TWI408843B - 燃料電池流場板及其形成方法 - Google Patents

Description

燃料電池流場板及其形成方法

本發明有關於燃料電池，且特別是有關於燃料電池之流場板。

由於傳統石化能源已漸漸耗盡，且石化能源之利用會對於生態環境造成很大的衝擊，因此發展低污染且具高發電效率的能源利用方式，已成為重要的課題。

在各種已發展的新能源利用方式中(例如太陽能電池、生化能源、或燃料電池等)，燃料電池的高發電效率(約55%)與低污染性，使其倍受注目。不同於石化能源之火力發電需經過多段的能量轉換，燃料電池可直接將化學能轉化為電能，使其效率高出火力發電許多，又其副產物大扺為水，不會對環境造成危害。

在燃料電池的應用中，由於需對燃料電池注入燃料及氧化劑等反應流體，因此這些流體的導引將影響電池的可靠度與效能。一般而言，係採用夾置於薄膜電極組兩側之流場板來導引這些反應流體。然而，對於習知流場板而言，容易因外力而導致流道阻塞或變形等問題，降低燃料電池之穩定性與可靠度。

因此，為了解決上述問題，業界亟需新的流場板結構以提供穩定且可靠的燃料電池。

本發明實施例提供一種燃料電池流場板，包括可撓性基板，包括流體分佈區，具有至少一流道；歧道開口，貫穿可撓性基板，且與流體分佈區相鄰；向上延伸部分，自歧道開口與流體分佈區之相鄰處朝上延伸，其中向上延伸部分與流體分佈區夾有彎折角度，且向上延伸部分中具有至少一通孔，其中至少一通孔貫穿可撓性基板而露出歧道開口；以及覆蓋延伸部分，與向上延伸部分相連，且覆蓋於部分的流體分佈區之上。

本發明一實施例提供一種燃料電池流場板的形成方法，包括提供可撓性基板；於可撓性基板之流體分佈區中形成至少一流道；於可撓性基板之中形成歧道開口，歧道開口貫穿可撓性基板且與流體分佈區相鄰；彎折部分的可撓性基板以形成向上延伸部分及覆蓋延伸部分，覆蓋延伸部分與向上延伸部分相連且覆蓋於部分的流體分佈區上，且其中向上延伸部分自歧道開口與流體分佈區之相鄰處朝上延伸；以及於向上延伸部分中形成至少一通孔，其中至少一通孔貫穿可撓性基板而露出歧道開口。

應了解的是以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式儘為本發明之簡單描述。當然，這些僅用以舉例而非本發明之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一或更多其他材料層之情形。

在進入本發明實施例之說明之前，以下先配合第1A-1C圖敘述本案發明人所知的一種燃料電池的結構及其流場板。第1A圖顯示一單一燃料電池10之剖面圖，其可為質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)燃料電池，或稱高分子薄膜燃料電池。燃料電池10具膜電極組110，其包括夾置於質子交換膜109兩側之觸媒電極107及108。觸媒電極107及108可分別作為燃料電池10之陽極及陰極，其例如可分別為鉑釕觸媒電極及鉑觸媒電極。燃料電池10還包括分別夾置於觸媒電極107及108之上的氣體擴散層105及106，用以輔助氣體擴散至觸媒電極以進行反應。例如，燃料(如氫氣)可經由氣體擴散層105擴散至觸媒電極107(陽極)，而氧化劑(如空氣或氧氣)可經由氣體擴散層106擴散至觸媒電極108(陰極)。為提供所需氣體並使氣體均勻分佈，氣體擴散層105及106之外側分別夾置有流場板101及102。

為獲得所需之電壓，可視情況將多個燃料電池10堆疊成燃料電池堆疊(fuel cell stack)。例如，第1B圖所顯示之燃料電池堆疊20。數個燃料電池10經堆疊而串聯在一起，並以固定構件203、240及端板201及202固定。數個燃料電池10之兩端設置有集電板(current collectors)205及206以收集電流。反應流體210進入燃料電池堆疊20後，可經由流場板之通道(passway)40進入各個燃料電池中以參與反應，且反應後之流體211亦可經由另一通道40流出。

通常，流場板101及102之結構係相同或相似。第1C圖顯示流場板101之上視圖，其顯示流場板101之反應面，其係面向膜電極組110。如第1C圖所示，流場板101包括供反應的流體210流通之入口歧道開口(manifold)303及接收反應後之流體211之出口歧道開口304。流體可經由與歧道開口相連之通道40而流進或流出。通道40進一步與數個流道103相連，這些流道103有助於使流體均勻分佈於流場板101之反應面上。流場板101上設置有密封環308，將歧道開口303、304與流道103圍繞於其中。

