TW541754B - Solid polymer electrolyte fuel cell assembly, fuel cell stack, and method of operating cell assembly - Google Patents

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五 、發明説明 發明背景 發明範疇： Θ係有關-種固體聚合物型電解質燃料電池總 括多數單元電池整合-體彼此堆疊，其中各個單 膜r—本體’其係經由夾置-固體聚合物型電解質 二於：極與陰極間形成；一燃料電池堆其係經由堆疊多 "且力體聚合物型電池總成獲得· & & p 以又侍，以及種刼作固體聚合物 1電解質燃料電池總成之方法。 相關技藝說明： 口 口概略吕之，固體聚合物型電解質燃料電池（PEFC)包括 一:凡電池（單元電力產生電池），其形成方式係經由設置 陽極及-陰極其各自主要係由碳製成，於聚合物離子交 換膜（陽離子交換膜）組成的電解質膜兩側而形成-本體 ( '包極’成）’以及將該本體夾置於分隔件（雙極板）間組 成。固體聚合物型電解質燃料電池通常係用作為具有特定 數目單元電池之燃料電池堆。 〃此種類型燃料電池中，例如當燃料氣體亦即主要為含 氫氣體（後文稱作為「含氫氣體」）供給陽極時，含氫氣體 之氫於催化劑電池上游離且透過電解質遷移至陰極：以： 此種電化學反應產生的電子被帶至外部電路，用作為直谅 形式的電源。此種情況下，由於氧化氣體例如主要為含氧L 或含空氣氣體（後文稱作為「含氧氣體」）供給陰極，氯離 子、電子及氧氣彼此反應而於陰極產生水。 §藉此方式於使用燃料電池堆作為交通工具上電源案 541754 A7 五、發明說明 2 “、:料電’也堆需要相當大輸出。為了滿足此項需求，曾 經採用讓單元電池之反應平面（電力產生平面）尺寸變大之 包池結構以及堆疊大量單元電池之電池結構。 仁别者電池結構之問題為若各單元電池尺寸變大，則 燃料電池堆之整體尺寸也變大，此種大尺寸之燃料電池堆 不適合作為交通工具上電源。如此一般採用後述堆疊大量 相對緊密短小之單位電池之電池結構；但此種結構也造成 不便，隨著堆疊的單元電池數目變大，於堆疊方向容易產 生μ度分布，電化學反應產生水之排水特性劣化，因而無 法確保滿意的電力產生性能。 發明概要 為了解決前述問題，從事本發明之研究，本發明之一 目的係提供一種固體聚合物型電解質燃料電池總成，其可 有文"各個單元電池之電力產生性能，以及以簡單結構 、、宿J包池、、、么成尺寸，以及一種經由堆疊電池總成獲得之 料電池堆。 本务明之另一目的係提供一種操作固體聚合物型燃 電池總成之方法m可利用各個單元電池有效產生 力，以及改善排水特性等。 康本务月，&供一種固體聚合物型電解質燃料電 總成’包括多數單元電池整合—體彼此堆疊，多數單‘ 池各自具有經由將-固體聚合物型電解質膜炎置於一陽： 與-陰極間形成之本體，其特徵在於多數單元電池中之至 少二者具有彼此不同的結構。使用此種配置，可採用對各 燃 料 電 池 電 f! (請Λ-閲讀f*面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度_中_家標準 541754 A7 —_______B7_ 五、發明説明（3 ) 個單元電池之反應為最理想的結構，因而可有效改良電力 產生功能。 於前述電池總成，可於多數單元電池之至少二單元電 /也σ又置夕組反應氣體通道俾允許作為反應氣體之燃料氣體 及氧化氣體中之至少一者通過其中，以及各組反應氣體通 道之截面彼此不同。使用此種配置，即使反應氣體量經由 電化學反應所耗用，仍然可將於一單元電池之反應平面之 反應維持等於於另一單元電池之反應平面之反應。 各組反應氣體通道之戴面可經由讓多組反應氣體通道 之之/朱度、I度及數目與多組反應氣體通道之另一之深 度、覓度及數目中之至少一者彼此不同因而讓截面變不 同。使用此種配置’經由讓通道深度變淺，可使單元電池 變薄，因而可微縮化整體電池總成。又，經由讓通道寬度 變窄或減少通道數目，可增加毗鄰二單元電池間的接觸面 積’因而可降低接觸電阻。 允許作為反應氣體之燃料氣體及氧化氣體中之至少一 者通過其中的各組反應氣體通道，可設置於多個單元電池 之至少二者，各組反應氣體通道之長度彼此不同。使用此 種配置，由於設置有較長反應氣體通道之單元電池出現壓 降，故可改良於單元電池產生之水之排水特性。 用以允許作為反應氣體之燃料氣體及氧化氣體中之至 少一者通過其中之各組反應氣體通道可設置於多個單元電 池之至少二者，各組反應氣體通道形狀可彼此不同。例如 紅由將各組反應氣體通道之一形成為直線形而將各細反應 541754 A7 -----------B7_ 五、發明( 4 ) ^~ ~ ~ 氣體通道之另-形成為彎曲形’可獲得於各個單元電池反 應最理想化結構。 多個單元電池中之至少二者包括多個本體其彼此不 同^列如設置於至少二單元電池之本體中一者係設置於反 應氣體通道流動之反應氣體流動方向之下游端，該本體之 熱阻可設定為高於設置於反應氣體流動方向之上游端之本 體熱阻。原因在於設置於反應氣體流動方向下游端之本體 溫度變成高於設置於反應氣體流動方向上游端之本體溫 度。具體言之，設置於至少二單元電池之本體中，設置於 相對低溫側之本體可包括以氟為主之膜，以及設置於相對 咼溫側之本體可包括以烴為主之膜。採用此種配置，因於 下為纟而之本體其溫度係高於於上游端之本體溫度，且於下 游端之本體包括具有高熱阻之以烴為主的膜，故可改進其 使用壽命。 