专利名称：Pem燃料电池及更换pem燃料电池薄膜电极组的方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交换薄膜燃料电池，尤指一种应用在质子交换薄膜燃料电池中具有键的双极板，及利用在双极板上所设的键来快速、安全地拆卸、修理或更换质子交换薄膜燃料电池中损坏的薄膜电极组的方法。
前述PEM燃料电池是使用聚合物膜，例如以Nafion薄膜为电解液、白金为催化剂，并利用氢气及氧/空气的化学反应来产生电力。由于PEM燃料电池的工作温度接近于80℃，因此其可使用在家庭及汽车上，其中某些小电池还可使用在可随身携带的设备中。
PEM燃料电池是使用氢气及氧/空气的反应来产生电力，属于干净能源，并且其因反应生成的废弃物只有水和热气，并无任何其他危害环境或生物的化学或物理废弃物，以及需如同其他形式的能源付出高成本及复杂程序的处理。当PEM电池运作时，唯一的噪音是由系统的风扇所产生，但该噪音问题是极易被解决的，例如使用加压空气槽，即不会产生噪音。
传统的PEM燃料电池7，如
图13至图15所示，主要包含有多片具有相同尺寸的距形(例如四方形)双极板74，一对电流集流器72、73，及一对端板70、71。其中每一片双极板74都设有同轴向的一对穿孔28，如图16所示，该穿孔28供一对导引杆60穿设并使多片双极板74以垂直、竖立的方式堆叠在一起。一对导引杆60用于导引多片双极板74以利于组装双极板74，且该一对导引杆60也穿过端板70、71中所设的穿孔58并露出其两端头。前述堆叠的多片双极板74在其两外侧分别设有作为正、负极用的电流集流器72、73，及在电流集流器72、73的两外侧分别设有端板70、71。利用均匀分布在多片双极板74及电流集流器72、73外周的多根螺杆16穿伸在前述一对端板70、71之间，并在各螺杆16的两端头分别锁上螺帽17，从而可将前述多片双极板74、电流集流器72与73、金属端板70与71压制、锁接成一体，如图13所示。前述多根均匀分布的螺杆16可确保压力均衡。
如图13至图15所示，在端板70的穿孔57A处设有氢气入口18A，在穿孔57B处设有氧/空气入口18B；在另一端板71的穿孔157A(平行于前述穿孔57A)处设有氢气出口19A，在穿孔157B处设有氧/空气出口19B。在前述每一片双极板74左右两侧的表面741、742处设有S形凹槽743，该凹槽743作为气体通道，而前述的双极板74也设有同轴向的穿孔57A以作为氢气气体通道，穿孔57B则作为氧/空气的通道，如图16至图18所示，以氢气为例，将氢气从端板70的氢气入口18A进入，经双极板74的穿孔57A及相对应的气体通道743而从出口19A排出。
事实上，PEM燃料电池7还包含有多个薄膜电极组(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)，该薄膜电极组为具有两碳极压在质子交换薄膜每一边上的复合元件。如图16至图18所示，这些薄膜电极组45被放置在两双极板74之间。另为防止气体泄漏或氢气与氧/空气相混而造成燃料电池操作不良，在薄膜电极组45与双极板74间放置有防漏垫片41(gasket)，以确保燃料电池的操作正常。如图16所示，每个双极板74的一侧表面(左侧表面741)设有s形凹槽743作为氢气流动通道，图中虚线箭头显示氢气在双极板中的流动方向，如图17所示。而氧/空气在双极板74另一侧表面(右侧表面742)的S形凹槽743流动，其流动方向如实线箭头所示，如图18所示。因此，每一薄膜电极组45(MEA)有氢气及氧/空气在其两侧流动，借助于薄膜电极组45上触媒催化剂的作用将氢气及氧气(或空气中的氧气)结合成水并产生电力。图16中所示的是单一薄膜电极组45及相邻双极板74的结构图，但在靠近前述电流集流器72、73的两双极板的侧表面则未放置薄膜电极组，因此两双极板在接触电流集流器72、73的表面上并无凹槽743设计，此属于传统技术，在此不再加以详细描述。
为了便于说明传统PEM燃料电池7，省略所有薄膜电极组45、防漏垫片41及前述在双极板74表面的凹槽743。有关PEM燃料电池中双极板及薄膜电极组的详细构成，请参考美国第5,484,666号专利案、第6,190,793号专利及第6,207,312号专利。