對於燃料電池而言，使流體能順暢地由入口歧道開口303進入每個流道103，並使反應後之流體順暢地排至出口歧道開口304為使燃料電池性能穩定的重要關鍵。此外，密閉性對燃料電池而言也是另一重要關鍵。若無法正常密封，陰極側與陽極側之流體可能發生洩露(leakage)或互竄(crossover)，將使燃料電池嚴重損壞。

然而，流道103與歧道開口處之通道40之間的位置為燃料電池不易支撐與密封之處。當電池堆疊20堆疊的組裝應力(assembly stress)傳遞在每一元件上，鄰近入口歧道開口303及出口歧道開口304的側邊沒有任何支撐，易造成膜電極組110與氣體擴散層105及106彼此分離，使燃料電池無正常密閉反應的流體戶竄，或使膜電極組110與氣體擴散層105及106塌陷進入流道103的入口或出口，使流體進入(或排出)每單一燃料電池10流場板30不順暢或受阻塞。此外，燃料電池在進行組裝堆疊時，造成流道入口與歧道開口303(或304)邊緣，易造成彎曲而使氣密不足與互竄之情況發生。

因此，為了避免燃料電池於堆疊後易於各流道與歧道開口之間發生流體無法順暢導引或密封等問題，本發明實施例提供一種新穎的流體板，其於各個流道與出入口歧道開口之間具有特殊設計，可有效抵抗燃料電池堆疊時所造成之應力，有效提升燃料電池之穩定性與可靠度。

第2圖顯示根據本發明一實施例之燃料電池流場板30的上視立體圖，其中相同或相似的元件將採用相同或相似的標號標示。在一實施例中，流場板30包括可撓性基板400，其可例如為(但不限於)可撓性金屬板或可撓性高分子。例如，可撓性基板400可包括具延展性及可撓性金屬薄板，其材質可包括銅、鋁、金、前述之合金、或前述之組合。此外，可撓性基板400除了可為單層可撓性基板外，在其他實施例中，可撓性基板400可包括多層可撓性基板之疊層。

可撓性基板400包括流體分佈區402及與之相鄰的歧道開口303。歧道開口303貫穿可撓性基板400，作為使燃料電池之反應流體流入或流出燃料電池之通道。流體分佈區402中具有至少一流道103，用以使反應流體均勻分佈於膜電極組之上。在第2圖之實施例中，流體分佈區402中具有複數個流道103，這些流道103係位於流體分佈區402中之複數個凸起部分420之間的複數個凹下處。即，凸起部分之側壁為這些流道103之流道側壁。應注意的是，第2圖所示之流道103的形狀及分佈僅為舉例說明用，其形式不限於第2圖所繪之方式，可視情況與需求而作調整。此外，本發明實施例之流道流道103可適用於氣體流體與液體流體。因此，本發明實施例亦可適用於直接氧化物燃料電池，例如是直接甲醇燃料電池。

如第2圖所示，可撓性基板400還包括向上延伸部分422。向上延伸部分422係自歧道開口303與流體分佈區402之相鄰處朝上延伸。向上延伸部分422與流體分佈區402之間夾有彎折角度θ。在一實施例中，向上延伸部分422與流體分佈區402之間所夾之彎折角度θ約為90度。然而，本發明實施例之實施方式不限於此。在其他實施例中，彎折角度θ可例如為約30度、45度、60度、75度等。在另一實施例中，彎折角度θ大於90度。

如第2圖所示，可撓性基板400還包括覆蓋延伸部分424，其與向上延伸部分422相連，且覆蓋於部分的流體分佈區402之上。在此實施例中，覆蓋延伸部分424覆蓋部分的流道103。這些流道103之開口端103a可受到其上之覆蓋延伸部分424的保護，可避免流道103之開口端103a受應力而變形，確保反應流體之流動得以順暢。在一實施例中，覆蓋延伸部分424係與流道103旁之凸起部分420直接接觸。

如第2圖所示，向上延伸部分422中還具有至少一通孔407，其貫穿可撓性基板400而露出歧道開口303。即，貫穿向上延伸部分422之通孔407連通一側之歧道開口303與另一側之流道103之開口端103a。因此，反應流體得以經由歧道開口303、通孔407、及流道103之開口端103a而分佈於流體分佈區402上以參與電化學反應。相似地，反應後之流體亦可透過這些通道而導出。

