具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构及燃料电池的制作方法

本发明是关于一种具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，尤其是指一种适用于燃料电池的金属双极板结构，可有效使燃料电池内的燃料气体、氧化剂，以及冷却剂等均匀分布于特定的气体流道面，并进一步配置有创新设计的密封件，能完整密封燃料电池间的空隙，避免燃料气体与氧化剂泄漏，提升密封完整性，以达到提升金属双极板的耐腐蚀性能、机械强度，以及燃料电池的使用寿命。

背景技术：

由于传统石化能源已渐渐耗尽，且石化能源的利用容易对生态环境产生重大的冲击，因此，发展低污染且具高发电效率的能源利用方式，已成为各国政府最重要的课题；在各种已发展的新能源利用方式中，较常见的有太阳能电池、生化能源，以及燃料电池等，其中燃料电池约60％的高发电效率与低污染性，使其备受瞩目；燃料电池为一种直接将化学能转换为电能的发电装置，所使用的燃料可以是甲醇、乙醇、氢气或其他碳氢化合物，再通过氧气作为氧化剂以产生电能，而在此电化学反应过程中则会生成水为反应副产物；与传统发电方式比较，燃料电池具有低污染、低噪音，以及高能量转换效率等优点，且由于燃料电池直接由燃料氧化产生电能，因此其放电电流可以随着燃料供应量增加而增大，且只要持续供给燃料及氧气，便可持续发电，因此没有电力衰竭及充电的问题，而成为极具前瞻性的干净能源。

基本上，燃料电池主要是由一薄膜电极组(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)及电极板所构成，薄膜电极组为燃料电池的核心，作为电化学反应的功用，而电极板影响燃料电池商业化的关键因素之一，电极板的材料、流场结构或加工成本等均存在许多亟待解决的问题；公用的电极板材料主要有石墨、复合碳材与金属基材，针对石墨与复合碳材形成的电极板而言，虽具有导电性与耐腐性的优点，然而其工艺复杂、耗费工时，且以该等材料制成的电极板厚度无法低于3毫米，不利于燃料电池的微型化；而对于金属基材所形成的电极板而言，虽具有厚度薄、质量轻，可缩减燃料电池体积及质量等优点，然而由于燃料电池的燃料通过电极板的流道进行运输，因此流道的运输能力直接影响燃料电池的产电效能。

然而，由于燃料电池所使用的燃料与氧化剂为氢气与氧气的气体形式，而冷却液则为液体形式，因此，当燃料、氧化剂，以及冷却液在阳极电极板与阴极电极板等双极板的流道流动时，必须使用密封件(seal)密封薄膜电极组与两个双极板间的间隙，以避免燃料、氧化剂，以及冷却液泄漏。

另外，传统的阳极电极板或阴极电极板设计上气体流道与气体进出口直接相通，因此在与传统的密封件组装时，进出口端必须额外贴合一金属片作为补强，以能够乘载阳极与阴极的电极板组合时产生的压合力道，避免损坏的风险，然而，此方法却使组装过程更加复杂，亦会增加组装不良而泄漏的机会，因此，减少传统密封件于组合上的缺失即是目前燃料电池的双极板结构所要改善的方向。

现在，发明人鉴于上述的传统密封件于实际实施与应用时仍存在有诸多缺失，于是本着孜孜不倦的精神，并通过其丰富的专业知识及多年的实务经验所辅佐，而加以改善，并据此研发出本发明。

技术实现要素：

本发明目的为提供一种具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，尤其是指一种用于密封燃料电池的阳极电极板与阴极电极板等双极板的垫片结构，有效填补薄膜电极组与阳极电极板与阴极电极板等双极板间的空隙，达到避免燃料气体与氧化剂的泄漏，确保薄膜电极组位置的稳定。

