流量設為300 sccm並測量其效能，結果顯示於圖5。
〈比較例〉
製作一個如圖4的蛇紋形流道板400，其整體尺寸(與反應區域)的大小與實驗例一樣，但採用蛇紋形流道402，且只有單側進口404與單側出口406，所以蛇紋形流道402內的氣體流向是單一流向。
然後與實驗例一樣將雙極流道板組成單一燃料電池，其中燃料流量設為300 sccm並測量其效能，並將結果顯示於圖5。
從圖5可得到，實驗例的電壓與功率均優於比較例，所以可證明本發明確實能增加燃料電池的效能。
〈模擬實驗例〉
對一個如圖1的雙極流道板進行壓力場和流速場的模擬，結果顯示於圖6和圖7。
〈模擬比較例〉
對一個人字型流道板進行流速場和壓力場的模擬，結果顯示於圖8和圖9。
從圖7和圖8可以看出，幸運草狀流道板的最高流速比人字型流道板來得低，使燃料在流道內有更多的反應時間可以擴散到膜電極組，使燃料的反應率高。
而壓力場的部分(圖6和圖9)可以看出幸運草狀流道板的流道壓降比人字型流道板低50%以上，因此在組成燃料電池堆之後，所需要幫浦的耗能就會低許多，以提升電池堆的整體效率。
而且，從壓力場圖與速度場圖皆可看出，幸運草狀流道板的整個反應面積的壓力差與速度差都是比較均勻的，不會有一側高一側低的現象。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:雙極流道板 100a:第一側 100b:第二側 102:反應區域 110:第一氣體流道 112:第一出口 113:第一連通道 114:第一進口 116:第一子流道 118:第一彎折部 120:第二氣體流道 122:第二出口 123:第二連通道 124:第二進口 126:第二子流道 128:第二彎折部 130:幸運草狀圖案 200:第一燃料輸入管 202:第二燃料輸出管 300:燃料電池電堆 302:膜電極組 304:端板 306:第一燃料輸出管 308:第二燃料輸入管 400:蛇紋形流道板 402:蛇紋形流道 404:進口 406:出口 w1、w2:寬度 θ:彎折角度
圖1是依照本發明的一實施例的一種燃料電池雙極流道板的平面示意圖。 圖2是圖1的燃料電池雙極流道板的流道立體示意圖。 圖3是依照本發明的另一實施例的一種燃料電池電堆的剖面示意圖。 圖4是比較例1的雙極流道板的示意圖。 圖5是實驗例與比較例的效能比較曲線圖。 圖6是模擬實驗例的壓力場圖。 圖7是模擬實驗例的流速場圖。 圖8是模擬比較例的流速場圖。 圖9是模擬比較例的壓力場圖。
100:雙極流道板
100a:第一側
100b:第二側
102:反應區域
110:第一氣體流道
112:第一出口
113:第一連通道
114:第一進口
116:第一子流道
118:第一彎折部
120:第二氣體流道
122:第二出口
123:第二連通道
124:第二進口
126:第二子流道
128:第二彎折部
130:幸運草狀圖案
w1、w2:寬度
θ:彎折角度

Claims (9)

  1. 一種燃料電池雙極流道板，具有一反應區域，所述雙極流道板包括： 第一氣體流道，具有數條第一子流道，每條所述第一子流道連通一第一出口與一第一進口，且每條所述第一子流道具有數個第一彎折部；以及 第二氣體流道，具有數條第二子流道，每條所述第二子流道連接一第二出口與一第二進口，其中每條所述第二子流道具有數個第二彎折部，所述數條第二子流道與所述數條第一子流道交替設置，每條所述第二子流道的流向與相鄰的所述第一子流道的流向是相反的，且 所述數條第二子流道與所述數條第一子流道在所述反應區域內構成一幸運草狀（four-leaf clover type）圖案，其中所述幸運草狀圖案中的每個所述第一彎折部與每個所述第二彎折部的彎折角度都在90度以內。
  2. 如請求項1所述的燃料電池雙極流道板，其中所述第一進口與所述第二出口設置在所述雙極流道板的第一側，所述第二進口與所述第一出口設置在所述雙極流道板的第二側，所述第一側與所述第二側是相對側。
  3. 如請求項1所述的燃料電池雙極流道板，其中以所述反應區域的面積為100%，所述反應區域內的所述數條第一子流道與所述數條第二子流道的總面積佔比在40%~60%之間。
  4. 如請求項1所述的燃料電池雙極流道板，其中每條所述第一子流道的寬度在0.5cm~1.5cm之間。
  5. 如請求項1所述的燃料電池雙極流道板，其中每條所述第二子流道的寬度在0.5cm~1.5cm之間。
  6. 如請求項1所述的燃料電池雙極流道板，更包括一第一連通道，連接每個所述第一進口。
  7. 如請求項1所述的燃料電池雙極流道板，更包括一第二連通道，連接每個所述第二進口。
  8. 一種燃料電池電堆，包括：如請求項1~7中任一項所述的燃料電池雙極流道板。
  9. 如請求項8所述的燃料電池雙極流道板，其中所述燃料電池雙極流道板的材料包括碳材或金屬。
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