使用金屬分隔板的燃料電池組及其單電池結構、組裝方法

2023-06-09 15:31:26 2

專利名稱：使用金屬分隔板的燃料電池組及其單電池結構、組裝方法
技術領域：
本發明有關一種燃料電池組，尤指一種使用金屬分隔板的燃料電池組及其單電池 結構、組裝方法。
背景技術：
能源一直是人類生存與經濟發展的原動力，然而隨著石油與天然氣等資源不斷地 被消耗，人們開始意識到原本依賴的能源終會有耗盡的一天。但是當這一天來臨之前，因為 使用能源所帶來的生態破壞與溫室效應等問題，已經讓人類自食惡果，並且不斷刺激著環 保意識的覺醒。受到攸關人類未來的能源與環保問題的影響，近年來對於燃料電池的研究 及應用，獲得愈來愈多的重視與討論。特別是對於質子交換膜燃料電池來說，其高效率、低 汙染、安靜與低溫啟動的特徵，使之可廣泛應用在移動式電力、可攜式與定置型發電系統以 及運輸工具的未來動力上。一般而言，依據不同電力使用情況的需求，所要求的燃料電池壽命也會有所不同。 例如備用電力發電系統，設計時比較不需要考慮空間的限制，而重點是在於能夠滿足長時 間的運轉操作，所以通常會使用具有較佳抗腐蝕能力的碳板，來作為燃料電池的雙極板；但 對於車用動力來說，因為汽車上可使用空間的限制以及對電池壽命需求原本就比較低的緣 故，所以燃料電池系統會以高功率密度作為設計時的主要依據。因此以金屬為基材的分隔 板似乎成為可達成高功率密度的燃料電池的最佳選擇。目前所使用的金屬板大部分是以 不鏽鋼為主，若以衝壓成型的方式製作，不但易於大量生產，也可有效減少金屬板厚度與重 量，如此一來便可大幅縮減燃料電池的體積與增加功率密度。為了改善金屬板的抗腐蝕能 力，需要對其表面採取改性處理作業，以進一步延長燃料電池的使用壽命。請參閱圖1所示為質子交換膜燃料電池的基本結構，燃料電池組1是由多個單電 池所組成，其中一膜電極組2可提供電化學反應、電子與質子傳導，於該膜電極組2兩側分 別是陰極氣體擴散層3與陽極氣體擴散層4，而流道中的反應氣體會經由該二氣體擴散層 擴散至電極，於二氣體擴散層3與4外側，分別是陰極分隔板7與陽極分隔板8，在該分隔 板上設置有若干流道，以供反應氣體分配之用，於分隔板上的肋條結構可支撐氣體擴散層 與膜電極組等組件之外，亦為電流與熱能的傳導路徑。在二分隔板(7、8)與二氣體擴散層 (3,4)之間有密封結構5與6，其可避免反應氣體與冷卻劑洩露至外界環境中，或是避免二 者間產生彼此的互竄，造成燃料電池的損壞。陰極集電板9與陽極集電板10是作為收集電 流之用，與外部電路形成了一燃料電池的循環電流通路。最外側的端板11與12則固定了 電池組，其可施加一適當的力量至各組件上，以壓縮電池組至適當的厚度，而端板上另一個 作用為反應氣體與冷卻劑的供應與排出歧道。上述的燃料電池結構對於以碳板或是金屬板作為分隔板皆可。然而因為金屬板通 常是以衝壓成型，其相對於使用CNC機械加工、熱壓或是射出成形的碳板而言，在流場的設 計上有顯著的差異，而這也會影響到密封結構的配置。請參閱圖2所示，為分隔板的剖面示 意圖，其中包含了碳板分隔板13與金屬分隔板17的二種不同的結構，對於碳板分隔板13而言，氣體流道14與冷卻劑流道15可以是不同的流場樣式與幾何尺寸，而在流道之間則為 肋條16 ；對於金屬分隔板17，則是以衝壓方式對金屬薄板的正反兩面同時形成氣體流道18 與冷卻劑流道19，而當金屬薄板的一表面形成流道18的同時，其對應面則產生肋條20。為 了同時衝壓出氣體流道18與冷卻劑流道19，金屬分隔板17通常是採取類似直通形流道的 設計，無法如碳板分隔板13可以不同的流場樣式設計氣體流道14與冷卻劑流道15，例如 蛇形氣體流道與直通形冷卻劑流道的組合。因為此金屬分隔板17所能使用的流道，相對於 碳板分隔板13來說，受到了較多的限制，所以也造成更適合於系統端需求的流場可能無法 使用的情形。對於使用金屬分隔板的燃料電池組來說，因為具有高功率密度特性，故應用大部 分是以運輸工具為主，所以世界各大車廠，如奔馳(Benz)、通用動力(GM)、本田(Honda)，與 豐田(Toyota)等企業都已經積極投入此一領域的研發工作，例如金屬分隔板的燃料電池， 有美國專利編號 US 6，872，483B2、US7, 018，733B2、US 7，195，837B2，與 US 7，396，609B2 等，是本田(Honda)於2005至2008年間所依序提出的。而美國專利編號US 6，974，648B2、 US7, 291，414B2,與 US 7，318，973B2 等，則是通用動力(GM)分別於 2005,2007 與 2008 年所 提出。本發明是強調衝壓成型的金屬分隔板與其形成的電池組，所以對於使用碳板分隔板 或非衝壓成型的金屬分隔板的電池組，與本案所欲達成高功率密度的功能不相同，以及其 它與電池組無關聯者，即不列於現有技術中做一討論。請參考US 6，872，483B2專利，其公開了一使用於燃料電池的金屬分隔板，該金屬 分隔板構成具有溝槽與肋條相互交替的區域，將一彈性薄板置於兩分隔板之間，該彈性薄 板可頂住分隔板的肋條，並使得分隔板之一的溝槽經由此彈性薄片以面對另一分隔板的肋 條。通過此方式，燃料與含氧氣體可於分隔板的溝槽流動，而彈性薄板與分隔板之間所形成 的溝槽，用以提供了冷卻劑的流動路徑。