为了达到上述实施目的，本发明提供一种具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，其至少包括有一阳极电极板，以及一阴极电极板；阳极电极板具有以冲压加工成型的第一气体流道面与设置于第一气体流道面两侧端的第一入口部与第一出口部，其中第一入口部与第一出口部以阳极电极板的中心呈中心对称设置；第一气体流道面具有多条第一流道以供氢气流动，其中氢气由第一入口部的一氢气入口端进入，并经由一氢气进气歧道流入第一流道后，经由一氢气排气歧道排出至第一出口部的一氢气出口端；其中第一入口部设有一冷却剂进入歧道以及一氧气入口端；第一出口部设有一冷却剂流出歧道以及一氧气出口端；阴极电极板具有以冲压加工成型的第二气体流道面与设置于第二气体流道面两侧端的第二入口部与第二出口部，其中第二入口部与第二出口部以阴极电极板的中心呈中心对称设置；第二气体流道面具有多条第二流道以供氧气流动，其中氧气由第二入口部的一氧气入口端进入，并经由一氧气进气歧道流入第二流道后，经由一氧气排气歧道排出至第二出口部的一氧气出口端；其中第二入口部设有一冷却剂进入歧道以及一氢气入口端；第二出口部设有一冷却剂流出歧道以及一氢气出口端；一第一密封件，具有三个隔间组成的一第一密封结构，并相对应设于阳极电极板，且第一密封结构将阳极电极板的第一入口部、第一出口部、以及气体流道面彼此隔离，第一密封结构与第一入口部叠合处形成第一引流凹槽以提供引流氢气；以及一第二密封件，具有三个隔间组成的一第二密封结构，并相对应设于阴极电极板，且第二密封结构将阴极电极板的第二入口部、第二出口部、以及气体流道面彼此隔离，第二密封结构与第二入口部叠合处形成第一引流凹槽以提供引流氧气。

如上所述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，第一密封件的材料选自铁氟龙或射出成型的树脂材料。

如上所述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，第一密封件的厚度介于0.4毫米至0.8毫米之间。

如上所述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，第二密封件的材料选自铁氟龙或射出成型的树脂材料。

如上所述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，第二密封件的厚度介于0.4毫米至0.8毫米之间。

如上所述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，阳极电极板与阴极电极板间以焊接方式达到第一流道与第二流道的密封。

如上所述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，焊接方式为激光焊接。

本发明还提供一种燃料电池，依据上述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构中的一阳极电极板与一阴极电极板而焊接的两组双极板、一第一密封件、以及一第二密封件分别设置于薄膜电极组(MEA)的两侧端，两组双极板反转相对设置，两组双极板间依序设置有第一密封件、薄膜电极组以及该第二密封件，以形成一燃料电池单元，且将多个燃料电池单元串接，以形成一燃料电池。

如上所述的燃料电池，第一密封件设置于双极板的阳极电极板的一端，第二密封件设置于双极板的阴极电极板的一端。

借此，本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构通过设置在阳极电极板与阴极电极上，且以铁氟龙薄板切割成型或树脂材料射出成型的第一密封件与第二密封件，以填补薄膜电极组与阳极、阴极金属双极板间的空隙，达到避免燃料气体与氧化剂的泄漏，确保薄膜电极组位置的稳定；此外，本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构将冷却液流道部分直接使用激光焊接法以达到第一流道与第二流道的密封，阳极与阴极金属双极板接合的外圈接触面为焊接处，当气体出入口与两金属双极板外框焊道完成时，就可达到密封目的，避免冷却液体的泄漏，并具有支撑以加强整体电池结构的作用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的阳极电极板结构俯视图；

图2：本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的阴极电极板结构俯视图；

图3：本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的燃料电池单元堆栈示意图；

图4：本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的引流凹槽剖面示意图；

图5：本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的燃料电池单元剖面示意图。

附图标号说明：

1阳极电极板 11第一气体流道面

111第一流道 112氢气进气歧道

113氢气排气歧道 12第一入口部

121氢气入口端 122冷却剂进入歧道

123氧气入口端 124第一引流凹槽

13第一出口部 131氢气出口端

132冷却剂流出歧道 133氧气出口端

14第一密封件 141第一密封结构

2阴极电极板 21第二气体流道面

211第二流道 212氧气进气歧道

213氧气排气歧道 22第二入口部

221氢气入口端 222冷却剂进入歧道

223氧气入口端 224第二引流凹槽

23第二出口部 231氢气出口端

232冷却剂流出歧道 233氧气出口端

24第二密封件 241第二密封结构

3燃料电池单元 31薄膜电极组

32双极板

具体实施方式

本发明的目的及其结构设计功能上的优点，将依据以下图面所示的较佳实施例予以说明，以对本发明有更深入且具体的了解。

首先，请参阅图1、图2所示，为本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的阳极电极板结构俯视图，以及阴极电极板结构俯视图，其中本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构至少包括有：

