TWI222765B - Bipolar plate for fuel cell - Google Patents

Description

1222765 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關棚料電池之雙極板；_是關 料電池之—種具備反應氣體流道與 以金屬板部分做為雙極板的兩極之間電流傳導的介質成並 【先前技術】 燃料電池係-種高效率的能源轉換裝置，在 陰極供铺，即可藉由電化學反應將轉的轉能 其所使_鋪可錢氣或㈣組後献觀 為氧氣妓氣。若以氫氣為燃料則燃料電池的產物=而電 月,和熱月色，故燃料電池可說是一種低污染甚至零污染的發電裝置。 電池般狄4早電池』。燃料電池的單電 二隔二=板的兩面各有平行的溝槽做為輸送反 中-面的“ ’可將燃料均勻地輸送至單電池陽極的各部分；另一面 的流暹，氧化_勻地觀至相料f池陰極的各個部分。 換ίΓ料電池的雙極板，通f以厚度為3〜4mm左右的石 碎裂、重量大等缺點板有成本面、加工困難、使用時容易 當姑，利用賴製程，將之加工成雙極板的做法，亦 ㈣木用。例如美國專利公告第娜，43 及中華民_公告第4_、華7號，皆曾揭露利用金ςϊ 6 壓製成雙極板之相關技術，其流道有沖壓成弧形波、三角波、正方波、 梯形波等各種波浪狀。圖1、圖2分別為中華民國專利公告第481，937 唬和美國專利公告第5,616,431號之燃料電池剖面結構示意圖；圖3 為美國專利公告第6,503,653之燃料電池雙極板的剖面圖。此種結構 之雙極板雖然加jl料，但是亦有其缺點。若以不鏽鋼板為材料，因 電解質容易使鋼材腐蝕，導致燃料電池的内電阻增大，同時亦將污染 電解質或觸媒，故耐久性不佳。而以韻㈣金屬（例如：鈦或其合 金）薄板為材料，則成本甚高。若以金屬板經沖壓成型後，再鍍上黃 金或氮化鈦，因所鍍面積廣大，亦有成本高昂的缺點。 此外’亦有利用導電材料（例如石墨粉或碳粉）和塑膠材料攪拌 混合成泥漿狀後，再以模注成型方法，做成複合材料的雙極板者，例 如美國專利公告第6, 248, 467、6, 039, 852號皆曾揭露此種技術。唯 導電材料所佔的比例高時，做成的雙極板強度差；反之，導電材料所 佔的比例低時，則雙極板導電效果不佳，故此種雙極板仍有其待改進 的缺點。 一般質子交換膜燃料電池的效率約在40%〜50%之間，亦即燃料 的化學能有40%至50%可轉換成電能，而一半以上則變成熱能，若 燃料電池的散熱效果不佳，則容易造成溫度過高，導致性能降低甚至 失效。一般而言，功率250瓦以上的質子交換膜燃料電池，需要每隔 兩個單電池即設置一個冷卻流道板，並以空氣進行冷卻；功率2.5仟 瓦以上者，則更需以冷卻液進行冷卻，以確保燃料電池不發生過熱。 先前技術中通常設置獨立的冷卻流道板，因此燃料電池的體積與 重量明顯的加大，其功率密度則隨之降低。有的燃料電池將冷卻流道 與雙極板結合，以省卻獨立的冷卻流道板，同時可獲得良好的冷卻效 果。例如美國專利公告第5,776,624號揭露利用黃銅焊接的方法，將 雙極板與冷卻流道板結合在一起的技術；中華民國專利公告第 466,792號亦為雙極板與冷卻流道板結合為一體之結構。惟該等先前 技術利用金屬板沖壓成型，雖解決了設置獨立流道板而造成體積、重 Ϊ222765 篁加大的問題’但是仍有一般以沖壓成型金屬板做為雙極板之共同缺 點。 