參考US 7，018，733B2專利，公開一以金屬分隔板形成燃料電池模塊的組合方式， 該金屬分隔板包含了第一分隔板、第二分隔板與一中間分隔板，其中第一分隔板與陰極側 形成含氧氣體流道；第二分隔板與陽極側形成燃料氣體流道；中間分隔板與第一及第二分 隔板則形成冷卻劑流道。如此冷卻劑便可沿著中間隔板的一面流動，並會轉向沿著中間隔 板的另一面流動，對於該中間分隔板具有一絕熱機制，以避免沿著隔板的一面與另一面冷 卻劑之間的熱交換。請參考US 7，195，837B2專利，公開了一具有彎曲段的中空脊狀肋條的金屬分隔 板，利用該分隔板與陰極或陽極的結合，可於彎曲段的中空脊狀肋條空間，以提供燃料與含 氧氣體的流動路徑。另外經由兩分隔板的中空脊狀肋條的相互接觸，在兩分隔板的間的空 間中產生一可提供冷卻劑流動的路徑，對於兩分隔板而言，其彎曲段可以有相同或不同的 振幅。請參考US 7，396，609B2專利，公開了一使用於燃料電池的金屬分隔板的密封方 式，該分隔板在衝壓成型的溝槽與肋條以外的區域，形成一平坦的表面，而密封組件即覆蓋 在該平坦面上，以達成氣體與冷卻劑的密封，並導引氣體與冷卻劑的流動。
請參考US 6，974，648B2專利，公開了一使用於燃料電池的金屬分隔板，該金屬分 隔板包含可提供燃料氣體流動的第一分隔板；與可提供含氧氣體流動的第二分隔板，利用 第一與第二分隔板的巢狀結合，可於兩分隔板之間形成一冷卻劑的流動路徑。為達成此目的，第一與第二分隔板上的肋條寬度須大於第一與第二分隔板上的溝槽寬度。請參考US 7，291，414B2專利，公開了一金屬分隔板的氣體與冷卻劑的供應方式， 該金屬分隔板包含一氣體進料區域，其具有可導通於反應區域的陰極與陽極流道的流動路 徑，該分隔板包含一冷卻劑進料區域，並可導通於反應區域的冷卻劑流道，對於分隔板而言，其可為巢狀或非巢狀。請參考US 7，318，973B2專利，公開了一具有蛇形流道的金屬分隔板，該金屬分隔 板的蛇形流道為鏡像對稱，所以利用兩分隔板的結合，可於兩者之間的空間創造出另一蛇 形流道，為了形成反應氣體與冷卻劑的流動路徑，兩不同的跨橋組件被使用來導引燃料與 含氧氣體，以及冷卻劑，使之分別進入陽極反應區域的蛇形流道、陰極反應區域的蛇形流 道，與上述兩分隔板之間所創造的冷卻區域的蛇形流道。在上述的現有技術中，US6，872，483B2、US 7，195，837B2 與 US 6，974，648B2 專利 所公開的金屬分隔板流道僅限於直通形狀，而US 7，318，973B2專利所公開的金屬分隔板 流道則僅限於鏡像蛇形。US 7，018，733B2與US 7，291，414B2專利公開了一種應用在金屬 分隔板的流場網絡，而US 7，396，609B2專利則公開了一適合於金屬分隔板的密封結構。所 以就前述的金屬分隔板、密封結構與組裝程序等三部份來說，本發明與該些現有技術的差 異在於1.金屬分隔板本發明的金屬分隔板除了可達成上述的功能與效果外，要特別強 調的是分隔板的流道不僅限於直通或是蛇形，而是可以更彈性地使用適合於系統端的需求 的流場。通過此彈性的流場設計，可滿足在不同操作條件下的流量、壓損與水熱管理等特 徵，以達成電池組的最佳性能。2.密封結構為了完成金屬分隔板之間，或是分隔板與其它組件之間的密封，本 發明採取了一有別於前案的密封方式，以有效避免氣體與冷卻劑的互竄洩漏的情形發生， 進而達成電池組穩定且高效率的運作。3.組裝程序本發明以一不同於前案的組合方式形成一單電池結構，於此單電池 中，形成了燃料氣體、含氧氣體與冷卻劑的流動路徑，而當多個單電池堆棧為電池組時，即 產生了燃料氣體、含氧氣體與冷卻劑的流場網絡。利用一適合的端板結構，利用鎖合力量的 施加來均勻地壓縮電池組，使其中的組件，如氣體擴散層與膜電極組等，維持一最佳的壓 縮量並同時達成有效的密封。

發明內容
本發明解決的問題在於，提供一種使用金屬分隔板的燃料電池組，主要目的為提 出一種針對高功率密度設計的質子交換膜燃料電池組，為了達成高體積與重量功率密度的 需求，應用一金屬板作為分隔板使用，其中在薄板的表面上有流道形成，以提供反應氣體與 冷卻劑的分配；同時提出一種金屬分隔板的組合方式，其使流場不僅局限於直通形流道，而 是可以不同流道分別應用至反應氣體與冷卻劑的流場，以期更符合系統端的操作需求。本發明進一步用於解決，密封反應氣體與冷卻劑，使其不產生洩露與互竄，以避免 降低電池性能與發生危險，故提出一種對應此分隔板的密封結構，對於金屬分隔板與密封 結構來說，需要一特定的組裝程序，才能與燃料電池的其它組件，如氣體擴散層與膜電極 組，形成一個單電池結構，並再經由多個單電池的堆棧組合，方能成為一燃料電池組。
