專利名稱：燃料電池裝置及其燃料電池模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種燃料電池裝置，特別是有關(guān)于一種平板式燃料電池裝置及其燃料電池模塊。
背景技術(shù)：
首先請(qǐng)參閱圖1，已知的質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange MembraneFuel Cell, PEMFC)的單電池結(jié)構(gòu)(single cell) 400主要包括一膜電極組410 (membrane electrode assembly，MEA)、兩個(gè)氣體擴(kuò)散層 405、406 (gas diffusionlayer, GDL)以及兩個(gè)流場(chǎng)板401、402 (fluid flow plate)。前述流場(chǎng)板401、402的內(nèi)側(cè)表面分別形成有各自獨(dú)立的流道(flow channel) 403、404，可用以進(jìn)行反應(yīng)流體的輸送，前述膜電極組410主要包括一質(zhì)子交換膜 409 (proton exchangemembrane，PEM)、一陽(yáng)極(anode)觸媒層 407 以及一陰極(cathode)觸媒層408，其中觸媒層407、408通常具有鉬或鉬合金等成份，以利于燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)(electrochemical reactions)并提供電力輸出。隨著燃料電池小型化的發(fā)展趨勢(shì)，如何改善燃料電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提升其整體效能開(kāi)始成為燃料電池小型化的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種通過(guò)改善燃料電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提升其輸出效能的燃料電池裝置及其燃料電池模塊。本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種燃料電池模塊，包括一本體以及一流場(chǎng)板。前述本體包括兩個(gè)密封元件以及一核心單元，其中核心單元包括一膜電極組、兩個(gè)氣體擴(kuò)散層以及兩個(gè)集電元件，前述兩個(gè)氣體擴(kuò)散層以及兩個(gè)集電元件設(shè)置在膜電極組的兩側(cè)，前述兩個(gè)密封元件則分別包覆在兩個(gè)集電元件周圍并且與膜電極組結(jié)合。前述流場(chǎng)板連接本體，具有一入口以及一流道，其中一反應(yīng)流體由前述入口進(jìn)入流道，接著反應(yīng)流體與本體接觸并進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)后排出流場(chǎng)板。在一實(shí)施例中，前述兩個(gè)密封元件以射出、熱壓或點(diǎn)膠的方式成型包覆在集電元件周圍。在一實(shí)施例中，前述兩個(gè)氣體擴(kuò)散層以熱壓方式結(jié)合在膜電極組表面。在一實(shí)施例中，前述兩個(gè)密封元件及膜電極組以熱壓接合或使用導(dǎo)電膠體膠合。在一實(shí)施例中，前述流場(chǎng)板還具有多個(gè)流道，對(duì)應(yīng)于前述兩個(gè)集電元件，此外前述兩個(gè)密封元件分別具有多個(gè)開(kāi)孔，且前述兩個(gè)集電元件分別透過(guò)開(kāi)孔而顯露在本體表面。在一實(shí)施例中，前述燃料電池模塊還包括兩個(gè)本體，且流場(chǎng)板還包括多個(gè)流道，分別形成在流場(chǎng)板的相反側(cè)，其中流場(chǎng)板設(shè)置在些本體之間，且前述流道分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)本體上的集電元件。本發(fā)明的一實(shí)施例還提供一種燃料電池裝置，包括多個(gè)前述的燃料電池模塊，其中前述燃料電池模塊相互并排且緊密相連，且相鄰的燃料電池模塊中的流道相連通。
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本發(fā)明的一實(shí)施例還提供一種燃料電池裝置，包括一軟管以及多個(gè)前述的燃料電池模塊，其中前述燃料電池模塊通過(guò)軟管相互連接，且反應(yīng)流體透過(guò)前述軟管在相鄰的燃料電池模塊之間傳遞。在一實(shí)施例中，前述燃料電池模塊是以串聯(lián)的方式電性導(dǎo)通。根據(jù)本發(fā)明，燃料電池模塊可由一本體以及一流場(chǎng)板所組成，此外也可由兩個(gè)本體以及一個(gè)流場(chǎng)板共同組成一具有多層式結(jié)構(gòu)的燃料電池模塊，組裝時(shí)可透過(guò)熱壓或以導(dǎo)電膠體黏合等方式使密封元件、集電元件以及膜電極組之間相互結(jié)合。本發(fā)明的燃料電池模塊不僅具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可透過(guò)串/并聯(lián)的方式以增加使用上的彈性，借此不僅能因應(yīng)各種不同的電力需求，且可廣泛地應(yīng)用于電子產(chǎn)品、車輛、軍用設(shè)備或航天工業(yè)等各種不同領(lǐng)域中。為使本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例并配合所附附圖做詳細(xì)說(shuō)明。


