CN1405915A - 质子交换膜燃料电池的模块化电池单体及模块化电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的电池单体(Single Cell)模块，其包含一阳极双极板，一阴极双极板及夹设于其间的膜电极总成(Membrane Electrode Assembly，MEA)，其中MEA设置于阳极双极板及阴极双极板的中央区域之间，而阳极双极板及阴极双极板的周缘区域间则依所需以自动机械手臂配施定量硅胶，待硅胶固化后，阳极双极板及阴极双极板间在一特定接触压力下胶合定位，以形成一整体的电池单体模块。依此结构，参照使用需求，可续将各单体顺序堆栈成一电池单元；其中，相互邻接的阳极双极板上表面及阴极双极板下表面的周缘区域，则开设有槽缝，供配施硅胶而达到各电池单体间的缓冲定位接触，以达到整体电池单元各层间的特定接触压力。

Description

质子交换膜燃料电池的模块化电池单体及模块化电池单元
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的电池单体，特别是关于一种预先制备完成以供组成质子交换膜燃料电池的电池单体模块，以及由相同概念所组合形成的电池单元模块。
背景技术
人类社会对能源需求愈来愈多的今日，传统能源愈来愈无法符合已经迈入二十一世纪的工业社会。不幸的是，人类目前赖以生存的能源资源正步入消耗怠尽的最后几十年，且这些传统能源所造成严重环境污染，亦将造成人类永续生存发展的阻碍。
有鉴于此，世界各国无不卯足全力寻求未来的替代能源，使得以全面取代目前的传统能源；截至目前为止，科学界皆一致认为氢能是二十一世纪替代汽油、柴油等动力能源的有效清洁能源；而燃料电池(Fuel Cell)则是一种将氢及氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置；因这种电池无燃烧反应，故无能量消耗、无污染、无噪音，其能量转换效率高达60％-80％，故广为研发界推崇及应用。
目前所发展出来的燃料电池约有五种，即碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池，各种燃料电池各有其优劣点及应用范围。唯其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，因其寿命长，工作温度低，在室温亦发挥正常工作，且具有较高的功率密度及可调整输出功率等用于长时间运转机械上的卓越优点，故PEMFC将是取代目前汽机车等电动机械动力最具竞争力的动力源。
兹首先将燃料电池的主要工作原理说明如下：
燃料电池主要是利用氢气和氧气通过电化学反应生成水，并释放电能，基本上可视为水电解的逆装置，其主要由阳极、阴极、电解质及外部电路四大导电结构所组成。请参见图7，其是该基本结构的示意图，首先(1)将氢气导入阳极；(2)在阳极催化剂作用下，进行 的阳极反应；(3)在电池另一端，将氧气(或空气)导入阴极，同时，阳极的氢离子穿过电解质到达阴极，而阳极的电子亦通过外电路到达阴极；及(4)在阴极催化剂的作用下，将含氧的空气导入阴极，进行 的阴极反应而生成水。
PEMFC即是利用此基本原理，将一质子交换膜(proton exchangemembrane，PEM)作为可通质子不通电子的电解质，二侧再分别夹设阳极气体扩散层及阴极气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)，PEM与GDL间分别涂设有阳极及阴极催化剂，以组合而成一膜电极总成(Membrane Electrode Assembly，MEA)，预备进行上述的阳极及阴极反应。该MEA二侧再以适当压力夹设一阳极双极板及一阴极双极板(bipolar plate)，以导通氢气及氧气而进行上述阳极及阴极的电解水的逆反应，此即为PEMFC的组合结构及工作方式。
由于PEMFC效率表现的优劣，全仰赖前述阴阳极反应的完全与否，易言之，各层间的材料选择及隔绝污染，将是有关PEMFC工作效率的一大因素。因此，除慎选用材料符合所需的场合外，确保阳极仅进行阳极反应，而阴极又仅接受阳极所传来的阳离子(即质子/氢离子)及电子进行纯阴极反应，将是极为重要的课题。简言之，在PEMFC中，精确并确实控制氢离子(H+)自阳极通过PEM到达阴极，以及电子(e-)自阳极通过外电路到达阴极而无其它闪失，是确保PEMFC工作效率稳定的不二法门；但通常造成影响而使PEMFC无法达到如上确实控制的因素主要可归纳为二：其一为处于阳极及阴极双极板间供防漏污染的措施无法彰显功能，另一则为各层间的导电接触压力无法保持在最佳状态。此亦即现今PEMFC一直皆无法量产及模块化，而有效成为替代能源的主要原因之一。