【發明内容】 目前燃料電池的雙極板仍然佔有燃料電池生產成本中很大的比 重’若能以較低的生產成本，製造出不易碎裂、耐腐#、導電性佳、 重量輕的雙極板，將可大幅降低_電池的價袼，延細料電池的壽 〒，促使燃料電池這種綠色發電裝置早日普遍化，以減輕環境污染的 問題。 本發明著眼於金屬板與塑膠材料，兩者皆具有料加工且價格低 廉的特性，利用金屬板沖壓形成凹凸波浪狀，並將塑膠材料與之結合 成具有陰極流道、陽極流道、冷卻流道之雙極板‘此形成之雙極板， 有成本低、製造谷易、耐腐钱、導電性佳、重量輕、耐衝擊等優點， 將可為燃料電池產業解決諸多問題。… 本發明的目的，在於提供一質子交換膜燃料電池之雙極板，該雙 2板的兩面，除了分別形成陽極與陰極的流道之外，亦設有冷卻流體 t之/令卻〃^道。將冷卻流道與雙極板整合為一體，有減少燃料電池 體積、重量與提升燃料電池散熱效果的功效。 ^本發明的另一目的，在於提供一質子交換膜燃料電池之雙極板， =極板係由金屬㈣貞責電流料玉作，金屬板除了做為良好的導 電介質之外，亦對陽極和陰極的反應氣體做好完善的隔離。 本發明的最後一個目的，在於提供一質子交換膜燃料電池之雙極 板，該雙極板之娜材料包覆金料社部分區域，雙極板用來與 電極接觸的部分未以娜㈣包覆，触小區域财黃金或鈦等耐腐 钱之金屬以形祕護膜。如此構造之雙極板，具有耐雜、堅動而耐 衝擊之特點。 【實施方式】 通常根據本發明，該最錄極板係包括巾央 行之反絲舰道，周賴域 應乳體，進、出σ外，其餘部分呈平面狀。在構造方面， 由沖壓威型之金屬材料部分與歸材料部分結合而成'ϋ = 料界定出反應氣體的流道，並由塑膠材料與金屬板共同界定 ^

體之流道，而金屬糊做為雙極板的兩極之間電流傳導的介質^ P/”L 圖4所示為本發明之最佳實施例的雙極板平面示意圖。該雙極 (3)的正反兩面，設有輸送燃料電池所需之反應氣體的流道⑺ 圖中所顯示者為供艇極所需氧氣之氧氣離(31)，反面未顯 陽極之氫氣流道(32)，兩者具有相同的幾何形狀。相鄰兩條_間的

長條狀部分，係雙極板(3)用來與電極接觸並導引電流的集電肋 (33)。 ” U 燃料電池堆所供應的氧氣，係由氧氣進氣口（1〇1)進入氧氣流道 (31)，藉由氧氣在流道中流動，將氧氣輸送至陰極電極的各個部分^ 未用完的氧氣以及陰極產生的水蒸氣，則經由氧氣排氣口⑽)排出。 雙極板(3)之左上與右上兩個開口，則為反面之陽極氫氣進氣口 (201) ’而上方中間開口，則為陽極之氫氣排氣口(2〇2)。 、 相鄰的兩條反應氣體流道，在其一端設有橫向的迴轉部(34)，用 以連接兩條流道。雙極板(3)之左、右兩侧邊緣部分，為未設有反應氣 體流道(31、32)及冷卻流道(37)之左、右周緣部(38);雙極板(3)之上、 下邊緣部分，則為未設有反應氣體流道(31、32)，但内部設有冷卻流 道(37)之上、下周緣部(39)。 本發明之雙極板，係由沖壓成型之金屬板部分與塑膠材料部分結 合而成，圖5所顯示者，即為雙極板(3)之金屬板部分的透視圖\金屬 板(4)的中間部分沖壓成凹凸波浪狀，周緣則設有配合氧氣和氫氣之 進、排氣口的開孔（101'、102’、201’、202')，以及確保正反兩面塑 膠穩固結合之水平開孔(42)。金屬板(4)的上、下周緣部(39，)之凹凸落 ϋ、於分之凹凸落差，因此形成之雙極板(3)的上、下周緣部 可7金屬板隱藏在塑膠材料的内部。此外，集電肋條(33)爲 部(34)之形成，在其_端有長度方向的退縮，故 條⑼ 在長度方面呈現參差不齊的樣態。 