TW201405929A - 燃料電池板總成與組裝此燃料電池板總成之方法 - Google Patents

Abstract

一種組裝一燃料電池板總成之方法，該方法包含：將一雙極板置放於一組裝點平台上(1602)；將一預製的第一流體擴散層置放於該雙極板上且使其與該雙極板對準(1606)；將一第一黏合劑軌道分配於該雙極板及該第一流體擴散層之周圍邊緣兩者附近(1610)；以及使一預製的MEA及第二流體擴散層與該第一黏合劑軌道密封式接合且進而在該雙極板、該第一流體擴散層之周圍邊緣與該MEA及第二流體擴散層之間形成密封(1612)；其中該方法包含在置放或分配步驟(1302、1606、1610、1612)中之任一者或全部之前或之後降低該組裝點平台(1604、1608)。

Description

燃料電池板總成與組裝此燃料電池板總成之方法

本揭露內容係關於燃料電池板總成與組裝此燃料電池板總成之方法之領域，且具體而言，但並非排他地，係關於可裝在一起以形成燃料電池堆疊之燃料電池板總成及組裝燃料電池堆疊之方法。

習知電化學燃料電池將燃料及氧化劑(通常二者皆呈氣體流形式)轉化為電能及反應產物。用於使氫與氧起反應之常見類型的電化學燃料電池包含聚合離子(質子)轉移薄膜，其中燃料及空氣經過薄膜之個別側。質子(亦即氫離子)經引導而穿過薄膜，由經引導而穿過電路之電子進行平衡，該電路連接燃料電池之陽極與陰極。為增大可獲得之電壓，可形成包含許多此類薄膜的堆疊，其配置有分開的陽極及陰極流體流動路徑。此堆疊通常呈方塊形式，其包含由在堆疊之任一端的端板固定在一起之眾多個別燃料電池板。

因為燃料與氧化劑之反應產生熱及電力，所以一旦達到操作溫度，燃料電池堆疊就需要冷卻。可藉由迫使空氣穿過陰極流體流動路徑而達成冷卻。在打開之陰極堆疊中，氧化劑流動路徑與冷卻劑路徑係同一路徑，亦即迫使空氣穿過堆疊，空氣既供應氧化劑給陰極又冷卻堆疊。

根據本發明之第一觀點，提供一種組裝燃料電池板總成之方法，該方法包含：將雙極板置放於組裝點平台上；視情況降低組裝點平台；將預製的第一流體擴散層置放於雙極板上且使其與雙極板對準；視情況降低組裝點平台；將第一黏合劑軌道分配於雙極板及第一流體擴散層之周圍邊緣兩者附近；使預製的MEA及第二流體擴散層與第一黏合劑軌道密封式接合且進而在雙極板、第一流體擴散層之周圍邊緣與MEA及第二流體擴散層之間形成密封；以及視情況降低組裝點平台；其中該方法包含在置放或分配步驟中之任一者或全部之前及/或之後降低組裝點平台。

此方法實現在單個組裝點的便利且有效率的組裝，且不需要大量人工干預。此外，藉由在各構件置放操作之間降低組裝點平台來提供一致的組裝平台係有利的。

此方法可為自動化的。

該方法可進一步包含將預製的MEA及第二流體擴散層置放於第一黏合劑軌道上且使其與第一黏合劑軌道密封式接合，使得預製的MEA及第二流體擴散層之一面與第一黏合劑軌道密封式接合。

分配黏合劑可包含絲網印刷黏合劑及/或使用傳送帶將半流體式黏合劑置放於所要位置中。

可提供一種組裝燃料電池堆疊之方法，該方法包含：將第一端板置放於組裝點平台上；降低組裝點平台；重複地執行組裝燃料電池板總成及降低組裝點平台之任何方法，以在第一端板上組裝複數個燃料電池板總成；將第二端板置放於複數個燃料電池板總成上。