每一电池的薄膜电极组45与双极板74都为导电物质，每一电池的导电电流将借由电流集流器72、73连接与聚集。燃料电池7的双极板74的数量及面积大小决定于输出瓦特数。由于传统的PEM燃料电池7的结构、运作功能已为大众所熟知，故不再多加赘述。
传统的PEM燃料电池在运作过程中，常因一个或一个以上的薄膜电极组45发生问题而需更换。当问题发生时，必须拆卸至少在端板70、71其中一侧的每一螺帽17，使原组装状态呈现未锁定的松散状态，进一步分离70、71及电流集流器72、73，再一片片地将双极板74、薄膜电极组45及防漏垫片41从导引杆60处抽出，直至将有缺陷或损坏的薄膜电极组分离出。其后更换新的薄膜电极组至原位置后，必须再逐一将先前其他分离好的双极板27、薄膜电极组45及防漏垫片41一片片地套入到导引杆60中，最后锁定原拆卸下来的螺帽17在螺纹杆16，这样才可完成重新组合的程序。
然而，在前述拆卸及重新组合的过程中，会有种种问题发生，例如，因双极板、薄膜电极组及防漏垫片的错误结合，而导致氢气泄漏的严重后果。再者在前述繁锁的拆卸、重组过程中，极易碰撞、损害原先是好的且极其昂贵的薄膜电极组。另外，这种为了更换损坏的薄膜电极组所进行的拆卸、重新组合过程，只能在制造厂或维修厂进行，因而整个燃料电池必须送修，从而造成使用者的不便及浪费时间。
前述美国专利第6,190,793号中主要公开了一种压缩组件及拉力元件，其主要是用于加强锁定及压制堆叠的多片双极板，并未对前述更换损坏的薄膜电极组所进行的拆卸及重新组合所存在的缺失提供解决方法。同时，前述美国第6,207,312号专利也只公开了一种创新的PEM燃料电池内部气体通道的设计，也未对前述更换损坏薄膜电极组在拆卸及重新组合时的缺失提供解决方法。
另外，就传统的PEM燃料电池而言，当端板由金属材料制成时，可选择性的配置电流集流器，换言之，电流集流器并非为必备的元件；当端板由非金属材质制成时，才为必备的元件。
本发明中的PEM燃料电池主要包含有一对具有多个可供锁定装置穿设的穿孔的端板、至少两组双极板组及数个用于锁定一对端板及至少两组双极板组的锁定装置，其中，每一个双极板组包含有若干双极板、薄膜电极组及防漏垫片，所述双极板组设在所述端板之间，其特征在于所述双极板至少为两种不同型式的双极板且每一个双极板的侧边至少向外延伸有一个键，且该健至少具有一个穿孔，并且所述各双极板组的键为错开设置，当任一双极板组其中的一片薄膜电极组损坏而需要更新时，可借助于其他双极板组的键提供螺杆分段锁定，以便分离出包含有前述损坏的薄膜电极组的双极板组，以更换损坏的薄膜电极组。
本发明中更换PEM燃料电池薄膜电极组的方法，当需要更换损坏的薄膜电极组时，利用分段锁定方式施以一压力在包含有欲更换的薄膜电极组的双极板组所邻接的双极板组上，用以支撑住不需更换的双极板组，使好的双极板、薄膜电极组及防漏垫片留在原有位置而无须移动，仅分离包含有欲更换的薄膜电极组的双极板组，从而抽换损坏的薄膜电极组，因此可节省传统燃料电池的拆卸与重新组合时间，以及避免可能产生的错误结合所导致氢气泄漏的严重后果，进一步避免碰撞而损坏原先好且昂贵的薄膜电极组。
本发明中的双极板至少在其两侧边上分别设有一个键，且该键至少具有一个穿孔，该双极板构成双极板组的单元，当任一双极板组其中一片薄膜电极组损坏而需更新时，借助于双极板中的键提供螺杆分段锁定，从而分离包含有前述损坏的薄膜电极组的双极板组，以更换损坏的薄膜电极组。
前述双极板所设的键不会影响燃料电池的性能，而且双极板所设的键具有散热功能，可在燃料电池运作期间增进热交换，从而可将热度释放至周围的空气中，有助于保持燃料电池内部的温度在操作范围内。
前述更换PM燃料电池薄膜电极组的方法，在双极板组数量增加时，更加显示出可节省大量的更换时间。
前述更换PEM燃料电池双极板的方法，可使使用者到场服务，而无需将整个燃料电池送回工厂维修。
图1是本发明中燃料电池第一实施例的立体结构示意图，示出了由多根螺杆锁定、结合的端板、电流集流器及多个双极板组。