於電池總成’用以允許作為反應氣體之燃料氣體及氧 化氣體中之至少一者於多數單元電池流動的各組反應氣體 通迢可設置成於多個單元電池間其至少一部分係彼此串聯 連通。此處「至少部分」，一詞表示多組反應氣體通道中之 至少二者或多者，或各組反應氣體通道中之至少一部分。 使用此種配置，單純經由提高供應於電池總成之反應 氣體流速’可平衡於一單元電池之濕度與於另一單元電池 之濕度。如此可平衡多數單元電池之電流密度分布，如此 可降低〉辰度過電位。又，單純經由提高於電池總成供給的 反應氣體流速，可有效洩放於各個單元電池產生的水，如 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐) -------------------------- (請t閲讀f.面之注意事項再填寫本頁) 、τ· 五、發明説明（5 ) 此可改善整體電池總成之排水特性。 根據本發明，提供一種燃料電池堆，包括多數電池餉 成彼此堆疊，其特徵在於多數電池總成各自包括多數單^ 電池彼此堆疊，多數單元電池各自具有一本體，其係經由 將-固體聚合物型電解質膜夹置於一陽極與一陰極間組 成’其中多數單it電池中之至少二者具有彼此不同的結構。 、根據本發明，提供一種操作固體聚合物型電解質燃料 電池總成之方法’其特徵在於多數單元電池 彼此不同之條件下操作。具體言之，至少二單元電：:： 反應氣體流動方向之下游端）之溫度設定為高於至少二 單兀電池之另一(於流動方向上游端)之溫度。於反應氣體 流動方向下游端產生較大量水；但根據此種配置，由於= 下游端之單元電池溫度升高’故可改善於下游端之單元電 池之排水特性。 於至少二單元電池之一（於反應氣體流動方向之下游 端）之反應氣體流速可設定為高於於至少二單元電池之/ 一（於流動方向上游端）之反應氣體流速。採用此種配2另 可積極洩放於流動方向下.游端產生的大量水。 於至少二單元電池之一（於反應氣體流動方向下游端 於反應氣體出氣口之濕度可設定為低於於至 时一 、 夕—早元電池 之另一（於流動方向上游端）於反應氣體出氣口之濕声。扩 用此種配置，可順利洩放於流動方向下游端產生的水。 於至少二單元電池之一（於反應氣體流動方向下游端） 之反應氣體利用率可設定為高於於至少二單 t几电池t另一 五、 6 ^ 7人六τ通逗农反經改變之分解透視圖； 第10圖為線圖顯示 ^ ^ ^ ^ _ L ^ n㈤不於弟一及弟一早兀電池之陰極之溫 發明說明 '慨動方向上游端）之反應氣體利用率。採用此種配置可 改善全體電池總成之反應氣體利用率。 一則述及其它本發明之目的、特色及優點由後文說明連 5寸圖將顯然自明’附圖中舉例說明本發明之較佳具體實 施例。 圖式之簡單說明 。第1圖為根據本發明之第一具體實施例之固體聚合物 型電，質燃料電池總成之主要部分之分解透視圖； 第2圖為燃料電池堆之示意透視圖； 第3圖為剖面圖顯示電池總成之主要部分； =4圖為電池總成之第一分隔件之前視圖； 弟5圖為視圖顯示於電池總成之氧化氣體、燃料氣體及 冷媒之流動； ，第ό圖為視圖顯不經由讓通道深度彼此不同因而讓通 道截面彼此不同之方式. 、第7圖為視圖顯不經由讓通道寬度彼此不同因而讓通 道截面彼此不同之方式； 第8圖為視圖顯不經由讓通道數目彼此不同因而讓通 道戴面彼此不同之方式. 第图為電池總成其中通道長度經改變之分解透視 度； 對濕=圖為線圖顯示於第—及第二單㈣池之陰極之相 本紙張尺度適时國國家標準(CNS^7^297^7 (請*"閱讀f.面之注意事項再填寫本頁)

、發明說明 型雷^圖為根據本發明之第二具體實施例之固體聚合物 I電解質燃料電池始 kh W成之主要部分之分解透視圖； 弟二圖為根據本發明之第三具體實施例之固體聚合物 \貝燃料電池總成之主要部分之分解透視圖； Γ4圖為電池總成之第-分隔件之前視圖； γ…_為視圖顯示於根據第三具體實施例之電池總成 之魏氣體、燃料氣體及冷媒之流動； $ 16«為根據本發g月之第四具體實施例之固體聚合物 電：質燃料電池總成之主要部分之分解透視圖； 第17圖為根據本發明之第五具體實施例之固體聚合物 型電”燃料電池總成之主要部分之分解透視圖； ^第18圖為視圖顯不根據本發明之第五具體實施例氧化 乱體、燃料氣體及冷媒於電池總成之流動； 第19圖為根據本發明之第六具體實施例之固體聚合物 型訪質燃料電池總成之主要部分之分解透視圖；以及 严弟2〇圖為視圖顯示根據本發明之第六具體實施例氧化 氣體、燃料氣體及冷媒於電池總成之流動。 較佳具體實施例之說明 第1圖為根據本發明之第一具體實施例之固體聚合物 型電解質燃料電池總成1G之主要部分之分解透視圖，以及 第2圖為經由堆疊多組電池總成1〇所得燃料電池堆12之示 意透視圖。 如第1圖所示，電池總成1〇係經由堆疊第一單元電池14 及第一單元電池16製成。第一單元電池14具有第一本體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂| 10 541754 五、發明説明（8 18，以及第二單元電池16具有第二本體2〇。 第一本體18具有固體聚合物型電解質膜22a、以及一陰 極24a及一陽極26a其間插置有電解質膜22a ;以及第二本體 2 〇具有固體聚合物型電解質膜22b、一陰極24b及一陽極26b 其間插置有電解質膜22b。陰極24a及24b以及陽極26a及26b 各自係經由將以貴金屬為主之催化劑電極層形成於主要由 碳製成的基底元件上，以及形成由多孔碳紙等製成的多孔 氣體擴散層獲得。 