TWI762099B - 氣冷式燃料電池電堆 - Google Patents

Abstract

一種氣冷式燃料電池電堆包括多個燃料電池，其中每個燃料電池包括：陽極雙極板、陰極雙極板、膜電極組以及陽極密封組件。膜電極組位於陽極雙極板與陰極雙極板之間，並包含陽極側結構、陰極側結構以及離子傳導膜，所述離子傳導膜夾於所述陽極側結構與所述陰極側結構之間。陽極密封組件則設置於陽極側結構外圍並由陽極雙極板與離子傳導膜夾置。所述陽極密封組件包含第一密封材與第二密封材，所述第一密封材的蕭氏硬度不同於所述第二密封材的蕭氏硬度，且第一與第二密封材的排列方向垂直於所述多個燃料電池的壓縮方向。

Description

氣冷式燃料電池電堆

本揭露是有關於一種燃料電池技術，且特別是有關於一種氣冷式燃料電池電堆。

傳統氣冷式燃料電池電堆由多個燃料電池組成，且每個燃料電池的雙極板會同時設有反應流道與散熱流道。為避免陽極燃料與陰極燃料互通以及燃料外漏等問題，通常使用具彈性密封材密封燃料電池的反應區域的外緣。

然而，壓縮組裝的過程中，可能因為壓力/扭力的不一致或者結構的缺損(如電極板邊緣有缺角)，導致電極厚度/壓縮量的變異。一旦每個燃料電池的厚度/壓縮量不同，會衍生出各電池單元壓縮量不一致而影響發電性能的問題。

本揭露提供一種氣冷式燃料電池電堆，可確保發電功率的一致性並且避免燃料洩漏造成利用率下降及安全性等問題。

本揭露的氣冷式燃料電池電堆包括多個燃料電池。每個 燃料電池包括陽極雙極板、陰極雙極板、膜電極組以及陽極密封組件。所述膜電極組位於陽極雙極板與陰極雙極板之間，且膜電極組包含陽極側結構、陰極側結構以及離子傳導膜，所述離子傳導膜夾於所述陽極側結構與所述陰極側結構之間。所述陽極密封組件則設置於陽極側結構外圍並由陽極雙極板與離子傳導膜夾置。所述陽極密封組件包含第一密封材與第二密封材，所述第一密封材的蕭氏硬度不同於所述第二密封材的蕭氏硬度，且第一與第二密封材的排列方向垂直於所述多個燃料電池的壓縮方向。

基於上述，本揭露通過特定結構設計的密封組件，其由一較易壓縮具彈性密封材與一較難壓縮性密封材複合而成，兩種密封材於垂直於壓縮方向排列於膜電極組外圍並由陽極雙極板與陰極雙極板夾置，其中較難壓縮性密封材負責固定各電池單元之厚度壓縮量，以確保發電功率一致性；較易壓縮具彈性密封材則負責維持各電池單元之氣密性，避免燃料洩漏造成利用率下降及安全性問題。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100:氣冷式燃料電池電堆

102、200、300、400、500、600、700:燃料電池

104、302、402:陽極雙極板

106、602:陰極雙極板

106a:反應流道

106b:散熱流道

108:膜電極組

110、308、406、506、606:陽極密封組件

110’、308’、706:陰極密封組件

112:陽極側結構

114:陰極側結構

116:離子傳導膜

118、304、404:第一密封材

118’、304’、604:第三密封材

120、306、402a、408:第二密封材

120’、306’、602a:第四密封材

122:陽極電極層

124:陽極氣體擴散層

126:陰極電極層

128:陰極氣體擴散層

130:端板

302a:缺損

310a、310b:部位

h:高度

w:寬度

圖1是依照本揭露的第一實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖。

圖2是依照本揭露的第二實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖。

圖3A是依照本揭露的第三實施例的一種氣冷式燃料電池電堆於組裝前的剖面示意圖。

圖3B是圖3A的氣冷式燃料電池電堆於組裝後的剖面示意圖。

圖4是依照本揭露的第四實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖。

圖5是依照本揭露的第五實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖。

圖6是依照本揭露的第六實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖。

圖7是依照本揭露的第七實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖。

以下將參考圖式來全面地描述本揭露的例示性實施例，但本揭露仍可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。在圖式中，為了清楚起見，各區域、部位及層的大小與厚度可不按實際比例繪製。

