專利名稱：燃料電池的雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池的雙極板，尤其是一種具有改良水處理(water management)功效的雙極板，特別是一種應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)中具有較佳水處理功效的雙極板。
背景技術(shù)：
隨著人類文明的進(jìn)步，傳統(tǒng)能源，譬如煤、石油及天然氣的消耗量持續(xù)攀高，造成地球嚴(yán)重的污染，導(dǎo)致溫室效應(yīng)及酸雨等環(huán)境的惡化。人類已清楚地體會、認(rèn)識到天然能源的存量有限，如果持續(xù)地濫用，在不久的將來便會消耗殆盡。因此，世界先進(jìn)國家近來無不致力于研發(fā)新的替代能源，而燃料電池(fuel cell)便是其中的一種重要且具發(fā)展?jié)摿皩?shí)用價值的選擇。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、排氣干凈、噪音低、且不使用傳統(tǒng)燃油等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
簡而言之，燃料電池是一種將氫和氧通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置，其基本上可說是一種水電解的逆反應(yīng)，以將其化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，其包括多個電池單體，每一電池單體的結(jié)構(gòu)大致如圖1中所示，包括位于中央的一質(zhì)子交換膜10(proton exchange membrane，PEM)，其兩側(cè)各設(shè)一層催化劑12，其外再各設(shè)置一層氣體擴(kuò)散層14(gas diffusion layer，GDL)，最外側(cè)則分別設(shè)一陽極板16與陰極板18，將此構(gòu)件緊密結(jié)合在一起后，即形成一電池單體。由于燃料電池在實(shí)際應(yīng)用時，通常是將多個上述的電池單體堆棧串聯(lián)起來，始能獲得足夠的發(fā)電功率，如圖2中所示；因此，互相鄰接的電池單體，可以共享一電極板，如圖3中所示，而分別作為兩個鄰接電池單體中的陽極與陰極，故此電極板通常便稱為雙極板20(bipolar plate)。雙極板20的兩面通常皆設(shè)有許多溝槽式的氣體通道22，如圖3中所示，以輸送用來反應(yīng)的氣體，如氫氣與空氣(以提供氧氣)，并排出反應(yīng)后的生成物，如水滴或水氣。
由于燃料電池的雙極板20中的氣體必須具有相當(dāng)程度的濕度，始能將反應(yīng)生成的離子攜帶并穿越質(zhì)子交換膜10，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電。因?yàn)闅怏w中含水量過少時，質(zhì)子交換膜10會脫水，使得燃料電池的電阻增大、電壓降低，進(jìn)而影響燃料電池的使用壽命，故有可能設(shè)計(jì)一加濕裝置使氣體蘊(yùn)涵足夠的水氣以改善此情況。但若含水量過多，則有可能阻塞雙極板20中氣體流通的氣體通道22，如圖4中所示，使得氣體無法持續(xù)流通而中斷燃料電池中的化學(xué)反應(yīng)，亦會對燃料電池的性能產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，燃料電池中針對雙極板內(nèi)的水處理便顯得非常的重要。
為了防止雙極板20中的氣體通道22被水滴24阻塞，其中一種最有效的解決方式，為增加氣體通道22的入口與出口之間的壓力差(ΔP)。如此，當(dāng)氣體通道22被水滴24阻塞時，如圖4中所示，由于此時氣體已不流通，故水滴24一側(cè)的壓力將與氣體通道入口的壓力相等，而水滴24另一側(cè)的壓力則與氣體通道出口的壓力相等，所以，若能使入口與出口之間的壓力差(ΔP)加大，則此壓力差(ΔP)便會施加于水滴24的兩側(cè)并足以將其吹散或吹出氣體通道22。
現(xiàn)有增加氣體通道的入口與出口間壓力差的方式，為縮小氣體通道的直徑及/或增加氣體通道的長度，而將其制成細(xì)長的蜿蜒狀，如圖5中所示，以利用氣體流經(jīng)通道壁面時所產(chǎn)生的摩擦力，在氣體通道入口與出口間形成較大的氣體壓力差。然而，此現(xiàn)有方式必須將氣體通道制成單一的延長蜿蜒狀，且非常細(xì)的通道，增加雙極板20制造上的困難度及相關(guān)成本。此外，此細(xì)長彎曲的氣體通道，容易使氣體在流動時產(chǎn)生紊流或其他不利的流動情況，可能影響反應(yīng)的順利進(jìn)行而降低燃料電池的效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池的雙極板，其構(gòu)造簡單、制造成本低廉、適合量產(chǎn)，且可確保燃料電池高效率的運(yùn)行。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種燃料電池的雙極板，該雙極板設(shè)有多個實(shí)質(zhì)上互相平行延伸的溝槽式氣體通道，該氣體通道具有實(shí)質(zhì)上均勻的截面積，且具有一開口，而該開口附近設(shè)有一用以縮減該截面積的裝置。
該用以縮減截面積的裝置，為一凸起設(shè)于該氣體通道中而與該雙極板一體成型。
