TWI797397B - 用於燃料電池之可調式應力結構 - Google Patents

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Abstract

一種用於燃料電池之可調式應力結構，包括一第一壓力端板、第一組彈簧、第一組導引桿、一燃料電池、複數個第一壓力旋鈕以及複數個鎖固件。燃料電池具有一第一電池端板和一第二電池端板。第一壓力端板具有複數個第一槽孔。第一組彈簧設置於第一電池端板與第一壓力端板之間。第一組導引桿分別貫穿第一組彈簧並連結第一電池端板與該第一壓力端板。複數個第一壓力旋鈕設置於第一壓力端板之該等複數個第一槽孔內與該第一組導引桿上方，藉由操控該等第一壓力旋鈕來調整該第一組彈簧的應力，使得燃料電池內部應力均勻分佈。

Description

用於燃料電池之可調式應力結構
本發明係有關於一種燃料電池組裝模組，特別是有關於一種用於燃料電池之可調式應力結構。
質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的關鍵零組件膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)主要是有兩個觸媒層(陽極、陰極)，以及一固態的高分子電解質膜組成。透過固態的質子交換膜來隔離陽極和陰極。而兩觸媒層外側分別貼附著多孔性氣體擴散層，在氣體擴散層外側則是刻有流體通道之雙極板。在陽極持續補充氫氣，而陰極則持續補充氧氣，於電極上發生氧化還原反應，質子通過電解質膜到達陰極，而電子則從陽極經過外接負載抵達陰極而完成電流迴路，反應後的生成物水以及未反應之氫氣與氧氣則經由電極出口排出。傳統組裝燃料電池的製程是將所有組件包括，端板、集電板、單極板、雙極板以及膜電極組堆疊而成。為了使燃料電池能夠更為緻密與輕量化，以提高其功率密度並利於各種產品的應用，對於次世代的燃料電池設計需求，已逐漸朝向輕薄短小的趨勢發展。因為雙極板佔據了電池組大部分的體積與重量。所以，無論是以複合碳板或是金屬板作為雙極板使用者，皆會盡可能採取薄型板材以提昇電池組的緻密性與輕量化。金屬雙極板技術特色與優勢在於流道一次成形，成本低廉且適合大量生產；機械性能高且氣密性佳，可承受電池組裝時強大壓力而不破損；薄板材設計，其厚度可達0.08-0.2 mm，大幅降低電池體積與重量，增加產品應用機會與競爭優勢。
第1圖為習知之燃料電池模組的示意圖。如第1圖所示，燃料電池模組1具有燃料電池2、上電池端板4、下電池端板6以及複數個螺桿8。燃料電池模組1組裝壓力易在螺桿8鎖合處累積較大應力，而造成上電池端板4和下電池端板6變形彎曲。除此之外，如何讓電池內的電化學反應能夠均勻進行而不發生局部熱點，進而影響到電池的性能及壽命，燃料電池組裝製程中的應力應變控制就是其關鍵。
為解決上述問題，因此須要一種用於燃料電池之可調式應力結構，應用此可調式應力結構，可以防止電池端板之變形彎曲，且可控制燃料電池局部組裝應力，使燃料電池內部應力均勻。
本發明之目的是提供一種用於燃料電池之可調式應力結構，使用數個高彈性係數之彈簧、導引桿以及調節旋鈕，來控制燃料電池組裝應力，使燃料電池內部應力均勻，達到調整燃料電池內局部之組裝應力。
本發明為達成上述目的提供一種用於燃料電池之可調式應力結構，包括一第一壓力端板、第一組彈簧、第一組導引桿、一燃料電池、複數個第一壓力旋鈕以及複數個鎖固件。該燃料電池具有一第一電池端板和一第二電池端板。第一壓力端板具有複數個第一槽孔。第一組彈簧設置於該第一電池端板與該第一壓力端板之間。第一組導引桿分別貫穿該第一組彈簧並連結該第一電池端板與該第一壓力端板。複數個第一壓力旋鈕設置於該第一壓力端板之該等複數個第一槽孔內與該第一組導引桿上方。複數個鎖固件用以固定該第一壓力端板、該第一電池端板與該第二電池端板。藉由操控該等第一壓力旋鈕調整該第一組彈簧的應力，使得該燃料電池內部應力均勻分佈