該方法可進一步包含壓縮第一端板、複數個燃料電池板總成及第二端板。有利地，可在組裝點平台上的組裝點上執行此壓縮。

該方法可進一步包含將第一端板、複數個燃料電池板總成及第二端板固定在壓縮狀態。有利地，可在組裝點平台上的組裝點上執行此固定。

雙極板可具有第一及/或第二口。組裝燃料電池板總成之方法可進一步包含：將第二黏合劑軌道分配為圍繞雙極板之第一口之環；及/或將第三黏合劑軌道分配為圍繞雙極板之第二口之環。

第二及第三黏合劑軌道可在燃料電池堆疊中相鄰雙極板之個別口之間提供密封。以此方式，可提供穿過燃料電池堆疊之厚度之流體傳遞走道，以將流體提供至燃料電池板總成中之每一者。

該方法可進一步包含將一或多個黏合劑軌道暴露於紫外線光照以固化黏合劑。在已組裝燃料電池堆疊之後固化黏合劑以免在組裝點 佔用寶貴的時間可為有利的。此可改良每一燃料電池堆疊之製造時間且為該組裝方法提供增加的吞吐量。

根據本發明之另一觀點，提供一種燃料電池板總成，該燃料電池板總成包含：雙極板；預製的第一流體擴散層，其定位於雙極板上且與雙極板對準；第一黏合劑軌道，其定位於雙極板及第一流體擴散層之周圍邊緣兩者附近；以及預製的MEA及第二流體擴散層，其與第一黏合劑軌道密封式接合且進而在雙極板、第一流體擴散層之周圍邊緣與MEA之間形成密封。

可提供一種燃料電池堆疊，該燃料電池堆疊包含：第一端板；複數個本文揭露之燃料電池板總成，其定位於第一端板上；以及第二端板，其定位於複數個燃料電池板總成上。

雙極板可具有第一及/或第二口。燃料電池板總成可進一步包含：第二黏合劑軌道，其經構形來提供圍繞雙極板之第一口之環；及/或第三黏合劑軌道，其經構形來提供圍繞雙極板之第二口之環。

第二及第三黏合劑軌道可經構形來在燃料電池堆疊中相鄰雙極板之個別口之間提供密封。

現參看附圖僅藉由舉例給出描述，在附圖中： 圖1至圖4示意性地展示可如何組裝根據本發明之一實施例的燃料電池板總成；圖5展示定位於圖4之燃料電池板總成之頂部的第二雙極板之剖視圖；圖6至圖12示意性地示出根據本發明之一實施例可如何建構燃料電池板總成；圖13示意性地示出根據本發明之一實施例可如何將燃料電池堆疊裝在一起；圖14示意性地示出根據本發明之替代實施例可如何將燃料電池堆疊裝在一起；圖15示出根據本發明之一實施例的燃料電池堆疊；以及圖16示出根據本發明之另一實施例的方法。

本文揭露之一或多個實施例係關於一種在組裝點平台上的單個組裝點上組裝燃料電池板總成及燃料電池堆疊之方法。此方法可為自動化的且可提供有效率且便利的組裝方法，該方法不需要大量或任何人工干預。有利地，可在構件置放操作之後降低組裝點平台以提供一致的位置。

圖1至圖4展示可如何組裝根據本發明之實施例的燃料電池板總成。圖1展示雙極板102。圖2展示置放於雙極板上之預製的第一流體擴散層210。圖3展示分配於雙極板102及預製的第一流體擴散層210上之黏合劑314、316。圖4展示置放於預製的第一流體擴散層及黏合劑316上之層疊層418，該層疊層418包括膜電極總成及第二流體擴散層。以下提供進一步細節。

圖1展示雙極板102的一端，該雙極板可提供根據本發明之一實施例的燃料電池板總成之部分。圖1所示之雙極板102的該端具有口104。將瞭解，雙極板102的另一端亦可具有口，如圖6所示。口104係用於接收將要提供至電極之活性區的流體，諸如氫氣。圖1中用參考符號105展示電極之活性區的覆蓋區，但並未展示電極本身。以下參看圖4更詳細地描述電極。

活性區105可被視為具有氣體擴散層(GDL)的覆蓋區/區域，該等GDL與電極表面接觸以便給電極提供必要的反應氣體來促進穿過薄膜之質子交換。

口104接收在穿過雙極板102之厚度方向上的流體。除向電極提供流體之外，口104亦將流體送至燃料電池堆疊中之鄰近燃料電池總成，因為在建構堆疊時使各雙極板之口對準。