本發明進一步用於解決，第一分隔板與第二分隔板是相同的，因此同一分隔板可同時作為反應氣體與冷卻劑流場使用。本發明進一步用於解決，分隔板的流場不僅限於直通形流道，而是可以彈性地採 取更適合於系統端需求的流場，如蛇形或Z形等流道。為實現上述目的，本發明公開一種使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，包 括有一陰極氣體擴散層；一陽極氣體擴散層；一膜電極組，設置於陰極、陽極氣體擴散層 之間；一對第一分隔板，設置於該陰極、陽極氣體擴散層外部兩側，該第一分隔板的第一面 上具有多個溝槽與肋條，其中該溝槽可形成燃料或含氧氣體的流動路徑，而該肋條則能傳 遞力量以及傳導熱與電流；一對第二分隔板，設置於該第一分隔板外部兩側，與第一分隔板 相組立，該第二分隔板的第一面上具有多個溝槽與肋條，其中該溝槽可形成冷卻劑的流動 路徑，而該肋條則能傳遞力量以及傳導熱與電流；以及一對中間分隔板，設置於該第二分隔 板外部兩側，與第二分隔板相組立，於中間分隔板的兩側可形成位於第二分隔板的溝槽中 的冷卻劑流動路徑。本發明還公開了一種使用金屬分隔板的燃料電池組，其包括有多個單電池結構的 堆棧組合、一陽極集電板、一陰極集電板、一開放端板與一封閉端板的結合結構，且還包括 有本發明還公開了一種使用金屬分隔板的燃料電池的單電池的組裝方法，包括有 將一第一分隔板以其第一面與一陰極膜電極組密封環相互結合，而另一第一分隔板則以其 第一面與一陽極膜電極組密封環相互結合；將該第一分隔板以其第一面上的肋條接觸一陰 極氣體擴散層，而該另一第一分隔板則以其第一面上的肋條接觸一陽極氣體擴散層；將一 膜電極組置於該陰極氣體擴散層與一陽極氣體擴散層之間；將該第一分隔板以其第二面上 的溝槽與多個分隔板密封環相互結合，該另一第一分隔板以其第二面上的溝槽與多個分隔 板密封環相互結合；將一第二分隔板以其第二面上的溝槽與多個分隔板密封環相互結合， 而另一第二分隔板以其第二面上的溝槽與多個分隔板密封環相互結合；將該第一分隔板以 其第二面與該第二分隔板的第二面相互結合，而該另一第一分隔板則以其第二面與該另一 第二分隔板的第二面相互結合；將該第二分隔板以其第一面與一冷卻劑密封環相互結合， 而該另一第二分隔板以其第一面與另一冷卻劑密封環相互結合；以及將該一第二分隔板以 其第一面上的肋條接觸一中間分隔板的第一面，而該另一第二分隔板以其第一面上的肋條 接觸另一中間分隔板的第一面。本發明一種使用金屬分隔板的燃料電池組主要利用金屬薄板作為質子交換膜燃 料電池的分隔板使用，並配合適當的密封結構，與其它組件構成一單電池結構，並進而形成 一燃料電池組，而為了使電池組能穩定地以高效率操作，各組件需具備的一定的功能與效 果，接下來就分別依據分隔板、密封結構與組裝程序等三部份加以說明1.分隔板分隔板在燃料電池中的主要功能有多種，第一是導引反應氣體與冷卻 劑由供應歧道進入流道；第二是利用流道使反應氣體與冷卻劑分布於反應面積；第三是導 引未使用的反應氣體、產物水與冷卻劑，由流道進入排出歧道；第四是以分隔板的肋條結構 傳導電流與熱能。對於上述的功能若要達成，本發明所採用的方法如下第一是反應氣體與 冷卻劑能夠經由適當的歧道設計，均勻地分配至各個單電池；第二是流道必須能夠使反應 氣體均勻地分布於反應面積，以確保進入電極的反應氣體有足夠的濃度，另外對於電化學反應所產生的液態水也要能有效地排除，以達成良好的水管效應。流道也須使冷卻劑能均 勻地分布於反應面積，吸收電池發電過程所生成的廢熱，避免溫度過高而影響電池性能甚 至於造成組件損壞，以達成良好的熱管理；第三是未使用的反應氣體、液態水與冷卻劑能夠 經由排出歧道離開電池組，以移除低濃度反應氣體、液態水與廢熱；第四是藉助肋條結構所 形成的電流通路，能夠使電子離開陽極觸媒層並進入陰極觸媒層，完成電化學的氧化還原 反應。另外肋條結構也形成熱能的傳導路 徑，其可使發電過程中所生成的廢熱，藉由傳導機 制進入冷卻劑中，以維持適當的電池操作溫度。2.密封結構密封結構的功能主要是防止反應氣體與冷卻劑洩露至環境中，以及 避免反應氣體之間或是反應氣體與冷卻劑之間的互竄的狀況發生。當反應氣體或是冷卻劑 洩露時，除了造成電池性能下降外，也會導致如氫氣燃料的洩漏所產生的安全問題。若是互 竄的狀況發生時，氫氣與氧氣的直接反應，輕微地會造成電池性能的下降，嚴重地則是使電 池組件損壞。故一良好的密封結構對於燃料電池的穩定操作與使用壽命是極為關鍵的因
ο3.組裝程序為了由一單電池結構組裝為一燃料電池組，必須使分隔板與密封結 構與其它組件，如氣體擴散層與膜電極組等，依照一特定的組裝程序加以結合。基本上單電 池結構是由分隔板、密封結構、氣體擴散層、膜電極組、氣體擴散層、密封結構與分隔板的堆 棧組成，若要形成電池組則須以多個單電池結構依序地堆棧至所需求的功率。當組裝完成 後，為了固定電池組，需以端板夾持並使用一適當的力量對其壓縮。在壓縮過程中肋條結構 會將力量傳遞各個組件以確保彼此之間的接觸，而密封結構也經由此壓縮達成適當的密封 效果，以避免內部氣、液體互竄洩漏的情況發生。


圖1為質子交換膜燃料電池的基本結構；圖2為分隔板的剖面示意圖；圖3為本發明的單電池結構示意圖；圖4A為本發明第一分隔板立體斜視圖；圖4B為圖4A的側視剖面圖；圖5A為本發明第二分隔板立體斜視圖；圖5B為圖5A的側視剖面圖；圖6為本發明中間分隔板立體斜視圖；圖7為本發明膜電極組密封環與第一分隔板的組合示意圖；圖8為本發明冷卻劑密封環與第二分隔板的組合示意圖；圖9A為本發明分隔板密封環與第一分隔板的組合示意圖；圖9B為本發明分隔板密封環與第二分隔板的組合示意圖；圖10為本發明單電池結構的各組件立體分解示意圖；圖11為本發明單電池結構的流場網絡圖；圖12為本發明燃料電池組的結構示意圖。其中，附圖標記1 燃料電池組2 膜電極組