條⑼ 柄雷ίί屬板(4)的—角設有—突出部(41)，該突出部(41)可做為雙極 卫時的電極接頭；此—突出部⑼亦有另外的功能，即是電 /隹中右有某_單電池損壞時，亦可糊導線將與該故障單電池相 之兩個正常單電池的突出部(41)加以連接，如此則電池堆中縱 電池故障，電池堆仍可繼續運轉使用。 、 塑膠材料與金屬板的結合可採卿合、瓣射出成贱壓縮成型 ^見的加卫方法’爲制娜材料於射出越過程巾料貫通各個 部位’以及為使雙極板之瓣材料部分能穩ϋ地結為-體，於凹凸波 浪狀之直立部⑽開設有垂直開孔⑽。該垂直開孔(3ό)可為長方形、 ，形、橢圓形等幾何形狀。圖6所示為金屬板⑷的凹凸波浪狀的直立 邛(35)與垂直開孔(36)的構造。 圖7所示為沿圖4中之7_7剖線所得之部分剖面示意圖。 由塑膠材料界定出氧氣流道⑼和氫氣流道(32)，並且由金屬板 塑膠材料共同界定出冷卻流體流道(37)，圖7之左侧部分為不里有^ ，和集電肋條之周緣部(38)。最左邊的兩條集電肋細），因氧氣^ 氣口(101)與氣氣進氣口(201)設於其兩端，故内部未設冷卻流道 發明之雙極板’其师材料包覆金屬板材之大部麵積，僅有突 (41)以及集電肋條(33)之接觸部(333、334)的内、外兩面未被塑膠_ 所包覆。由於在燃料電池中，接觸部(333、334)之外表面鱗極緊密 接觸，容㈣腐麵污雜子交賊或電極巾_媒，以及增加 電池之内電阻，故板之金_分_歸騎合之後，可在接 部(333、334)之外表面鑛上财雜之金屬，例如黃金或鈦等。接觸部 (333、334)外表面之面積有限，故可大幅降低耐腐*金紐層之成本， 與整片鑛上貴重金屬的習知技術相較，本發明具有歸的進步性。 1222765 比本實施例中，氧氣流道(31)、氳氣流道(32)和冷卻流道(37)之橫截 面白呈半_，當亦可制其他常見賴何形狀之流道，如三角形、 梯形等。 立圖8所不為沿圖4中之8-8剖線所得之部分剖面示意圖。心8剖 線部分為雙極板之具有冷卻流道(37)的周緣部(39)。在此周緣部分， 無反應氣體之流道，故冷卻流道以外的部分，全部填充塑膠材料，且 金屬?被娜材料包覆。冷卻流體可*冷卻流道⑼之―端流入（圖 4之最下方）’貫通冷卻流道(37)後，再由冷卻流道(3乃之另一端流出 (圖4之最上方）’藉此帶走燃料電池產生的熱量，以達到燃料電池 散熱的目的。 圖9所示為沿圖4中之9-9剖線所得之部分剖面示意 圖。圖9上 方中間部分為反應氣體流道之迴轉部(34)，該迴轉部(34)係利用金屬 板(4)之集電肋條(33)與周緣部(39')之間的段差，配合塑膠材料於該處 ^凹陷而形成。冷卻流道(37)於圖9之左方較低，於圖9之右方則較 高，在迴轉部(34)下方附近有一轉彎處。 本發明之另一實施例為：雙極板不設冷卻流道，金屬板之凹凸波 浪狀的内凹部份，除利用塑膠材料形成反應氣體的流道之外，其餘部 分皆以塑膠材料填充。圖10與圖n所示分別為本實施例施行下，、圖 4中之7-7與8-8剖線所得之部分剖面示意圖。 綜上所述，本發明利用金屬板與塑膠材料容易加工的特性，將沖 壓成型之金屬板部分與塑膠材料部分結合成雙極板，其中利用塑膠材 料於金屬板凹陷部之開口端形成反應氣體流道，於閉合端與金屬板共 同形成冷卻流道，並於集電肋條用來與電極接觸部分之外表面鍍上^ 腐蝕之金屬。