本發明為達成上述目的另提供一種用於燃料電池之可調式應力結構之調控應力方法，包括以下步驟：量測該燃料電池之原始阻抗值；依據該原始阻抗值調整該等壓力旋鈕；確認調整該等壓力旋鈕後之該燃料電池阻抗值；以及確認調整該等壓力旋鈕後之該燃料電池之應力分佈。
與習知之燃料電池模組比較，本發明具有以下優點： 1. 使用數個高彈性係數之彈簧、導引桿以及調節旋鈕，來控制燃料電池組裝應力，使燃料電池內部應力均勻。 2. 應用此可調式應力結構，可以防止電池端板之變形彎曲，且可控制燃料電池局部組裝應力，達到調整燃料電池內局部之組裝應力，進而實現燃料電池內之電化學反應能夠均勻進行。
本發明是使用數個高彈性係數之彈簧、導引桿以及調節旋鈕，來控制燃料電池組裝應力，使燃料電池內部應力均勻，達到調整燃料電池內局部之組裝應力，進而實現燃料電池內之電化學反應能夠均勻進行。
實施例1：第2圖顯示本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之分解圖。如第2圖所示，用於燃料電池之可調式應力結構100具有一第一壓力端板10、第一組彈簧20、第一組導引桿30、一燃料電池40、複數個第一壓力旋鈕50以及複數個鎖固件60。燃料電池40用來將燃料中的化學能轉換成電能，燃料電池40具有一第一電池端板42、第二電池端板44以及複數個穿孔46，其中複數個穿孔46是用來加強燃料電池40的固定用，在本發明中並非必要具有複數個穿孔46。第一壓力端板10具有複數個第一槽孔12。第一組彈簧20設置於第一電池端板42與第一壓力端板10之間。各該第一組導引桿30分別貫穿該第一組彈簧20並連結第一電池端板42與該第一壓力端板10。複數個第一壓力旋鈕50設置於該第一壓力端板10之該等複數個第一槽孔12內與該第一組導引桿30上方。各個複數個第一壓力旋鈕50與各個複數個第一槽孔12之間分別設置有墊片52。複數個鎖固件60用以固定該第一壓力端板10、該第一電池端板42與該第二電池端板44。
第3圖顯示本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之外觀立體圖。如第3圖所示，本發明是藉由操控該等第一壓力旋鈕50來調整該第一組彈簧20的應力，使得燃料電池40內部應力均勻分佈。
在實施例1中，在該第二電池端板44側亦可以包括第二壓力端板(未圖示)，該第二壓力端板係藉由複數個鎖固件鎖固。
實施例2：第4圖顯示本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之實施例2之外觀立體圖。如第4圖所示，用於燃料電池之可調式應力結構200是具有實施例1之用於燃料電池之可調式應力結構100之全部元件再加入以下元件，尚包括，一第二壓力端板80、第二組彈簧90、第二組導引桿96以及複數個第二壓力旋鈕98。第二壓力端板80具有複數個第二槽孔82。第二組彈簧90設置於該第二電池端板44與該第二壓力端板80之間。各該第二組導引桿96分別貫穿該等第二組彈簧90並連結該第二電池端板44與該第二壓力端板80。複數個第二壓力旋鈕98設置於該第二壓力端板80之複數個第二槽孔82內與第二組導引桿96上方。於實施例2中，複數個鎖固件60是用以固定該第一壓力端板10、第二壓力端板80、該第一電池端板42與該第二電池端板44。如第4圖所示，本發明是藉由操控該等第一壓力旋鈕50和第二壓力旋鈕98來調整該第一組彈簧20和第二組彈簧90的應力，使得燃料電池40內部應力均勻分佈。