3 陰極氣體擴散層4 陽極氣體擴散層5、6 密封結構7 陰極分隔板8 陽極分隔板9 陰極集電板10 陽極集電板11、12 端板13 碳板分隔板14、18 氣體流道15、19 冷卻劑流道16、20 肋條17 金屬分隔板21 電化學反應區域23a 第一陰極分隔板23b 第一陽極分隔板24a 陰極氣體擴散層24b 陽極氣體擴散層25 膜電極組22a、22b 冷卻劑流動區域26a、26b 第二分隔板27a、27b 中間分隔板23 第一分隔板28 第一面29 第二面24 氣體擴散層24a 陰極氣體擴散層24b 陽極氣體擴散層25 膜電極組26 第二分隔板37 第一面38 第二面27 中間分隔板50 第一面51 第二面34a 反應氣體流動路徑30a、30b、31a、31b、32a、32b、33a、33b 歧道34c 溝槽34b、35a、35b、35c、35d 肋條36c、36b、36a、36d 螺杆孔43a 冷卻劑流動路徑39a、39b、40a、40b、41a、41b、42a、42b 歧道43b、44a、44b、44c、44d 肋條43c 溝槽45a、45b、45c、45d 螺杆孔 52a、52b、52c、52d 螺杆孔46a、46b、47a、47b、48a、48b、49a、49b 歧道53 膜電極組密封環54 冷卻劑密封環55、55a、55b、55c、55d、56、56a、56b、56c、56d 分隔板密封環57 電池組58 開放端板59 封閉端板60 單電池結構61a 陰極集電板61b 陽極集電板62a、62b、62c、62d、63a、63b、63c、63d 螺杆孑L64a 含氧氣體的供應通道64b 含氧氣體的排出通道65a 燃料氣體的供應通道65b 燃料氣體的排出通道66a、67a 冷卻劑的供應通道 66b、67b 冷卻劑的排出通道
具體實施例方式以下配合下列的

本發明的詳細結構，及其連結關係，以利於貴審委做一了解。為了滿足如發明內容所宣稱的功能與效果，本發明提出一使用金屬分隔板組成單電池結構的方法，來建立反應氣體與冷卻劑的流場網絡，以達成有效的電化學反應與水熱 管理。請參閱圖3所示，為本發明的單電池結構示意圖。電化學反應區域21包含了第一陰 極分隔板23a、第一陽極分隔板23b、陰極氣體擴散層24a、陽極氣體擴散層24b與膜電極組 25。在第一分隔板23a與23b上有衝壓成型的肋條，藉由氣體擴散層與該金屬分隔板的肋 條的緊密接觸，以及適當密封結構的配合，衝壓成型的溝槽區域即成為可分別提供陰極側 的含氧氣體流動，與陽極側的燃料氣體流動的流道。冷卻劑流動區域22a與22b分別是由 第二分隔板26a與26b，以及中間分隔板27a與27b所形成。在第二分隔板上則有衝壓成型 的肋條，而中間分隔板為一具有平坦表面的金屬薄板，藉由第二分隔板的肋條與中間分隔 板的平坦面的緊密接觸，以及適當密封結構的配合，衝壓成型的溝槽區域即成為可提供冷 卻劑流動的流道。對於第一分隔板23a、23b與第二分隔板26a與26b，其皆為相同，但當使用於不同區域時，第一分隔板需反轉其平面並相對於垂直該平面的中心軸旋轉90°，才能由氣體 分隔板成為冷卻分隔板，或是第二分隔板需反轉其平面並相對於垂直該平面的中心軸旋轉 90°，才能由冷卻分隔板成為氣體分隔板。通過此方式，除了能以一金屬分隔板同時作為氣 體分隔板與冷卻分隔板外，衝壓成型的流道也不僅限於直通形，而是能夠使用更為多樣且 適合於系統端需求的流場。如上所述，為了能以同一片金屬分隔板同時作為氣體與冷卻分 隔板使用，該金屬分隔板與前述的金屬薄板及其它組件之間，需以一特定的組裝程序方能 成為一單電池結構，並進而形成一電池組。在本發明中，達成基本目的的具體技術手段可分為三個主題加以說明，其分別是 金屬分隔板、密封結構與組裝程序，接下來即對所使用的技術手段進行詳細的描述金屬分隔板本發明中的金屬分隔板包含了第一分隔板、第二分隔板與中間分隔板，分別如圖 4A至6所示。其中第一分隔板與第二分隔板為同一分隔板，在其表面有衝壓成型的肋條與 溝槽，而中間分隔板為一具有平坦表面的金屬薄板。接著就分別對第一分隔板、第二分隔板 與中間分隔板詳細說明其特徵。1.第一分隔板圖4A與4B分別是第一分隔板與其剖面圖示。第一分隔板23具有第一面28與相 反於第一面的第二面29。當第一面28面對陰極電極時，第一分隔板23即成為可分配含氧 氣體的陰極分隔板，而當第一面28面對陽極電極時，第一分隔板23即成為可分配燃料氣體 的陽極分隔板。歧道30a、30b、31a與31b皆貫穿了第一分隔板23，且當第一分隔板23為陰 極分隔板時，歧道30a與30b分別是含氧氣體的供應與排出歧道，而歧道31a與31b則分別 是燃料氣體的供應與排出歧道。但是當第一分隔板23為陽極分隔板時，歧道30a與30b分 別是燃料氣體的供應與排出歧道，而歧道31a與31b則分別是含氧氣體的供應與排出歧道。同樣地，歧道32a、32b、33a與33b皆貫穿了第一分隔板23，其中32a與33a為冷 卻劑的供應歧道，而32b與33b則是冷卻劑的排出歧道。反應氣體流動路徑34a是由衝壓 成型的相互交替的肋條34b與溝槽34c所組成，其中肋條34b與溝槽34c皆位於第一分隔 板23的第一面28上。該肋條34b除了可傳遞力量至電池組的其它組件，使之能被適當地 壓縮外，也形成了熱與電的傳導路徑。該溝槽34c則成為陽極分隔板的燃料氣體流道，或是 陰極分隔板的含氧氣體流道。