在第2圖所示之實施例中，向上延伸部分422中係具有複數個通孔407，且流道103之開口端103a與通孔407之開口端之間隔有一間距d。此外，每一流道103之開口端103a可選擇性地皆分別對準於其中一通孔407。然而，本發明實施例之實施方式不限於此。在其他實施例中，流道103之開口端103a與通孔407之開口端可完全密合而無間距。在此情形下，向上延伸部分422係與流道103之開口端103a附近的凸起部分直接接觸。第3圖顯示一實施例之燃料電池流場板的上視立體圖，其中流道103之開口端103a與通孔407之開口端係彼此對準且密合。此外，通孔407亦不限於如第2圖所示需具有複數個。例如，在第4圖所示之實施例中，可僅於向上延伸部分422中形成單一通孔407。再者，通孔407之開口端的形狀亦可視情況而有各種變化。例如，通孔407之開口端的形狀可為方形、長方形、圓形、橢圓形、或其他適合形狀等等。

如第2圖所示，流場板30還可包括密封環308，其設置於可撓性基板400上，且圍繞流體分佈區402及歧道開口303。密封環308係作為流場板30與膜電極組或氣體擴散層之間的密封元件。在一實施例中，密封環308係設置在圍繞著流體分佈區402及歧道開口303的溝道(未顯示)中。在一實施例中，密封環308之上表面係與覆蓋延伸部分424之上表面大抵共平面。

向上延伸部分422、覆蓋延伸部分424、及通孔407共同形成了入(或出)口歧道開口與流道之間的薄殼通道結構。在此實施例中，薄殼通道結構之向上延伸部分422與覆蓋延伸部分424可於通道處(歧道開口與流道之間)提供穩固的保護與支撐，可避免燃料電池堆疊時之應力破壞流場板30上之結構或造成燃料電池之構件間發生剝離(例如，膜電極組、氣體擴散層、及流場板之間彼此分離)，有效提升燃料電池之穩定性與可靠度。

在一實施例中，向上延伸部分422及覆蓋延伸部分424係經由彎折部分的可撓性基板400而形成。在此情形下，向上延伸部分422、覆蓋延伸部分424、及流體分佈區402同屬於可撓性基板400的一部分，其係一體成型。因此，在一實施例中，向上延伸部分422、覆蓋延伸部分424、及流體分佈區402之材質彼此相同。關於利用彎折部分的可撓性基板400以形成由向上延伸部分422、覆蓋延伸部分424、及通孔407所組成之薄殼通道結構的製作過程將配合第5A-5C圖作說明。然應注意的是，以下說明僅為本發明一實施例之燃料電池流場板的形成方式之一，本發明實施例之燃料電池流場板不限於需以下述之方法製作。

第5A-5C圖顯示根據本發明一實施例之燃料電池流場板的形成方法的一系列製程立體上視圖，其中相同或相似的元件將以相同或相似的標號標示。

如第5A圖所示，首先提供可撓性基板400。接著，於可撓性基板400之流體分佈區402中形成至少一流道103，且於可撓性基板400之中形成歧道開口303(見第5B圖)。歧道開口303貫穿可撓性基板400且與流體分佈區402相鄰。在一實施例中，可預先於可撓性基板400中沿著預定形成歧道開口303之範圍的部分邊緣形成貫穿可撓性基板400之縫隙408，或稱之為切斷線。

接著，如第5B圖所示，彎折部分的可撓性基板400以形成向上延伸部分422及覆蓋延伸部分424(見第5C圖)。覆蓋延伸部分424與向上延伸部分422相連且覆蓋於部分的流體分佈區402上。其中，向上延伸部分422自歧道開口303與流體分佈區402之相鄰處朝上延伸，且與流體分佈區402夾有彎折角度θ。所彎折之部分由縫隙408及預定之彎折線所包圍。例如，預定彎折線可包括兩大抵彼此平行之彎折線410及409。在第5A圖中，彎折線410及409之間的可撓性基板400在彎折步驟之後(由第5B圖至第5C圖之過程)將成為向上延伸部分422。而在第5A圖中，彎折線410與縫隙408(或切斷線)所圍繞之可撓性基板400在彎折步驟之後，將成為覆蓋延伸部分424。

在一實施例中，彎折線410與縫隙408(或切斷線)所圍繞之可撓性基板400在彎折步驟之後，將在可撓性基板400中留下一貫穿可撓性基板400的開口，即可用作歧道開口303。在此情形中，歧道開口303之形成步驟包括沿著歧道開口303之預定範圍的部分邊緣形成貫穿可撓性基板400的縫隙408，以及將縫隙408與預定之彎折線410所包圍的可撓性基板400以彎折線410為軸心向上彎曲。此時，可撓性基板400中所餘留下之開口即為歧道開口303。

