集成式燃料电池端板的制作方法

1.本发明有关于一种燃料电池端板，特别是涉及一种可直接将热传导至氢泵的集成式燃料电池端板。


背景技术：

2.燃料电池主要是通过添加燃料并使其进行电化学反应以转换为电能，依据电解质的种类，大致上可将燃料电池分类为质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)、碱性燃料电池(alkaline fuel cell，afc)、磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell，pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，mcfc)与固态氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)，其中，质子交换膜燃料电池具有工作温度低、能量转换效率高等诸多优点，在车辆、移动电源等设备都有广阔的应用前景。
3.然而，质子交换膜燃料电池在运作时，会不断地从流道向催化剂层供应燃料和氧化剂，同时排出产物水，在低于冰点以下，所产生的水会在质子交换膜燃料电池的多孔层、流道及其他部件内发生结冰的现象。举例来说，为阳极气体回流端发生结冰的问题，现有技术多以额外供电的方式以驱动一加热器来提供足够的热能，以使阳极气体回流端的各部件在启动及后续操作的整个流程中，均可获得足够的热能以避免发生结冰的情形。但如此的操作，不但需要足够空间以设置加热器，且还需额外提供电能予加热器。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种集成式燃料电池端板，利用其本身的材质与结构设计，使燃料电池在操作的过程中所产生的热能，能够有效地传导至与其连接的氢泵及液气分离器，因此在燃料电池启动后，则无需再提供额外的电能以驱动加热器，即可达到融冰的效果。
5.本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池端板，由于氢泵与液气分离器在空间配置上相当邻近于集成式燃料电池端板，因此可提供更多的空间给本体另一侧的电堆使用，进而提升产电的能量密度。
6.本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池端板，其本体为密封氢泵的转子部，使电堆在进行操作时所产生的热能能够直接传导至转子部的内部。
7.本发明的目的在于提供一种集成式燃料电池端板，其还可在集成式燃料电池端板与氢泵之间额外设置一加热元件以在燃料电池冷启动时，辅助地提供热能，而一旦在燃料电池启动后，该加热元件即可停止作动，改为仅通过集成式燃料电池端板直接且持续地传导来自电堆的热能。
8.为了达到上述目的及功效，本发明提供一集成式燃料电池端板，其连接一电堆、一氢泵及一液气分离器，其中，氢泵包含一转子部及一马达部，转子部及马达部沿第一方向相邻设置，转子部外包覆有一壳体，壳体具有一开口，而本发明的集成式燃料电池端板包含一本体及一热传区域，其中，热传区域位于本体且对应连接于转子部的壳体的开口，利用本体
以密封转子部的开口。
9.在所述的集成式燃料电池端板，其中，本体的整体及热传区域的至少其一的材质选自于金属材料、含金属的复合材料、合金材料、含合金的复合材料、碳系材料、含碳的复合材料及上述材料的组合。
10.在所述的集成式燃料电池端板，其中，本体选择性地与阳极气体输入部及阳极气体输出部的至少其一为一体成型。
11.在所述的集成式燃料电池端板，其中，开口的法线方向实质地平行于第一方向。
12.在所述的集成式燃料电池端板，其中，热传区域与转子部的壳体的开口之间设置一板以密封开口，且该板的材质选自于高分子材料、金属材料、合金材料、碳系材料及上述材料的组合。
13.在所述的集成式燃料电池端板，其中，转子部的壳体外设置一加热元件。
14.在所述的集成式燃料电池端板，其还包含至少一阳极气体输入部以及至少一阳极气体输出部，其中，阳极气体输入部包含一输入开口及一输入管道，输入开口位于本体，输入管道对应位于输入开口并延伸自本体，且输入管道连接氢泵的一阳极气体排出口；阳极气体输出部包含一输出开口及一输出管道，输出开口位于本体，输出管道对应位于输出开口并延伸自本体，且输出管道连接液气分离器。
15.在所述的集成式燃料电池端板，其中，热传区域、阳极气体输入部及阳极气体输出部的至少其一位于本体的同一表面。
16.在所述的集成式燃料电池端板，其中，热传区域与电堆位于本体的不同表面。
17.因此，与现有技术相较，本发明提供的集成式燃料电池端板利用其本身的材质与结构设计，使燃料电池在操作的过程中所产生的热能，能够有效地传导至与其连接的氢泵及液气分离器，因此在燃料电池启动后，则无需再提供额外的电能以驱动加热器，另外，为同时解决冷启动的问题，虽可选择性设置加热元件，但一旦在燃料电池启动后，该加热元件即可停止作动，因此，所述的加热元件的规格无需过为严苛，且更无需在燃料电池启动后仍持续地开启，改为仅通过集成式燃料电池端板直接且持续地传导来自电堆的热能。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明提供的集成式燃料电池端板的结构示意图；
