TWI424609B - 燃料電池系統及其燃料電池模組 - Google Patents

Description

燃料電池系統及其燃料電池模組

本發明係有關於一種燃料電池裝置，特別係有關於一種可強化內部元件間接觸力之燃料電池模組。

習知流場板乃是指一種可用以承載、傳輸、分割和/或分配一種或多種流體的結構，這裡所指的流體係為廣義之泛稱，其可為任何能由空間中之一位置流動至另一位置之物質。舉例而言，前述流體可包含空氣、氣體、液體或具有黏性的流體等，該物質可由空間中之任一位置流動或移動至另一位置。

習知流場板例如可被應用在燃料電池中，用以傳輸、導引和/或分配一或多種燃料，前述燃料是指可用以產生電力之液態或氣態物質。第1圖揭露一種習知的燃料電池裝置，例如為一質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)之單電池結構400，其主要包含有一膜電極組410(membrane electrode assembly,MEA)、兩個氣體擴散層405、406(gas diffusion layer,GDL)以及兩個流場板401、402(fluid flow plate)。如第1圖所示，前述膜電極組410係夾在氣體擴散層405、406之間，膜電極組410和氣體擴散層405、406則是夾在流場板401、402之間，其中流場板401、402上可形成有一或多個流道(例如流道403、404)，一反應流體可流經前述每一個流道。舉例而言，前述膜電極組410可包含一質子交換膜409(proton exchange membrane,PEM)、一陽極(anode)觸媒層407以及一陰極(cathode)觸媒層408，其中觸媒層407、408通常具有鉑或鉑合金等成份，以利於燃料電池進行電化學反應(electrochemical fuel cell reactions)。

傳統的燃料電池在某些情況下會由於其內部元件之間的接觸力不足而造成電極或其他元件間的接觸不良，如此將導致燃料電池的整體效能不佳。有鑑於此，如何強化燃料電池內部元件之間的接觸力以提升燃料電池的效能始成為一重要之課題。

本發明之一實施例提供一種燃料電池模組，包括一膜電極組、兩個氣體擴散層、兩個集電元件、兩個密封元件以及一流場板。前述氣體擴散層分別耦合於膜電極組之相反側，集電元件與前述氣體擴散層和密封元件相互耦合。前述流場板耦合於膜電極組之一第一側並且具有一流道，其中流道之一暴露側與膜電極組中之薄膜相互耦合。前述膜電極組、氣體擴散層、集電元件以及密封元件之其中至少一者形成有一非平面結構，且至少一部分之非平面結構在組裝過程中被壓平。

本發明之一實施例更提供一種燃料電池模組，包括一膜電極組、兩個氣體擴散層、兩個集電元件、兩個密封元件以及一流場板。前述膜電極組具有至少一薄膜，用以進行燃料電池反應。前述氣體擴散層分別耦合於膜電極組之相反側。前述集電元件分別與氣體擴散層相互耦合。前述密封元件，分別與集電元件相互耦合。前述流場板耦合於膜電極組之一第一側，其中氣體擴散層之至少其中一者、集電元件之其中一者以及密封元件之至少其中一者係位於膜電極組之第一側以及流場板之間。前述流場板具有一流道，其中流道之一暴露側與膜電極組中之薄膜相互耦合。在前述膜電極組、氣體擴散層、集電元件以及密封元件組裝之前，集電元件之其中至少一者形成有一非平面結構，且至少一部分之非平面結構在燃料電池模組的組裝過程中被壓平。

本發明之一實施例更提供一種燃料電池系統，包括一支架以及複數個燃料電池模組，其中支架係用以作為燃料電池系統之一支撐結構。前述支架具有一通道以提供一流體，此外每個燃料電池模組之一側邊固定於支架上，且前述燃料電池模組以輻射狀的方式配置於支架周圍。