雖然在目前的實施例中，反應氣體流場為一 Z形流道，但是直通與蛇形等流道也可應用至本發明而不受限制，這也是本發明所特別強調的符合系統端需 求的彈性的流場設計。肋條35a、35b、35c與35d形成於第一分隔板23的第一面28上，而 在第二面29上會有相對應的溝槽產生，該溝槽中的適當密封結構可使第一分隔板與第二 分隔板相互結合時，達成一有效的密封。對於第一分隔板23中的歧道30a與31b，以及歧道31a與30b而言，其互為鏡像對 稱，而對於歧道32a與33b，以及歧道33a與32b而言，其亦互為鏡像對稱。依據此鏡像對稱 方式，當第一面28反轉至原本的第二面29的位置時，歧道30a、30b、31a與31b，會與原來 的歧道31a、31b、30a與30b相互對應，而歧道32a、32b、33a與33b，則會與原來的歧道33a、 33b,32a與32b相互對應。對於歧道30a、30b、31a與31b，以及歧道32a、32b、33a與33b來 說，則互為軸向對稱，也就是第一分隔板23相對於垂直第一面28的中心軸以順時鐘方向旋 轉90°之後，歧道30a、31a、31b與31b會與原來的歧道32b、33a、32a與33b相互對應。
另外螺杆孔36a、36b、36c與36d則是利用第一分隔板的剩餘未使用空間，布置其 適當的位置。對於各螺杆孔而言，是以鏡像與軸向對稱的方式布置。依據此鏡像對稱方式， 當第一面28反轉至原本的第二面29的位置時，螺杆孔36a、36b、36c與36d會與原來的螺 杆孔36c、36b、36a與36d相互對應。而依據軸向對稱方式，當第一分隔板23相對於垂直第 一面28的中心軸以順時鐘方向旋轉90°之後，螺杆孔36a、36b、36c與36d會與原來的螺杆 孔36d、36a、36b與36c相互對應。各螺杆孔於電池組完成後均有一螺杆貫穿，並配合端板 的鎖合機制來壓縮並固定電池組。上述的鏡像對稱與軸向對稱是第一分隔板與第二分隔板 可相互結合為一等效雙極板模塊，並提供一有效密封的關鍵。有關密封結構與組裝程序會 在底下作更為詳細的說明。2.第二分隔板圖5A與5B分別是第二分隔板與其剖面圖示。第二分隔板26與第一分隔板23為 同一分隔板，兩者的差異在於需以第一分隔板23相對於垂直其第一面28的中心軸以順時 鍾方向旋轉90°之後，方能形成第二分隔板26。第二分隔板26具有第一面37與相反於第 一面的第二面38。因為前述的鏡像對稱與軸向對稱的設計，當第二分隔板26以其第二面 38，與第一分隔板23的第二面29結合為一等效雙極板時，第二分隔板26的歧道39a、39b、 40a、40b、41a、41b、42a 與 42b 會分別對應至第一分隔板 23 的歧道 31a、31b、30a、30b、33a、 33b、32a、32b。冷卻劑流動路徑43a是由衝壓成型的相互交替的肋條43b與溝槽43c所組成，其 中肋條43b與溝槽43c皆位於第二分隔板26的第一面37上。相同於第一分隔板23中的 描述，肋條43b的功能為傳遞力量與形成熱與電的傳導路徑。但在第二分隔板26中，溝槽 43c則成為冷卻劑的流動路徑，其流場亦為一 Z形流道。肋條44a、44b、44c與44d形成於第 二分隔板的第一面37上，而在第二面38上會有相對應的溝槽產生，該溝槽中的適當密封結 構可使第二分隔板26的第二面38與第一分隔板23的第二面29相互結合時，達成一有效 的密封。另外第二分隔板26的螺杆孔45a、45b、45c與45d則會分別對應至第一分隔板23 的螺杆孔36c、36b、36a與36d。3.中間分隔板圖6為中間分隔板圖示，其為一具有平坦表面的金屬薄板。中間分隔板27是置於 兩第二分隔板26之間，藉由第二分隔板26的肋條34b與中間分隔板27的平坦面的緊密接觸，於中間分隔板27的兩側，即可形成位於第二分隔板26的溝槽34c中的冷卻劑流動路 徑。中間分隔板27的歧道46a 49b與第二分隔板的歧道39a 42b，會依據不同的結合 方式而產生不同的對應。對於中間 分隔板27，其具有第一面50與相反於第一面的第二面51。當中間分隔 板27以第一面50面對第二分隔板26的第一面37時，歧道46a、46b、47a、47b、48a、48b、49a 與49b會分別對應至第二分隔板26的歧道40a、40b、39a、39b、42a、42b、41a與41b。而當中 間分隔板27以第二面51面對第二分隔板26的第一面37時，歧道46a、46b、47a、47b、48a、 48b,49a與49b會分別對應至第二分隔板26的歧道39a、39b、40a、40b、41a、41b、42a與42b。對於螺杆孔的對應方式亦相似於歧道。當中間分隔板27以第一面50面對第二分 隔板26的第一面37時，中間分隔板27的螺杆孔52a、52b、52c與52d會分別對應至第二分 隔板的螺杆孔45c、45b、45a與45d，而當中間分隔板27以第二面51面對第二分隔板26的 第一面37時，中間分隔板27的螺杆孔52a、52b、52c與52d會分別對應至第二分隔板的螺 杆孔 45a、45b、45c 與 45d。密封結構本發明中的密封結構包含了膜電極組密封環、冷卻劑密封環與分隔板密封環，分 別如下述圖7至9所示。