如第1及3圖所示，第一分隔件28係設置於第一本體18 之陰極24a該側上，第二分隔件3〇係設置於第二本體2〇之陽 極26b侧上，中間分隔件32係插置於第一與第二本體18與20 間。薄壁板（分隔壁元件）34係設置於第一及第二分隔件28 及3 0各別之外側面上。 如第1圖所示，第一及第二本體18及20、第一及第二分 隔件28及30、以及中間分隔件32各自於長邊方向之一緣 邛具有一氧化氣體進氣口 3 6a、一氧化氣體出氣口 36b及 燃料氣體中間連通孔38。氧化氣體進氣口 36a及氡化氣體 出氣口 36b各自允許氧化，氣體（反應氣體）如含氧氣體或空 氣通過其中。燃料氣體中間連通孔38允許燃料氣體（反應氣 體）如含氫氣體通過其中。設置於電池組件18、2〇、28、3〇 及32之氧化氣體進氣口 36a(氧化氣體出氣口 3讣及燃料氣 體中間連通孔38)於第一及第二單元電池14及16之堆疊方 向（以箭頭A指示）彼此連通。 第一及第二本體18及20、第一及第二分隔件28及3〇以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· -#- 11 541754

及中間分隔件32各自於長側邊方向之另一緣部，具有一氧 化氣體中間連通孔4〇、一燃料氣體進氣口仏、 出氣口一冷媒入口—媒一。氧化= 間連通孔4G允s午氧化氣體通過其中。燃料氣體進氣口仏 及燃料氣體出氣口 42b各別允許燃料氣體通過其中。冷媒入 口 44a及冷媒出口 44b各別允許冷媒通過其中。設置於電池 、、、牛8 20 28、30及32之氧化氣體中間連通孔4〇(燃料氣 體進氣口 42a、燃料氣體出氣口 42b、冷媒入口 44&及冷媒出 口 44b)於方向a彼此連通。 部 體 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、? 弟刀隔件2 8係配置成金屬板。金屬板之面對第一本 體18之反應平面（電力產生平面）部分被成形為凸部及凹； 形狀，例如成形為浪形用以形成通道。特定言之，如第 及4圖所示，第一分隔件28於面對第一本體以陰極二扣該 侧’具有多數氧化氣體通道（反應氣體通道）46。氧化氣 通道46於長邊方向沿直線延伸（以箭頭b顯示）。氧化氣體心 道46—端連通氧化氣體進氣口 36a，及其另一端連通氧化氣 體中間連通孔40。 如第1及3圖所示，第，一分隔件28於面對壁板34一面之 該側面上也有多個冷媒通道48。冷媒通道48係於長邊方向 直線伸展（以箭頭B指示）。冷媒通道48之一端係與冷媒入口 44a連通，而其另一端係取道於壁板34之另一側表面，透過 孔部50作為形成於壁板34或形成於分隔件的中間返回部， 而與冷媒出口 44b連通。 第二分隔件30係配置成大致上類似第一分隔件28。第 本紙張尺度適用中國國家標準（O^g) A4規格（210X297公釐） 12 541754 五、發明説明（10) 刀隔件30於面對第二本體2〇之陽極2处之表面側上，具有 夕個Μ料氣體通道（反應氣體通道）52。燃料氣體通道52係 :長邊方向（以刖頭Β顯示）直線延伸。燃料氣體通道％ 一端 係，通於燃料氣體中間連通孔38,而其另一端係連通於燃 料氣體出口 42b。第二分隔件3〇於其面對田比鄰電池總成ι〇 之壁板34之表面上也有多數冷媒通道54。冷媒通道抖係於 長邊方向（箭頭B指示）直線延伸，其終端係與冷媒出口 4处 連通。 中間分隔件32係配置成大致上類似第一及第二分隔件 28及30。中間分隔件32於其面對第一本體18陽極26&之該表 面侧上有多個燃料氣體通道（反應氣體通道）56。燃料氣體 通道56係於長邊方向（箭頭B指示）直線延伸。燃料氣體通道 %-端係與燃料氣體進氣口仏連通，而其另一端係與燃料 氣體中間連通孔38連通。 如第3圖所示，中間分隔件32於其面對第二本體2〇陰極 24b之該表面侧上也有多數氧化氣體通道（反應氣體通 道）58。氧化氣體通道58係於長邊方向（箭頭B指示）直線延 伸。氧化氣體通道58之一，端係與氧化氣體中間連通孔4〇連 通’而其另一端係與氧化氣體出氣口36b連通。 至於串聯設置於第一及第二單元電池14及16之氧化氣 體通道46及58，氧化氣體通道46之截面係與氧化氣體通道 58之截面不同。至於串聯設置於第一及第二單元電池μ及 16之燃料氣體通道56及52，燃料氣體通道兄之截面係與燃 料氣體通道52之截面不同。特定言之，如第3圖所示，於出 五、發明説明（u ) 孔口側上之各個氧化氣體通道58之截面係小於於進氣口側 上，各個氧化氣體通道46之截面，於出氣口側上之各個燃 料氣體通逞52之截面係小於於進氣口側上之各個燃料氣體 通道56之截面。 "特疋數目之多組具有前文說明組態之電池總成10，如 ^圖所tf，於方向A利用@定裝置⑽巾未顯示）彼此堆 立而板62&及621)透過集流電極60a及60b設置於方向a於 談^電池總成10兩端，接著為利用繫桿（圖巾未顯示）等扣 接端板62a及62b俾獲得燃料電池堆12。 而板62a於長邊方向之_緣部，具有_氧化氣體供應埠 口 64a與氧化乳體進氣口 36a連通，於氧化氣體沒放璋口糾 係，氧化氣體出氣口36b連通。端板62a於長邊方向之另一 緣部也具有—燃料氣體供應蟑口㈤其係與燃料氣體進氣 口 42a連通，—燃料氣體沒放埠口祕其係與燃料氣體出氣 口 42b連通，一冷媒供應埠口 68a其係與冷媒入口 44&連通， 及一冷媒洩放埠口 08b其係與冷媒出口44b連通。 具有如前述配置之燃料電池堆12及電池總成1〇之操作 說明如後。 