质子交换膜燃料电池的金属双极板的制作方法

本发明是揭露一种燃料电池，特别是有关于一种质子交换膜燃料电池的金属双极板。

背景技术：

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池主要由膜电极(mea)和双极板构成，其中膜电极是燃料电池的核心，双极板是电池的重要组成部份，在燃料电池中起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用。双极板的种类有很多种，通常采用的双极板为机械加工石墨双极板，其技术比较成熟，但加工费用昂贵，主要应用在实验室内的实验研究。目前来说，燃料电池双极板的研究主要集中在柔性石墨双极板(及注塑石墨双极板)、金属双极板及复合式双极板。由于金属材料具有导电、导热性好、机械强度高、容易薄片化、易加工处理等优点成为燃料电池双极板材料之一。

在现有技术中，金属双极板是利用冲压的方式在钛金属板上加工出沟槽结构，这些沟槽结构即构成阳极板及阴极板的流场，其流场的形式多半为直线型或是单通道蛇行流场，当燃料气体及氧化剂气体进入双极板的气道入口之后与双极板上的催化剂反应，由于在阳极板及阴极板的流场的为直线型或是单通道蛇型的设计，以致于燃料气体及氧化剂气体滞留在沟槽所形成的流场上的时间不足以让燃料气体及氧化剂气体与双极板上的催化剂完全反应，造成燃料气体及氧化剂的反应速率不高，而降低整个燃料电池的效能。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的金属双极板，其中金属双极板结构由第一金属板及第二金属板构成，于第一金属板上具有由l型结构及倒l型结构依序排列设置或是交错排列设置所构成的第一沟槽，通过l型结构及倒l型结构结构来增加第一沟槽的距离以增加燃料气体在第一金属板上与催化剂的反应时间，使得燃料气体能与在第一金属板上的催化剂完全反应、并且能够反应均匀，以提高整个燃料电池的反应速率并增加燃料电池的使用效能。

本发明的另一目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的金属双极板结构，其中金属双极板的第二金属板上具有以l型波浪凹凸状及倒l型波浪凹凸状依序排列设置或是l型波浪凹凸状及倒l型波浪凹凸状交错排列设置的第二沟槽。

根据上述目的，本发明揭露一种质子交换膜燃料电池的金属双极板，其中金属双极板包括第一金属板及第二金属板，在第一金属板及第二金属板上分别有金属框、在第一金属板及第二金属板的金属框的上下两侧分别设有相对应的三个通道，其中，上方的燃料气体通道与下方的燃料气体通道为斜对角设置并相互对应、上方的氧化剂气体通道与下方的氧化剂气体通道为斜对角设置并相互对应、上方的冷却介质通道设置在上方燃料气体通道及氧化剂气体通道之间以及下方的冷却介质通道设置在下方的燃料气体通道及下方的氧化剂气体通道之间，且当第一金属板与第二金属板面对面设置时，第一金属板与第二金属板上方及下方的燃料气体通道、冷却介质通道开孔及氧化剂气体通道开彼此相互对应，第一金属板上的金属框内具有由多条第一沟槽构成的第一流场，每一条第一沟槽的一端与在第一金属板的金属框上方的燃料气体通道连接，及每一条第一沟槽的另一端与在第一金属板的金属框下方的燃料气体通道连接，其中第一沟槽由l型结构及倒l型结构依序排列设置或是由l型结构及倒l型结构交错排列设置；以及第二金属板上的金属框内具有由多条第二沟槽构成的第二流场，每一条第二沟槽的一端与在第二金属板的金属框上方的氧化剂气体通道连接，及每一条第二沟槽的另一端与在第二金属板的金属框下方的冷却介质通道连接，其中第二沟槽为波浪凹凸结构，藉由l型结构、倒l型结构以及波浪凹凸结构，来增加燃料气体以及氧化剂气体分别滞留在第一沟槽及第二沟槽上的时间，以增加在第一金属板上，燃料气体与催化剂的反应时间以及在第二金属板上，氧化剂气体与催化剂的反应时间，使得燃料气体能与在第一金属板上的催化剂完全反应以及氧化剂气体能与在第二金属板上的催化剂完全反应、并且能够同时达到反应均匀，以提高整个燃料电池的反应速率并增加燃料电池的使用效能。