為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。

本發明之一實施例提供一種燃料電池模組，其中在燃料電池模組內部的一或多個元件上形成有非平面結構，藉此可使燃料電池模組在組裝時或組裝後產生一接觸力。於一實施例中，在集電元件或其他元件上可形成有一朝膜電極組方向凸出之弧狀或多邊形結構，在系統設計、實際應用或其他因素配合下，前述接觸力確實可強化元件間的導電性、導電的均勻性和/或在長時間使用下的可靠度。

第2A圖為本發明一實施例之燃料電池模組之爆炸圖。第2B圖為本發明一實施例之燃料電池模組之側視圖，由第2B圖中可以看出燃料電池模組在組裝前、後的局部結構。如第2A、2B圖所示，本實施例中的燃料電池模組F例如可包含兩個介面單元K以及一個流場板10，其中流場板10可設置或耦合於兩個介面單元K之間。在前述流場板10上設有複數個流道C，其中流道C可形成於流場板10的一側或兩側，本實施例之流道C係形成於流場板10的相反側，並且分別面朝前述介面單元K。

應了解的是，前述兩個介面單元K之至少其中一者包含有一密封元件20、一膜電極組301、一或多個氣體擴散層302以及兩個直接或間接相互耦合的集電元件303、304。此外，前述介面單元K更可包含一承載板40，前述承載板40係直接或間接地與集電元件304相互耦合(如第2A圖所示)。在本實施例中，氣體擴散層302可採取直接或間接方式而分別耦合於膜電極組301的相反側，例如可採取熱壓(hot pressing)、射出成形(injection omlding)或施加黏著劑等方式使氣體擴散層302和膜電極組301相互接合。另一方面，前述集電元件303、304的兩側則是分別與氣體擴散層302和密封元件20相互耦合。於一實施例中，前述密封元件20更可透過熱壓、射出成形或施加黏著劑等方式分別和集電元件303、304相互耦合，此外在膜電極組301的兩側亦可透過熱壓方式和密封元件20相互耦合。

應了解的是，前述集電元件304係設置於承載板40上並且朝膜電極組301方向凸出；此外，在一或多個前述元件上(例如第2A、2B圖所示之膜電極組301、氣體擴散層302、集電元件303、304以及密封元件20)亦可形成有一非平面結構，藉此可在組裝燃料電池模組時提供一接觸力(contact force)。於本實施例中，即便在燃料電池模組完成組裝後，前述接觸力仍可持續保留於燃料電池模組內部。

請繼續參閱第2A圖，前述流場板10的兩側分別形成有複數個流道C，其中流道C分別朝向位在流場板10兩側的介面單元K，於本實施例中的流場板10具有長方形或大致呈長方形之結構，此外流場板10尚包含有與前述流道C相通之一第一歧道11以及一第二歧道12(如第2D圖所示)。

請參閱第2D圖，一反應流體或其他流體可自第一歧道11之入口11a進入流場板10，其中部分之流體會經過前述流道C，並藉由流道C而暴露於流場板10表面，此暴露區域係對應於介面單元K上的薄膜，使得燃料電池可進行電化學反應。換言之，前述流道C之一暴露側係與介面單元K上的薄膜相互耦合；此外，經過部分或全部反應後之流體則可經由第二歧道12末端之出口12a排出流場板10。

如前所述，流場板10可包含第一歧道11、第二歧道12以及與第一、第二歧道11、12相通之流道C，其中流道C係耦合於第一、第二歧道11、12之間(如第2D圖所示)。在第一歧道11右端形成有一入口11a，且第一歧道11係朝一第一方向延伸(例如由流場板10之右側延伸到流場板10之左側)，藉以讓前述流體可延著箭頭所示方向進入流場板10，同時可引導至少一部分之流體沿著前述第一方向流動。另一方面，在第二歧道12左端形成有一出口12a，用以釋出部分或全部反應後之流體，其中第二歧道12係朝一第二方向延伸(例如由流場板10之右側延伸到流場板10之左側)，使得至少一部分之流體可沿前述第二方向經過流場板10，其中第一、第二方向係大致平行於前述流道C所定義出之一流體分佈平面(fluid distribution plane)。需特別說明的是，在第2A圖中所示之流道C係朝著至少兩個方向延伸(垂直與水平方向)，且大致平行於前述流體分佈平面。