這些密封環除了可防止反應氣體之間或反應氣體與冷卻劑之間的 互竄與洩漏發生外，膜電極組密封環可分別導引燃料與含氧氣體進入電極反應區域，冷卻 劑密封環則可導引冷卻劑進入冷卻劑流動區域，而分隔板密封環是第一分隔板23與第二 分隔板26結合為一等效雙極板時所需的密封結構。接著就分別對膜電極組密封環、冷卻劑 密封環與分隔板密封環詳細說明其特徵。1.膜電極組密封環圖7為膜電極組密封環與第一分隔板的組合圖標。膜電極組密封環53以膠黏或 直接在金屬板上射出成型等方式，與第一分隔板23的第一面28相互結合。該膜電極組密 封環53為一可壓縮的材料，如矽膠，其具有適當的高度以配合氣體擴散層與膜電極組的厚 度。膜電極組密封環53為一體成型的密封結構，其包圍了歧道31a、31b、32a、32b、33a與 33b，而在歧道30a與30b則是僅朝著反應氣體流動路徑34a的方向開放。藉由膜電極組密 封環53與第一分隔板23的組合，其可夾持氣體擴散層與膜電極組，進而形成一陰極側與一 陽極側。經由一陰極與一陽極的膜電極組密封環的相互施壓，可避免反應氣體之間或反應 氣體與冷卻劑之間的互竄洩漏發生，同時可導引反應氣體由歧道30a進入反應氣體流動區 域34a，接著進入歧道30b然後離開電池組，如箭頭方向所示。2.冷卻劑密封環圖8為冷卻劑密封環與第二分隔板的組合圖標。同樣地，冷卻劑密封環54以膠黏 或直接在金屬板上射出成型等方式，與第二分隔板26的第一面37相互結合。該冷卻劑密封 環54為一可壓縮的材料，如矽膠，其具有適當的高度以配合冷卻劑流動路徑43a的肋條43b 的高度。冷卻劑密封環54為一體成型的密封結構，其包圍了歧道39a、39b、40a、40b、42a與 42b，而在歧道41a與41b則是僅朝著冷卻劑流動路徑43a的方向開放。藉由冷卻劑組密封 環54與第二分隔板26的組合，其可夾持中間分隔板27，進而在其兩側形成冷卻劑的流動路 徑。經由中間分隔板27的兩側的冷卻劑密封環54的相互施壓，可避免反應氣體之間或反 應氣體與冷卻劑之間的互竄洩漏發生，同時可導引冷卻劑由歧道41a進入冷卻劑流動區域43a，接著進入歧道41b然後離開電池組，如箭頭方向所示。3.分隔板密封環圖9A與9B分別是分隔板密封環與第一分隔板，以及分隔板密封環與第二分隔板 的組合圖標。在第一分隔板23中，分隔板密封環55a 55d以膠黏或直接在金屬板上射 出成型等方式，置於第一分隔板23的第二面29的溝槽中。該溝槽即為前述的當肋條35a、 35b,35c與35d形成於第一分隔板的第一面28上，會在第二面29上有相對應的溝槽產生。 同樣地，在第二分隔板26中，分隔板密封環56a 56d以膠黏或直接在金屬板上射出成型 等方式，置於第二分隔板26的第二面38的溝槽中。該溝槽即為前述的當肋條44a、44b、44c 與44d形成於第二分隔板的第一面37上，會在第二面38上有相對應的溝槽產生。分隔板 密封環55a 55d與56a 56d是同一密封結構，其為一可壓縮的材料，如矽膠，並具有適 當的高度以配合上述溝槽的深度。因為前述的鏡像對稱與軸向對稱的設計，當第一分隔板23以其第二面29，與第二 分隔板26的第二面38結合為一等效雙極板時，分隔板密封環55a 55d即包圍了第一分 隔板23的歧道32a、32b、33a與33b，以及第二分隔板26的歧道42a、42b、41a與41b。而分 隔板密封環56a 56d則包圍了第二分隔板26的歧道39a、39b、40a與40b，以及第一分隔 板23的歧道31a、31b、30a與30b。經由第一分隔板23與第二分隔板26的相互施壓，被壓 縮的分隔板密封環55a 55d與56a 56d即可避免反應氣體之間或反應氣體與冷卻劑之 間的互竄洩漏發生。組裝程序圖10為單電池結構的各組件圖標。首先就陰極側的半電池模塊來說，一對第一分 隔板23以其第一面28與膜電極組密封環53相互結合，並且也以其第一面28上的肋條接 觸陰極氣體擴散層24，而緊接著陰、陽極氣體擴散層24的則是膜電極組25。接著，一對第 一分隔板23以其第二面29與對應一對第二分隔板26的第二面38相互結合，而分隔板密 封環55 56則是置於第一分隔板23與第二分隔板26之間的溝槽內。最後，第二分隔板 26以其第一面37與冷卻劑密封環54相互結合，並且也以其第一面37上的肋條接觸一對中 間分隔板27的第一面50。上述的組裝步驟形成一陰極側的半電池模塊，而對於陽極側的半 電池模塊也是使用相同的方式組成。藉由一陰極與一陽極側的半電池模塊的組合，即可完 成一單電池結構。圖11為單電池結構的流場網絡圖標。對於含氧氣體來說，其是經由中間分隔板 27、第二分隔板26與第一分隔板23的含氧氣體供應歧道，被導引至第一分隔板23的含氧 氣體流道。接著藉由擴散機制，流道中的含氧氣體進入電極反應區域24 25並產生陰極 側的還原反應。最後未使用的含氧氣體與產物水，由流道進入含氧氣體排出歧道，並且離開 電池組。對於燃料氣體來說，其是經由中間分隔板27、第二分隔板26與第一分隔板23的燃 料氣體供應歧道，被導引至第一分隔板23的燃料氣體流道。接著藉由擴散機制，流道中的 燃料氣體進入電極反應區域24 25並產生陽極側的氧化反應。最後未使用的燃料氣體， 由流道進入燃料氣體排出歧道，並且離開電池組。對於冷卻劑來說，其是經由中間分隔板27 與第二分隔板26的冷卻劑供應歧道，被導引至第二分隔板26與中間分隔板27之間的冷卻 劑流道。冷卻劑吸收了電池組發電過程中所產生的廢熱，而最後溫度上升的冷卻劑由流道 進入冷卻劑排出歧道，並且離開電池組。