图2是图1中所示燃料电池的右视图；图3是本发明中双极板的侧视图；图4是本发明中双极板设置键在位置变化后的另一状态图；图5是本发明中双极板设置键在位置变化后的又一状态图；图6是第一具体实施例在更换燃料电池中损坏薄膜电极组时所呈现分离包含有损坏薄膜电极组的双极板的分解图；图7是本发明中燃料电池第二实施例的立体结构示意图；图8是本发明中燃料电池第三实施例的立体结构示意图；图9是图8中所示燃料电池的右视图；图10是本发明中第三实施例在更换燃料电池中损坏薄膜电极组时所呈现分离包含有损坏薄膜电极组的双极板的分解图；图11是本发明中双极板呈六角形的实施例图；图12是本发明中双极板呈八角形的实施例图；图13是传统燃料电池的立体图，示出了由多根螺杆锁定、结合的端板、电流集流器及多片双极板；
图14是图13中所示燃料电池的前视图；图15是图13中所示燃料电池的右视图；图16是图13中所示燃料电池的双极板、防漏垫片及薄膜电极组的分解图，示出了氢气及氧气/空气气体的流向；图17是图13中所示燃料电池双极板左侧表面的结构平面图；图18是图13中所示燃料电池双极板右侧表面的结构平面图。
如图1所示，本发明中第一具体实施例的PEM燃料电池1主要包含有端板10、11，电流集流器12、13，第一双极板组21，第二双极板组22，第三双极板组23，第四双极板组24，第五双极板组25，第六双极板组26，多根螺杆16，多个螺帽17，及一对导引杆60。其中，端板10、11为对称性结构且可由金属或非金属材质制成，该端板10、11均均匀分布有十六个用于穿设上述十六根螺杆16的穿孔，同时设有一对用于穿设导引杆60的穿孔58，另外在端板10中所设的穿孔57A与氢气气体入口18A相螺设，而穿孔57B与氧/空气气体入口18B相螺设。至于端板11，则设有用于螺接氢气气体出口19A和氧气/空气气体出口19B的穿孔157A、157B，如图2所示，气体入口18A、18B及气体出口19A、19B具有如图13中所示传统PEM燃料电池7的气体入口18A、18B及气体出口19A、19B的功能。
电流集流器12、13也如同如图13中所示燃料电池7的电流集流器72、73的功能。
在本发明的第一具体实施例中，双极板组21、22、23、24、25、26中的每一个双极板组均包括有四片双极板14，但在实际应用上，设计者可依需要而改变电池中双极板组数目或双极板组中双极板的数目。在该实施例中，为便于说明，特省略所有薄膜电极组、防漏垫片及设在双极板表面的凹槽，但这些省略的元件均是本发明实施例中不可缺少的元件。
如图1所示，将导引杆60穿过上述叠置排列在一起的第一双极板组21、第二双极板组22、第三双极板组23、第四双极板组24、第五双极板组25及第六双极板组26中位于同轴线上穿孔28，使各双极板组串接在一起，之后再在外侧依序串接电流集流器12、13及端板10、11，使导引杆60的两端头都露出在端板10、11之外。
前述第一双极板组21由四片如图3所示的双极板14以垂直、竖立方式排列组成。该双极板14除具有相同于传统PEM燃料电池中的一对穿孔28、气体入口18A、18B及气体出口19A、19B之外，主要是在其四方形双极板的左侧边分别向外延伸有两个键32及在相对的右侧边也向外延伸有两个键32，并在每一个键32上均设有一个穿孔33，利用双极板14可构成第一双极板组21。至于第三双极板组23与第五双极板组25的构成，与第一双极板组21相同。另外，在双极板14上位于同一侧的两个键32也可合并成一个键32，如图5所示。
第二双极板组22类似于第一双极板组21，但该第二双极板组22的键32是错开与第一双极板组21的键32，如图4所示，至于第四双极板组24及第六双极板组26的构成，与第二双极板组22相同。
由于串接的各双极板组在同一方向上的键32的穿孔33都位于同一轴向上且分别各自对准在端板10、11上所设的穿孔，因此每一螺杆16即可穿过端板10、11及位于端板10、11间的每一双极板组的键32，最后借助于锁上螺帽17在各螺杆16的两端头，从而将端板10与11、电流集流器12及各双极板组压制、锁接成一体，如图1所示。
将前述气体入口18A接上氢气供给源、及气体入口18B接上氧气或空气供给源，本发明中PEM燃料电池1即可因反应而产生水及电力的运作，其原理相同于传统的燃料电池，在此不再赘述。