接著，可以大抵與彎折線410平行之預定的彎折線409為軸心再次以朝向流體分佈區402之方向彎折可撓性基板400，便可分別形成出向上延伸部分422及覆蓋延伸部分424。

此外，可於向上延伸部分422中形成至少一通孔407，其貫穿可撓性基板400而露出歧道開口303。在一實施例中，通孔407係在彎折部分的可撓性基板400以形成向上延伸部分422及覆蓋延伸部分424的步驟之前進行。可先於預定的彎折線409與410之間的可撓性基板400中預先形成通孔407。透過設計預先形成之通孔407的佈局，在可撓性基板400彎折之後，通孔407可對準至預定的位置。此外，為使可撓性基板400之彎折更為順利，可選擇性地於預定的彎折線409與410之處形成可彎折痕跡，其例如可為數個點狀凹陷或一整條的凹陷。此外，還可於可撓性基板400之上形成圍繞流體分佈區402及歧道開口303之密封環。例如，可先行於可撓性基板400上形成供密封環放置之凹槽。

上述製程的各種構件或結構，可透過沉積、塗佈、蝕刻、或切割等製程達成。然在一較佳實施例中，較佳利用可撓性基板400之延展性，配合以預先形成之模具，可一次形成多的所需構件，可大幅減少製程時間與成本。

例如，可將可撓性基板400壓合於一模具600上，其具有複數個凸起部602，如第6圖所示。在壓合步驟之後，模具上的部分凸起部602a可使可撓性基板400順應凸起而變形，可於可撓性基板400上形成出凸起結構或下凹結構，例如是流道103旁之凸起結構或用作可彎折痕跡與密封環凹槽之下凹結構。此外，模具上還可包括較尖銳之凸起部602b，可刺穿可撓性基板400而形成所需之貫穿孔洞，例如是通孔407與縫隙408。在此情形中，流場板30之流道103、歧道開口303、通孔407、可彎折痕跡、密封環凹槽之下凹結構係同時形成。應注意的是，第6圖所示之模具600僅為舉例說明用，其中之凸起部602中之凸起部602a與較尖銳之凸起部602b的相對位置與分佈並未對應至前述之實施例。此技藝人士當可視需求而調整各個凸起部602之位置、分佈、與形狀，經壓合步驟之後，便可形成所需之可撓性基板。

本發明實施例之燃料電池流場板可透過快速且便宜的製程而形成，且所形成之薄殼通道結構還能有效保護流場板中之通道，有效提高燃料電池之穩定性與可靠度。透過彎折可撓性基板以形成一體成形之薄殼通道結構，除了製程快速之外，還能使通道孔之間自動且準確地對準。且薄殼通道結構係由流場板之本體經彎折而形成，不干涉原流道之設計，無需組裝，亦無掉落或對位等問題，可以自動化製程形成。燃料電池於堆疊後易於各流道與歧道開口之間發生流體無法順暢導引或密封等問題可獲解決或減輕。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何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，當可作任意之更動與潤飾，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．．．燃料電池

20．．．電池堆疊

30、101、102．．．流場板

40．．．通道

103、104．．．流道

103a．．．開口端

105、106．．．氣體擴散層

107、108．．．觸媒電極

109．．．質子交換膜

110．．．膜電極組

201、202．．．端板

203、240．．．固定構件

205、206．．．集電板

210、211．．．流體

303、304．．．歧道開口

308．．．密封環

400．．．可撓性基板

402．．．流體分佈區

407．．．通孔

408．．．縫隙

409、410．．．彎折線

420．．．凸起部分

422．．．向上延伸部分

424．．．覆蓋延伸部分

600．．．模具

602、602a、602b．．．凸起部

d．．．間距

θ．．．彎折角度

第1A圖顯示本案發明人所知之一種燃料電池的剖面圖。

第1B圖顯示本案發明人所知之一種燃料電池堆疊的剖面圖。

第1C圖顯示本案發明人所知之一種燃料電池之流場板的上視圖。

第2圖顯示根據本發明一實施例之燃料電池流場板的上視立體圖。

第3圖顯示根據本發明一實施例之燃料電池流場板的上視立體圖。

第4圖顯示根據本發明一實施例之燃料電池流場板的上視立體圖。

第5A-5C圖顯示根據本發明一實施例之燃料電池流場板的形成方法的一系列製程立體上視圖。

第6圖顯示本發明一實施例之燃料電池流場板的形成方法中所用之一模具的剖面示意圖。

30．．．流場板

103．．．流道

103a．．．開口端

303．．．歧道開口

308．．．密封環

400．．．可撓性基板

402．．．流體分佈區

407．．．通孔

420．．．凸起部分

422．．．向上延伸部分

424．．．覆蓋延伸部分

d．．．間距

θ．．．彎折角度

Claims (20)