现请参阅图1，是现有技术中PEMFC电池取其单体1组合结构示意图。其是由一阳极双极板2，一阴极双极板3及一膜电极总成(MEA)4所组成；其中阴极双极板3的周缘区域则预先依需要铺设一垫片5，而MEA4置于阴极双极板3的中央区域，最后再以预先铺设好相对垫片6的阳极双极板，相对叠合于MEA4上，以达到单体的制作，而后再如法泡制，依所需制成如图2的PEMFC堆栈构形，接上供气体及冷却液体的歧管(manifold)附加上下端板7a，7b及金属导电端子8a，8b，最后再以一定系紧压力锁上多个系杆(tierods)9，以达到预期的导电反应。
但此电池的结构方式，所造成的严重缺点将可归纳如下：
(1)由阳极双极板2的槽道2a供入的氢气，及所分解出的氢离子，在通过MEA4中的阳极GDL4a，PEM4b及阴极GDL4c途中，极易因垫片5，6与双极板2，3间的空隙而漏失；而由阴极双极板3的槽道3a供入的氧气亦极易因该空隙而漏失，严重影响反应的进行。此缺点在垫片5，6因使用一段时间造成老化现象后尤其明显，即使垫片5，6一体成形制作成单一垫片，亦无法有效解决此一问题。
(2)因垫片5，6本身材质的限制，使其极容易因附近压力密度不均匀，或老化速度不均一而造成整体电池单体的接触压力不均匀，此为阳离子扩散反应不能平均实行的原因，适为PEMFC导电反应的一大忌讳。由于整体PEMFC最后需以系杆9控制接触压力，将益加造成PEMFC周边与中央区域出现明显层合压力差，严重影响电池的工作效率。
(3)采用垫片于双极板间的措施，不但隔绝污染的效果不彰，亦无法产生层合定位的功能；又因其接触压力很难事先控制在一最佳的数值间，故依该措施，势无法将PEMFC以电池单体模块化的型式事先制作储备起来，进行任何可能形式的单品测试，而达到降低成本及量产化的基本目标。此确为目前PEMFC无法广泛有效运用的主要症结所在。
有鉴于此，提供一种或多种解决方法上述问题，并提供高效能，量产化及低成本的模块化电池单体及单元，以在PEMFC的工艺限制上寻求突破，此乃业界共同企盼解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单体及模块化电池单元，其可使整体电池的制作及施工更为简化，而使整体燃料电池的品质大幅提高，制作成本大幅下降，进而达成量产化的需求，使之成为正式的替代能源主体。
本发明的另一目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单体及模块化电池单元，其可使整体制作完成的电池单体或单元模块的品质及效率无瑕疵。
本发明的另一目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单体及模块化电池单元，可使自二双极板槽道导入的气体及液体无漏失的可能，充分发挥燃料电池供应气体反应的效能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单体，包含：一阳极双极板及一阴极双极板，各双极板具有一中央区域及一周缘区域；一膜电极总成，包含：一阳极气体扩散层，一质子交换膜及一阴极气体扩散层，依顺序夹设于该阳极双极板及阴极双极板的中央区域之间；其中，该阳极气体扩散层及质子交换膜间，敷设一阳极催化剂层，而该质子交换膜及阴极气体扩散层间，敷设一阴极催化剂层；该阳极双极板及阴极双极板的周缘区域间，依所需涂设硅胶，待该硅胶固化后，该阳极双极板及阴极双极板间于一特定的接触压力下胶合定位，恰形成一整体的电池单体模块。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单元，包含多个权利要求1所述的模块化电池单体顺序叠置而成，其中：该模块化电池单体的阳极双极板具有一上表面，阴极双极板具有一下表面，其中该阳极双极板的上表面及该阴极双极板的下表面至少其中之一，沿其周缘区域，设有一槽缝，该槽缝依所需涂设该硅胶，待该硅胶固化后，恰可使该顺序叠置的模块化电池单体于该特定的接触压力下胶合定位。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单元，包含多个权利要求1所述的模块化电池单体顺序叠置而成，其中：该模块化电池单体的阳极双极板与邻接的模块化电池单体的阴极双极板为一体成型。