一阳极电极板1，具有以冲压加工成型的第一气体流道面11与设置于第一气体流道面11两侧端的第一入口部12与第一出口部13，其中第一入口部12与第一出口部13呈二次镜面翻转对称，即第一入口部12与第一出口部13以阳极电极板1的中心呈中心对称设置；第一气体流道面11具有多条第一流道111以供氢气流动，其中氢气由第一入口部12的一氢气入口端121进入，并经由一氢气进气歧道112流入第一流道111后，经由一氢气排气歧道113排出至第一出口部13的一氢气出口端131；其中第一入口部12设有一冷却剂进入歧道122以及一氧气入口端123；第一出口部13设有一冷却剂流出歧道132以及一氧气出口端133；此外，阳极电极板1由金属材质所制成，最佳的金属材质为不锈钢板，板材厚度介于0.1mm～0.2mm之间，最佳为0.15mm，而阳极电极板1的总面积为202.7cm²，流道伸度为0.5mm，流道宽度为1mm，总反应面积为132cm²；

一阴极电极板2，具有以冲压加工成型的第二气体流道面21与设置于第二气体流道面21两侧端的第二入口部22与第二出口部23，其中第二入口部22与第二出口部23呈二次镜面翻转对称，即第二入口部22与第二出口部23以阴极电极板2的中心呈中心对称设置；第二气体流道面21具有多条第二流道211以供氧气流动，其中氧气由第二入口部22的一氧气入口端223进入，并经由一氧气进气歧道212流入流道后，经由一氧气排气歧道213排出至第二出口部23的一氧气出口端233；其中第二入口部22设有一冷却剂进入歧道222以及一氢气入口端221；第二出口部23设有一冷却剂流出歧道232以及一氢气出口端231；此外，阴极电极板2由金属材质所制成，最佳的金属材质为不锈钢板，板材厚度介于0.1mm～0.2mm之间，最佳为0.15mm，而阴极电极板2的总面积为202.7cm²，流道伸度为0.5mm，流道宽度为1mm，总反应面积为132cm²；

一第一密封件14，具有三隔间组成的一第一密封结构141，并相对应设于阳极电极板1，且第一密封结构141将阳极电极板1的第一入口部12、第一出口部13、以及第一气体流道面11彼此隔离，第一密封件14与第一入口部12的叠合处可以形成第一引流凹槽124，使外部的氢气能够被导入；再者，第一密封件14的材料选自铁氟龙或射出成型的树脂材料；此外，第一密封件14的厚度介于0.4毫米～0.8毫米之间；在本发明的一较佳实施例中，第一密封件14的材料以射出成型的树脂材料所构成，以利后续大量生产所需，而第一密封件14的厚度设计为0.6毫米；以及

一第二密封件24，具有三隔间组成的一第二密封结构241，并相对应设于阴极电极板2，且第二密封结构241将阴极电极板2的第二入口部22、第二出口部23、以及第二气体流道面21彼此隔离，与第二入口部22的叠合处可以形成第二引流凹槽224，使外部的氧气能够被导入；再者，第二密封件24的材料选自铁氟龙或射出成型的树脂材料；此外，第二密封件24的厚度介于0.4毫米～0.8毫米之间；在本发明的一较佳实施例中，第二密封件24的材料以射出成型的树脂材料所构成，以利后续大量生产所需，而第二密封件24的厚度设计为0.6毫米。