請繼續參閱第2D圖，前述第一歧道11可經由一或多個排出孔(例如第一歧道11和每一個流道C之間的排出孔)而將流體導引至流道C內，第二歧道12同樣可經由一或多個排出孔(例如第二歧道12和每一個流道C之間的流入孔)而將流道C內之流體導引至第二歧道12。應了解的是，第2A、2D圖中的每一流道C係耦合於第一、第二歧道11、12之間，用以將第一歧道11中的至少一部分流體導引進入第二歧道12。於一實施例中，前述流道C具有複數個的段部，前述段部分別朝著至少兩個以上的方向延伸，且大致平行於前述流體分佈平面以及介面單元K上對應之接觸面。藉此，一部分的流體可經過流道C而由第二歧道12排出流場板10，其中第一、第二歧道11、12大致平行於前述流體分佈平面。

第2C圖為本發明一實施例之燃料電池模組於組裝後的側視圖，其中燃料電池模組F主要係由流場板10和介面單元K所組成，在組裝介面單元K和流場板10時，介面單元K中的曲面或非平面構件可被壓平或局部地壓平，且藉由非平面構件的變形可增加前述接觸力。

接著請參閱第3圖，前述密封元件20可透過射出成形、熱壓或施加黏著劑等方式包覆在集電元件303的外側或是與集電元件303相互接合；此外，密封元件20也可透過熱壓方式與膜電極組301接合，流場板10和膜電極組301之間同樣可相互地緊密接合以防止流體外洩。需特別說明的是，在集電元件303、304上可形成一朝膜電極組301凸出的非平面結構，藉此能在組裝時使集電元件303產生一朝氣體擴散層302方向之接觸力(同時亦朝向膜電極組301)。介面單元K在組裝之前(如第2B圖左側的介面單元K所示)，其接觸力為一朝右側方向之側向力；相反地，當介面單元K在組裝之後(如第2B圖右側的介面單元K所示)，其接觸力則為一朝左側方向之側向力。

第4A圖係集電元件304設置在承載板40上之示意圖。如第4A圖所示，前述承載板40例如為一支撐框體，或者是位在流場板外側且用以疊置集電元件304的外框，其中集電元件304係顯露於承載板40上的開口處，藉以使燃料電池模組可有效地進行燃料交換或電化學反應。

第4B圖係本發明一實施例之集電元件304的邊緣3041容置於承載板40的凹槽41之示意圖。在本實施例中，介面單元K上的非平面結構可透過外部工具或前述各種接合技術而與介面單元K中的其他元件相互接合。舉例而言，前述非平面結構的邊緣3041可形成特定之形狀，例如凸出結構、凸緣、卡勾，或者是對應於介面單元K中其他元件之準位結構。應了解的是，前述特定形狀之邊緣結構可形成於集電元件304的一側或兩側(例如第2B圖中集電元件304的上、下兩側)；同理，此特定形狀之邊緣結構亦可形成於第2A圖中集電元件303的一側或兩側。

第4B圖中的集電元件304具有一凸出之弧狀結構，其中該弧狀結構的邊緣可形成有一凸出結構、卡勾、彎折結構、凸緣、L形或彎角結構。於一實施例中，一或多個如邊緣3041(於第4B圖中僅繪示出集電元件304上側之邊緣)在組裝時係卡合於相鄰構件(例如承載板40)上對應之凹槽41內，第4A圖中所示的一或多個邊緣結構係位在或靠近集電元件304的上側。