圖1表示已知質(zhì)子交換膜燃料電池的單電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A表示本發(fā)明一實(shí)施例的燃料電池模塊示意圖；圖2B表示圖2A中燃料電池模塊的本體爆炸圖；圖2C表示圖2B中的密封元件與集電元件結(jié)合以及膜電極組與氣體擴(kuò)散層結(jié)合的示意圖；圖3表示圖2A中的燃料電池模塊組合后的示意圖；圖4表示本發(fā)明一實(shí)施例的燃料電池裝置示意圖；圖5A表示本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池模塊爆炸圖；圖5B表示圖5A中的燃料電池模塊組合后的示意圖；以及圖6A、6B表示本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池模塊示意圖。主要附圖標(biāo)記說(shuō)明流場(chǎng)板10 ；入口 11 ；密封元件20 ；開(kāi)孔201;本體 23 ；核心單元30 ；膜電極組301;氣體擴(kuò)散層302 ；集電元件303;單電池結(jié)構(gòu)400;流場(chǎng)板401、402;流道403、404;氣體擴(kuò)散層405、406 ；觸媒層407、408 ；
質(zhì)子交換膜409 ；膜電極組410;流道C;燃料電池模塊F;電性接點(diǎn)P ；導(dǎo)電元件R ；第一側(cè)Sl ；第二側(cè)S2 ；軟管T。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖2A，本發(fā)明一實(shí)施例的平板式燃料電池模塊F主要是由一本體23以及一流場(chǎng)板10所組成，前述流場(chǎng)板10朝向本體23的一面形成有至少一流道C，反應(yīng)流體可由流場(chǎng)板10側(cè)邊的入口 11進(jìn)入流道C，接著反應(yīng)流體會(huì)與本體23接觸并進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，然后再由流場(chǎng)板10的另一側(cè)排出。再請(qǐng)參閱圖2B，前述本體23主要是由兩個(gè)密封元件20以及一核心單元30所組成，其中核心單元30包含有一膜電極組301、兩個(gè)氣體擴(kuò)散層302以及兩個(gè)集電元件303 ；如圖2B所示，氣體擴(kuò)散層302和集電元件303對(duì)稱地設(shè)置在膜電極組 301兩側(cè)(陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè))，且前述集電元件303分別透過(guò)密封元件20上的開(kāi)孔201而顯露在本體23表面。接著請(qǐng)參閱圖2C，本實(shí)施例中的密封元件20主要是以以射出、熱壓或點(diǎn)膠的方式成型包覆在集電元件303周圍，前述氣體擴(kuò)散層302同樣可以熱壓方式結(jié)合在膜電極組301 表面，接著再將密封元件20和膜電極組301以熱壓接合或使用導(dǎo)電膠體緊密膠合，進(jìn)而可組成前述本體23。如圖3所示，本體23與流場(chǎng)板10可結(jié)合組成燃料電池模塊F，其中反應(yīng)流體是由流場(chǎng)板10側(cè)邊的入口 11進(jìn)入前述燃料電池模塊F內(nèi)部，接著反應(yīng)流體會(huì)與本體 23接觸并進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，然后再由流場(chǎng)板10的另一側(cè)排出。請(qǐng)參閱圖4，前述平板式燃料電池模塊F也可透過(guò)串聯(lián)的方式組成一平板式燃料電池裝置。在圖4中，相鄰的兩個(gè)燃料電池模塊F可沿一直線方向并排抵接且緊密相連， 其中相鄰流場(chǎng)板10內(nèi)的流道C相互連通；或者，也可以透過(guò)至少一軟管T使相鄰的燃料電池模塊F相互連接，其中反應(yīng)流體可透過(guò)軟管T輸送至相鄰燃料電池模塊F中的流場(chǎng)板10 內(nèi)。應(yīng)了解的是，相鄰燃料電池模塊F上的電性接點(diǎn)P也可以串聯(lián)(serial)的方式相互導(dǎo)通(如圖4所示)，借此以組成一具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的平板式燃料電池裝置。接著請(qǐng)參閱圖5A，本發(fā)明另一實(shí)施例中的燃料電池模塊F同樣是由一本體23以及一流場(chǎng)板10所組成，特別地是在本實(shí)施例中的流場(chǎng)板10表面形成有多個(gè)相通的流道C。 如圖5A所示，前述本體23是由兩個(gè)密封元件20以及一核心單元30所組成，其中在核心單元30兩側(cè)分別設(shè)有多個(gè)集電元件303，前述集電元件303對(duì)應(yīng)于流道C，此外在密封元件20 上形成有多個(gè)開(kāi)孔201，分別對(duì)應(yīng)于前述集電元件303。組裝后的燃料電池模塊F請(qǐng)參見(jiàn)圖5B，前述密封元件20可以射出、熱壓或點(diǎn)膠的方式成型包覆在集電元件303周圍，且每一集電元件303透過(guò)密封元件20上的開(kāi)孔201而顯露在本體23表面。如圖5B中箭頭方向所示，反應(yīng)流體可由流場(chǎng)板10側(cè)邊的入口 11進(jìn)入流道C，接著反應(yīng)流體會(huì)與本體23接觸并進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，然后再由流場(chǎng)板10的另一側(cè)排出。再請(qǐng)同時(shí)參閱圖6A、6B，本發(fā)明另一實(shí)施例的流場(chǎng)板10也可同時(shí)與兩個(gè)本體23結(jié)合以組成一具有多層式結(jié)構(gòu)的燃料電池模塊F。需特別說(shuō)明的是，前述流場(chǎng)板10的第一側(cè) S 1以及第二側(cè)S2表面皆形成有至少一個(gè)流道C，組裝時(shí)可使流場(chǎng)板10緊密結(jié)合在兩個(gè)本體23之間，其中第一、第二側(cè)S1、S2上的流道C分別正對(duì)于本體23上的集電元件303。