於燃料電池堆12，燃料氣體例如含氫氣體係由燃料氣 體供應璋口心供給;氧化氣體如空氣或含氧氣體係、由氧化 氣體供應埠口仏供給；以及冷媒如純水、乙二醇或油係由 冷媒供應埠口 68a供給。如此燃料氣體、氧化氣體及冷媒猶 序供給彼此於方向A堆疊之多數電池總成1〇。 如第5圖所示，供給彼此於方向A連通之氧化氣體進氣 541754 A7 --— — __________ B7_ 五、發明説明(12) '—— - 口 36a之氧化氣體，被導引人設置於第_分隔件μ之多數氧 化氣體通道46，且#•笛 l «λ , _ 且你/ 口弟一本體18之陰極24a移動。同時， 供給彼此於彳向A連通之燃料氣體進氣口仏之燃料氣 體^皮導引入設置於中間分隔件32之多數燃料氣體通道％ 且係沿弟一本體18之陽極26a移動。於第一本體18，供給陰 極24a之乳化氣體以及供給陽極—之燃料氣體係經由電極 催化劑層之電化學反應耗用，結果產生電力。 氧化氣體其部分已經於第一本體18耗用，氧化氣體由 氧化氣體通道46被導引入第一本體18之氧化氣體令間連通 孔40，於方向A移動通過第一本體18及中間分隔件w之氧 化虱體中間連通孔40，且被導引入設置於中間分隔件“之 氧化氣體通道58。然後如此被導引入氧化氣體通道％之氧 化氣體順著第二本體20之陰極24b移動。 同理，燃料氣體其部分已經於第一本體18之陽極ha 耗用，燃料氣體被導引入中間分隔件32之燃料氣體中間連 通孔38，於方向A移動通過中間分隔件32及第二本體2〇之 燃料氣體中間連通孔38，且被導引入設置於第二分隔件3〇 之燃料氣體通道52。如此被導引入燃料氣體通道52之燃料 氣體隨後順著第二本體2〇之陽極26b移動。於第二本體2〇， 氧化氣體及燃料氣體於催化層藉電化學反應被耗用，結果 產生電力。其氧氣已經被耗用之氧化氣體洩放入第二分隔 件30之氧化氣體出氣口 36b，而其氫氣已經被耗用之燃料氣 體洩放入第二分隔件30之燃料氣體出氣口 42b。 它方面，供給第一分隔件28之冷媒入口 44a之冷媒係順 本紙張尺度適用中國國家標準（⑶幻Α4規格（21〇χ297公酱） 15 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、^τ— 541754 A7 ------ - B7 五、發明説明（一~ --- 者設置於第—分隔件28之冷媒通道48移動，由形成於壁板 之孔部50返回，順著設置於毗鄰電池總成1〇之第二分隔 件3〇之冷媒通道54移動，且被歧入第二分隔件3〇之冷媒 出口 44b。 根據第-具體實施例，各個氧化氣體通道46戴面係與 各個氧化氣體通道58截面不同，而各個燃料氣體通道城 面係與各個燃料氣體通道52截面不同。特定言之，如第3 圖所示，於出口端之氧化氣體通道58之截面係小於入口端 之氧化氣體通道46之截面，而於出口端之燃料氣體通道52 之截面係小於入口端之燃料氣體通道56之戴面。隨著氧化 氣體及燃料氣體移動至出口端，氣體含量因電化學反應的 耗用而減少。但根據第一具體實施例，因出口端之氧化氣 體通道58及燃料氣體通道52之截面分別係小於入口端之氧 化氣體通道46及燃料氣體通道56之截面，故於第二本體2〇 之反應平面上之反應維持等於第一本體18之反應平面上之 反應。 經由改變通道46及58之深度、寬度或數目，可將氧化 氣體通道46之截面製作成與氧化氣體通道58之截面不同； 同理，經由改變通道56及52之深度、寬度或數目，可讓燃 料氣體通道56之截面變成與燃料氣體通道52之截面不同。 弟6圖所不範例中’没置於板狀中間分隔件3 2 a之各個 氧化氣體通道58a之深度係設定為比設置於板狀第一分隔 件28a之各個氧化氣體通道46a之深度更淺；設置於板狀第 二分隔件30a之各個燃料氣體通道52a深度可設定為比設置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4规格（210X297公釐） _ 16 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、訂— 541754 A7 B7 14 五、發明説明 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 於板狀中間分隔件32a之各個燃料氣體通道56a之深度更 淺。使用此種組態，可獲得第一及第二單元電池14及16各 別k薄的額外效果，因而容易微縮化整體電池總成。 於第7圖所示實例，形成於板狀第二分隔件3价之各出 口端燃料氣體通道52b之寬度係小於形成於中間分隔件3孔 之各入口端燃料氣體通道56b寬度。採用此種組態，可獲得 第一與第二單元電池14與16接觸面積加大的額外效果，藉 此降低接觸電阻。雖然圖中未顯示，但此點亦適用於氧化 氣體通道。 、可_ 第8圖所示實例中，設置於板狀中間分隔件32c之出口 端虱化氣體通道58c之數目係小於設置於板狀第一分隔件 28c之入口端氧化氣體通道46c數目；同理，設置於板狀第 二分隔件3〇c之出口端燃料氣體通道52c數目係小於設置於 中間分隔件32c之入口端燃料氣體通道56c數目。採用此種 配置，類似第7圖所示實例，可獲得第一與第二單元電池“ 與16之接觸面積加大的額外效果。 為了改進第一及第二單元電池14及16之排水特性，第 二單元電池16之出口端之氣體通道長度可設定為比入口端 之第一單元電池14之氣體通道長度更長。出口端產生之水 置變大，但因前述配置，出口端之氣體通道長度較長，故 出口端發生壓降因而改良出口端產生的水的排水特十生。 特定言之，如第9圖所示，筆直燃料氣體通道56言史置於 中間分隔件32，而迂迴燃料氣體通道52d設置於第二分隔件 3〇d。結果出口端之燃料氣體通道52d之氣體通道長度比入