該用以縮減該截面積的裝置，為一多孔性材料，其置于該開口中。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明由于將溝槽的截面積縮減，增加了氣體通道的入口與出口間的壓力差，故可防止雙極板中的氣體通道被水滴阻塞，維持燃料電池高效率的運(yùn)作。且因其構(gòu)造簡化，故制造成本低廉，適合量產(chǎn)，且可有效地確保燃料電池在高效能的情況下運(yùn)行。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是顯示現(xiàn)有燃料電池的電池單體結(jié)構(gòu)的剖面分解示意圖；圖2是顯示將多個現(xiàn)有電池單體組合后應(yīng)用的剖面分解示意圖；圖3是顯示現(xiàn)有燃料電池部分結(jié)構(gòu)的剖面分解示意圖；圖4為沿圖3中的4-4線剖開的剖面示意圖；圖5是顯示現(xiàn)有雙極板的平面示意圖；圖6是顯示本發(fā)明較佳實(shí)施例雙極板的剖面分解示意圖；圖7為顯示本發(fā)明一較佳實(shí)施例中雙極板的局部放大剖面示意圖；圖8為本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例的局部放大剖面示意圖。
圖中符號說明10質(zhì)子交換膜12催化劑14氣體擴(kuò)散層16陽極板18陰極板20雙極板22氣體通道24水滴26開口28凸起30多孔性材料具體實(shí)施方式
本發(fā)明燃料電池的雙極板，主要是針對質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板，該雙極板20不論為圖3或圖6中何種形狀，皆具有多個實(shí)質(zhì)上互相平行延伸的溝槽式氣體通道22，每一該氣體通道22由其壁面與氣體擴(kuò)散層14間定義出一截面積，且各具有一開口26。在本發(fā)明的一種較佳實(shí)施例中，如圖7中所示，開口26附近可將雙極板20的壁面向內(nèi)延伸，設(shè)置一凸起28，以縮減該截面積，根據(jù)流體力學(xué)原理，此氣體通道22截面積的縮減，可以增加其兩側(cè)的壓力差(ΔP)，因此，本發(fā)明即利用制造上大幅簡化的方式將氣體通道22的流通面積局部縮減，便可達(dá)到防止雙極板20中氣體通道22被水滴阻塞的目的。
在本發(fā)明的另一種較佳實(shí)施例中，如圖8中所示，可在開口26處分別設(shè)置一多孔性材料30，此多孔性材料30可為整體式而分別突伸進(jìn)入每一開口26中，以大幅減低氣體通道22開口26處的截面積。多孔性材料30較佳者是具有互相通連的球形孔隙，以供氣體流通；多孔性材料30最好亦為疏水性的，以避免因氣體中所含有水氣將孔隙堵塞，或防止因水氣而容易產(chǎn)生銹蝕或微生物滋生等問題。較佳者，該多孔性材料是由多元酯制成。
本發(fā)明的設(shè)置，可在氣體通道22內(nèi)產(chǎn)生較為顯著的壓力差(ΔP)，譬如約5至10磅/平方英寸(psi)，故當(dāng)氣體通道22內(nèi)發(fā)生水滴阻塞時，可利用此壓力差(ΔP)將水滴吹散或吹出氣體通道22。
本發(fā)明為一突破現(xiàn)有技術(shù)的新穎設(shè)計(jì)，然其亦可以以其它的特定形式來實(shí)現(xiàn)，而不脫離本發(fā)明的精神和重要特性。因此上述所列的技術(shù)實(shí)施方式在各方面都應(yīng)被視為例示性而非限制性實(shí)施例，而所有改變只要包括在本發(fā)明的權(quán)利要求書所定義的范圍或與其技術(shù)實(shí)施方式等效者，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的雙極板，該雙極板設(shè)有多個實(shí)質(zhì)上互相平行延伸的溝槽式氣體通道，該氣體通道具有實(shí)質(zhì)上均勻的截面積，且具有一開口，而該開口附近設(shè)有一用以縮減該截面積的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板，其特征在于該用以縮減截面積的裝置，為一凸起設(shè)于該氣體通道中而與該雙極板一體成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板，其特征在于該用以縮減該截面積的裝置，為一多孔性材料，其置于該開口中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極板，其特征在于該用以縮減該截面積的裝置為一體成型。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極板，其特征在于該多孔性材料具有互相通連的球形孔隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極板，其特征在于該多孔性材料具疏水性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙極板，其特征在于該多孔性材料為多元酯。
全文摘要
本發(fā)明主要是有關(guān)于一種燃料電池的雙極板，該雙極板上設(shè)有多個實(shí)質(zhì)上互相平行延伸的溝槽，每一該溝槽是由壁面定義出一截面積，且各具有一開口，而該開口的附近各設(shè)有一用以縮減該截面積的裝置，以增加氣體通道的入口與出口間的壓力差，故可防止雙極板中的氣體通道被水滴阻塞，維持燃料電池高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)。
文檔編號H01M8/02GK1405909SQ0112422
公開日2003年3月26日 申請日期2001年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月16日
發(fā)明者楊源生 申請人:亞太燃料電池科技股份有限公司