20.图2a为本发明提供的集成式燃料电池端板与氢泵、液气分离器的结构示意图；
21.图2b为图2a提供的集成式燃料电池端板与氢泵、液气分离器的截面示意图；
22.图3为本发明提供的集成式燃料电池端板与加热元件、氢泵、液气分离器的截面示意图。
23.符号说明：
24.1-集成式燃料电池端板，11-本体，12-阳极气体输入部，121-输入开口，12a-输入管道，13-阳极气体输出部，131-输出开口，13a-输出管道，14-热传区域，2-电堆，3-氢泵，
31-转子部，311-开口，32-阳极气体排出口，33-壳体，4-液气分离器，5-加热元件。
具体实施方式
25.本发明所采用的技术手段及其构造，通过附图就本发明的较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利于完全了解。
26.首先，请同时参照图1及图2a所示，其中，图1为本发明提供的集成式燃料电池端板的结构示意图，图2a则为本发明提供的集成式燃料电池端板与氢泵、液气分离器的结构示意图。
27.在本实施例中，本发明提供的集成式燃料电池端板1包含一本体11、至少一阳极气体输入部12、至少一阳极气体输出部13及一热传区域14，其中，阳极气体输入部12包含一输入开口121及一输入管道12a，输入开口121位于本体11，输入管道12a对应位于输入开口121并延伸自本体11；阳极气体输出部13包含一输出开口131及一输出管道13a，输出开口131位于本体11，输出管道13a对应位于输出开口131并延伸自本体11；热传区域14位于本体11的其中一表面，且热传区域14对应连接于氢泵3的转子部31的壳体33的开口311，利用本体11以密封转子部31的壳体33的开口311。
28.以结构来说，本实施例中的阳极气体输入部12中的输入管道12a及阳极气体输出部13中的输出管道13a为独立于本体11之外的部件，但在实际的应用及设计上，输入管道12a及输出管道13a的至少其一与本体11为一体成型，举例来说，延伸自本体11的阳极气体输入部12的输入管道12a可以是通过焊接、黏附、锁固等方式固定于本体11上，当然，也可以是直接延伸自本体11而与其为一体成型的结构，当然，延伸自本体11的阳极气体输出部13的输出管道13a也可具有类似于上述的结构；通常而言，为了获得良好的气密性，在制作成本、合格率及机构设计合理的前提下，阳极气体输入部12的输入管道12a及阳极气体输出部13的输出管道13a可通过特殊设计的模块，在本体11成型时即直接地延伸自本体11而与其为一体成型的结构。另外，虽然本实施例中的热传区域14、阳极气体输入部12及阳极气体输出部13设置于本体11的同一表面，但在实际的应用上，热传区域14、阳极气体输入部12及阳极气体输出部13的至少其一位于本体11的同一表面，一般来说，根据周围连接的部件的不同配置模式，阳极气体输入部12及阳极气体输出部13不一定位于本体11的同一表面，但热传区域14与阳极气体输入部12通常位于本体11的同一表面。
29.再以材质来说，本体11的整体及热传区域14的至少其一的材质选自于金属材料、含金属的复合材料、合金材料、含合金的复合材料、碳系材料、含碳的复合材料及上述材料的组合，换言之，本体11的整体或局部(至少包含热传区域14，或是以涂层方式形成在本体11的整体或局部表面)必须要是具有良好的热传导能力，以有效地传导热能。而常见的材质可例如但不限于为铝金属、铜金属、铝合金、铜合金等。
30.本发明中虽未在集成式燃料电池端板上显示出其他流体的输入开口、输入开口及对应的流通管道，然，类似于一般公知的燃料电池端板结构，各种流体的输入开口、输出开口及对应的流通管道也可依据不同的设计或需求，而设置在集成式燃料电池端板的对应位置，所述的其他流体包含水、空气、氧气等各种用来进行电化学反应及热交换用的流体。
31.而相对应于上述的其他流体，本发明中主要提供与阳极气体相关的输入开口、输出开口及对应的流通管道的原因在于，在本发明中，用以供给阳极气体、回流阳极气体等部
件设置于集成式燃料电池端板的周围，以接收来自集成式燃料电池端板所传导的热能达到融化该些部件内的结冰。
32.为达上述的目的，请同时参照图2a及图2b所示，其中，图2a为本发明提供的集成式燃料电池端板与氢泵、液气分离器的结构示意图，图2b为图2a提供的集成式燃料电池端板与氢泵、液气分离器的截面示意图。
33.在本实施例中，提供一集成式燃料电池端板1、一电堆2、一氢泵3及一液气分离器4，其中，集成式燃料电池端板1的一侧的表面连接于电堆2，另一侧的表面则连接氢泵3及液气分离器4，所述的氢泵3包含一转子部31、一阳极气体排出口32，阳极气体排出口32实质地位于转子部31的上方，在转子部31外部包覆一壳体33，转子部31的壳体33在与本体11相对应的一侧具有一开口311，而相同于上述段落，本实施例中的集成式燃料电池端板1包含一本体11、至少一阳极气体输入部12、至少一阳极气体输出部13及一热传区域14，其中，阳极气体输入部12包含一输入开口121及一输入管道12a，输入开口121位于本体11，输入管道12a对应位于输入开口121并连接于本体11；阳极气体输出部13包含一输出开口131及一输出管道13a，输出开口131位于本体11，输出管道13a对应位于输出开口131并连接于本体11；热传区域14与转子部31的壳体的开口311对应设置，使开口311由本体11所密封。
