TWI273730B - A new design of the flow channel for fuel cells - Google Patents

Description

1273730 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明主要係一種關於燃料電池雙極板 、结構i特別是針對提升氣體在反應區的濃度分 增進高分子質子交換膜潤濕度的均勻性而設計 應f體的使用效率，充分利用氣體及反應面積 口口F刀區域乾膜或發生泛溢現象（flooding )而 下降的現象；而且此流道設計也可以將反應所 由流道而予以排除，因此能進一步提升燃料電 【先前技術】 刀一立第一圖係顯示一般典型單顆燃料電池之 解不思圖，單電池由一高分子質子交換薄膜10 f有一層（陰極及陽極）觸媒層20，兩側之外 散層30，更外側為雙極板40，雙極板40上的流 體，雙極板上移動的路徑，最外側則為金屬集 框壓板60，氣體進口流道100及氣體出口流道 ~凡件緊密結合後即可組成一顆單電池，第二 後之單顆燃料電池示意圖。 一 向分子質子交換薄膜10主要功能在 側移動至陰極側的通道，其材質係為離子的良 部不能是電子的導體，故電子須經由外部迴路 至陰極而產生電流。根據實驗結果顯示高分子 =10的導離子能力與該薄膜所含之水量有關， =:二會減弱離子的傳輸能力，降低電池的 k㊉在乳體流入燃料電池之前會先通過加濕裝 之新型流道 佈均勻性及 ，能提高反 ，並能減少 導致的性能 產生的水經 池的整體性 組成元件分 ，左右兩側 側為氣體擴 道70提供氣 電板50及外 110 ，將這 圖係為組合 質子由陽極 好導體，但 由陽極移動 質子交換薄 若薄膜含水 性能，因此 置予以加濕 5 1273730 -(尤其是陽極側）以避免質子交換薄膜ίο被流道70中 體吹乾而影響性能；反之，在低溫燃料電池（如質子 膜燃料電池）操作中，由於電池的溫度大都在100 °c ，電池在陰極的副產物〜水，會以液態形式產生，若 反應所產生的水量過多，則會造成泛溢現象，進而堵 散層30及流道70，使得氣體無法有效或持續供給反應 此一來也會降低電池的性能。 _ 另一方面’氣體在流道70下游的部分常因氣體 上游區反應而消耗，使得下游的氣體濃度低於上游而 籲整個質子父換膜10上的反應及所產生的電流密度發生 的現象。更有甚者，當輪出電流較大時，靠近流道出 110的氣體若發生濃度不足的現象，則會有所謂質傳 (mass transfer limitation)的情況發生，電池的性能會大 降。 在燃料電池的技術領域，流道設計是燃料電池一個 重要的設計考量，好的流道設計除了可以將燃料（如 )及氧化劑（如空氣或氧氣）均勻送至各觸媒反應區 而達發電的效果之外，還可以有效的將陰極側（空氣 鲁多餘的副產物一水排除。如果觸媒的反應區發生燃料 化劑供應不足，觸媒無法充分利用，勢必造成燃料電 -性能降低；而如果無法有效的排除在流道70或擴散層 多餘的水分，空氣或氧氣將無法順利進入觸媒層2〇反 電，有時甚至還會發生水分阻塞部分流道而發生空氣 無法抵達部分區威的情況’燃料電池性能也將因此而 。有鑑於此，流道設計及水管理在燃料電池，尤其是 子交換膜燃料電池的領域裡是相當重要的課題之一， 的流道設計及適當的水管理不但可以提升燃料電池的 ，並能進一步增長其使用的哥命。 的氣 交換 以下 化學 塞擴 ，如 已在 導致 不均 口端 極限 幅下 非常 氫氣 反應 側） 或氧 池的 30中 應發 根本 降低 在質 良好 性能 6 1273730 ^ •現今的燃料電池大多利用如下幾種流道來使氣體 一、柵狀（column)流道，二、蛇型（serpentine)流道， 又穿透式（interdigitated)流道。 如第三圖所示，係栅狀流道的示意圖，也是最傳 道設計’其缺點是會造成每個流道的流量分佈不均 三圖所示。其流量的分佈與入口的流量及流道大小 #近入出口兩端的流道流量通常較大，中間部分的 —流里較小。