請繼續參閱第4B圖，前述集電元件304的邊緣3041可於凹槽41內滑動，當集電元件304和承載板40被相互壓合或者被朝向膜電極組301施壓時(如第2A圖中的箭頭A方向所示)，前述邊緣3041會朝凹槽41外側方向滑動。第4C圖為第4A圖中延X1-X2方向之剖面圖，其中邊緣3041係滑向凹槽41外側，應了解的是前述邊緣3041和凹槽41的尺寸大小以及邊緣3041在凹槽41內滑動的行程距離可依照不同的設計需求而調整，藉此能適度地控制各個元件之間的接觸力。於一實施例中，集電元件304在組裝時可被壓平或局部地壓平，當集電元件304被壓平時可提供一接觸力給其他相鄰的元件，藉此能促進燃料電池模組F內部元件間的緊密接觸，例如可強化氣體擴散層302和集電元件304之間的接觸，同時能降低元件之間的接觸阻抗。需特別說明的是，當前述特定形狀之邊緣結構未被採用時，介面單元K仍可容許一或多個非平面構件被壓平或被局部地壓平(例如可朝垂直或水平方向彈性地延展)，前述機構設計可根據介面單元K在組裝或壓合時，其內部元件材料或多層結構之間的可撓性來決定。

第5A圖為本發明一實施例之集電元件304側視圖，其中集電元件304具有一弧狀結構，此外燃料電池模組F中的其他元件也可以形成類似的非平面結構以強化元件間的接觸力。第5B圖為另一實施例之集電元件304側視圖，其中集電元件304具有一多邊形結構，且該多邊形結構具有一平面3042，該平面3042大致平行於第2A圖中的膜電極組301和氣體擴散層302。應了解的是，前述平面3042可提供氣體擴散層302和集電元件304之間良好的接觸，其中在平面3042的上、下兩側分別形成有明顯的折角形狀，惟實際應用時仍可在平面3042的上、下兩側形成弧狀或其他形狀之結構。

第6圖為本發明一實施例之燃料電池系統示意圖，其中複數個燃料電池模組F裝設於一支架H和/或一底座B上，藉此可組成一燃料電池系統。舉例而言，前述支架H可和燃料電池模組F的一側耦接，此時支架H係作為將燃料電池模組F裝設於燃料電池系統上的支撐結構，其中支架H具有一通道H21，用以讓一流體進入每個燃料電池模組F內部之第一歧道(或者用以使流體經由每個燃料電池模組F的第二歧道排出)。前述底座B係作為一流體分配結構，其中底座B耦合於燃料電池模組F和前述支架H的通道H21之間，用以將流體分配並導引至前述燃料電池模組F內。需特別說明的是，前述底座B可具有一個與支架H的通道H21相連之入孔(或出孔)以及複數個與燃料電池模組F相連之出孔(或入孔)，此外燃料電池模組F係以輻射狀的方式配置在支架H周圍。

另一方面，前述燃料電池模組F亦可固定在底座B上，同時以輻射狀的方式配置在支架H周圍。應了解的是，流體可由支架H的通道H21進入，並依序流經支架H和底座B而到達燃料電池模組F，接著流體可由燃料電池模組F的第二歧道12排出(如第6圖中的箭頭方向所示)。

綜上所述，本發明之一實施例提供一種燃料電池模組，其中在燃料電池模組內部的集電元件或其他元件形成有非平面結構，該非平面結構可提升燃料電池模組內部元件間的接觸力，同時使各元件間(例如集電元件和氣體擴散層之間)可緊密地接觸。此外，於一實施例中更提供一種燃料電池系統，其主要包括有一支架和/或一底座，用以承載複數個燃料電池模組，不僅具有體積小以及組裝容易等優點，且可廣泛地應用在電子產品、車輛、軍用設備或航太工業等各種不同領域中。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．流場板