在此實例中，雙極板102具有複數個流體流動通道106，該等流體流動通道並不連續且橫跨雙極板102之橫向寬度而延伸。以此方式，當流體進入流體流動通道106時，流體可橫跨活性區105的寬度而橫向分散。

如將在以下更詳細地論述，流體沿著雙極板102之縱向長度通過氣體擴散層。然而，一或多個可選擇之口通道108可提供口104與活性區105之間的流體連接。口通道108可提供為雙極板102中之凹槽。以下將參看圖2更詳細地描述口通道108與流體擴散層之間的關係。

此外，一或多個可選擇之連接通道107亦可沿著雙極板102之長度在連續的流體流動通道106之間輸送流體。此連接通道107亦可提供為雙極板102中之凹槽。

連接通道107可在連接流體流動通道106之不同端之間交替，以便沿著雙極板102之縱向長度提供彎曲或交叉數位化的(inter-digitized)路徑。此可促使流體滲透流體擴散層的大部分，以使得均勻地向電極呈現流體。

圖2展示定位於圖1之雙極板102上的預製的第一流體擴散層210。該流體擴散層通常稱為氣體擴散層(GDL)，且在此實例中將稱為陽極GDL 210，因為其向電極之陽極側的活性區提供氣體。

陽極GDL 210具有在雙極板102之口104與活性區105之間延伸的延伸區域212。凸片212在活性區105之覆蓋區之外。延伸區域將稱為凸片212。凸片212自陽極GDL 210之主體延伸，在此實例中，該主體與活性區105大體上共同定位。陽極GDL之凸片212可將於口104處接收之氫氣傳遞至活性區105。如以上所指出，圖1所示之口通道108亦可將氫氣自口104傳遞至活性區105。然而，將瞭解，該等口通道108為可選擇的，因為氫氣之輸送可僅經由陽極GDL 210發生。類似地，圖1之連接通道107亦為可選擇的，因為陽極GDL 210可為用於在流體流動通道106之間傳遞氫氣的僅有機構。

在其他實施例中，凸片212可被視為可選擇的，因為口通道108可用來在第一口104與活性區105之間傳遞流體。

圖3展示沈積於圖2之雙極板102及陽極GDL 210上之兩個黏合劑軌道314、316。第二黏合劑軌道314提供圍繞口104的連續環，且經過陽極GDL 210之凸片212。第一黏合劑軌道316圍繞陽極GDL 210之外側沈積於雙極板102上，該第一黏合劑軌道亦經過陽極GDL 210之凸片212。 以此方式，第一黏合劑軌道316經定位以使得其在薄膜電極總成定位於部分燃料電池板總成上時圍繞陽極GDL 210提供密封。第一黏合劑軌道316定位於雙極板102及陽極GDL 210之周圍邊緣兩者附近。

黏合劑經選擇以使得黏合劑滲入陽極GDL 210之凸片212中的程度為最小，進而不會顯著地阻礙經由陽極GDL 210之流體輸送。

圖4展示燃料電池板總成400，其中層疊層418被添加至圖3之部分燃料電池板總成。層疊層為四層薄膜電極總成(MEA)且包含陰極流體擴散層、第一觸媒層、電極薄膜及第二觸媒層。兩個觸媒層及電極薄膜可一起稱為包含電極之薄膜電極總成，或者預製的MEA及第二流體擴散層。

四層MEA 418定位於第一黏合劑軌道316上。自圖4可見，第一黏合劑軌道316已移動且展開以使得其鄰接第二黏合劑軌道314，進而圍繞陽極GDL 210之凸片212提供位於口104之外側的密封。同樣，該兩個已移動之黏合劑軌道314、316在凸片212表面上交會，進而完成陽極封閉且為電池提供完整的陽極密封。

以此方式，使預製的MEA及第二流體擴散層418與已分配之黏合劑316密封式接合且進而在雙極板102、第一流體擴散層210之周圍邊緣與MEA及第二流體擴散層418之間形成密封。在一些實例中，預製的MEA及第二流體擴散層418之底面可與已分配之黏合劑316密封式接合。