下面结合图1、图3、图4及图6，进一步说明本发明中应用键来更换损坏的薄膜电极组的方法。
当假设检查出位于第二双极板组22中间两片双极板14A、14B间的薄膜电极组为损坏而需要更新时，可利用本发明中的键32将欲锁定的双极板组21及23-26以适合长度的螺杆16A、16B及螺帽17加以锁定，借此以分离出包含有损坏的薄膜电极组的第二双极板组22，如图6所示，从而进行更换或修补。因此，损坏的薄膜电极组便可简单、迅速地被更换并重新组合，使PEM燃料电池得以重新正常操作。
以下接着说明本发明中的第二具体实施例如图7中所示的PEM燃料电池1不同于前述第一实施例中的地方是图7中的双极板是采用图4及图5中所示的双极板14及双极板14中的键除采用左右方向配置外，还采用上下配置的方式，由图7可知，本发明中的燃料电池具有多样的变化性。
接下来对本发明中的第三实施例进行具体说明如图8和图9所示，该PEM燃料电2与前述电池1的不同点在于图8中所示的燃料电池2是将多根螺杆16直接穿过端板10、第一至第六双极板组21-26(包含薄膜电极组及防漏垫片)及端板11，再利用对应数目的螺帽17将整个燃料电池2锁定成一体。由于金属螺杆16是直接穿过端板10、11及各双极板组，为防止短路，各螺杆16在其外部必须包覆有绝缘物质(图中未示出)。另外，当此型式中的端板10、11由金属材质制成时，可在其一侧边上分别加设一螺孔80、81，作为连接电流输出的导线之用，故此种型式的燃料电池2无须如同前述燃料电池1而设置电流集流器12、13。
进一步而言，图8中的PEM燃料电池2是借助于前述叠置排列在一起的第一双极板组21、第二双极板组22、第三双极板组23、第四双极板组24、第五双极板组25及第六双极板组26位于同轴线上的穿孔29，如图10所示，使各双极板组串接在一起之后再在外侧依序串接端板10、11，使导引杆60的两端头都露出在端板10、11之外，因此，每一螺杆16即可穿过端板10、11上所设对应的穿孔，最后将螺帽17锁合在各螺纹杆16的两端头，从而将端板10、11及各双极板组压制、锁接成一体。
下面依据图8、图9及图10来进一步说明利用本发明中的键来更换损坏的薄膜电极组的方法。
当假设检查出位于第三双极板组23中间两片双极板14A、14B间的薄膜电极组为损坏而需要更新时，可利用本发明中的键32将欲锁定的双极板组21、22及24-26以适合长度的螺杆16C、16D及螺帽17加以锁定，借此以分离出有损坏的薄膜电极组的第三双极板组23，如图10所示，并进行更换或修补。因此损坏的薄膜电极组便可简单、迅速地被更换并重新组合，使PEM燃料电池得以重新正常操作。
依据前述第一及第二具体实施例，借助于本发明中的键来拆卸燃料电池双极板组的程序，可归纳出下列更换损坏薄膜电极组的方法1.拆卸欲锁定双极板组的键的螺杆。
2.使用适当长度的螺杆及螺帽将欲锁定的双极板组固定。
3.拆卸剩余的螺杆及螺帽并分离包含损坏薄膜电极组的双极板组。
4.更换损坏的薄膜电极组。
前述各程序可视需要加以调整，本发明不予严格限制。在完成损坏的薄膜电极组的更新后，反向前述拆卸程序，即可达到重新组合的目的。
依据前述第三具体实施例，借助于本发明中的键来拆卸燃料电池双极板组的程序，可归纳出下列更换损坏薄膜电极组的方法1.使用适当长度的螺杆及螺帽将无须更换薄膜电极组的双极板组固定。
2.拆卸原先存在的螺杆及螺帽并分离出包含有损坏薄膜电极组的双极板组。
3.更换损坏的薄膜电极组。
前述各程序可视需要加以调整，本发明不予严格限制。在完成损坏的薄膜电极组更新后，反向前述拆卸程序，即可达到重新组合的目的。
每一双极板组的双极板数量也可因应使用者瓦特数的需求而有不同的变化。当双极板组的双极板数量越多而越厚时，借用螺杆及螺帽锁定的压力就越大，从而使双极板组受到高压力而压制。
前述各键的位置相当重要，在前述各实施例中，借助于多个键的设计可使压力分散至整个双极板而不会只存在于某单一键的区域。因此，每个双极板所具有的大小、位置及数目，可视设计者的需求而定，例如，双极板14可进一步如图11所示而呈六角形体，该双极板14至少设有两个向外延伸的键32，且每一键32具有至少一个穿孔33；或者，双极板14可如图12所示呈八角形，且至少设有两个向外延伸的键32，且每一个键32至少具有一个穿孔33。