圖1是依照本揭露的第一實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖。

請參照圖1，第一實施例的氣冷式燃料電池電堆100包括多個燃料電池(或稱為「單元」)102，且多個燃料電池102於電性及結構上以串聯或並聯形式組合為電堆。每個燃料電池102包括陽極雙極板104、陰極雙極板106、膜電極組108與陽極密封組件110。膜電極組108位於陽極雙極板104與陰極雙極板106之間，其中膜電極組108包括陽極側結構112、陰極側結構114以及離子傳導膜116。離子傳導膜116夾於陽極側結構112與陰極側結構114之間。在本實施例中，陽極雙極板104與陰極雙極板106的平面面積與離子傳導膜116的平面面積大致相同，而陽極側結構112與陰極側結構114的平面面積比離子傳導膜116的平面面積小。因此，陽極密封組件110是設置於陽極側結構112外圍並由陽極雙極板104與離子傳導膜116夾置。詳細來說，陽極密封組件110設置於陽極側結構112的外圍，使陽極側結構112在設置陽極密封組件110後的平面面積與陽極雙極板104、陰極雙極板106以及離子傳導膜116的平面面積大致相同。其中陽極密封組件110包含第一密封材118與第二密封材120，第一密封材118與第二密封材120實質上為具有不同彈性的材料，例如所述第一密封材118的蕭氏硬度不同於所述第二密封材120的蕭氏硬度，且第一密封材118與第二密封材120的排列方向垂直於燃料電池102的壓縮方向。由於圖1是剖面示意圖，所以陽極密封組件110顯示在陽極側結構112兩側，但應知氣冷式燃料電池電堆100一般為矩形的片狀組裝結構，所以陽極密封組件110實際上是沿著陽極側結 構112的整個外圍密封陽極側結構112。

請繼續參照圖1，本實施例中的第二密封材120是介於第一密封材118與陽極側結構112之間，即第一密封材118包覆在第二密封材120的外圍，第二密封材120位於內側。第一密封材118的蕭氏硬度例如在A70以下，在一實施例中，第一密封材118可具有0.2GPa以下的楊氏模數，因此組裝氣冷式燃料電池電堆100期間，能達到維持各燃料電池102(電池單元)之氣密性，避免燃料洩漏造成利用率下降及安全性問題。第二密封材120的蕭氏硬度例如在A90以上，所以組裝前後不會改變其厚度，能達到固定各燃料電池102(電池單元)之厚度壓縮量，以確保各燃料電池102發電功率的一致性。所述第一密封材118的材料可列舉但不限於橡膠或矽膠；所述第二密封材120的材料可列舉但不限於金屬、塑膠或陶瓷。此外，以氣密性的觀點來看，第一密封材118的寬度w與第二密封材120的高度h(即第一密封材118被壓縮後的預期高度)的比例約在20%以上，在第一實施例中，第一密封材118的寬度w與第二密封材120的高度h的比例是在30%以上。

氣冷式燃料電池電堆100可採用直接氣冷或是間接氣冷的方式。在一實施例中，當氣冷式燃料電池電堆100採用直接氣冷的方式進行發電反應，此時陽極端的密封性會直接影響燃料電池102的性能，故可使用本揭露之陽極密封組件110來避免燃料洩漏，而陰極端開放式的設計，對於陰極端的密封性並未特別要求，故並未設限陰極端是否必須要設置密封組件。然而，在另一 實施例中，當氣冷式燃料電池電堆100採用間接氣冷的方式進行發電反應，對陰極端的密封性有所要求，亦可使用類似的密封組件來達成氣密的效果，詳見下面的描述。