此一複合材料構成之燃料電池雙極板，具有生產^本低 廉、製造容易、耐腐蝕、導電性佳、散熱效果佳、重量輕、耐衝擊等 優點，具有產業上之利用性；先前技術中，未見此種構造之燃料電池 雙極板者，本發明亦具有新穎性；相較於先前技術，本發明更具有進 步性，爰依專利法第二十條之規定，提出發明專利申請。 11 1222765 【主要部分代表符號說明】 1 陰極之電極 3 雙極板 5 質子交換膜 11陰極之擴散層 21陽極之擴散層 31陰極之氧氣流道 33集電肋條 35 直立部 37冷卻流道 39雙極板之上、下周緣部 金屬板之上、下周緣部 42水平開孔 102氧氣排氣口 202氫氣排氣口 102金屬板之氧氣排氣口開孔 202'金屬板之氫氣排氣口開孔 2 陽極之電極 4 金屬板 12陰極之觸媒層 22陽極之觸媒層 32陽極之氫氣流道 34流道之迴轉部 36垂直開孔 38雙極板之左、右周緣部 38,金屬板之左、右周緣部 41突出部 101氧氣進氣口 201氫氣進氣口 10Γ金屬板之氧氣進氣口開孔 20Γ金屬板之氫氣進氣口開孔 333、334集電肋條之接觸部 【圖式簡單說明】 圖1為中華民國專利公告第481,937號之燃料電池剖面結構示意圖； 圖2為美國專利公告第5,616,431號之燃料電池剖面結構示意圖； 圖3為美國專利公告第6,5〇3,653號之燃料電池雙極板之剖面圖； 圖4為本發明最佳實施例之平面示意圖； 圖5係本發9歸佳實酬之金屬板透視圖； 圖6係金屬板凹凸波浪狀之直立部開孔示意圖； 12 圖7為圖4中7-7剖線所得之部份剖面示意圖； ® 8為圖4中8_8剖線所得之部份剖面示意圖； 圖9為圖4中9-9剖線所得之部份剖面示意圖； 圖10為本發明之另一實施例施行下，圖4中7-7剖線所得之部严本】 面示意圖； ° 圖11為本發明之另一實施例施行下，圖4中8-8剖線所得之部份剖面 示意圖。

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Claims (1)

1222765 拾、申請專利範圍： 1· 一 種燃料電池之雙極板，包含一中央區 其正、反兩面皆設有複數條相互平行的凹^該二域在 而相鄰兩條流道間的長條狀部分，則為雙極板“與 電肋條；周緣區域則兩面皆呈平面狀，並設有反應氣體之進出，觸= 極板係由沖壓成型之金屬板與塑膠材料結合而成，，以雙 =續之凹凸波浪狀，並由塑膠材料於金屬板兩面之凹反陷部== 界定出反應氣體流道。 …開口、 2. ϊ之麟電錢触，該雜觀有冷卻流體貫 通之冷赠道’鱗赠這設於金屬板兩面之凹__合端， 膠材料與金屬板共同界定出。 Μ』 3·根據申請專利範圍第i或第2項之燃料電池雙極板，其中任何兩條相鄰 之反應氣m在其-端設辆辦，狀連麵偏目鄰之反應氣體 流道。 4·根據申請專利範圍第3項之燃料電池雙極板，其中沖壓成型之金屬板表 面，除了突出部以及集電肋條用來與電極接觸部分外，其餘部分皆以塑 膠材料包覆。 ' 、 5·根據申請專利範圍第3項之燃料電池雙極板，其中集電肋條之外表面鍍 有耐腐蝕之金屬。 6·根據申請專利範圍第5項之燃料電池雙極辞，其中沖壓成型之金屬板， 於其凹凸波浪狀之直立部開設有垂直開孔，以利塑膠於射出成型過程中 貫流至各個部位。 7·根據申請專利範圍第5項之燃料電池雙極板，其中沖壓成型之金屬板士 外緣，設有至少一個突出部，做為電極接頭。 8·根據申請專利範圍第7項之燃料電池雙極板，其中沖壓成型之金屬板， 於其週緣部設有水平開孔。