而流量的多寡會直接影響燃料電池的質 ，流量過低的部分將造成燃料電池的性能下降，而 參中間流量較小的部分達到所需的流量，則整體 須跟著提升。然而對水管理而言，過高的流量也會 良的影響，因為大流量的氣體可能會將高分子薄^ 而導致無法導通質子；而且，在靠近入出口端的流 因流量過多而形成浪費的現象。另一方面，當液態 累積於流量較小的流道内時，液態水會因氣流速度 不谷易順利排除，進而在流道中造成阻塞現象，而 氣體的供應。以上現象是柵狀流道最常遇到的問題 如第四圖所示，則是蛇型流道的示意圖，美國專 鲁73160號即揭示此種燃料電池的流道設計。雖然流道 體^量相近，但隨著氣體在流道中因反應而消耗（ •氧氣或空氣反應後會有水生成；陽極則單純是氫氣 • ’但也有可能有水由陰極回滲至陽極），下游區的 度會低於上游區而可能形成下游氣體供應不足的情 I，決此問題，有時也會提高入口氣體的流量，然 流ΐ也會面臨如前所述的柵狀流道的問題一除了可 分子薄膜過乾外，尚會降低氣體的使用效率，使過 應的氣體由出口排出而形成浪費；而且高流量的氣 也會耗費壓縮機較大的功率，間接降低了整個系統 通過： 三、指 統的流 ，如第 有關， 流道則 傳性能 若要讓 量都必 造成不 吹乾， 道也會 水慢慢 太小而 阻絕了 〇 利第57 中的氣 陰極的 的消耗 氣體濃 況。為 而提高 能使高 多未反 體供應 的效率 7 1273730 • >如第五圖所示，則是指又穿透型流道的示思圖美國， 利第5641586號即揭示此種燃料電池的流道設計。此種汉1 的流道並非由入口直接貫通至出口，流道被碳紙隔成=^ 。上游的流道相通、下游的流道相通，但氣體欲由上7流 至下游卻須穿透碳紙的擴散層。此種方式的流道"又δ十可以 強迫氣體以對流的方式流經擴散層’而非如前二種流道僅 能靠氣體以擴散的方式進入碳紙而後於觸媒層進行反應 因此有助於提高氣體的供氣情況並能增進排水的能力’進 ’-而提升燃料電池的整體性能。然而此種流道設計的主幹道 設計類似栅狀流道，仍然會有流量分佈不均的情形發生’ ♦而影響電池的整體性能。 如第六圖所示，則是另一種由H power所提出的流道設計 示意圖。為了避免上述栅狀及蛇型流道的一些缺點’此種 流道的設計，基本上有兩個流道’其中一個流道A的入口 旁搭配了另一個流道B的出口 ，而流道A的出口則旁搭配 了流道B的入口。此設計確實可以解決部分上述所提及的 一些問題，然而此設計因多了入出口 ，勢必增加週邊的管 路及其複雜性。 • 【發明内容】 “ 基於前段所述，本發明之主要目的係提供一種新型 迴旋型的燃料電池流道結構，使氣體在擴散層30及觸媒反 應層20中的濃度分佈更均勻，更能充分利用反應氣體及所 有可以反應的區域，使氣體的利用率增加；’除此之外，迴 旋型流道的設計也能達到使質子交換膜潤濕度更均勻的目 的，而且也容易將所產生的多餘的水排除，故而能達到提 升燃料電池性能的目的。 為達上述目的的燃料電池的雙極板流道結構，本發明在 8 1273730 . 實施方式中，係將傳統雙極板氣體流道加工成迴旋形 流道由入口以迴旋的方式迴旋繞入雙極板中央，再以 迴旋的方式繞至雙極板之流道出口 （如第七圖所示） 此一來，流入的海道與流出的流道相間，即雙極板上 道由裡到外或由外到裡都是一進一出（或複數進複數 如第八圖所示）的方式相互間隔。由於流道中的氣體 _ 布或碳紙的擴散層而至觸媒層反應後會逐漸消耗，因 游區的反應氣體濃度會較上游區小，若是入口的氣體 •-流率不足，反應氣體於上中游區已因反應而消耗殆盡 游區的觸媒便無法發生作用而形同虛設。為了避免^ 鲁的發生，燃料電池在實際操作時通常會提高入口的氣 量流率，有時甚至達數倍的當量，而多餘的反應氣& 由出口直接排出而形成浪費或是再由其他額外裝置進 收再利用。而透過本發明的新型式流道，流道上游 濃度氣體搭配下游區的低濃度氣體，高濃度的氣體2 由擴散層將氣體擴散至其鄰近的低濃度區，使擴散$ 媒層的氣體濃度分佈更均勻，雙極板的其他部分: 情況，皆是濃度一高一低互相搭配，而在中央的部2 濃度中等的氣體區。如此一來，便能提高氣體的及ς 鲁的使用效率、充分利用所有的反應面積而達 -擊池性能的效果。 