本发明的优点是：
1、通过将其模块化(modulized)及单元化(unitized)，使整体电池的制作及施工更为简化，并可通过事先测试电池单体或单元的效率，而达到整体燃料电池的品质大幅提高，制作成本大幅下降，进而达成量产化的需求，使之成为正式的替代能源主体。
2、通过将其中的阳极双极板及阴极双极板间的周缘区域，以机械手臂配施所需量的特殊硅胶，使该二双极板及其间所夹设的膜电极总成得层合定位，并可事先控制所需层合及接触压力，再进行硅胶的固化过程，使整体制作完成的电池单体或单元模块的品质及效率无瑕疵。
3、通过其中二双极板间所配施的硅胶，使自二双极板槽道导入的气体及液体无漏失的可能，充分发挥燃料电池供应气体反应的效能。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是显示先前技术燃料电池的电池单体组合剖面示意图；
图2是显示燃料电池的组合立体图；
图3是本发明燃料电池的电池单体模块剖面示意图；
图4是本发明燃料电池的电池单元模块第一实施例剖面示意图；
图5是本发明燃料电池的电池单元模块第二实施例剖面示意图；及
图6是本发明燃料电池的电池单元模块第三实施例剖面示意图；
图7是现有的燃料电池基本结构的示意图。
图中符号说明：
1         现有技术的电池单体
2         阳极双极板
2a、3a    槽道
3         阴极双极板
4         膜电极总成
4a        阳极气体扩散层
4b        质子交换膜
4c        阴极气体扩散层
5、6      垫片
7a        上端板
7b        下端板
8a、8b    金属导电端子
9         系杆
10        电池单体模块
11        阳极双极板
12        阴极双极板
13        膜电极总成
11a、12a  中央区域
11b、12b  周缘区域
11c、12c  槽道
14            阳极气体扩散层
15            质子交换膜
16            阴极气体扩散层
17            阳极催化剂层
18            阴极催化剂层
19            硅胶
20            模块化电池单元第一实施例
21、22、23    电池单体
21a、22a      阳极双极板
21b           冷却液槽道
21c           阴极双极板
21d、21e、22d 槽缝
24            硅胶
30            模块化电池单元第二实施例
31、32        共用双极板
34            冷却双极板
33            阴极双极板
40            模块化电池单元第三实施例
41、42        共用双极板
具体实施方式
首先参阅图3，本发明所提供的质子交换膜燃料电池的模块化电池单体10。当然此种发明构想并不限于质子交换膜燃料电池的构成，任何类似形式的燃料电池皆适用本发明的模块化技术。
模块化电池单体(single cell)10包含一阳极双极板11及一阴极双极板12，各双极板(bipolar plate)皆具有一中央区域11a，12a及一周缘区域11b，12b，该中央区域11a，12a分别开设有主要供氢气(阳极)及氧气(阴极)导通的多个已规划完成的槽道11c，12c；一模电极总成(MembraneElectrode Assembly，MEA)13，包含一阳极气体扩散层(Anode GasDiffusion Layer)14，一质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)15，及一阴极气体扩散层(Cathode Gas Diffusion Layer)16，依顺序夹设于阳极双极板11及阴极双极板12的中央区域11a，12a之间；其中该阳极气体扩散层14及质子交换膜15间敷设一层阳极催化剂层17，而该质子交换膜15及阴极气体扩张层16间，则敷设一阴极催化剂层18，以分别使自阳极双极板11的槽道11C及自阴极双极板12的槽道12C导入的氢气及氧气，适切地进行阳极及阴极的电解水的逆反应。该阳极及阴极催化剂层17、18可事先敷设于质子交换膜15的二相对侧，或分别敷设于阳极气体扩散层14及阴极气体扩散层16贴合于质子交换膜的那一侧，再行叠合形成膜电极总成13。