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N發明説明 口端之燃料氣體通道56之氣體通道長度有效地更長。此 卜迂迴燃料氣體通道52d可以彎曲或曲線燃料氣體通道替 代。 根據第一具體實施例，因電池總成10係由多個單元電 池例如單元電池14及16之本體組成，故經由以電池總成10 作為一個操縱單元，比較組裝燃料電池堆時各個單元電池 作為操縱單元的習知方式，可有效簡化組裝燃料電池堆12 時的工作。 根據第一具體實施例，電池總成10係配置成第一及第 一單凡電池14及16之本體，又至少部分設置於第一單元電 ’也14之氣化氣體通道46係透過氧化氣體中間連通孔4〇而與 没置於第二單元電池16之至少部分氧化氣體通道58串聯連 通，至少部分設置於第一單元電池14之燃料氣體通道56係 透過燃料氣體中間連通孔38，而與至少部分設置於第二單 元電池16之燃料氣體通道52做串聯連通。如此於第一及第 二單元電池14及16之全體反應需要的氧化氣體流速被供給 入口端之氧化氣體通道46，而於第一及第二單元電池14及 16之全體反應需要的燃料氣體流速被供給入口端之燃料氣 體通道56。換言之，於一個單元電池反應通常需要的流速 之兩倍氧化氣體流速被供給入口端之氧化氣體通道46，而 於一個單元電池反應通常需要之流速的兩倍燃料氣體流速 被供給入口端之燃料氣體通道56。 結果’可改進氧化氣體通道46及58(於其中產生水）之 排水特性，因此第一單元電池14之濕度係等於第二單元電 18

-、τ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 池1 6之濕度。結果， 於第二單元電池16之 的發生。 第一單元電池14之電流密度分布係等 電流密度分布，因而降低濃度過電位 〃、由於第一單元電池14之氧化氣體通道46係與第二單元 電池!6之氧化氣體通道58串聯連通，而第—單元電池14之 氣體通:¾ 56係與第二單元電池16之燃料氣體通道^串 ”連通故供給氧化氣體進氣口恤之氧化氣體流速以及供 給燃料氣體進氣口42a之燃料氣體流速變成比習知單元電 池結構更高。、结果可有效茂放於第—及第二單元電池"及 16產生的水，％此顯著改進電池總成⑺之全體排水特性。 …將使用電池總成1()及燃料電池堆12說明根據本發明之 早几電池之操作方法。此外，因操作方法之基本步驟同前 述電池總成10及燃料電池堆12之操作步驟，故後文將僅簡 單說明操作方法特性。 /根據本發明之操作方法，第一及第二單元電池14及16 係使用如下第-、第二、第三及第四方法於不同條件操作。 根據本發明之第一方法，下游端第二單元電池16之溫 度設定為高於上游端第一，單元電池14之溫度。將以第一單 兀電池14之陰極24a以及第二單元電池16之陰極2仆為例更 完整說明。如第H)圖所示，經由讓第二單元電㈣該侧之 氣體通道溫度高於第―單^電池14該側之氣體通道溫度， 第一單元電池14之氣體通道之相對濕度以及第二單元電池 16之氣體通道之相對濕度降低，如第u圖所示。其理由如 後·換吕之，於第一單元電池14該側，因於第一及第二單 五、發明説明（η 2電池Μ及16全體反應需要的氧化氣體流速供給第-單元 田池14、’故濕度的變化減少；而於第二單元電池16該側， 大電池溫度升高，故相對濕度降低。 一使用此種配置’因第一單元電池“之相對濕度等於第 早凡电池16之相對濕度，故可改進電解質膜❿及22b各 別之離子傳導性，因而降低濃度過電位。 根據本么明之第一方法，於第二單元電池Μ之氧化氣 體〜速設定為高於第一單元電池14之氧化氣體流速。當氧 化氧體流至出口端之量較大時產生較大量水。如此經由 疋於流動方向於下游端第二單元電池16流動的氧化氣體 速，可改善產生的水的排水特性。 、#根據本發明之第三方法’第二單元電池此氧化氣 =乳口（反應氣體進氣D)36a之濕度設定為低於第一單 二池14之氧化氣體中間連通孔（反應氣體出氣口）扣之濕 (參考第11圖之實線）。 根據本發明之第四方法，於第二單元電池16之反應 體利用率没定為高於於第—單元電池14之反應氣體利用 率。如此可改進電池總成1〇之整體利用率，因而有效減少 反應氣體之耗用量。 第12圖為根據本發明之第二具體實施例之電池總 之主要邛刀之分解透視圖。本具體實施例之電池總成谷 中、子應於第具體貫施例之電池總成1 〇之該等部件標^ 以相同的參考編號而刪除其重複說明。如下第三及隨 具體實施例亦同。 汉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ· 氣用 成8( 成8( 本紙張尺度適用中關家標準（CNS) Α4規格⑵〇χ297公幻 -20 541754 A7 ---~---B7 _ 五、發明説明（18) 電池總成80包括第一本體82及第二本體討。第一本體 82具有以氟為主之電解質膜86，第二本體具有以烴為主之 電解質膜88。 根據如前述配置之第二具體實施例。為了因應下述不 便，於反應氣體流動方向於下游端第二本體84之溫度高於 於反應氣體流動方向上游端之第一本體82之溫度，具有較 同熱阻之以烴為主之電解質膜88設置於第二本體抖。採用 此種配置可改善第二本體84之使用壽命。結果因第二本體 84可使用較長時間，故可提升電池總成8〇之經濟效益。 第13圖為根據本發明之第三具體實施例之固體聚合物 型私解貝燃料電池總成1 〇〇之主要部分之分解透視圖。 