逆㈤徒升燃 ’ 經由實驗發現，質子交換膜的潤濕度不足、過梦^ -成電池性能下降並減少電池壽命的主要原因之一广^ 膜過濕或泛溢也會影響氣體的傳輸而減低性能（如j ^。而質子交換臈的潤濕度（含水份）不均的情^ 藉由本設計獲得改善，如上游區氣體的供應充足，右 的反應，所產生的水也較多；然而下游區則相反， 子父換膜便可能乾濕不均。有時候，入口的進氣息口 度不足時，常會發生上游區乾膜現象，而中下游=大 式， 反向 。如 的流 出， 經碳 此下 質量 ，下 情況 體質 只能 行回 的高 夠經 及觸 相同 則是 媒層 料電 是造 而， k所述 :可β 較強 |此質 |因反 9 I273730 '應累積的水而發生泛溢現象’也會形成上下游負子交換膜 乾濕不均。而透過本流道的設計，一乾一濕互相搭配、中 和，將使膜的潤濕度更均勻，相對地便能提高電池性能。 除此之外，此迴旋型流道設計的轉，琴數目與單蛇流道（ 第三圖）一樣多，並無增加（在相同流道寬度及肋條寬度 條件下），因此不會增加整個系統的流阻而導致增加壓縮 、機的負擔。另外，由流道入口至出口為同一流道，並無旁 • 支分流，不會發生如柵狀流道中有些流道會因流量較小、 慣性力不足而使得陰極產生的液態水累積於流道中而發生 鲁阻塞的現象，因此本流道設計除了能增加反應均勻性及觸 媒使用率之外，亦能保有原先單蛇流道的優點。 為了進一步降低流阻，本發明也提出另一非直線型或環 狀迴旋型的流道（如第九圖（a)(b)所示）。由流體力學理 論可知流體於轉彎時若轉彎的半徑越小，所造成的流阻便 越大’前述基本的直線型流道中，氣體所轉的彎都是九十 度的直角轉彎，其所形成的流阻會較大，而此處非直線型 或環狀迴旋型的流道除了同樣保有前述直線迴旋型流道的 優點外，此流道尚能進一步減少整個系統的流阻，進而減 馨少進氣端的負擔，亦即能間接地提升整體燃料電池的性能 。另外，實驗常發現陰極所產生的液態水容易於直角轉彎 _處累積，因此非直線型或環狀迴旋型的流道除了可以減少 -流阻外還有能減少流道中積水的效果之優點。 迴旋的方式除了由外往内繞旋之外，亦可以由内往外繞 旋’或由一端先流至另一端再相間流回至入口處，如第十 圖所示。 另外，為了提高氣體往碳紙擴散的程度，本發明亦提出 迴旋指又穿透型流道（如第十一圖所示）以改良傳統指叉 10 1273730 .塑流道流量分佈不均的缺點。流道由入口迴旋繞入雔極 中央即止，並不與流出的流道貫通，另一流道則以^ 旋的方式由中央繞至雙極板出口。流道仍是一入一出相^ (或複數進複數出，如第十二圖所示），但流出的流道^ 的氣體是由流入的流道中的氣體穿透碳紙收集而來的，故 而是以對流方式進入碳紙擴散層而非純擴散方式。此種方 式的流道也可以使用非直線蜇或環狀迴旋型的流道或複數 進複數出的型式（如第十三圖（a)(b)所示）。 本發明所提出新型流道結構之加工方式，將藉由以下的 φ實施方式及附呈圖式做進一少之說明。 【實施方式】 第七圖至第十三圖係顯示本發明之新型流道，將流 道繞旋至電池内再繞旋而至出口。為達上述目的的燃科電 池的極板流道結構，本發明在實施方式中，係將傳統雙極 板40氣體流道加工成迴旋形式，包括有極板、一氣體八口 與一氣體出口，該極板上設有一入口流道與一出口流遂’ 該入口流道以迴旋型的方式迴旋繞入極板中央（或I另〆 •側），再以反向迴旋的方式繞出極板。 - 迴旋的方式可以是先順時針或先逆時針，先由外而 内或先由内而外，或由一端至另一端再繞旋而至出口；旅 -道可以是單流道或多流道並行的複數流道；流道的寬度及 肋條的寬度比例並無限制，可以1:1或其他比例，戒 > 卞 游有不同流道肋條寬度比，即同一流道不必從頭到尾β / 比例。本流道設計^同時適用於組裝多顆電池之電池解二 各各單電池的脈道σ又计可以有不同的迴旋型式，以適處意 池組的上下斿不同情況。 11 1273730 流道除了由入口貫通至出口的迴旋型式流道外i本設 =亦涵蓋迴旋指又型流道設計，如第十一圖i第十三圖。 