此外，阳极电极板1、阴极电极板2间或冷却液流道部分以焊接方式达到第一流道111与第二流道211的密封，最佳以激光焊接的方式达成，阳极电极板1与阴极电极板2接合的外圈接触面为焊接处，当气体出入口与两金属双极板外框焊道完成时，就可达到密封目的，避免冷却液体的泄漏，并具有支撑以加强整体电池结构的作用，因此其焊接质量至关重要，使用激光焊接的优势得以显现。

再者，请再参阅图3所示，为本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的燃料电池单元堆栈示意图，其中本发明进一步提供一种燃料电池，燃料电池由多个燃料电池单元3所串接而成，其中燃料电池单元3包括一公知的薄膜电极组31、两组双极板32、一第一密封件14，以及一第二密封件24，每一双极板32由一阳极电极板1及一阴极电极板2焊接，且两组双极板32相对设置，两双极板32间依序设置有第一密封件14、薄膜电极组31以及第二密封件24；此外，第一密封件14设置于双极板32的阳极电极板1的一端，第二密封件24设置于双极板32的阴极电极板2的一端。

请再一并参阅图4所示，为本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的引流凹槽剖面示意图，其中当阳极电极板1与阴极电极板2相对叠合时，燃料气体的氢气由氢气入口端121、221进入，再经由氢气进气歧道与下方的阴极电极板2间的间隙进入阳极电极板1的第一气体流道面11，图4中的黑色箭头所示的路径即为燃料气体的氢气所行进的路线。

再者，如图5所示，为本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构其一较佳实施例的燃料电池单元剖面示意图，此为氧气入口端123、223的部分，阳极电极板1与阴极电极板2叠合后的双极板32，其中供气体流通的第一流道111与第二流道211中的箭号即为表示氧气从入口端进入后的流动方向，而第一密封件14及第二密封件24则会完整密合，以防止气体泄漏。

根据上述的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构于实际实施时，首先，本发明的阳极电极板1与阴极电极板2以金属材质制成，最佳的金属材质为不锈钢板，不锈钢板的板材厚度介于0.1mm～0.2mm之间，最佳为0.15mm，总面积为202.7cm²，流道伸度为0.5mm，流道宽度为1mm，总反应面积为132cm²，使用的加工方式利用冲压成型压出所要的气体流道；其中，阳极电极板1具有以冲压加工成型的第一气体流道面11与设置于第一气体流道面11两侧端的第一入口部12与第一出口部13，其中第一入口部12与第一出口部13呈二次镜面翻转对称，即第一入口部12与第一出口部13以阳极电极板1的中心呈中心对称设置；第一气体流道面11具有多条第一流道111以供氢气流动，其中氢气由第一入口部12的一氢气入口端121进入，并经由一氢气进气歧道112流入第一流道111后，经由一氢气排气歧道113排出至第一出口部13的一氢气出口端131；其中第一入口部12设有一冷却剂进入歧道122以及一氧气入口端123；第一出口部13设有一冷却剂流出歧道132以及一氧气出口端133；再者，阴极电极板2具有以冲压加工成型的第二气体流道面21与设置于第二气体流道面21两侧端的第二入口部22与第二出口部23，其中第二入口部22与第二出口部23呈二次镜面翻转对称，即第二入口部22与第二出口部23以阴极电极板2的中心呈中心对称设置；第二气体流道面21具有多条第二流道211以供氧气流动，其中氧气由第二入口部22的一氧气入口端223进入，并经由一氧气进气歧道212流入流道后，经由一氧气排气歧道213排出至第二出口部23的一氧气出口端233；其中第二入口部22设有一冷却剂进入歧道222以及一氢气入口端221；第二出口部23亦设有一冷却剂流出歧道232以及一氢气出口端231；