附图说明

图1是根据本发明所揭露一实施例的金属双极板的截面示意图。

图2是根据本发明所揭露一实施例的金属双极板在第一金属极板上的第一沟槽的俯视图。

图3是根据本发明所揭露一实施例的金属双极板的第二金属极板的俯视图。

图4是图3的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本发明，在此配合所附的图式、具体阐明本发明的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进一步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本发明特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。

首先请参考图1。图1表示本发明一实施例的质子交换膜燃料电池的金属双极板的结构示意图。在图1中，金属双极板1由第一金属板10及第二金属板20所组成。第一金属板10及第二金属板20中具有金属框102、202，其中在第一金属板10的金属框102的上下两侧分别设置有第一通道121、122、第二通道道141、142及第三通道161、162，其分别为燃料气体通道121、122、氧化剂气体通道141、142及冷却介质通道161、162。在本发明的一实施例中，燃料气体为氢气(h2)、氧化剂气体为空气(air)以及冷却介质为水。为了说明方便也能够理解，在以下说明中则是以燃料气体通道121、122、氧化剂气体通道141、142及冷却介质通道161、162来表示第一通道121、122、第二通道道141、142及第三通道161、162。

要说明的是，燃料气体通道121与燃料气体通道122以斜对角相对设置、氧化剂气体通道141与氧化剂气体信道142也呈斜对角方式设置、冷却介质信道161及冷却介质通道162则是分别设置在燃料气体通道121、122及氧化剂气体通道141、142之间。在第二金属板20上的燃料气体通道221、222、氧化剂气体通道241、242及冷却介质信道261、262也是相同的设置方式在此不多加陈述。另外，当第一金属板10与第二金属板20结合时，在第一金属板10的金属框102上方的燃料气体通道121、氧化剂气体通道141及冷却介质通道161与第二金属板20的金属框202上方的燃料气体通道221、氧化剂气体通道241及冷却介质通道261相互对应，及在第一金属板10的金属框102下方的燃料气体通道122、氧化剂气体通道142及冷却介质通道162分别与第二金属板20的金属框202下方的燃料气体通道222、氧化剂气体通道242及冷却介质通道262彼此对应。

在本发明的实施例中，第一金属板10及第二金属板20的基材包括不锈钢、钛材、钛合金材、铝材或是铝合金材。第一金属板10及第二金属板20的厚度范围为0.5mm-0.9mm。且第一金属板10与第二金属板20以焊接方式结合。于另一实施例，第一金属板10与第二金属板20采用密封橡胶密封，此密封橡胶可以是聚对苯二甲酸乙二酯(pet,polyethyleneterephthalate)或是聚萘二甲酸乙二醇酯(pen,poly(ethylenenaphtalate))，通过热融或粘合的方式，使第一金属板10、密封橡胶和第二金属板20形成一体，起到密封作用。

另外要说明的是，本发明主要是针对金属双极板来说明，而金属双极板中还包括有水路密封件、氧化剂气体密封件及质子交换膜等结构的材料及其功能并不在本发明所讨论的范围内，因此，不在说明书中多加陈述。