請參考圖1，燃料電池102還可包含一陰極密封組件110’。陰極密封組件110’設置於陰極側結構114外圍並由陰極雙極板106與離子傳導膜116夾置。詳細來說，陰極密封組件110’設置於陰極側結構114的外圍，使陰極側結構114在設置陰極密封組件110’後的平面面積與陽極雙極板104、陰極雙極板106以及離子傳導膜116的平面面積大致相同。其中陰極密封組件110’包含第三密封材118’與第四密封材120’，第三密封材118’與第四密封材120’實質上為具有不同彈性的材料，例如所述第三密封材118’的蕭氏硬度不同於所述第四密封材120’的蕭氏硬度，且第三密封材118’與第四密封材120’的排列方向垂直於燃料電池102的壓縮方向。由於圖1是剖面示意圖，所以陰極密封組件110’顯示在陰極側結構114兩側，但應知氣冷式燃料電池電堆100一般為矩形的片狀組裝結構，所以陰極密封組件110’實際上是沿著陰極側結構114的整個外圍密封陰極側結構114。

本實施例中的第四密封材120’是介於第三密封材118’與陰極側結構114之間，即第三密封材118’包覆在第四密封材120’的外圍，第四密封材120’位於內側。其中，第三密封材118’可與陽極密封組件110中的第一密封材118使用相同特性的材料，第四密封材120’可與陽極密封組件110中的第二密封材120使用相 同特性的材料，其特性與材料種類已於前述說明，於此不再贅述。

在第一實施例的膜電極組108中，陽極側結構112可包括陽極電極層122以及陽極氣體擴散層124，且所述陽極氣體擴散層124與陽極雙極板104接觸；陰極側結構114相對可包括陰極電極層126以及陰極氣體擴散層128，且所述陰極氣體擴散層128與陰極雙極板106接觸。陽極電極層122與陰極電極層126例如由奈米粒子催化劑、離子傳導高分子與高表面積的活性碳載體所組成，其中奈米粒子催化劑分布於活性碳載體表面，並與離子傳導高分子以一定結構連結組成具反應性之結構。陽極氣體擴散層124以及陰極氣體擴散層128例如由多孔材組成，通常為高導電性碳纖與樹脂黏結劑所組成具機械強度之多孔立體結構，可提供膜電極組116發電時之氣/液體燃料及產物之進出，並維持一定之導電性，亦即確保三相反應物/產物之質傳順利。陽極氣體擴散層124以及陰極氣體擴散層128除了可以使用碳紙/碳布/碳氈等碳系材料外，亦可由其他可導電之多孔材料組成，例如發泡金屬或金屬網等。而且，由於氣冷式燃料電池電堆100是通過氣體進行冷卻，所以陰極雙極板106一般具有形狀互補的反應流道106a與散熱流道106b，反應流道106a供反應氣體流動，散熱流道106b則有流動的氣體將各燃料電池102(電池單元)產生的熱能帶走。陽極雙極板104與陰極雙極板106由導電材料組成，其可為單一或複合材料，至於反應流道106a與散熱流道106b的設計則有蛇型、直通、分區、網格狀等多種形態。另外，組裝後的氣冷式燃料電池電堆 100可利用端板130使整體結合得更穩固。

圖2是依照本揭露的第二實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述第一實施例的相關說明，不再贅述。

請參照圖2，第二實施例的氣冷式燃料電池電堆結構與圖1相似，因此單獨顯示一個燃料電池200(即電池單元)。要注意的是，在本實施例的燃料電池200中，陽極密封組件110的第一密封材118是介於第二密封材120與陽極側結構112之間，即第二密封材120包覆在第一密封材118的外圍，第一密封材118位於內側。陰極密封組件110’的第三密封材118’是介於第四密封材120’與陰極側結構114之間，即第四密封材120’包覆在第三密封材118’的外圍，第三密封材118’位於內側。陽極密封組件110與陰極密封組件110’這樣的設置方式同樣能維持各電池單元之氣密性，並能固定各電池單元之厚度壓縮量，以確保各燃料電池102發電功率的一致性。