11．．．第一歧道

11a．．．入口

12．．．第二歧道

12a．．．出口

20．．．密封元件

301．．．膜電極組

302．．．氣體擴散層

303、304．．．集電元件

3041．．．邊緣

3042．．．平面

40．．．承載板

41．．．凹槽

400．．．單電池結構

401、402．．．流場板

403、404．．．流道

405、406．．．氣體擴散層

407、408．．．觸媒層

409．．．質子交換膜

410．．．膜電極組

B．．．底座

C．．．流道

F．．．燃料電池模組

K．．．介面單元

H．．．支架

H21．．．通道

第1圖表示一習知燃料電池之示意圖；

第2A、2B圖表示本發明一實施例之燃料電池模組的局部爆炸圖；

第2C圖表示第2A、2B圖之燃料電池模組於組裝後的側視圖；

第2D圖表示本發明一實施例之流場板具有複數個相通之流道以及第一、第二歧道之示意圖；

第3圖表示本發明一實施例之密封元件包覆於集電元件周圍的示意圖；

第4A圖表示本發明一實施例之集電元件裝設於承載板上的示意圖；

第4B圖表示本發明一實施例之集電元件的邊緣結合於承載板的凹槽時之示意圖；

第4C圖表示沿第4A圖中X1-X2方向之剖面圖；

第5A圖表示本發明一實施例之集電元件示意圖；

第5B圖表示本發明另一實施例之集電元件示意圖；以及

第6圖表示本發明一實施例之燃料電池系統示意圖。

10．．．流場板

11．．．入口

20．．．密封元件

301．．．膜電極組

302．．．氣體擴散層

303、304．．．集電元件

40．．．承載板

C．．．流道

F．．．燃料電池模組

K．．．介面單元

Claims (25)