接着请参考图2。图2表示本发明所揭露的一实施例中，在第一金属板上的第一沟槽的俯视图。在图2中，在第一金属板10的金属框102内具有由多条第一沟槽182所构成的第一流场18，在此，第一流场18的流场结构采用l型结构或是倒l型结构，其设置的方式可以是将l型结构与倒l型结构依序排列、或是将l型结构与倒l型结构以交错排列的方式设置，其排列形式并不在此限制。要说明的是，将多条第一沟槽182以l型结构或是倒l型结构的方式设置在第一金属板10上做为第一流场18的目的在于，由于现有技术中的流场多为直线形结构，因此当燃料气体进入由直线形结构组成的流场之后，其燃料气体滞留在流场的时间很短，使得燃料气体无法与沟槽上的催化剂完全反应，而造成质子交换膜燃料电池的效能不佳。

因此，为了要解决燃料气体在流场中的时间过短而无法与催化剂完全反应的问题，在本发明中，先将在第一金属板10上下两侧原本相对设置(或是称平行设置)的燃料气体信道，以斜对角的方式设置，因此，为了要与两侧的燃料气体通道121、122枢接，在本发明中，将直线形结构的沟槽改为l型结构或是倒l型结构，藉由l型结构及/或倒l型结构的第一沟槽182来延长燃料气体在第一沟槽182上的滞留时间，而燃料气体也可以在l型结构及/或倒l型结构的第一沟槽182上混合均匀、并且燃料气体有足够的时间与在第一流场18的每一条第一沟槽182上的催化剂完全完全，藉以提升质子交换膜燃料电池的效能。另外，更进一步来说，每一条第一沟槽182与在第一金属板10的金属框102上下两侧的燃料气体信道121、122以阶梯状方式枢接，也就是说在第一沟槽182与燃料气体信道121、22的信道口枢接时，有一段结构为阶梯结构(未图中表示)，此阶梯结构是为了方便将第一沟槽182与燃料气体信道121、22的信道口进行枢接所设计的。

接着，请同时参考图3及图4。图3表示本发明所揭露的一实施例中，在第二金属板上的第二沟槽的俯视图，图4表示图3的局部放大示意图。

在图3及图4中，在第二金属板20的金属框202内具有由多条第二沟槽282所构成的第二流场28，在此第二流场28的流场结构采用波浪凹凸结构2822。而第二流场28与第一流场18的设计的概念相同，也是为了要解决氧化剂气体在第二流场的时间过短，藉由波浪凹凸结构2822来延长氧化剂气体在第二流场28的时间，而能够与第二流场28的每一条第二沟槽282上的催化剂完全反应，藉以提升质子交换膜燃料电池的效能。

要说明的是，构成第二流场28的每一条第二沟槽282的波浪凹凸结构2822的高度h为0.2mm-0.6mm、较佳的高度为0.3mm-0.5mm、较优选的高度为0.2mm-0.4mm，在此，所指的高度是以第二沟槽282的波浪凹凸结构2822、所凸出的最高点至第二金属板20的表面来计算，而在本发明的一实施例中，每一条第二沟槽282上的波浪凹凸结构2822的高度可以相同或是不同。于本发明的另一实施例中，相邻两条的第二沟槽282上的波浪凹凸结构2822的高度也可以相同或是不同，其目的都是为了要让氧化剂气体能够有足够的时间可以滞留在第二流场28上，而与催化剂完全反应。

另外，在本发明中，构成第一流场18的相邻两条第一沟槽182及构成第二流场28的相邻两条第二沟槽282之间的距离为0.2mm-0.4mm。

因此，综合以上所述，本发明利用l型结构及/或倒l型结构的第一沟槽182、波浪凹凸结构2822的第二沟槽282来分别延长燃料气体在第一沟槽182及氧化剂气体在第二沟槽282上的滞留时间，而燃料气体及氧化剂气体也可以分别在l型结构及/或倒l型结构的第一沟槽182及波浪凹凸结构2822的第二沟槽282上混合均匀、并且使得燃料气体有足够的时间与在第一流场18的每一条第一沟槽182上的催化剂以及氧化剂气体有足够的时间与在第二流场28的每一条第二沟槽282上的催化剂完全反应，藉以提升质子交换膜燃料电池的效能。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明之权利要求；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围中。