電池總成1 00係經由第一單元電池丨〇2及第二單元電池 104於方向a彼此堆璺組成。第一單元電池1〇2包括第一本 體106’第二單元電池1〇4包括第二本體1〇8。第一本體ι〇6 被夾置於第一分隔件110與中間分隔件114間，以及第二本 體1〇8係夾置於中間分隔件114與第二分隔件112間。 第一及第二單元電池102及1〇4於長邊方向之一緣側 上，各別具有氧化氣體進氣口 36a、燃料氣體出氣口 42b及 冷媒入口 44 a，其中氧化氣體進氣口 36a(燃料氣體出氣口 42b及冷媒入口 44a)係於方向八彼此連通；以及於長邊方向 之另緣側上也具有氧化氣體出氣口 36b、燃料氣體進氣口 4仏及冷媒出口 44b，其中該氧化氣體出氣口 36b(燃料氣體 進氣口 42a及冷媒出口 44b)係於方向A彼此連通。 第一分隔件no於一側表面上有多個冷媒通道48。冷媒

/54 /54 五 19 '發明説明 L道48係於方向B直線延，並一 诵 八 知係與冷媒入口 44a連 ，而，、另一端係與冷媒出口 44b連通。 分隔件nG於另—側表面上有多數燃料氣體通道 复—。弟14圖所示。燃料氣體通㈣係於方㈣直線延伸， 係與燃料氣體進氣D42a連通，而其另—端係與燃料 ^ D42b連通。燃料氣體通道％深度朝向燃料氣體出 氣口 42b端逐漸變淺。 第二分隔件112於面對第二本體108之陰極24b之表面 侧上有多數氧化氣體通道58於方向B直線延伸。氧化氣體 通道58之一端係與氧化氣體進氣口 連通，而其另一端係 與氧化氣體出氣口 36b連通。 中間分隔件114於面對第一本體106之陰極24a之該表 面側上具有氧化氣體通道46於方向B延伸。氧化氣體通道 46—端係與氧化氣體進氣口 36a連通，而其另一端係與氧化 氣體出氣口 36b連通。部分與氧化氣體進氣口 36a連通的氧 化氣體通道46加氣門，因而形成氣門部116a;而氧化氣體 通迢46之與氧化氣體出氣口 36b連通部分加氣門，而形成氣 門部116b。類似第一分隔件11 〇，中間分隔件1丨4於面對第 二本體108之陽極26b之該表面側上具有燃料氣體通道 52(參考第15圖）。 根據如前述配置之電池總成100,冷媒通道48係形成於 第二分隔件112之與設置氧化氣體通道58該侧對向之表面 側上，故第二分隔件112之氧化氣體通道5 8藉冷媒冷卻而維 持於低溫。它方面，中間分隔件114之氧化氣體通道4 6之冷 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •、?τ— -22 - 541754 A7 B7 五、發明説明（21 型電解質燃料電池總成12〇之主要部分之分解透視圖。於本 具體實施例之電池總成12G，對應於第三具體實施例之電池 總成100之部件標示以相同的參考編號，而免除重複說明。 ^電池總成120係經由於方向A堆疊第一單元電池122、 第一早兀電池124、及第三單元電池⑶製成。第一單元電 池122有第一本體106 ;第二單元電池124具有第二本體⑽ 及第二早几電池126具有第三本體128。第一本體1〇6係夾置 於第-分隔件11〇與第一中間分隔件U4a間；第二本體⑽ 係夾置於第-中間分隔件114a與第二中間分隔件⑽間； 以及第三本體128係夾置於第二中間分隔件丨丨仆與第二分 隔件112間。 於電池總成120,於第一、第二及第三單元電池122、 124及126之溫度環境出現溫差。特別第二本體ι〇8之溫度傾 向於咼於第一及第三本體1〇6及128之溫度。 為了因應此種不便，根據本具體實施例，維持於相對 低溫之第-及第三本體1()6及128包括可敎純溫範圍之 以氟為主之電解質膜86，維持於相對高溫之第二本體1〇8 包括可忍受高溫之以烴為主之電解質膜88。又，因第一及 第三本體106及128各別濕度變高，故包括催化劑層及氣體 擴散層，其各別之排水特性絕佳；因第二本體1〇8之濕度變 低故其包括自行濕化膜及具有高度保水性質的氣體擴散 層。 如前述配置之電池總成120具有改善性能之效果，經由 使用不同種第一、第二及第三本體106、1〇8及128而配合不 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐: (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、tr— 24 - 541754 A7 五、發明説明（20) 卻程度較低，維持於高溫。結果，於第一與第二單元電池 102與1〇4間之溫度環境出現溫差。此種情況下，水容易於 低溫侧之第二分隔件112之氧化氣體通道58產生，積聚於通 道、氣體擴散層或催化劑層，傾向於阻斷氧化氣體通道5 8。 為了因應此種不便，根據第三具體實施例，採用於第 二分隔件112之氧化氣體通道58提高流速之結構，藉此平衡 第二單元電池104濕度與第一單元電池1〇2濕度，且升高於 第二分隔件112之氧化氣體通道58之流速，藉此改善產生的 水的排水特性。換言之，氣門部116a及116b分別係設置於 中間分隔件114之氧化氣體通道46於高溫側之與氧化氣體 進氣口 36a及氧化氣體出氣口 36b連通部分（參考第13圖）。 如此，於第二分隔件112之氧化氣體通道58之氧化氣體流速 變成高於於中間分隔件114之氧化氣體通道46之氧化氣體 流速。 总果，根據第三具體實施例，因於低溫側之第二分隔 件112產生水可被積極排放，故可平衡第二單元電池濕 度舁第單兀電池102濕度。進一步，因於高溫側於中間分