在四層MEA 418之周圍內界定活性區，因為四層MEA 418之外部帶定位於黏合劑316上，該黏合劑阻止陽極氣體(氫氣)輸送至電極。將瞭解，可控制黏合劑之置放，以便使黏合劑移動至所希望之活性區 105的程度為最小。

圖5展示定位於圖4之燃料電池板總成400之頂部的第二雙極板502之剖視圖。如此項技術中所知，可組裝複數個燃料電池板總成400來形成燃料電池堆疊。

如圖5所示，當第二雙極板502定位於燃料電池總成400之頂部時，其接觸圍繞第一雙極板102之口104的第二黏合劑軌道314。第二黏合劑軌道314因此產生圍繞該兩個雙極板之口的密封，陽極GDL 210之凸片212在該密封之下經過。若雙極板102包括口通道(如圖1中用參考符號108所示)，則陽極GDL 210之凸片212可足夠堅硬以防止陷入該等口通道之凹槽中。此可與先前技術的燃料電池形成對比，在先前技術的燃料電池中，與電極相關之子墊片定位於凹槽上，且可凹陷至凹槽中。

圖6至圖12示意性地示出根據本發明之一實施例可如何在組裝點平台(未在圖中展示)上建構燃料電池板總成。在將構件添加至燃料電池板總成之後可降低組裝點平台，因此組裝點在建構過程中位於大體上相同的高度。

圖6示出提供至組裝點之雙極板102之條帶。可見在此實例中之雙極板102具有兩個口104、622。第一口104為進口，如以下詳細地論述。第二口622可為出口或進口。在一些實施例中，在燃料電池中與氫之反應的化學計量效率大於一，且因此第二口622應被用作出口以便為產物水管理提供穿透流。在其他實施例中，若化學計量效率及/或水管理技術容許，則第二口622亦可為進口。

雙極板可包含分開之陽極板602a及陰極板602b，該陽極板 及陰極板僅在雙極板102進入組裝點之前不久才接合在一起，例如以電阻、雷射或黏合劑方式黏結在一起。此展示於圖6中，因為陽極板602a及陰極板602b最初係分開供應的。

陽極GDL 210之堆疊及四層MEA 418之堆疊定位於組裝點之任一側。

圖7展示已自堆疊上取下預製的第一流體擴散層(將稱為陽極GDL 210)，準備好定位於雙極板上，其方式與圖2所示之方式相同。將瞭解，此操作及隨後操作可為自動化的。圖8展示定位於雙極板102上之適當位置中且與雙極板102對準的陽極GDL 210。

圖9展示在陽極GDL 210及雙極板102上方的適當位置中之黏合劑分配器930。

圖10展示已由黏合劑分配器930分配之三個黏合劑軌道314、316、1040。第一軌道316係分配至鄰近雙極板及陽極GDL之周圍邊緣兩者的位置。第二軌道314提供圍繞第一口104之連續環。第一軌道316及第二軌道314與參看圖3描述之軌道相同。圖10亦展示第三黏合劑軌道1040，其提供圍繞第二口622之連續環。其方式與第二黏合劑軌道314提供圍繞第一口104之連續環的方式相同。

圖11展示已自堆疊上取下預製的四層MEA及第二擴散層418，準備好定位於雙極板102及陽極GDL 210上，其方式與圖4所示之方式相同。圖12展示定位於雙極板102及陽極GDL 210上之適當位置中的四層MEA及第二擴散層418。

將瞭解，由圖6至圖12所示之建構步驟中之每一者可在同 一組裝點平台上執行，因為在各置放操作之間降低了組裝點平台。

圖13發展了圖6至圖12所示之建構方法，以使得可在組裝點平台(圖中未展示)上將燃料電池堆疊裝在一起。圖13示出與圖6至圖12中所示相同之雙極板102之條帶、陽極GDL210之堆疊及四層MEA 418之堆疊。此外，圖13展示用於燃料電池堆疊之頂端板/第二端板的兩個構件堆疊1350、1352及用於燃料電池堆疊之底端板/第一端板的兩個構件堆疊1354、1356。來自用於底端板之堆疊1354、1356的板係在燃料電池板總成的建構開始之前置放於組裝點平台上。來自用於頂端板之堆疊1350、1352的板係在燃料電池堆疊已組裝至所要大小時置放於燃料電池板總成之頂部。接著可將燃料電池堆疊自組裝點平台移動至圖13中用參考符號1362所示的位置。