1. 一種燃料電池模組，包括：一膜電極組，具有至少一薄膜，用以進行燃料電池反應；兩個氣體擴散層，分別耦合於該膜電極組之相反側；兩個集電元件，分別與該些氣體擴散層相互耦合；兩個密封元件，分別與該些集電元件相互耦合；以及一流場板，耦合於該膜電極組之一第一側，其中該些氣體擴散層之至少其中一者、該些集電元件之其中一者以及該些密封元件之至少其中一者係位於該膜電極組之該第一側以及該流場板之間；其中，該流場板具有一流道，該流道之一暴露側與該膜電極組中之該至少一薄膜相互耦合；其中，在該膜電極組、該些氣體擴散層、該些集電元件以及該些密封元件組裝之前，該膜電極組、該些氣體擴散層、該些集電元件以及該些密封元件之其中至少一者形成有一非平面結構，且至少一部分之該非平面結構在該燃料電池模組的組裝過程中被壓平。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該些集電元件之至少其中一者形成有朝向該膜電極組凸出之該非平面結構，藉以使該些集電元件之至少其中一者提供一接觸力予對應之該些氣體擴散層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該些該密封元件藉由射出成形、熱壓或施加黏著劑之方式與該些集電元件相互接合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該些氣體擴散層藉由熱壓方式而耦合於該膜電極組之相反側。
5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該些密封元件藉由熱壓方式而耦合於該膜電極組之相反側。
6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該非平面結構為一朝該膜電極組方向凸出之弧狀結構。
7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該非平面結構為一朝該膜電極組方向凸出之多邊形結構。
8. 如申請專利範圍第7項所述之燃料電池模組，其中該多邊形結構具有一平面，且該平面平行於該膜電極組。
9. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該燃料電池模組更包括一承載板，其中該承載板具有一凹槽，用以容置該非平面結構之一邊緣。
10. 如申請專利範圍第9項所述之燃料電池模組，其中當該非平面結構受一外力按壓時，該邊緣滑入該凹槽內。
11. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該流場板更包括：一第一歧道，朝一第一方向延伸並且具有一入口以及至少一排出孔，其中一流體由該入口進入該第一歧道，藉由該第一歧道可導引至少一部分之該流體沿該第一方向運動，且至少一部份之該流體係由該至少一排出孔排出該第一歧道；一第二歧道，朝一第二方向延伸並且具有一出口以及一流入孔，該出口係用以排出至少一部分之該流體，其中 至少一部份之該流體係經由該流入孔進入該第二歧道，且藉由該第二歧道可導引至少一部分之該流體沿該第二方向運動；其中，該流道耦合於該第一、第二歧道之間，並且連接該至少一排出孔以及該流入孔，用以分配並導引至少一部分之該流體，其中該流道具有複數個段部，該些段部係朝至少兩個方向延伸並且平行於一流體分佈平面，其中至少一部份之該流體經過該流道以及該流入孔，且該第一、第二方向平行於該流體分佈平面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該燃料電池模組更包括至少一底座或支撐架，耦合於該燃料電池模組之一邊緣，藉以作為一包含有複數個該燃料電池模組之一燃料電池系統的支撐結構。
13. 一種燃料電池模組，包括：一膜電極組，具有至少一薄膜，用以進行燃料電池反應；兩個氣體擴散層，分別耦合於該膜電極組之相反側；兩個集電元件，分別與該些氣體擴散層相互耦合；兩個密封元件，分別與該些集電元件相互耦合；以及一流場板，耦合於該膜電極組之一第一側，其中該些氣體擴散層之至少其中一者、該些集電元件之其中一者以及該些密封元件之至少其中一者係位於該膜電極組之該第一側以及該流場板之間；其中，該流場板具有一流道，該流道之一暴露側與該膜電極組中之該至少一薄膜相互耦合； 其中，在該膜電極組、該些氣體擴散層、該些集電元件以及該些密封元件組裝之前，該些集電元件之其中至少一者形成有一非平面結構，且至少一部分之該非平面結構在該燃料電池模組的組裝過程中被壓平。
14. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池模組，其中該些集電元件之至少其中一者形成有朝向該膜電極組凸出之該非平面結構，藉以使該些集電元件之至少其中一者提供一接觸力予對應之該些氣體擴散層。
15. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池模組，其中該些該密封元件藉由射出成形、熱壓或施加黏著劑之方式與該些集電元件相互接合。
16. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池模組，其中該非平面結構為一朝該膜電極組方向凸出之弧狀結構。
17. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池模組，其中該非平面結構為一朝該膜電極組方向凸出之多邊形結構。
18. 如申請專利範圍第17項所述之燃料電池模組，其中該多邊形結構具有一平面，且該平面平行於該膜電極組。
19. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池模組，其中該燃料電池模組更包括一承載板，其中該承載板具有一凹槽，用以容置該非平面結構之一邊緣。
20. 如申請專利範圍第19項所述之燃料電池模組，其中當該非平面結構受一外力按壓時，該邊緣滑入該凹槽內。
21. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池模組，其中該流場板更包括：一第一歧道，朝一第一方向延伸並且具有一入口以及 至少一排出孔，其中一流體由該入口進入該第一歧道，藉由該第一歧道可導引至少一部分之該流體沿該第一方向運動，且至少一部份之該流體係由該排出孔排出該第一歧道；一第二歧道，朝一第二方向延伸並且具有一出口以及一流入孔，該出口係用以排出至少一部分之該流體，其中至少一部份之該流體係經由該流入孔進入該第二歧道，且藉由該第二歧道可導引至少一部分之該流體沿該第二方向運動；其中，該流道耦合於該第一、第二歧道之間，並且連接該排出孔以及該流入孔，用以分配並導引至少一部分之該流體，其中該流道具有複數個段部，該些段部係朝至少兩個方向延伸並且平行於一流體分佈平面，其中至少一部份之該流體經過該流道以及該流入孔，且該第一、第二方向平行於該流體分佈平面。
22. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池模組，其中該燃料電池模組更包括至少一底座或支撐架，耦合於該燃料電池模組之一邊緣，藉以作為一包含有複數個該燃料電池模組之一燃料電池系統的支撐結構。
23. 一種燃料電池系統，包括：一支架，用以作為該燃料電池系統之一支撐結構，其中該支架具有一通道以提供一流體；以及複數個燃料電池模組，其中每一該燃料電池模組之一側邊固定於該支架上，且該些燃料電池模組以輻射狀的方式配置於該支架周圍。
24. 如申請專利範圍第23項所述之燃料電池系統，其中 該燃料電池系統更包括一底座，該底座與該些燃料電池模組以及該支架之該通道耦合，藉以分配該流體至該些燃料電池模組。
25. 如申請專利範圍第24項所述之燃料電池系統，其中該底座與該支架之該通道相通，藉以分配該流體至該些燃料電池模組。