在圖2的實施例中，具有相似特性的第一密封材118與第三密封材118’皆位於內側，具有相似特性的第二密封材120與第四密封材120’皆包覆在外圍。但在其他實施例中，亦可有不同的排列順序，例如第一密封材118與第四密封材120’皆位於內側，分別與陽極側結構112及陰極側結構114接觸，而第二密封材120與第三密封材118’位於外圍，分別包覆第一密封材118與第四密 封材120’，亦能維持各電池單元的氣密性，本揭露並不以所列舉者為限。

圖3A以及圖3B是依照本揭露的第三實施例的一種氣冷式燃料電池電堆在組裝前以及組裝後的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述第一實施例的相關說明，不再贅述。

請先參照圖3A，第三實施例的氣冷式燃料電池電堆結構與圖1相似，因此單獨顯示一個燃料電池300(即電池單元)。假設燃料電池300的陽極雙極板302是一片在邊緣有缺損302a的雙極板，使用由第一密封材304與第二密封材306組成的陽極密封組件308，其中第一密封材304與第二密封材306的排列方向垂直於燃料電池300的壓縮方向，且第一密封材304的設置位置對應與缺損302a接觸。第一密封材304的蕭氏硬度例如在A70以下，或在另一實施例中，第一密封材304具有0.2GPa以下的楊氏模數；第二密封材306的蕭氏硬度例如在A90以上。組裝前的第一密封材304的高度可高於第二密封材306的高度h，第二密封材306的高度h則是一個預定的高度，例如是燃料電池300經壓縮後，陽極側結構112的厚度。在一實施例中，使用由第三密封材304’與第四密封材306’組成的陰極密封組件308’，其中第三密封材304’與第四密封材306’的排列方向垂直於燃料電池300的壓縮方向，且第三密封材304’使用與第一密封材304相同特性的材料，第四密封材306’使用與第二密封材304’相同特性的材料。組裝前 的第三密封材304’的高度可高於第四密封材306’的高度h’，第四密封材306’的高度h’則是一個預定的高度，例如是燃料電池300經壓縮後，陰極側結構114的厚度。

然後，請參照圖3B，組裝後的第一密封材304填充到陽極雙極板302的缺損302a位置，以填補缺口，確保燃料電池300陽極端之氣密性，避免燃料洩漏造成利用率下降及安全性問題。第二密封材306則可固定燃料電池300經壓縮後，陽極側結構112的厚度。同時，在此實施例中，第三密封材304’可被壓縮而與第四密封件306’具有相同高度，以確保燃料電池300陰極端之氣密性，尤其是兼具有反應流道106a與散熱流道106b的陰極雙極板106在壓縮組裝後，若是只用一般易壓縮的密封材，可能會因為不同部位(如部位310a與310b)受力不同，無法固定膜電極組108在不同位置的壓縮量，而導致發電性能降低。此時，硬度較高不易變形的第四密封材306’直接接觸陰極雙極板106，所以壓縮組裝後的燃料電池300之膜電極組108的厚度等同第二密封材306的高度h與第四密封材306’的高度h’總和(即h+h’)再加上離子傳導膜116的厚度，可使單一燃料電池300在壓縮後具有相同的厚度，能確保每一個燃料電池300發電功率一致。

圖4是依照本揭露的第四實施例的一種氣冷式燃料電池電堆的剖面示意圖，其中使用與第二實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述第二實施例的相關說明，不再贅述。

