气冷式燃料电池电堆的制作方法

1.本发明涉及一种燃料电池技术，且特别是涉及一种气冷式燃料电池电堆。


背景技术：

2.传统气冷式燃料电池电堆由多个燃料电池组成，且每个燃料电池的双极板会同时设有反应流道与散热流道。为避免阳极燃料与阴极燃料互通以及燃料外漏等问题，通常使用具弹性密封材料密封燃料电池的反应区域的外缘。
3.然而，压缩组装的过程中，可能因为压力/扭力的不一致或者结构的缺损(如电极板边缘有缺角)，导致电极厚度/压缩量的变异。一旦每个燃料电池的厚度/压缩量不同，会衍生出各电池单元压缩量不一致而影响发电性能的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种气冷式燃料电池电堆，可确保发电功率的一致性并且避免燃料泄漏造成利用率下降及安全性等问题。
5.根据本发明的实施例，气冷式燃料电池电堆包括多个燃料电池。每个燃料电池包括阳极双极板、阴极双极板、膜电极组以及阳极密封组件。所述膜电极组位于阳极双极板与阴极双极板之间，且膜电极组包含阳极侧结构、阴极侧结构以及离子传导膜，所述离子传导膜夹在所述阳极侧结构与所述阴极侧结构之间。所述阳极密封组件则设置于阳极侧结构外围并由阳极双极板与离子传导膜夹置。所述阳极密封组件包含第一密封材料与第二密封材料，所述第一密封材料的肖氏硬度不同于所述第二密封材料的肖氏硬度，且第一与第二密封材料的排列方向垂直于所述多个燃料电池的压缩方向。
6.基于上述，本发明通过特定结构设计的密封组件，其由一较易压缩具弹性密封材料与一较难压缩性密封材料复合而成，两种密封材料于垂直于压缩方向排列于膜电极组外围并由阳极双极板与阴极双极板夹置，其中较难压缩性密封材料负责固定各电池单元的厚度压缩量，以确保发电功率一致性；较易压缩具弹性密封材料则负责维持各电池单元的气密性，避免燃料泄漏造成利用率下降及安全性问题。
7.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
8.图1是本发明的第一实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图；
9.图2是本发明的第二实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图；
10.图3a是本发明的第三实施例的一种气冷式燃料电池电堆于组装前的剖面示意图；
11.图3b是图3a的气冷式燃料电池电堆于组装后的剖面示意图；
12.图4是本发明的第四实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图；
13.图5是本发明的第五实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图；
14.图6是本发明的第六实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图；
15.图7是本发明的第七实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图。
16.附图标记说明
17.100：:气冷式燃料电池电堆
18.102、200、300、400、500、600、700:燃料电池
19.104、302、402:阳极双极板
20.106、602:阴极双极板
21.106a:反应流道
22.106b:散热流道
23.108:膜电极组
24.110、308、406、506、606:阳极密封组件
25.110’、308’、706:阴极密封组件
26.112:阳极侧结构
27.114:阴极侧结构
28.116:离子传导膜
29.118、304、404:第一密封材料
30.118’、304’、604:第三密封材料
31.120、306、402a、408:第二密封材料
32.120’、306’、602a:第四密封材料
33.122:阳极电极层
34.124:阳极气体扩散层
35.126:阴极电极层