圖12為燃料電池組的圖示，為了形成電池組57，需以開放端板58與封閉端板59 夾持多個以上的單電池結構60，而陰極集電板61a與陽極集電板61b，則置於兩端板與多個 以上的單電池結構之間，並與外部迴路構成電流的通路。螺杆孔62a 62d貫穿了開放端 板58與封閉端板59，並對應前述分隔板的螺杆孔位置。另外螺杆孔63a 63d也貫穿了開 放端板58與封閉端板59，其與螺杆孔62a 62d，均有螺杆貫穿其中。另外開放端板58與 封閉端板59的表面需對電為絕緣，以確保電流能進入集電板中。所以端板可由一具有適當 結構強度的絕緣材料製作，或是以金屬材質作為端板本體，再對其表面作適當的絕緣處理。藉由一壓縮電池組57的過程，開放端板58與封閉端板59會將力量均勻地傳遞至 多個以上的單電池結構60。而在各組件之間，分隔板的肋條結構可將上述的力量傳遞至氣 體擴散層與膜電極組，使之產生適當的壓縮變形以確保彼此之間的接觸，當然經由肋條結 構的力量傳遞也可使分隔板之間形成緊密的接觸。另外密封結構也是經由此壓縮過程產生 一適當的壓縮變形，進而達成有效的反應氣體與冷卻劑的密封，以避免互竄洩漏的情況發 生。最後當電池組57被壓縮至一最佳的高度後，螺杆孔62a 62d與63a 63d中的螺杆 可藉由一鎖合機制被緊密地固定在端板上，如此即完成了電池組的鎖合與固定。為了將反應氣體與冷卻劑導入分隔板中的供應歧道，以及使反應氣體與冷卻劑由 分隔板中的排出歧道導出，在開放端板58上具有含氧氣體的供應通道64a與排出通道64b、 燃料氣體的供應通道65a與排出通道65b，以及冷卻劑的供應通道66a與67a和排出通道 66b與67b。這些通道會與前述歧道分別形成含氧氣體、燃料氣體與冷卻劑的完整流場網 絡，以供應足夠的反應氣體與冷卻劑，並排除未使用的氣體與產物水，以及移除電池組產生 的廢熱。經由前述的電池組的鎖合與固定，以及上述通道64a 67b與開放端板58的結合， 即完成了電池組的組裝程序。綜上所述，本發明的結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明 在目的及功效上均深富實施的創造性，極具產業的利用價值，且為目前市面上前所未見的 運用，依專利法的精神所述，本發明案完全符合發明專利的要件。以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以的限定本發明所實施的範圍， 即大凡依本發明權利要求所作的均等變化與修改，皆應仍屬於本發明專利涵蓋的範圍內。
權利要求
一種使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，包括有一陰極氣體擴散層；一陽極氣體擴散層；一膜電極組，設置於陰極、陽極氣體擴散層之間；一對第一分隔板，設置於該陰極、陽極氣體擴散層外部兩側，該第一分隔板的第一面上具有多個溝槽與肋條，其中該溝槽形成燃料或含氧氣體的流動路徑，而該肋條則能傳遞力量以及傳導熱與電流；一對第二分隔板，設置於該第一分隔板外部兩側，與第一分隔板相組立，該第二分隔板的第一面上具有多個溝槽與肋條，其中該溝槽形成冷卻劑的流動路徑，而該肋條則能傳遞力量以及傳導熱與電流；以及一對中間分隔板，設置於該第二分隔板外部兩側，與第二分隔板相組立，於中間分隔板的兩側形成位於第二分隔板的溝槽中的冷卻劑流動路徑。
2.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該第 一分隔板為一衝壓成型的金屬板所構成。
3.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該第 一分隔板具有鏡像對稱的反應氣體供應與排出歧道，與鏡像對稱的冷卻劑供應與排出歧 道，而反應氣體與冷卻劑歧道之間則為軸向對稱。
4.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該第 一分隔板溝槽所形成的燃料或含氧氣體的流場為直通、規律或不規律的彎曲弧形或Z形等 流道。
5.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該第 一分隔板於第一面上具有包圍冷卻劑歧道的肋條結構，並且於第二面上有與該肋條相對應 的溝槽形成，而該溝槽形成的空間置放一密封結構。
6.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該第 一分隔板設置有若干鏡像與軸向對稱的螺杆孔。
7.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該第 二分隔板與第一分隔板為相同結構，且第二分隔板是藉由第一分隔板相對於垂直第一分隔 板的第一面的中心軸以順時鐘方向旋轉九十度之後形成。
8.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該中 間分隔板為一衝壓成型的金屬板所構成，其具有與第一分隔板相對應的反應氣體與冷卻劑 歧道，且設置有多個螺杆孔。