實施例3：第5圖顯示本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之實施例3之外觀立體圖。如第5圖所示，用於燃料電池之可調式應力結構300具有第一壓力端板10、第一組彈簧20、第一組導引桿30、一燃料電池70、複數個第一壓力旋鈕50以及複數個鎖固件60。用於燃料電池之可調式應力結構300的第一壓力端板10、第一組彈簧20、第一組導引桿30、複數個第一壓力旋鈕50、複數個鎖固件60、第一電池端板42、第二電池端板44，與實施例1中具有相同標號之元件為相同與等效的元件。本實施例3中用於燃料電池之可調式應力結構300與可調式應力結構100 之差別是在於，複數個鎖固件60是位於燃料電池70之外側來固定該燃料電池70。
實施例4：第6圖顯示本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之實施例4之外觀立體圖。如第6圖所示，用於燃料電池之可調式應力結構400具有燃料電池70。本實施例4中用於燃料電池之可調式應力結構400與可調式應力結構200 之差別是在於，複數個鎖固件是位於燃料電池70之外側來固定該燃料電池70。
實施例5：第7圖顯示本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之調控應力方法之流程圖。首先，組裝用於燃料電池之可調式應力結構100、200、300或400，如步驟S10所示。其次，量測燃料電池40之原始阻抗值，如步驟S20所示。然後，依據該原始阻抗值調整該等複數個壓力旋鈕，如步驟S30所示。然後，量測調整該等壓力旋鈕後之該燃料電池阻抗值，如步驟S40所示。最後，確認調整該等壓力旋鈕後之該燃料電池之應力分佈，如步驟S50所示。
本發明之該等複數個彈簧20、90是相同或不同彈性係數的彈簧。本發明之該第一壓力端板10及第二壓力端板80中至少一者之形狀是為X形，其形狀並不限於此，其材質為鋁合金、鎂合金、鈦合金或是塑鋼，但不限於上述材料。本發明之燃料電池40或燃料電池70可以為單顆燃料電池或複數顆燃料電池。
本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之電池內部受壓應力分析的設定與結果，以實際燃料電池組裝進行壓應力分析，在一般組裝製程中，使用萬能試驗機給予燃料電池一均勻之組裝壓力，組裝完鎖固件後，再將組裝壓力移除。 電池內部受壓應力分析的設定： 1.透過燃料電池內部應力監測回饋，來驗證本發明可調式應力結構提升電池內部應力均勻分布之效果。 2.由於燃料電池形狀對稱，因此採取對於1/4區域進行分析，而且將此1/4區域分成九宮格，在每個格子內放入對應的壓力感測器以監控壓力變化。 電池內部受壓應力分析的結果，如下表所示：
無可調式應力結構 單位: kgf 本發明可調式應力結構
4 1.4 1.8 8 11.2 8.2
4.9 1.6 2.1 20.4 18.8 10.5
29.7 15.8 11.3 19.3 18.5 15.8
1.具有本發明可調式應力結構之燃料電池內部壓應力提升2倍以上。 2.具有本發明可調式應力結構之燃料電池整體壓應力均勻性提升30%以上。
1:燃料電池模組 2:燃料電池 4:上電池端板 6:下電池端板 8:螺桿 100、200、300、400:用於燃料電池之可調式應力結構 10:第一壓力端板 20:第一組彈簧 30:第一組導引桿 40、70:燃料電池 50:複數個第一壓力旋鈕 52:墊片 60:複數個鎖固件 42:第一電池端板 44:第二電池端板 46:複數個穿孔 12:複數個第一槽孔 82:複數個第二槽孔 80:第二壓力端板 90:第二組彈簧 96:第二組導引桿 98:複數個第二壓力旋鈕