36.128:阴极气体扩散层
37.130:端板
38.302a:缺损
39.310a、310b:部位
40.h:高度
41.w:宽度
具体实施方式
42.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
43.图1是依照本发明的第一实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图。
44.请参照图1，第一实施例的气冷式燃料电池电堆100包括多个燃料电池(或称为“单元”)102，且多个燃料电池102于电性及结构上以串联或并联形式组合为电堆。每个燃料电池102包括阳极双极板104、阴极双极板106、膜电极组108与阳极密封组件110。膜电极组108位于阳极双极板104与阴极双极板106之间，其中膜电极组108包括阳极侧结构112、阴极侧结构114以及离子传导膜116。离子传导膜116夹在阳极侧结构112与阴极侧结构114之间。在本实施例中，阳极双极板104与阴极双极板106的平面面积与离子传导膜116的平面面积大
致相同，而阳极侧结构112与阴极侧结构114的平面面积比离子传导膜116的平面面积小。因此，阳极密封组件110是设置于阳极侧结构112外围并由阳极双极板104与离子传导膜116夹置。详细来说，阳极密封组件110设置于阳极侧结构112的外围，使阳极侧结构112在设置阳极密封组件110后的平面面积与阳极双极板104、阴极双极板106以及离子传导膜116的平面面积大致相同。其中阳极密封组件110包含第一密封材料118与第二密封材料120，第一密封材料118与第二密封材料120实质上为具有不同弹性的材料，例如所述第一密封材料118的肖氏硬度不同于所述第二密封材料120的肖氏硬度，且第一密封材料118与第二密封材料120的排列方向垂直于燃料电池102的压缩方向。由于图1是剖面示意图，所以阳极密封组件110显示在阳极侧结构112两侧，但应知气冷式燃料电池电堆100一般为矩形的片状组装结构，所以阳极密封组件110实际上是沿着阳极侧结构112的整个外围密封阳极侧结构112。
45.请继续参照图1，本实施例中的第二密封材料120是介于第一密封材料118与阳极侧结构112之间，即第一密封材料118包覆在第二密封材料120的外围，第二密封材料120位于内侧。第一密封材料118的肖氏硬度例如在a70以下，在一实施例中，第一密封材料118可具有0.2gpa以下的杨氏模量，因此组装气冷式燃料电池电堆100期间，能达到维持各燃料电池102(电池单元)的气密性，避免燃料泄漏造成利用率下降及安全性问题。第二密封材料120的肖氏硬度例如在a90以上，所以组装前后不会改变其厚度，能达到固定各燃料电池102(电池单元)的厚度压缩量，以确保各燃料电池102发电功率的一致性。所述第一密封材料118的材料可列举但不限于橡胶或硅胶；所述第二密封材料120的材料可列举但不限于金属、塑胶或陶瓷。此外，以气密性的观点来看，第一密封材料118的宽度w与第二密封材料120的高度h(即第一密封材料118被压缩后的预期高度)的比例约在20％以上，在第一实施例中，第一密封材料118的宽度w与第二密封材料120的高度h的比例是在30％以上。
46.气冷式燃料电池电堆100可采用直接气冷或是间接气冷的方式。在一实施例中，当气冷式燃料电池电堆100采用直接气冷的方式进行发电反应，此时阳极端的密封性会直接影响燃料电池102的性能，故可使用本发明的阳极密封组件110来避免燃料泄漏，而阴极端开放式的设计，对于阴极端的密封性并未特别要求，故并未设限阴极端是否必须要设置密封组件。然而，在另一实施例中，当气冷式燃料电池电堆100采用间接气冷的方式进行发电反应，对阴极端的密封性有所要求，也可使用类似的密封组件来达成气密的效果，详见下面的描述。