9.如權利要求1所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該燃 料電池的單電池結構還包括有一置於第一分隔板的陽極膜電極組密封環；一置於第一分 隔板的陰極膜電極組密封環；一置於第二分隔板與中間分隔板之間的冷卻劑密封環；與多 個置於第一分隔板與第二分隔板之間的分隔板密封環。
10.如權利要求9所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該膜 電極組密封環是以膠黏或直接在金屬板上射出成型的方式，與第一分隔板的第一面相互結 合，其為可壓縮材質並具有適當高度以配合氣體擴散層與膜電極組的厚度。
11.如權利要求9所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該膜電極組密封環為一體成型的密封結構，其僅朝著反應氣體流動路徑的方向開放，並包圍其 它所有的歧道。
12.如權利要求9所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該 冷卻劑密封環是以膠黏或直接在金屬板上射出成型的方式，與第二分隔板的第一面相互結 合，其為可壓縮材質並具有適當高度以配合第二分隔板的冷卻劑流動區域的肋條高度。
13.如權利要求9所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該冷 卻劑密封環為一體成型的密封結構，其僅朝著冷卻劑流動路徑的方向開放，並包圍其它所 有的歧道。
14.如權利要求9所述的使用金屬分隔板的燃料電池的單電池結構，其特徵在於，該分 隔板密封環是以膠黏或直接在金屬板上射出成型的方式，與第一分隔板的第二面或是第二 分隔板的第二面相互結合，其位於第一分隔板或第二分隔板的溝槽中，另外其為可壓縮材 質並且具有適當高度以配合該溝槽深度。
15.一種使用金屬分隔板的燃料電池組，其包括有多個單電池結構的堆棧組合、一陽極 集電板、一陰極集電板、一開放端板與一封閉端板的結合結構，且還包括有所述單電池結構包含一陰極氣體擴散層；一陽極氣體擴散層；一置於兩氣體擴散層之 間的膜電極組；與設置於氣體擴散層外部的一對第一分隔板；以及形成冷卻劑流動區域的 一對第二分隔板與一對中間分隔板，且還包含一置於第一分隔板的陽極膜電極組密封環、 一置於第一分隔板的陰極膜電極組密封環、一置於第二分隔板與中間分隔板之間的冷卻劑 密封環，與多個置於該第一分隔板與該第二分隔板之間的分隔板密封環； 所述該陽、陰極集電板是設置於所述多個單電池結構與端板之間；以及 所述該開放、封閉端板是設置於所述多個單電池結構與集電板的外側。
16.如權利要求15所述的使用金屬分隔板的燃料電池組，其特徵在於，該開放端板與 封閉端板具有多個螺杆孔，且與該分隔板螺杆孔相對應。
17.如權利要求15所述的使用金屬分隔板的燃料電池組，其特徵在於，該開放端板與 封閉端板的表面對電為絕緣。
18.如權利要求15所述的使用金屬分隔板的燃料電池組，其特徵在於，該開放端板具 有燃料與含氧氣體，以及冷卻劑的供應與排出通道。
19.一種使用金屬分隔板的燃料電池的單電池的組裝方法，其特徵在於，包括有將一第一分隔板以其第一面與一陰極膜電極組密封環相互結合，而另一第一分隔板則 以其第一面與一陽極膜電極組密封環相互結合；將該第一分隔板以其第一面上的肋條接觸一陰極氣體擴散層，而該另一第一分隔板則 以其第一面上的肋條接觸一陽極氣體擴散層；將一膜電極組置於該陰極氣體擴散層與一陽極氣體擴散層之間； 將該第一分隔板以其第二面上的溝槽與多個分隔板密封環相互結合，該另一第一分隔 板以其第二面上的溝槽與多個分隔板密封環相互結合；將一第二分隔板以其第二面上的溝槽與多個分隔板密封環相互結合，而另一第二分隔 板以其第二面上的溝槽與多個分隔板密封環相互結合；將該第一分隔板以其第二面與該第二分隔板的第二面相互結合，而該另一第一分隔板 則以其第二面與該另一第二分隔板的第二面相互結合；將該第二分隔板以其第一面與一冷卻劑密封環相互結合，而該另一第二分隔板以其第 一面與另一冷卻劑密封環相互結合；以及將該一第二分隔板以其第一面上的肋條接觸一中間分隔板的第一面，而該另一第二分 隔板以其第一面上的肋條接觸另一中間分隔板的第一面。
全文摘要
本發明為使用金屬分隔板的燃料電池組及其單電池結構、組裝方法，燃料電池組至少具有一單電池結構，其包括陰極氣體擴散層；陽極氣體擴散層；一膜電極組，設置於陰、陽極氣體擴散層之間。兩第一分隔板，設置於陰、陽極氣體擴散層外部兩側，第一分隔板的第一面具多個溝槽與肋條，該溝槽形成燃料或含氧氣體的流動路徑，肋條能傳遞力量及傳導熱與電流；兩第二分隔板，設置於該第一分隔板外部兩側，與第一分隔板相組立，第二分隔板的第一面具多個溝槽與肋條，溝槽形成冷卻劑流動路徑，肋條傳遞力量及傳導熱與電流；兩中間分隔板，設置於該第二分隔板外部兩側，與第二分隔板相組立，於中間分隔板的兩側形成位於第二分隔板的溝槽中的冷卻劑流動路徑。
文檔編號H01M8/04GK101872867SQ20091013735
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年4月24日
發明者張文振, 曹芳海, 林賜岱, 許桓瑞, 鍾孝平, 陳奎翰, 陳祈彰 申請人:財團法人工業技術研究院