第1圖為習知之燃料電池模組的示意圖。 第2圖為本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之分解圖。 第3圖為本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之外觀立體圖。 第4圖為本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之實施例2之外觀立體圖。 第5圖為本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之實施例3之外觀立體圖。 第6圖為本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之實施例4之外觀立體圖。 第7圖顯示本發明之用於燃料電池之可調式應力結構之調控應力方法之流程圖。
100:用於燃料電池之可調式應力結構
10:第一壓力端板
20:第一組彈簧
30:第一組導引桿
40:燃料電池
50:複數個第一壓力旋鈕
60:複數個鎖固件
42:第一電池端板
44:第二電池端板
12:複數個第一槽孔

Claims (10)

  1. 一種用於燃料電池之可調式應力結構，包括：一燃料電池，用來將燃料中的化學能轉換成電能，該燃料電池具有一第一電池端板和一第二電池端板；一第一壓力端板，具有複數個第一槽孔；第一組彈簧，設置於該第一電池端板與該第一壓力端板之間；第一組導引桿，各該第一組導引桿分別貫穿該第一組彈簧並連結該第一電池端板與該第一壓力端板；複數個第一壓力旋鈕，設置於該第一壓力端板之該等第一槽孔內與該第一組導引桿上方；以及複數個鎖固件，用以固定該第一壓力端板、該第一電池端板、該燃料電池與該第二電池端板，其中，藉由操控該等第一壓力旋鈕調整該第一組彈簧的應力，使得該燃料電池內部應力均勻分佈。
  2. 如請求項1所述的用於燃料電池之可調式應力結構，更包括：一第二壓力端板，具有複數個第二槽孔；第二組彈簧，設置於該第二電池端板與該第二壓力端板之間；第二組導引桿，各該第二組導引桿分別貫穿該等第二組彈簧並連結該第二電池端板與該第二壓力端板；以及複數個第二壓力旋鈕，設置於該第二壓力端板之該等第二槽孔內與該等第二組導引桿上方，其中，該等複數個鎖固件，更用以固定該第二壓力端板； 藉由操控該等第二壓力旋鈕調整該等第二組彈簧的應力，使得該燃料電池內部應力均勻分佈。
  3. 如請求項1所述的用於燃料電池之可調式應力結構，更包括：一第二壓力端板；其中，該等複數個鎖固件，更用以固定該第二壓力端板。
  4. 如請求項1、2或3所述的用於燃料電池之可調式應力結構，其中，該燃料電池具有複數個穿孔，且該等複數個鎖固件是通過該等穿孔以固定該燃料電池。
  5. 如請求項2所述的用於燃料電池之可調式應力結構，其中，該第一組彈簧及該第二組彈簧是相同或不同彈性係數的彈簧。
  6. 如請求項2或3所述的用於燃料電池之可調式應力結構，其中，該第一壓力端板及該第二壓力端板中至少一者之形狀是為X形。
  7. 如請求項2或3所述的用於燃料電池之可調式應力結構，該第一壓力端板或該第二壓力端板之材質為鋁合金、鎂合金、鈦合金或是塑鋼。
  8. 如請求項1、2或3所述的用於燃料電池之可調式應力結構，該燃料電池為單顆燃料電池或複數顆燃料電池。
  9. 一種如請求項1所述的用於燃料電池之可調式應力結構之調控應力方法，包括以下步驟：量測該燃料電池之原始阻抗值；依據該原始阻抗值調整該等第一壓力旋鈕；量測調整該等第一壓力旋鈕後之該燃料電池阻抗值；以及確認調整該等第一壓力旋鈕後之該燃料電池之應力分佈。
  10. 一種如請求項3所述的用於燃料電池之可調式應力結構之調控應力方法，包括以下步驟：量測該燃料電池之原始阻抗值；依據該原始阻抗值調整該等第一壓力旋鈕以及該等第二壓力旋鈕；量測調整該等第一壓力旋鈕以及該等第二壓力旋鈕後之該燃料電池阻抗值；以及確認調整該等第一壓力旋鈕以及該等第二壓力旋鈕後之該燃料電池之應力分佈。
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