可在組裝點或其他地方壓縮第一端板1354、1356、複數個燃料電池板總成及第二端板1350、1352，以便將該等構件壓縮成工作尺寸。或者，可將該等構件壓縮成略小於工作尺寸的尺寸，因此可方便地將夾具1358、1360附接至該等板，來將燃料電池總成固定在一起。

可將夾具1358、1360附接至燃料電池堆疊1362之每一側，來將燃料電池板總成以所希望之工作尺寸固定在一起，以便提供完成之燃料電池堆疊1361。可在自原始組裝點移動燃料電池堆疊1362之前或之後將夾具1358、1360附接至燃料電池堆疊1362。

在一些實例中，可在組裝燃料電池堆疊期間或之後將已分配之黏合劑暴露於固化環境。藉由將燃料電池堆疊暴露於紫外線光照及/或適合的固化溫度，可提供適合的固化環境。此實施例之燃料電池板之結構可 非常適合於暴露於紫外線光照，因為可自已堆疊之燃料電池板總成之間暴露每一黏合劑軌道之至少一部分。

圖14示出用於建構根據本發明之一實施例之燃料電池堆疊的替代方法。在此實例中，在拾取及置放過程之前不久，以條帶的方式供應且分割陽極GDL、四層MEA及用於端板之構件。

圖15示出根據本發明之一實施例的燃料電池堆疊1500。燃料電池堆疊之頂端板1570包括兩個孔口1572、1574，該等孔口分別與燃料電池板總成之每一端的口(未在圖15中展示)流體連接。將瞭解，若需要，可在底端板1576中提供類似之孔口。

圖16示出根據本發明之一實施例之組裝燃料電池板總成的方法。

在步驟1602，該方法藉由將雙極板置放於組裝點平台上而開始。在一些實施例中，隨後可在步驟1604降低組裝點平台，例如，因此雙極板之頂部位於與組裝點平台之原始高度相同的高度。亦即，組裝點平台降低的距離可等於雙極板之厚度。

在步驟1606，組裝方法藉由將預製的第一流體擴散層置放於雙極板上且使其與雙極板對準而繼續。隨後可在步驟1608降低組裝點平台，例如，因此預製的第一流體擴散層之頂部位於與組裝點平台之原始高度相同的高度。亦即，組裝點平台降低的距離可等於預製的第一流體擴散層之厚度。

在步驟1610，該方法藉由將第一黏合劑軌道分配於雙極板及第一流體擴散層之周圍邊緣兩者附近而繼續。在一些實例中，方法步驟 1610亦可涉及將第二黏合劑軌道分配為圍繞雙極板之第一口的環及/或將第三黏合劑軌道分配為圍繞雙極板之第二口的環。

可藉由絲網印刷液體黏合劑或使用傳送帶將半流體式黏合劑置放於所要位置中來分配黏合劑。

在步驟1612，該方法藉由使預製的MEA及第二流體擴散層與第一黏合劑軌道密封式接合而繼續。此可在雙極板、第一流體擴散層之周圍邊緣與MEA及第二流體擴散層之間形成密封。

將瞭解，在一些實例中，在置放或分配步驟1602、1606、1610、1612中之任一者或全部之前或之後，可以(但並非必要)降低組裝點平台。組裝點平台降低的具體增量針對不同的降低操作可以不同。組裝點平台降低的具體增量未必需要與所置放的每個構件有關。

可重複圖16之方法以便組裝燃料電池堆疊。在此類實例中，第二及第三黏合劑軌道可圍繞相鄰雙極板之個別第一及第二口提供密封。

本文揭露之任何「預製」層可被視為單一、自行支撐的層，其可作為單個構件提供至組裝點。

Claims (18)