Pw件114 /;IL動的氧化氣體流率及流速減低，故可防止第一本 體1〇6的乾燥。 根據第三具體實施例，氣門部116a及116b係設置於氧 化氣體通道46兩邊於高溫側上；但經由讓低溫側之氧化氣 體通道58深度比高溫側之氧化氣體通道仏深度更、淺，容易 獲得相同效果。 第16圖為根據本發明之第四具體實施例之固體聚合物 紙張尺度賴中_家標準（CNS)域格（2歡公董)'--—-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、可I 發明説明（22 ) 同溫度環境。 第17圖為根據本發明之第五具體實施例之固體聚合物 聖電解貝燃料電池總成14〇之主要部分之分解透視圖。 ^電池總成I40係經由堆疊第一單元電池142及第二單元 包池144組成。第一單元電池142具有第一本體146，第二單 元電池144具有第一本體丨48。第一本體146係夾置於第一分 ^件150與第一中間分隔件154間，第二本體148係夾置於第 二中間分隔件156與第二分隔件152間。扁平擋板158係插置 於第一與第二中間分隔件154與156間。 電池總成140於長邊方向之一緣側上，具有燃料氣體進 氣口 42a、氧化氣體中間連通孔4〇及燃料氣體出氣口 4几， 其中燃料氣體進氣口 42a(氧化氣體中間連通孔4〇及燃料氣 體出氣口42b)係於方向A彼此連通，以及於長側邊之另一 側緣上也具有氧化氣體進氣口 36a、冷媒入口 44a、燃料氣 體中間連通孔38、冷媒出口 44b及氧化氣體出氣口 36b，其 中氧化氣體進氣口 36a(冷媒入口 44a、燃料氣體中間連通孔 38、冷媒出口 44b及氧化氣體出氣口36b)於方向a彼此連通。 第一及第二分隔件154及156於面對擋板158之該表面 側上各自具有一直線方向延伸之冷媒通道54。形成於第一 中間分隔件154之冷媒通道54之一端係與第一中間分隔件 154之冷媒入口 44a連通，而其另一端係返回擋板158，且與 成幵> 於第二中間分隔件156之冷媒通道54連通。成形於第二 中間分隔件1 56之冷媒通道54係與第二中間分隔件1 56之冷 媒出口 44b連通。 之 變

— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、訂_ 541754 五、發明説明（23 於如‘述配置之電池總成140，氧化氣體、燃料氣體及 冷媒分別係沿著第18圖所示流動方向串聯供給第一及第二 單兀電池142及144。此種案例中，因冷媒通道54係透過擋 板158形成於第一與第二單元電池142與144間，故特別可防 止電池總成140之内部溫度過度升高。 第19圖為根據本發明之第六具體實施例之固體聚合物 型電解質燃料電池總成i 60之主要部分之分解透視圖。於本 具體實施例之電池總成16〇，對應於第17圖所示第五具體實 施例之電池總成14〇之部件標示以相同之參考編號且免除 重複說明。 電池總成160係經由於方向a堆疊第一單元電池162及 第一早兀電池164組成，而未設置如第五具體實施例之氧化 氣體中間連通孔40。如此如第2〇圖所示，於電池總成⑽， 燃料氣體係順著設置於第—及第二單^電池162及164之燃 料氣體通道56及52流動，而其流動方式係彼此串聯連通， 氧化氣體係各別亦即並聯流入設置於第一及第二單元電池 162及164之氧化氣體通道46及58。 根據本具體實施例，.因具有低黏度之燃料氣體係沿著 彼此串聯連通之燃料氣體通道56及52流動，故㈣氣體通 道全長變u而獲得足夠壓降，結果產生的水可由陽極 26a及26b有效排放。 雖然已經顯示及說明本發明之若干較佳具體實施例 細節，但需了解可未恃離隨附之中請專利範圍做出多種 化及修改。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 26 - 541754 A7 _ B7__ 五、發明説明（24 ) 元件標號對照 10、80、100、120、140、160·.·電池總成 12…燃料電池堆 14、16、102、104、122、124、126、142、144、162、164 ...單元電池 18、20、82、84、106、108、128、146、148.··本體 22a、22b、86、88·.·電解質膜 24a、24b··.陰極 26a、26b…陽極 28、28a至 28c、30、30a至 30d、110、112、150、152 ...分隔件 32、32a至32c、114、154、156…中間分隔件 3 6 a...氧化氣體進氣口 36b...氧化氣體出氣口 38.. .燃料氣體中間連通孔 40.. .氧化氣體中間連通孔 42a…燃料氣體進氣口 42b...燃料氣體出氣口 44a.··冷媒入口 44b…冷媒出口 46、46a至46c、58、58a至58c...氧化氣體通道 48、54...冷媒通道 50.. .孔部 52、52a至52d、56、56a至56c…燃料氣體通道 64a...氧化氣體供應埠口 64b...氧化氣體洩放埠口 116a、116b...氣門部 158.. .檔板 27 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4规格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 六、申讀專利範圍 第91104010號專利申請案申請專利範圍修正本92年4月21曰 1 · 一種固體聚合物型電解質燃料電池總成（10)，包含多數 單元電池（14、16)彼此堆疊，該單元電池（！