請參照圖4，其中單獨顯示一個燃料電池400(即電池單元)，故第四實施例的氣冷式燃料電池電堆結構是與圖1類似是由多個燃料電池400組成。要注意的是，在燃料電池400中，陽極雙極板402的材料與第二密封材402a的材料是相同的(例如金屬)。在此實施例中，第二密封材402a與陽極雙極板402可為一體成形的結構；也就是說，第二密封材402a等於是陽極雙極板402的延伸結構。陽極密封組件406中的第一密封材404則介於所述第二密封材402a與陽極側結構112之間。

然而，本揭露並不限於此，在第二密封材402a與陽極雙極板402為一體成形/材質相同的結構之情形下，第一密封材404與第二密封材402a的位置可互換。請進一步參考圖5，第五實施例的燃料電池500與圖4的燃料電池400類似。但要注意的是，在燃料電池500中，陽極密封組件506中的第一密封材404設置在外側，與陽極雙極板402一體成形/材質相同的第二密封材402a則介於所述第一密封材404與陽極側電極112之間。

請參照圖6，陰極密封組件606中的第四密封材602a的材料也可與陰極雙極板602的材料相同。在一實施例中，第四密封材602a與陰極雙極板602可為一體成形的結構。陰極密封組件606中的第三密封材604則介於所述第四密封材602a與陰極側結構114之間。

此外，在第四密封材602a與陰極雙極板602為一體成形/材質相同的結構之情形下，第三密封材604與第四密封材602a 的位置可互換。請進一步參考圖7，第七實施例的燃料電池700與圖6的燃料電池600類似。但要注意的是，在燃料電池700中，陰極密封組件706中的第三密封材604設置在外側，與陰極雙極板602一體成形/材質相同的第四密封材602a則介於所述第三密封材604與陰極側電極114之間。

以下列舉幾個實驗來驗證本揭露的功效，但本揭露並不侷限於以下的內容。

〈實驗例〉

組裝由10個如圖1的燃料電池102(電池單元)構成的氣冷式燃料電池電堆100，其中陽極密封組件110中第一密封材118的蕭氏硬度為A30，楊氏模數為0.1GPa；第二密封材120的平均蕭氏硬度為A90。由於本實驗例為直接氣冷式的燃料電池，陰極側是開放式流道，並無氣密的問題，故陰極側可使用較難壓縮性的材料，其蕭氏硬度為A90，作為維持陰極側結構114厚度之用途。由10個燃料電池組成之電堆，各燃料電池之活性面積約45cm²，壓縮後之陽極密封組件厚度約500微米，充分活化後於陽極通入氫氣，陰極通入空氣後量測陽極漏氣量，並進行定電壓6.5V放電120分鐘，量測其放電過程中之電流值。結果顯示於下表1。

〈比較例1〉

組裝與實驗例一樣的氣冷式燃料電池電堆，然而實驗例中的陽極密封組件，在比較例1中改單獨使用第二密封材。然後對電堆進行與實驗例一樣的測試，並將結果顯示於下表1。

〈比較例2〉

組裝與實驗例一樣的氣冷式燃料電池電堆，然而實驗例中的陽極密封組件，在比較例2中改單獨使用第一密封材。然後對電堆進行與實驗例一樣的測試，並將結果顯示於下表1。

〈比較例3〉

組裝與實驗例一樣的氣冷式燃料電池電堆，陽極密封組件所使用的材料與實驗例皆相同，唯第一密封材與第二密封材的排列方向與實驗例不同。比較例3中的第一密封材與第二密封材的排列方向平行於燃料電池的壓縮方向。意即第一密封材與第二密封材為上下堆疊的方式，同時包覆於陽極側結構的外圍。其中第一密封材厚度50微米。然後對電堆進行與實驗例一樣的測試，並將結果顯示於下表1。