需特別說(shuō)明的是，前述兩個(gè)本體23之間另可透過(guò)一導(dǎo)電元件R相互連接，借此使流場(chǎng)板10兩側(cè)的本體23電性串聯(lián)，進(jìn)而可提升燃料電池模塊的輸出效能。綜上所述，本發(fā)明提供一種平板式燃料電池裝置及其燃料電池模塊，在一實(shí)施例中的燃料電池模塊可由一本體以及一流場(chǎng)板所組成，此外也可由兩個(gè)本體以及一個(gè)流場(chǎng)板共同組成一具有多層式結(jié)構(gòu)的燃料電池模塊。舉例而言，前述本體中的密封元件可以采用高分子材料或其它絕緣材料所制成，前述集電元件則可包含金屬、導(dǎo)電復(fù)合材料或其它導(dǎo)電材料，組裝時(shí)可透過(guò)熱壓或以導(dǎo)電膠體黏合等方式使密封元件、集電元件以及膜電極組之間相互結(jié)合。本發(fā)明的燃料電池模塊不僅具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可透過(guò)串/并聯(lián)的方式以增加使用上的彈性，借此不僅能因應(yīng)各種不同的電力需求，且可廣泛地應(yīng)用于電子產(chǎn)品、車輛、軍用設(shè)備或航天工業(yè)等各種不同領(lǐng)域中。雖然本發(fā)明以上述的實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限制本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書(shū)所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池模塊，其特征在于，包括一本體，包括兩個(gè)密封元件以及一核心單元，該核心單元包括一膜電極組、兩個(gè)氣體擴(kuò)散層以及兩個(gè)集電元件，該兩個(gè)氣體擴(kuò)散層以及該兩個(gè)集電元件設(shè)置在該膜電極組的兩側(cè)，該兩個(gè)密封元件包覆在該兩個(gè)集電元件周圍并且與該膜電極組結(jié)合；以及一流場(chǎng)板，連接該本體，具有一入口以及一流道，其中一反應(yīng)流體由該入口進(jìn)入該流道，接著該反應(yīng)流體與該本體接觸并進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)后排出該流場(chǎng)板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其特征在于，其中該兩個(gè)密封元件以射出、熱壓或點(diǎn)膠的方式成型包覆在該兩個(gè)集電元件周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其特征在于，其中該兩個(gè)氣體擴(kuò)散層以熱壓方式結(jié)合在該膜電極組表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其特征在于，其中該兩個(gè)密封元件及膜電極組以熱壓接合或使用導(dǎo)電膠體膠合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其特征在于，其中該流場(chǎng)板還具有多個(gè)流道， 對(duì)應(yīng)于該兩個(gè)集電元件，且該兩個(gè)密封元件分別具有多個(gè)開(kāi)孔，該兩個(gè)集電元件分別透過(guò)該多個(gè)開(kāi)孔而顯露在該本體表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其特征在于，其中該燃料電池模塊還包括兩個(gè)本體，且該流場(chǎng)板還具有多個(gè)流道，分別形成在該流場(chǎng)板的相反側(cè)，其中該流場(chǎng)板設(shè)置在該兩個(gè)本體之間，且該多個(gè)流道分別對(duì)應(yīng)于該兩個(gè)本體上的該兩個(gè)集電元件。
7.一種燃料電池裝置，其特征在于，包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中該多個(gè)燃料電池模塊相互并排，且該多個(gè)燃料電池模塊中的該多個(gè)流道相連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池裝置，其特征在于，其中該多個(gè)燃料電池模塊以串聯(lián)的方式電性導(dǎo)通。
9.一種燃料電池裝置，其特征在于，包括一軟管；以及多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中該多個(gè)燃料電池模塊通過(guò)該軟管相互連接，且該反應(yīng)流體透過(guò)該軟管而在該多個(gè)燃料電池模塊之間傳遞。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池裝置，其特征在于，其中該多個(gè)燃料電池模塊以串聯(lián)的方式電性導(dǎo)通。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池裝置及其燃料電池模塊，其中所述燃料電池模塊，包括相互連接的一本體以及一流場(chǎng)板。前述本體包括兩個(gè)密封元件以及一核心單元，其中核心單元包括一膜電極組、兩個(gè)氣體擴(kuò)散層以及兩個(gè)集電元件，前述氣體擴(kuò)散層以及集電元件設(shè)置在膜電極組的兩側(cè)，前述密封元件則分別包覆在集電元件周圍并且與膜電極組結(jié)合。反應(yīng)流體流經(jīng)前述流場(chǎng)板并與前述本體接觸以進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK102255094SQ201010174069
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者吳俊星, 張文振, 曹芳海, 許桓瑞, 陳祈彰 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院