1. 一種組裝一燃料電池板總成之方法，該方法包含：將一雙極板置放於一組裝點平台上；將一預製的第一流體擴散層置放於該雙極板上且使其與該雙極板對準；將一第一黏合劑軌道分配於該雙極板及該第一流體擴散層之一周圍邊緣兩者附近；以及使一預製的MEA及第二流體擴散層與該第一黏合劑軌道密封式接合且進而在該雙極板、該第一流體擴散層之該周圍邊緣於該MEA及第二流體擴散層之間形成一密封；其中該方法包含在該等置放或分配步驟中之任一者或全部之前或之後降低該組裝點平台。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，包含在將該雙極板置放於該組裝點平台上之後降低該組裝點平台。
3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，包含在將該預製的第一流體擴散層置放於該雙極板上且使其與該雙極板對準之後降低該組裝點平台。
4. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，包含在使該預製的MEA及第二流體擴散層與該第一黏合劑軌道密封式接合之後降低該組裝點平台。
5. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該方法係自動化的。
6. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，該方法包含：將該預製的MEA及該第二流體擴散層置放於該第一黏合劑軌道上且使其與該第一黏合劑軌道密封式接合，使得該預製的MEA及第二流體擴散層 之一面與該第一黏合劑軌道密封式接合。
7. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中分配一黏合劑包含絲網印刷該黏合劑。
8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中分配一黏合劑包含使用傳送帶將一半流體式黏合劑置放於一所要位置中。
9. 一種組裝一燃料電池堆疊之方法，該方法包含：將一第一端板置放於一組裝點平台上；降低該組裝點平台；重複地執行申請專利範圍第1至8項中任一項之方法及降低該組裝點平台，以在該第一端板上組裝複數個燃料電池板總成；將一第二端板置放於該複數個燃料電池板總成上。
10. 如申請專利範圍第9項之方法，該方法進一步包含：壓縮該第一端板、複數個燃料電池板總成及第二端板；以及將該第一端板、複數個燃料電池板總成及第二端板固定在壓縮狀態。
11. 如申請專利範圍第9或10項之方法，其中該等雙極板具有一第一口及一第二口，且該組裝一燃料電池板總成之方法進一步包含：將一第二黏合劑軌道分配為圍繞該雙極板之該第一口之一環；以及將一第三黏合劑軌道分配為圍繞該雙極板之該第二口之一環；使得該第二及第三黏合劑軌道在該燃料電池堆疊中相鄰雙極板之個別口之間提供密封。
12. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，該方法進一步包含將該一或多個黏合劑軌道暴露於紫外線光照以固化該黏合劑。
13. 一種燃料電池板總成，該燃料電池板總成包含：一雙極板；一預製的第一流體擴散層，其定位於該雙極板上且與該雙極板對準；一第一黏合劑軌道，其定位於該雙極板及該第一流體擴散層之一周圍邊緣兩者附近；以及一預製的MEA及第二流體擴散層，其與該第一黏合劑軌道密封式接合且進而在該雙極板、該第一流體擴散層之該周圍邊緣與該MEA之間形成一密封；
14. 一種燃料電池堆疊，該燃料電池堆疊包含：一第一端板；複數個根據申請專利範圍第13項之燃料電池板總成，其定位於該第一端板上；以及一第二端板，其定位於該複數個燃料電池板總成上。
15. 如申請專利範圍第14項之燃料電池堆疊，其中該等雙極板具有一第一及一第二口，該燃料電池板總成進一步包含：一第二黏合劑軌道，其經構形來以提供圍繞該雙極板之該第一口之一環；以及一第三黏合劑軌道，其經構形來提供圍繞該雙極板之該第二口之一環；其中該第二及第三黏合劑軌道經構形以在該燃料電池堆疊中相鄰雙極板之個別口之間提供密封。
16. 一種大體上如本文所描述且如附圖所示之方法。
17. 一種大體上如本文所描述且如附圖所示之燃料電池板總成。
18. 一種大體上如本文所描述且如附圖所示之燃料電池板堆疊。