本发明的主要技术特征在于该阳极双极板11及阴极双极板12的周缘区域11b、12b间，依所需绕过供气歧管或其它不欲阻挡通路的位置，涂设有硅胶(silicon Rubber，RTV)19，待该硅胶19固化(cured)后，阳极双极板11及阴极双极板12间可处于一预先设定的接触压力而与其间的膜电极总成一并胶合而定位，以形成整体的电池单体模块10。较佳的硅胶材料，采用抗电蚀级(Non-Corrosive Electronic Grade)的加湿固化(moisture cured)材料或加热固化(heat cured)材料为最佳选择。
依实验及使用经验显示，一般用于质子交换膜燃料电池单体，其硅胶19若采用热固化材料制成，其热固化温度实质上介于100℃-140℃，高于燃料电池的工作温度(低于100℃)，将可获得最稳定的固化后效果；另外，该硅胶19的黏性若采用大于150,000厘泊(centi-poise)，将可获得最佳的黏着及定位效果，而该硅胶19的介电强度(DielectricStrength)若选在15-20伏特/密拉(V/mil)间，则将足够有效地发挥一般的抗电效能；但上述数据范围仅提供本领域技术人员了解较佳实施方式下的硅胶选定材料，而非代表在该范围以外的材料参数即无法发挥预期的功能。
事实上，图3所示的电池单体10中的阳极双极板11的周缘区域11b及阴极双极板12的周缘区域12b皆分别设置有预先规划好的导气或导液歧管(图未示出)；在制作电池单体10的过程中，即首先将膜电极总成13置于阴(阳)极双极板12的中央区域12a上，再以程序化控制的机械手(Robotic Arm)施配所需量的硅胶，绕过该歧管而附着于阴极双极板12的周缘区域12b上，再将阳(阴)极双极板11相对应叠合于膜电极总成13上方，而以预定的压力值，(控制在100磅/平方英寸(psi)左右，可获得较佳的导电效果)，将阳极双极板11及阴极双极板12压实，待黏稠状的硅胶渗入可能存在于各层间的缝隙而造成密封后，再行加湿或加温将硅胶进行固化(cured)程序，此时电池单体10各层间将保持该固定的接触压力，而周缘区域亦皆达到良好的隔绝效果。
在达到电池量产化的最终目标的实施过程中，亦可选择将多个相同的电池单体组合成为一电池单元，使其亦成为一模块化电池单元，以获得更高的量产效率及更高功率输出的电池。
图4即揭示出由图3中的电池单体进行堆栈(以三层为例)，所得电池单元20第一实施例的剖面示意图；其中该单体间堆栈的动作即为一般电池导电串联的连接关系，而单体本身内部的膜电极反应，则相对应于一般电池正负极内部的电化学反应，故堆栈(即串联)愈多，产生的电压愈大，排出的废热也愈多，故若堆栈的层数到达所排废热不可忽略的程度，则堆栈后的电池单元20中最上层电池单体21的阳极双极板21a(或最下层电池单体23的阴极双极板)将加设多个冷却液槽道21b，供日后冷却液注入流通循环废热；而周缘区域另设一槽缝21e，供日后堆栈另一电池单元模块注入硅胶以供定位及防冷却液漏失之用。
有关电池单体21，22，23间的堆栈定位及模块化过程，亦可采如图3的敷设硅胶方式，在电池单体21的阴极双极板21c的下表面及/或电池单体21的阳极双极板22a的上表面的周缘区域，分别设有一相对的槽缝21d，22d，在进行堆栈串联的前，即依相类似方式以机械手臂注入适量硅胶24于该槽缝22d中，再将电池单体21层压叠合于单池单体22之上，之后再进行固化过程(单体22及单体23的层合作法亦采此一方式)。由于各单体间所注入的硅胶24与单体内部所采用的硅胶大致为相同的材质，故不无论同时或分别固化硅胶19、24，皆仍可事先控制各层间等同的层合接触压力至所需的值，而达到最佳及最稳定的导电效果。
既然各电池单体的堆栈是采用阴-阳极双极板的完全接触串联方式，故此电池单元的制作方式亦可采用如图5电池单元30的第二实施例，将接触的阴-阳极双极板直接改采单片式的共用双极板31，32，然后再将膜电极总成13夹设于顺序叠置的阴极双极板33，共用双极板32，31及冷却双极板34间，并依图3的制作方式注入硅胶并固化，以达到各层间等层合接触压力的模块化电池单元30。
由于双极板的设置目的及功用主要在于提供导通各堆栈串联的电池单体氢气，氧气及冷却液等的通路，故只要得以隔离相邻接电池单体的流体通路并提供串联导电的功能者皆为合适的双极板形状。