又第一密封件14，具有三个隔间组成的一第一密封结构141，并相对应设于阳极电极板1，且第一密封结构141将阳极电极板1的第一入口部12、第一出口部13、以及第一气体流道面11彼此隔离，第一密封件14与第一入口部12的叠合处可以形成第一引流凹槽124，使外部的氢气能够被导入；其中第一密封件14的材料以射出成型的树脂材料所构成，以利后续大量生产所需，而第一密封件14的厚度设计为0.6毫米；再者，第二密封件24，具有三个隔间组成的一第二密封结构241，并相对应设于阴极电极板2，且第二密封结构241将阴极电极板2的第二入口部22、第二出口部23、以及第二气体流道面21彼此隔离，与第二入口部22的叠合处可以形成第二引流凹槽224，使外部的氧气能够被导入；其中第二密封件24的材料以射出成型的树脂材料所构成，以利后续大量生产所需，而第二密封件24的厚度设计为0.6毫米。第一密封件14与第二密封件24叠合后必须比薄膜电极组(MEA)略厚，以承受封装压力的变形量，并可有效达到密封的状态。

最后，实际应用的燃料电池将多个燃料电池单元3串接，以形成一燃料电池，获得足够发电功率，于燃料电池单元3中，由一阳极电极板1及一阴极电极板2焊接成双极板32，互相贴合的阳极电极板1的第一气体流道面11与阴极电极板2的第二气体流道面21交错形成多个空缺，而空缺形成供冷却剂流通的冷却剂流道，亦即利用阳极电极板1的第一气体流道面11与阴极电极板2的第二气体流道面21的背面，也就是阳极电极板1与阴极电极板2的外侧，当阳极电极板1与阴极电极板2的外侧互相叠合时，电极板与电极板接触的地方会产生阻隔，非接触的空缺则产生通道提供冷却剂的液体流动，即是所谓的冷却剂流道，阳极电极板1与阴极电极板2叠合后产生的栅格状空间可以善加运用成为冷却剂流通的通道，而冷却剂流场希望尽可能达到最大面积来提升冷却效果，同时接点处也必须够多以承受燃料电池压迫组装的压力，因此阳极电极板1与阴极电极板2等金属双极板具有灵活与细腻的设计，可同时满足冷却需求与提供较高的重量功率密度；再者，制作一燃料电池单元3，取两组贴合后的双极板32、一第一密封件14，以及一第二密封件24，将两组双极板32相对设置，两双极板32间依序设置有第一密封件14、薄膜电极组31以及第二密封件24；此外，第一密封件14设置于双极板32的阳极电极板1的一端，第二密封件24设置于双极板32的阴极电极板2的一端，而多个燃料电池单元3串接即可形成一燃料电池；其中，第一密封件14与第二密封件24叠合后必须比薄膜电极组31(MEA)略厚，以承受封装压力的变形量，并可有效达到密封的状态，且第一密封件14及第二密封件24能完整密封燃料电池间的空隙，避免燃料气体与氧化剂泄漏，提升密封完整性；而第一密封件14与第二密封件24除了能够提升密封的完整性，与双极板32叠合时，相对应的第一入口部12或第二入口部22会形成第一引流凹槽124及第二引流凹槽224，让外部的气体得以被引入进行反应。

由上述的实施说明可知，本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构与现有技术相较之下，本发明具有以下优点：

1.本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构通过设置在阳极电极板与阴极电极上，且以铁氟龙薄板切割成型或树脂材料射出成型的第一密封件与第二密封件，以填补薄膜电极组与阳极、阴极金属双极板间的空隙，达到避免燃料气体与氧化剂的泄漏，确保薄膜电极组位置的稳定，相较于传统的密封件组装时，进出口端必须额外贴合一金属片作为补强，使组装过程更加复杂，亦会增加组装不良而泄漏的机会，本发明能更简化组装过程及提升密封完整性，并达到良好的机械强度，能提升燃料电池的使用寿命。

2.本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构所使用的第一密封件与第二密封件与双极板叠合时，相对应的第一入口部或第二入口部会形成引流凹槽，以提供气体的流入，取代先前气体流道与气体进出口直接相通的部分，且相较之下，更降低了泄漏的可能。

3.本发明的具有引流凹槽的燃料电池双极板进气结构，将冷却液流道部分直接使用激光焊接法以达到流道的密封，阳极与阴极金属双极板接合的外圈接触面为焊接处，当气体出入口与两金属双极板外框焊道完成时，就可达到密封目的，避免冷却液体的泄漏，并具有支撑以加强整体电池结构的作用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。