1. 一種燃料電池流場板，包括：一可撓性基板，包括：一流體分佈區，具有至少一流道；一歧道開口，貫穿該可撓性基板，且與該流體分佈區相鄰；一向上延伸部分，自該歧道開口與該流體分佈區之相鄰處朝上延伸，其中該向上延伸部分與該流體分佈區夾有一彎折角度，且該向上延伸部分中具有至少一通孔，其中該至少一通孔貫穿該可撓性基板而露出該歧道開口；以及一覆蓋延伸部分，與該向上延伸部分相連，且覆蓋於部分的該流體分佈區之上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池流場板，更包括一密封環，設置於該可撓性基板之上，且圍繞該流體分佈區及該歧道開口。
3. 如申請專利範圍第2項所述之燃料電池流場板，其中該密封環之上表面大抵與該覆蓋延伸部分之上表面共平面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池流場板，其中該可撓性基板包括一可撓性金屬板或一可撓性高分子板。
5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池流場板，其中該彎折角度約為90度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池流場板，其中該至少一流道為複數個流道，該些流道位於該流體分佈區中之複數個凸起部分之間的複數個凹下處。
7. 如申請專利範圍第6項所述之燃料電池流場板，其中該覆蓋延伸部分與該些凸起部分直接接觸。
8. 如申請專利範圍第6項所述之燃料電池流場板，其中該至少一通孔為複數個通孔。
9. 如申請專利範圍第8項所述之燃料電池流場板，其中該些流道之開口端與該些通孔之開口端之間隔有一間距。
10. 如申請專利範圍第8項所述之燃料電池流場板，其中每一該些流道之開口端皆分別對準於其中一該些通孔。
11. 如申請專利範圍第10項所述之燃料電池流場板，其中該向上延伸部分與該些凸起部分直接接觸。
12. 一種燃料電池流場板的形成方法，包括：提供一可撓性基板；於該可撓性基板之一流體分佈區中形成至少一流道；於該可撓性基板之中形成一歧道開口，該歧道開口貫穿該可撓性基板且與該流體分佈區相鄰；彎折部分的該可撓性基板以形成一向上延伸部分及一覆蓋延伸部分，該覆蓋延伸部分與該向上延伸部分相連且覆蓋於部分的該流體分佈區上，且其中該向上延伸部分自該歧道開口與該流體分佈區之相鄰處朝上延伸；以及於該向上延伸部分中形成至少一通孔，其中該至少一通孔貫穿該可撓性基板而露出該歧道開口。
13. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池流場板的形成方法，其中在彎折部分的該可撓性基板之前，更包括形成貫穿該可撓性基板的一縫隙，該縫隙與該可撓性基板上之一第一預定彎折線圍繞出該可撓性基板將被彎折的部分。
14. 如申請專利範圍第13項所述之燃料電池流場板的形成方法，其中彎折部分的該可撓性基板以形成該向上延伸部分及該覆蓋延伸部分的步驟包括：以該第一預定彎折線為軸心將該可撓性基板將被彎折的部分朝上彎折；以及以該可撓性基板上之一第二預定彎折線為軸心，將該可撓性基板將被彎折的部分朝該流體分佈區之方向彎折，其中該第二預定彎折線大抵平行於該第一預定彎折線。
15. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池流場板的形成方法，更包括於該第一預定彎折線及該第二預定彎折線上形成至少一凹陷。
16. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池流場板的形成方法，更包括在彎折部分的該可撓性基板的步驟之前，於該第一預定彎折線及該第二預定彎折線之間的該可撓性基板上形成貫穿該可撓性基板之至少一孔洞，該至少一孔洞在形成該向上延伸部分之後成為該至少一通孔。
17. 如申請專利範圍第16項所述之燃料電池流場板的形成方法，其中該至少一流道、該歧道開口、及該至少一通孔係同時形成。
18. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池流場板的形成方法，其中該至少一流道及該歧道開口係同時形成。
19. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池流場板的形成方法，更包括於該可撓性基板上設置一密封環，該密封環圍繞該流體分佈區及該歧道開口。
20. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池流場板的形成方法，其中該可撓性基板包括一可撓式金屬板或一可撓式高分子板。