图6是电池单元40的第三实施例，其中的阳极双极板及阴极双极板非但采用一体成形的共用双极板41，42，且其设计成由金属板弯折而成的波形(corrugated)，以更利于材料的精省及整体电池的轻量比，使在量产市场更具竞争力。
以上所揭示本发明的详细技术内容及发明特点，然本领域技术人员应可基于本发明的揭示及指引进行种种不背离本案发明特征的替换及修改；但此种替换及修改虽不尽揭露于如上的实施例说明中，但已实质上涵盖在本发明的权利要求中。

Claims (18)

1.一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单体，包含：
一阳极双极板及一阴极双极板，各双极板具有一中央区域及一周缘区域；
一膜电极总成，包含：
一阳极气体扩散层，一质子交换膜及一阴极气体扩散层，依顺序夹设于该阳极双极板及阴极双极板的中央区域之间；其中，该阳极气体扩散层及质子交换膜间，敷设一阳极催化剂层，而该质子交换膜及阴极气体扩散层间，敷设一阴极催化剂层；
该阳极双极板及阴极双极板的周缘区域间，依所需涂设硅胶，待该硅胶固化后，该阳极双极板及阴极双极板间于一特定的接触压力下胶合定位，恰形成一整体的电池单体模块。
2.根据权利要求1所述的模块化电池单体，其特征在于：该所涂设的硅胶为一抗电蚀级的硅胶材料。
3.根据权利要求2所述的模块化电池单体，其特征在于：该所涂设的硅胶，其热固化温度实质上介于100℃-140℃之间。
4.根据权利要求3所述的模块化电池单体，其特征在于：该所涂设的硅胶，其黏性实质上大于150,000厘泊。
5.根据权利要求4所述的模块化电池单体，其特征在于：该所涂设的硅胶，其介电强度实质上介于15-20伏/密拉之间。
6.根据权利要求5所述的模块化电池单体，其特征在于：该阳极双极板及阴极双极板间实质上达到100psi的接触压力。
7.一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单元，包含多个权利要求1所述的模块化电池单体顺序叠置而成，其中：
该模块化电池单体的阳极双极板具有一上表面，阴极双极板具有一下表面，其中该阳极双极板的上表面及该阴极双极板的下表面至少其中之一，沿其周缘区域，设有一槽缝，该槽缝依所需涂设该硅胶，待该硅胶固化后，恰可使该顺序叠置的模块化电池单体于该特定的接触压力下胶合定位。
8.根据权利要求7所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶为一抗电蚀级的硅胶材料。
9.根据权利要求8所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶，其热固化温度实质上介于100℃-140℃之间。
10.根据权利要求9所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶，其黏性实质上大于150,000厘泊。
11.根据权利要求10所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶，其介电强度实质上介于15-20伏/密拉之间。
12.根据权利要求11所述的模块化电池单元，其特征在于：该阳极双极板及阴极双极板间及各该电池单体间实质上达到100psi的接触压力。
13.一种质子交换膜燃料电池的模块化电池单元，包含多个权利要求1所述的模块化电池单体顺序叠置而成，其中：
该模块化电池单体的阳极双极板与邻接的模块化电池单体的阴极双极板为一体成型。
14.根据权利要求13所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶为一抗电蚀级的硅胶材料。
15.根据权利要求14所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶，其热固化温度实质上介于100℃-140℃之间。
16.根据权利要求15所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶，其黏性实质上大于150,000厘泊。
17.根据权利要求16所述的模块化电池单元，其特征在于：该所涂设的硅胶，其介电强度实质上介于15-20伏/密拉之间。
18.根据权利要求17所述的模块化电池单元，其特征在于：该一体成型的阳极双极板及阴极双极板间实质上达到100psi的接触压力。
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