4、16)各自 具有一本體其包括一陽極（2 6a、26b)、一陰極（2 4a、24b) 及一固體聚合物型電解質膜（22a、22b)設置於該陽極 (26a、26b)與該陰極（24a、24b)間，單元電池（14、16) 中之至少二者具有彼此不同的結構。 2 ·如申請專利範圍第1項之固體聚合物型電解質燃料電 池總成（10)，其中允許作為反應氣體之燃料氣體以及氧 化氣體之一通過其中的反應氣體通道（52、56、46、58) 係設置於單元電池（14、16)之至少二者，反應氣體通道 (52、56、46、58)之截面彼此不同。 3·如申請專利範圍第2項之固體聚合物型電解質燃料電 池總成（10)，其中該反應氣體通道（52、56、46、58)之 截面係經由下述方式而製作成彼此不同，經甴讓設置 於反應氣體通道（52、56、46、58)之一之反應氣體通道 深度、寬度及數目中之至少一者與設置於反應氣體通 道(52、56、46、58)之另一者之反應氣體通道深度、寬 度及數目不同因而截面彼此不同。 4·如申請專利範圍第1項之固體聚合物型電解質燃料電 池總成（10)，其中該設置於單元電池（14、16)之至少二 者之反應氣體通道（52、56、46、58)具有彼此不同的長 度。 5.如申請專利範圍第1項之固體聚合物型電解質燃料電 本纸張尺·度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 28 541754 A8 B8 C8

   I I I I

   裝 I 訂

   29 541754 A B c D 六、申請專利範圍 體聚合物型電解質膜（22a、22b)介於該陽極（26a、26b) 與该陰極（24a、24b)間，其中至少二單元電池（14、i 6) 具有彼此不同的結構。 11. 一種操作固體聚合物型電解質燃料電池總成（1〇)之方 法， 其中該電池總成（10)包括多數單元電池（14、16)彼 此堆疊，以及各個單元電池（14、ι6)具有一本體（18、 2〇)其包括一陽極（26a、26b)、一陰極（24a、24b)及一固 體聚合物型電解質膜（22a、22b)介於該陽極（26a、26b) 與該陰極（24a、24b)間，其中至少二單元電池（14、16) 係在彼此不同的狀態下***作。 12·如申請專利範圍第11項之操作固體聚合物型電解質燃 料電池總成（10)之方法，其中該至少二單元電池之一 (16)之溫度係設定為高於該至少二單元電池之另一者 (14)之溫度。 13·如申請專利範圍第11項之操作固體聚合物型電解質燃 料電池總成（10)之方法，其中反應氣體於該至少二單元 電池之一（16)流動之流速係設定為高於反應氣體於該 至少一单元電池之另一者（14)流動之流速。 14·如申請專利範圍第u項之操作固體聚合物型電解質燃 料電池總成（10)之方法，其中於該至少二單元電池之一 (16)之反應氣體進氣口之濕度係設定為低於於該至少 二單元電池之另一者（14)之反應氣體出氣口之濕度。 15.如申請專利範圍第11項之操作固體聚合物型電解質燃 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 30 541754

   料電池總成（10)之方法，其中該至少二單元電池之一 (16)之反應氣體利用率係設定為高於於該至少二單元 電池之另一者（14)之反應氣體之利用率。 16· —種操作固體聚合物型電解質燃料電池總成（1〇)之方 法， 其中該電池總成（10)包括多數單元電池（14、16)彼 此堆疊，以及各個單元電池（14、16)具有一本體（丨8、 2〇)其包括一陽極（26a、26b)、一陰極（24a、24b)及一固 體聚合物型電解質膜（22a、22b)介於該陽極（26a、26b) 與該陰極（24a、24b)間，以及於該電池總成（1〇)，允許 於單兀電池（14、16)流動作為反應氣體之燃料氣體及氧 化氣體中之至少一者流經其中之反應氣體通道（52、 56、46、58)其設置方式為其至少部分於多個單元電池 (14、16)係彼此串聯連通；其中至少二單元電池（14、 16)係在彼此不同的狀態下***作。 17·如申請專利範圍第16項之操作固體聚合物型電解質燃 料電池總成（10)之方法，其中該至少二單元電池之設置 於反應氣體流動方向下游端之一（16)之溫度係設定為 尚於该至少二單元電池之設置於反應氣體流動方向上 游端之另一者（14)之溫度。 18.如申请專利範圍第16項之操作固體聚合物型電解質燃 料電池總成（10)之方法，其中該至少二單元電池之設置 於反應氣體流動方向下游端之一（16)之流動之反應氣 體机速係設定為高於該至少二單元電池之設置於反應

   31 54 7 1X 54 A BCD 六、申請專利範圍 氣體流動方向上游端之另一者（14)之流動之反應氣體 流速。 19·如申請專利範圍第16項之操作固體聚合物型電解質燃 料電池總成（1 〇)之方法，其中該至少二單元電池之設置 於反應氣體流動方向下游端之一（16)之反應氣體出氣 口濕度係設定為低於該至少二單元電池之設置於反應 氣體流動方向上游端之另一者（14)之反應氣體出氣口 濕度。 20.如申請專利範圍第16項之操作固體聚合物型電解質燃 料電池總成（10)之方法，其中該至少二單元電池之設置 於反應氣體流動方向下游端之一（16)之反應氣體利用 率係設定為高於該至少二單元電池之設置於反應氣體 流動方向上游端之另一者（14)之反應氣體利用率。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐了 32