從上表1可得到實驗例的氣密性最佳，且輸出電流值也高。比較例1中，電堆雖有良好的輸出電流，可達各燃料電池發電功率一致之效，但會有燃料洩漏的問題。比較例2中，雖可達到氣密之效，但因各燃料電池壓縮量不一致，導致各燃料電池發電功率不一致，造成電堆輸出電流的不穩定。比較例3中，雖使用相同的陽極密封組件，但因第一密封件與第二密封件排列方向 與壓縮方向平行，雖可達到氣密之效，但無法完全解決燃料電池壓縮量不一致的問題，仍會有各燃料電池發電功率不一致的情形。

綜上所述，本揭露的氣冷式燃料電池電堆通過氣密組件的設計，能固定各電池單元之厚度壓縮量，以確保發電功率一致性，並可改善電池單元之氣密性，避免燃料洩漏造成利用率下降及安全性問題。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:氣冷式燃料電池電堆

102:燃料電池

104:陽極雙極板

106:陰極雙極板

106a:反應流道

106b:散熱流道

108:膜電極組

110:陽極密封組件

110’:陰極密封組件

112:陽極側結構

114:陰極側結構

116:離子傳導膜

118:第一密封材

118’:第三密封材

120:第二密封材

120’:第四密封材

122:陽極電極層

124:陽極氣體擴散層

126:陰極電極層

128:陰極氣體擴散層

130:端板

h:高度

w:寬度

Claims (16)

1. 一種氣冷式燃料電池電堆，包括：多個燃料電池，其中每個所述燃料電池包括：陽極雙極板；陰極雙極板；膜電極組，位於所述陽極雙極板與所述陰極雙極板之間，所述膜電極組包含陽極側結構、陰極側結構以及離子傳導膜，所述離子傳導膜夾於所述陽極側結構與所述陰極側結構之間；以及陽極密封組件，設置於所述陽極側結構外圍並由所述陽極雙極板與所述離子傳導膜夾置，其中所述陽極密封組件包含第一密封材與第二密封材，所述第二密封材的蕭氏硬度大於所述第一密封材的蕭氏硬度，所述第二密封材的高度等於所述陽極側結構的厚度，且所述第一密封材與所述第二密封材的排列方向垂直於所述多個燃料電池的壓縮方向。
2. 如請求項1所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第一密封材介於所述第二密封材與所述陽極側結構之間。
3. 如請求項1所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第二密封材介於所述第一密封材與所述陽極側結構之間。
4. 如請求項1所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第一密封材的蕭氏硬度在A70以下，且所述第二密封材的蕭氏硬度在A90以上。
5. 如請求項1所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第一密封材的楊氏模數在0.2GPa以下。
6. 如請求項1所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第二密封材與所述陽極雙極板的材料相同。
7. 如請求項6所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第二密封材與所述陽極雙極板為一體成形的結構。
8. 如請求項1所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第一密封材的寬度與所述第二密封材的高度的比例在20%以上。
9. 如請求項1所述的氣冷式燃料電池電堆，更包括陰極密封組件，所述陰極密封組件設置於所述陰極側結構外圍並由所述陰極雙極板與所述離子傳導膜夾置，其中所述陰極密封組件包含第三密封材與第四密封材，所述第三密封材的蕭氏硬度不同於所述第四密封材的蕭氏硬度，且所述第三密封材與所述第四密封材的排列方向垂直於所述多個燃料電池的壓縮方向。
10. 如請求項9所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第三密封材介於所述第四密封材與所述陰極側結構之間。
11. 如請求項9所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第四密封材介於所述第三密封材與所述陰極側結構之間。
12. 如請求項9所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第三密封材的蕭氏硬度在A70以下，且所述第四密封材的蕭氏硬度在A90以上。
13. 如請求項9所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第三密封材的楊氏模數在0.2GPa以下。
14. 如請求項9所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第四密封材與所述陰極雙極板的材料相同。
15. 如請求項14所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第四密封材與所述陰極雙極板為一體成形的結構。
16. 如請求項9所述的氣冷式燃料電池電堆，其中所述第三密封材的寬度與所述第四密封材的高度的比例在20%以上。

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