47.请参考图1，燃料电池102还可包含一阴极密封组件110’。阴极密封组件110’设置于阴极侧结构114外围并由阴极双极板106与离子传导膜116夹置。详细来说，阴极密封组件110’设置于阴极侧结构114的外围，使阴极侧结构114在设置阴极密封组件110’后的平面面积与阳极双极板104、阴极双极板106以及离子传导膜116的平面面积大致相同。其中阴极密封组件110’包含第三密封材料118’与第四密封材料120’，第三密封材料118’与第四密封材料120’实质上为具有不同弹性的材料，例如所述第三密封材料118’的肖氏硬度不同于所述第四密封材料120’的肖氏硬度，且第三密封材料118’与第四密封材料120’的排列方向垂直于燃料电池102的压缩方向。由于图1是剖面示意图，所以阴极密封组件110’显示在阴极侧结构114两侧，但应知气冷式燃料电池电堆100一般为矩形的片状组装结构，所以阴极密封组件110’实际上是沿着阴极侧结构114的整个外围密封阴极侧结构114。
48.本实施例中的第四密封材料120’是介于第三密封材料118’与阴极侧结构114之
间，即第三密封材料118’包覆在第四密封材料120’的外围，第四密封材料120’位于内侧。其中，第三密封材料118’可与阳极密封组件110中的第一密封材料118使用相同特性的材料，第四密封材料120’可与阳极密封组件110中的第二密封材料120使用相同特性的材料，其特性与材料种类已于前述说明，于此不再赘述。
49.在第一实施例的膜电极组108中，阳极侧结构112可包括阳极电极层122以及阳极气体扩散层124，且所述阳极气体扩散层124与阳极双极板104接触；阴极侧结构114相对可包括阴极电极层126以及阴极气体扩散层128，且所述阴极气体扩散层128与阴极双极板106接触。阳极电极层122与阴极电极层126例如由纳米粒子催化剂、离子传导高分子与高表面积的活性碳载体所组成，其中纳米粒子催化剂分布于活性碳载体表面，并与离子传导高分子以一定结构连结组成具反应性的结构。阳极气体扩散层124以及阴极气体扩散层128例如由多孔材组成，通常为高导电性碳纤与树脂黏结剂所组成具机械强度的多孔立体结构，可提供膜电极组116发电时的气/液体燃料及产物的进出，并维持一定的导电性，亦即确保三相反应物/产物的质量传递顺利。阳极气体扩散层124以及阴极气体扩散层128除了可以使用碳纸/碳布/碳毡等碳系材料外，也可由其他可导电的多孔材料组成，例如发泡金属或金属网等。而且，由于气冷式燃料电池电堆100是通过气体进行冷却，所以阴极双极板106一般具有形状互补的反应流道106a与散热流道106b，反应流道106a供反应气体流动，散热流道106b则有流动的气体将各燃料电池102(电池单元)产生的热能带走。阳极双极板104与阴极双极板106由导电材料组成，其可为单一或复合材料，至于反应流道106a与散热流道106b的设计则有蛇型、直通、分区、网格状等多种形态。另外，组装后的气冷式燃料电池电堆100可利用端板130使整体结合得更稳固。
50.图2是依照本发明的第二实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来表示相同或近似的构件，且相同或近似的构件内容也可参照上述第一实施例的相关说明，不再赘述。
51.请参照图2，第二实施例的气冷式燃料电池电堆结构与图1相似，因此单独显示一个燃料电池200(即电池单元)。要注意的是，在本实施例的燃料电池200中，阳极密封组件110的第一密封材料118是介于第二密封材料120与阳极侧结构112之间，即第二密封材料120包覆在第一密封材料118的外围，第一密封材料118位于内侧。阴极密封组件110’的第三密封材料118’是介于第四密封材料120’与阴极侧结构114之间，即第四密封材料120’包覆在第三密封材料118’的外围，第三密封材料118’位于内侧。阳极密封组件110与阴极密封组件110’这样的设置方式同样能维持各电池单元的气密性，并能固定各电池单元的厚度压缩量，以确保各燃料电池102发电功率的一致性。