前述各种状态的双极板的键的位置是用于平衡压力，当更换损坏的双极板时，施在该键的压力越高，双极板就越能获得固定。
前述双极板所设的键不会影响燃料电池的性能，而且双极板所设的键如同鳍片般地具有散热功能，可在燃料电池运作期间增进热交换，进一步将热度释放至周围空气中，有助于保持燃料电池内部的温度操作范围。
前述更换PEM燃料电池薄膜电极组的方法，在双极板组数量增加时，更加突出可节省大量的更换时间。
前述更换PEM燃料电池薄膜电极组的方法，可提供最终使用者到场服务而不需将整个燃料电池送回工厂维修。
本发明并不限定端板材质，当端板为金属材质时，可配置电流集流器，但也可不须配置电流集流器。当端板为非金属材质时，电流集流器为必备的元件。同时，本发明也不限定双极板中键的数量或双极板的几何形状。凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰均应认为落入本发明中的保护范围。
权利要求
1.一种PEM燃料电池，主要包含有一对具有多个可供锁定装置穿设的穿孔的端板、至少两组双极板组及数个用于锁定一对端板及至少两组双极板组的锁定装置，其中，每一个双极板组包含有若干双极板、薄膜电极组及防漏垫片，所述双极板组设在所述端板之间，其特征在于所述双极板至少为两种不同型式的双极板且每一个双极板的侧边至少向外延伸有一个键，且该健至少具有一个穿孔，并且所述各双极板组的键为错开设置。
2.根据权利要求1中所述的PEM燃料电池，其特征在于所述端板、双极板、薄膜电极组及防漏垫片进一步设有可供导引杆穿设的穿孔。
3.根据权利要求1中所述的PEM燃料电池，其特征在于所述锁定装置为螺杆及螺帽或其他具有类似功能的装置。
4.根据权利要求1中所述的PEM燃料电池，其特征在于所述端板由金属材质制成，则该端板直接为电流集流器。
5.根据权利要求1中所述的PEM燃料电池，其特征在于所述端板由非金属材质制成，由在该端板与邻接端板的双极板组之间设有电流集流器。
6.根据权利要求1中所述的PEM燃料电池，其特征在于所述一对端板分别设有气体入口及气体出口。
7.一种用于燃料电池的双极板，其特征在于该双极板至少在其两侧边向外延伸有一个键，该键至少具有一个穿孔。
8.一种更换PEM燃料电池薄膜电极组的方法，至少包括有拆卸欲锁定双极板组的键的螺杆；使用适当的锁定装置将欲锁定的双极板组固定；拆卸剩余的锁定装置并分离包含损坏的薄膜电极组的双极板组；及更换损坏的薄膜电极组。
9.根据权利要求8中所述的更换PEM燃料电池薄膜电极组的方法，其特征在于所述方法也适用于更换PEM燃料电池中损坏的双极板或防漏垫片。
10.一种更换PEM燃料电池薄膜电极组的方法，至少包括有使用适当的锁定装置将无须更换薄膜电极组的双极板固定；拆卸原先存在的锁定装置并分离包含损坏的薄膜电极组的双极板组；及更换损坏的薄膜电极组。
11.根据权利要求10中所述的更换PEM燃料电池薄膜电极组的方法，其特征在于所述方法也适用于更换PEM燃料电池中损坏的双极板或防漏垫片。
全文摘要
本发明公开了一种具有键的双极板，该双极板至少在其两侧边设有键，且在键上设有穿孔。该双极板、薄膜电极组及防漏垫片是构成双极板组的单元，且在双极板的至少一表面上附着有薄膜电极组，当任何双极板组中的薄膜电极组损坏需更新时，利用其他双极板组的键并用螺杆分段锁定，从而分离出含有损坏薄膜电极组的双极板组。本发明进一步提供了一种PEM燃料电池，该燃料电池具有多个双极板组，且每一双极板组由若干片具有键的双极板、薄膜电极组及防漏垫片构成。本发明更提供了一种更换PEM燃料电池双极板的方法，可快速、安全的拆卸、修理或更换燃料电池中损坏的薄膜电极组，从而简化重新组合PEM燃料电池的程序。
文档编号H01M8/02GK1459885SQ0212029
公开日2003年12月3日 申请日期2002年5月16日 优先权日2002年5月16日
发明者何建宪, 瑟维凯·范瑟皮拉, 陈英彦 申请人:台湾神户电池股份有限公司