34.其中，本体11的整体或局部的材质如上段落所述，在此将不再赘述。而根据本实施例所示的结构可更清楚了解，由于集成式燃料电池端板1连接氢泵3及液气分离器4，更详细来说，阳极气体输入部12的输入管道12a连接于氢泵3的阳极气体排出口32，阳极气体输出部13的输出管道13a连接于液气分离器4，因此，延伸自本体11的阳极气体输入部12的输入管道12a与连接氢泵3的热传区域14为在本体11的同一表面，由此以缩短输入管道12a的长度，同时缩减整体的体积，而延伸自本体11的阳极气体输出部13的输出管道13a，虽也与阳极气体输入部12的输入管道12a、热传区域14位于本体11的同一表面，但在其他的实施例中，跟据不同结构的液气分离器，阳极气体输出部13的输出管道13a为配合与液气分离器4的配置，而可选择性地位于与阳极气体输入部12的输入管道12a、热传区域14不同的表面，当然，在部分的实施例中，基于不同的氢泵3、液气分离器4的结构设计，阳极气体输出部13的输出管道13a、阳极气体输入部12的输入管道12a、热传区域14均可分别位于本体11的不同表面，例如可分别设置在本体11的侧表面、前表面及后表面。
35.而相对应于连接氢泵的热传区域，电堆连接于本体的另一表面，因此，当燃料电池启动后，因电化学反应而产生的热能，尤其对于金属极板的燃料电池系统而言，产生的热能可以直接通过电堆直接传导至与之接触的集成式燃料电池端板，利用集成式燃料电池端板本身良好的热传导能力，以将热能直接且持续地通过用以密封转子部壳体开口的热传区域，以传导至连接于热传区域的氢泵的转子部内，根据实际的量测结果，产生自电堆的热能通常可达到80-90摄氏度，而通过端板将热能传导至氢泵的转子部后，不但让转子部内部不再受到外部环境低温的影响，更可有效地将转子部内部传送的回收的阳极气体维持在60-70摄氏度，而根据理论及实际的应用可知，回流至燃料电池中的阳极气体温度若可恒定在70摄氏度左右时，在燃料电池内可达到最有效的电化学反应效率。
36.另外，上述的实施例以热传区域与转子部的端面为直接接触为例说明，即，氢泵直接以其转子部的端面连接于集成式燃料电池端板的热传区域，而在其他实施例中，开口还可通过一板(图未显示)以密封，在通过该板与热传区域的连接，以将电堆在操作时产生的
热能传导至转子部；当然，为达到良好的热传导效果，用以密封开口的该板的材质选自于高分子材料、金属材料、合金材料、碳系材料及上述材料的组合。
37.另外，为更有效地解决燃料电池的冷启动问题，请参照图3所示，其为本发明提供的集成式燃料电池端板与加热元件、氢泵、液气分离器的截面示意图。在氢泵3的转子部31的壳体33外，设置一加热元件5以在燃料电池尚未启动前提供热量予转子部31，以解决燃料电池冷启动的困难，并在燃料电池启动后，即可关闭加热元件5并改为利用电化学反应所产生的热能以直接且持续地提供热能予转子部31，在本实施例中，加热元件5设置在集成式燃料电池端板1的热传区域14与氢泵3的转子部31之间，然而，根据不同的机构设计，加热元件5除了如图所示的态样外，集成式燃料电池端板1的本体11还可具有对应的容置空间(图未显示)以装设加热元件5，或是，在特定的实施例中，加热元件5可以仅连接于转子部31的壳体33，而不一定与集成式燃料电池端板1连接。
38.承上所述可知，本发明提供的集成式燃料电池端板的一侧连接电堆，另一侧连接氢泵，在燃料电池启动后可将电化学反应的热能传导至氢泵的转子部，不但可使得转子部持续在低温环境下而不至于发生结冰的问题，同时可以利用热能以使转子部内部的阳极气体在回流至燃料电池后可具有适当的温度，以有效维持燃料电池的电化学反应效率。
39.本发明所提供的技术内容并不限于上述的实施例，凡是与本发明所提供的发明概念及原则相同者，均落入本发明的申请专利范围。需注意的是，本发明所述的元件的方向，例如“上”、“下”、“上方”、“下方”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”等并不表示绝对的位置及/或方向。元件的定义，例如“第一”和“第二”并不是限定的文字，而是区别性的用语。而本发明所用的“包括”或“包含”涵盖“包括”和“具有”的概念，并表示元件、操作步骤及/或组或上述的组合，并不代表排除或增加的意思。又，除非有特别说明，否则操作的步骤顺序并不代表绝对顺序。更，除非有特别说明，否则以单数形式提及元件时(例如使用冠词“一”或“一个”)并不代表“一个且只有一个”而是“一个或多个”。本发明所使用的“及/或”是指“及”或“或”，以及“及”和“或”。本发明所使用的范围相关用语包含全部及/或范围限定，例如“至少”、“大于”、“小于”、“不超过”等，是指范围的上限或下限。
40.惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，均仍属本发明专利涵盖的范围内。