52.在图2的实施例中，具有相似特性的第一密封材料118与第三密封材料118’都位于内侧，具有相似特性的第二密封材料120与第四密封材料120’都包覆在外围。但在其他实施例中，也可有不同的排列顺序，例如第一密封材料118与第四密封材料120’都位于内侧，分别与阳极侧结构112及阴极侧结构114接触，而第二密封材料120与第三密封材料118’位于外围，分别包覆第一密封材料118与第四密封材料120’，也能维持各电池单元的气密性，本发明并不以所列举者为限。
53.图3a以及图3b是依照本发明的第三实施例的一种气冷式燃料电池电堆在组装前以及组装后的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来表示相同或近似的构
件，且相同或近似的构件内容也可参照上述第一实施例的相关说明，不再赘述。
54.请先参照图3a，第三实施例的气冷式燃料电池电堆结构与图1相似，因此单独显示一个燃料电池300(即电池单元)。假设燃料电池300的阳极双极板302是一片在边缘有缺损302a的双极板，使用由第一密封材料304与第二密封材料306组成的阳极密封组件308，其中第一密封材料304与第二密封材料306的排列方向垂直于燃料电池300的压缩方向，且第一密封材料304的设置位置对应与缺损302a接触。第一密封材料304的肖氏硬度例如在a70以下，或在另一实施例中，第一密封材料304具有0.2gpa以下的杨氏模量；第二密封材料306的肖氏硬度例如在a90以上。组装前的第一密封材料304的高度可高于第二密封材料306的高度h，第二密封材料306的高度h则是一个预定的高度，例如是燃料电池300经压缩后，阳极侧结构112的厚度。在一实施例中，使用由第三密封材料304’与第四密封材料306’组成的阴极密封组件308’，其中第三密封材料304’与第四密封材料306’的排列方向垂直于燃料电池300的压缩方向，且第三密封材料304’使用与第一密封材料304相同特性的材料，第四密封材料306’使用与第二密封材料304’相同特性的材料。组装前的第三密封材料304’的高度可高于第四密封材料306’的高度h’，第四密封材料306’的高度h’则是一个预定的高度，例如是燃料电池300经压缩后，阴极侧结构114的厚度。
55.然后，请参照图3b，组装后的第一密封材料304填充到阳极双极板302的缺损302a位置，以填补缺口，确保燃料电池300阳极端的气密性，避免燃料泄漏造成利用率下降及安全性问题。第二密封材料306则可固定燃料电池300经压缩后，阳极侧结构112的厚度。同时，在此实施例中，第三密封材料304’可被压缩而与第四密封件306’具有相同高度，以确保燃料电池300阴极端的气密性，尤其是兼具有反应流道106a与散热流道106b的阴极双极板106在压缩组装后，若是只用一般易压缩的密封材料，可能会因为不同部位(如部位310a与310b)受力不同，无法固定膜电极组108在不同位置的压缩量，而导致发电性能降低。此时，硬度较高不易变形的第四密封材料306’直接接触阴极双极板106，所以压缩组装后的燃料电池300的膜电极组108的厚度等同第二密封材料306的高度h与第四密封材料306’的高度h’总和(即h h’)再加上离子传导膜116的厚度，可使单一燃料电池300在压缩后具有相同的厚度，能确保每一个燃料电池300发电功率一致。
56.图4是依照本发明的第四实施例的一种气冷式燃料电池电堆的剖面示意图，其中使用与第二实施例相同的元件符号来表示相同或近似的构件，且相同或近似的构件内容也可参照上述第二实施例的相关说明，不再赘述。
57.请参照图4，其中单独显示一个燃料电池400(即电池单元)，故第四实施例的气冷式燃料电池电堆结构是与图1类似是由多个燃料电池400组成。要注意的是，在燃料电池400中，阳极双极板402的材料与第二密封材料402a的材料是相同的(例如金属)。在此实施例中，第二密封材料402a与阳极双极板402可为一体结构；也就是说，第二密封材料402a等于是阳极双极板402的延伸结构。阳极密封组件406中的第一密封材料404则介于所述第二密封材料402a与阳极侧结构112之间。