每個流道並非從頭到尾貫通，而是由兩段流道接續而成， 如此可以強迫氣體流經碳紙或碳布擴散層而有更好的質傳 效果0 在加工直線、非直線或環形迴旋型的流道時’較簡便 之方式係可使用電腦軟體將所需之流道尺寸及大小繪製完 '成後，轉成CNC加工機之程式，再使用CNC加工機加工即 可完成。若雙極板40材料為金屬成分時，可選擇使用鑄造 春方式，將已達熔點呈融溶狀態之材料洗注入模具内，模具 内已預先將流道結構製成迴旋流道或迴旋指叉流道之型式 ，待澆入之液態材料降溫成型後，雙極板之製作即可完成 。若雙極板40為碳基等非金屬之材料，則可選擇使用粉末 冶金之方式進行，與鑄造方式相似，先將模具上之流道結 構製作完成，待置入粉末狀原料壓製並燒結完成後，迴旋 型式流場之雙極板40流道即 為向分子之化工塑勝原料’ 製作，與鑄造方式相似，預 結構則先製成迴旋型式，再 •製作，完成後即可得到所需 結構。 完成製作。若雙極板40之材料 亦可使用射出成型之方式加工 先製作一需要之模具，在流道 將呈融熔狀之原料以射出方式 之雙極板40及迴旋型式之流道 由上述本發明之實施方式說明可知，本發明所提供之 新型燃料電池雙極板流道設計’可使擴散層中的氣體濃度 分佈更均勻、質子交換膜的潤濕度更均勻，而且亦能保^ 流道的排水能力’為犬破省知技藝之新穎設計，然其^可 以其他之特定形式來實現’而不脫離本發明之精神和重要 特性。因此上文所列之技術實施方式在各方面都應被視為 例示性而非限制例實施方式，而所有之改變只要合乎本案 之申請專利範圍所定義或與其技術實施方式等效者，均應 12 1273730 -包含在本案所主張之範嘴内 【圖式簡單說明】 % 一圖 第二圖 第三圖 第四匿| 第五圖 第五圖 第六圖 第七圖 第人圖 第九圖 習知的 習知的 習知的 習知的 (a) :習 (b) :習 H Power 本發明 本發明 (a) :本 意 (b) :本 設 第九圖 第Η 卜圖： 本發明 第Η 卜—圖：本發 第Η 卜二圖 j :本發 第Η 卜二圖 圖 (a)： 第Η 卜三圖 (b)： 燃料電 燃料電 栅狀式 蛇变流 知的指 知的指 所提出 所提出 所提出 發明所 圖； 發明所 計示意 所提出 明所提 主1020 本發明 型設計 本發明 意圖。 要元件符號說明】 高分子皙上 觸媒層、父換薄膜 池柝解圖； 池錤合圖； 流道示意圖； 道米意圖； 又流道示意圖； 叉流道側面刹面示意圖， 的流道設計示意圖； 的單迴旋型流道設計示意圖； 的複數流道的迴旋型設計禾意圖； 提出的非直角單迴旋型流道設計示 提出的非直線或環狀單迴旋型流道 圖； 的另一單迴旋型流道設計示意圖； 出的單迴旋指叉型流道設計示意圖 出的複數流道迴旋指叉犁設計示意 所提出的非直角複數流道迴旋指又 示意圖； 所提出的單迴旋指叉型流道設計示 13 1273730 -1 30 氣體擴散層 40 50 60 燃料電池雙極板 金屬集電板 燃料電池外框壓板 70 雙極板流道 80 螺絲子L 100 氣體之流道入口 110 氣體之流道出口 • 14

Claims (1)

1273730 申請專利範圍： :種燃料電池雙極板之流道設計，該雙極板氣體流道 王迴疑型式；此型流道可用於電池單體或由複數個電 池單體所組成之燃料電池組中，而電池單體的流道數 目可為單一流道或複數流道，流道的寬度、深度，肋 條的寬度、深度皆可任意調配；流道的轉彎處可為直 角或任何狐形，流道的形狀可為直線型或任 型的設計。

f口申請專利範圍第i項所述之燃料電池雙極板之流道 設什，其中該氣體流道可為试本^ j馮逆時針夂轉或順時針旋轉 之迴旋流道。 3. 如申請專利範圍第1 設計，其中該氣體流 之迴旋指又型式流道 項所述之燃料電池雙極板之流道 道可為逆時針旋轉或順時針旋轉 4.

如申請專利範圍第1項 設計，其中該流道可以CNi f燃料電池雙極板之流道 加工方式而形成、以粉末〉Λ 機加工完成、以鑄造 成型方式加工而成、方式加工而成、以射出 U其他任何加工而成。 5如申請專利範圍第1項所 計，其中該雙極板材料4 燃料電池雙極板之流道設 又征攸柯枓可為 複合式碳板、金s Α > 灭貝基板、滲配咼分子之巫’丞板、塑 任何材質之基板。 > 土板、陶瓷基板或其他 15