58.然而，本发明并不限于此，在第二密封材料402a与阳极双极板402为一体成形/材质相同的结构的情形下，第一密封材料404与第二密封材料402a的位置可互换。请进一步参考图5，第五实施例的燃料电池500与图4的燃料电池400类似。但要注意的是，在燃料电池500中，阳极密封组件506中的第一密封材料404设置在外侧，与阳极双极板402一体成形/材
质相同的第二密封材料402a则介于所述第一密封材料404与阳极侧电极112之间。
59.请参照图6，阴极密封组件606中的第四密封材料602a的材料也可与阴极双极板602的材料相同。在一实施例中，第四密封材料602a与阴极双极板602可为一体结构。阴极密封组件606中的第三密封材料604则介于所述第四密封材料602a与阴极侧结构114之间。
60.此外，在第四密封材料602a与阴极双极板602为一体成形/材质相同的结构的情形下，第三密封材料604与第四密封材料602a的位置可互换。请进一步参考图7，第七实施例的燃料电池700与图6的燃料电池600类似。但要注意的是，在燃料电池700中，阴极密封组件706中的第三密封材料604设置在外侧，与阴极双极板602一体成形/材质相同的第四密封材料602a则介于所述第三密封材料604与阴极侧电极114之间。
61.以下列举几个实验来验证本发明的功效，但本发明并不局限于以下的内容。
62.〈实验例〉
63.组装由10个如图1的燃料电池102(电池单元)构成的气冷式燃料电池电堆100，其中阳极密封组件110中第一密封材料118的肖氏硬度为a30，杨氏模量为0.1gpa；第二密封材料120的平均肖氏硬度为a90。由于本实验例为直接气冷式的燃料电池，阴极侧是开放式流道，并无气密的问题，故阴极侧可使用较难压缩性的材料，其肖氏硬度为a90，作为维持阴极侧结构114厚度的用途。由10个燃料电池组成的电堆，各燃料电池的活性面积约45cm2，压缩后的阳极密封组件厚度约500微米，充分活化后于阳极通入氢气，阴极通入空气后量测阳极漏气量，并进行定电压6.5v放电120分钟，量测其放电过程中的电流值。结果显示于下表1。
64.〈比较例1〉
65.组装与实验例一样的气冷式燃料电池电堆，然而实验例中的阳极密封组件，在比较例1中改单独使用第二密封材料。然后对电堆进行与实验例一样的测试，并将结果显示于下表1。
66.〈比较例2〉
67.组装与实验例一样的气冷式燃料电池电堆，然而实验例中的阳极密封组件，在比较例2中改单独使用第一密封材料。然后对电堆进行与实验例一样的测试，并将结果显示于下表1。
68.〈比较例3〉
69.组装与实验例一样的气冷式燃料电池电堆，阳极密封组件所使用的材料与实验例都相同，只是第一密封材料与第二密封材料的排列方向与实验例不同。比较例3中的第一密封材料与第二密封材料的排列方向平行于燃料电池的压缩方向。意即第一密封材料与第二密封材料为上下堆叠的方式，同时包覆于阳极侧结构的外围。其中第一密封材料厚度50微米。然后对电堆进行与实验例一样的测试，并将结果显示于下表1。
70.表1
[0071] 实验例比较例1比较例2比较例3输出(电流)30a30a《21a《24a燃料泄漏量0l/min》5l/min0l/min0l/min
[0072]
从上表1可得到实验例的气密性最佳，且输出电流值也高。比较例1中，电堆虽有良好的输出电流，可达各燃料电池发电功率一致的效果，但会有燃料泄漏的问题。比较例2中，虽可达到气密的效果，但因各燃料电池压缩量不一致，导致各燃料电池发电功率不一致，造
成电堆输出电流的不稳定。比较例3中，虽使用相同的阳极密封组件，但因第一密封件与第二密封件排列方向与压缩方向平行，虽可达到气密的效果，但无法完全解决燃料电池压缩量不一致的问题，仍会有各燃料电池发电功率不一致的情形。
[0073]
综上所述，本发明的气冷式燃料电池电堆通过气密组件的设计，能固定各电池单元的厚度压缩量，以确保发电功率一致性，并可改善电池单元的气密性，避免燃料泄漏造成利用率下降及安全性问题。
[0074]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。