[发明专利]模块化质子交换膜燃料电池的密封结构

说明书

技术领域

本发明关于一种质子交换膜燃料电池的结构设计，特别是关于一种模块化质子交换膜燃料电池的密封结构。

背景技术

查在燃料电池的技术领域中，目前所发展出的燃料电池类型概分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池等不同类型。各种燃料电池各有其优劣点及应用范围，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)最具商业利用价值。

燃料电池的工作原理主要是利用氢气和氧气通过电化学反应生成水，并释放电能，基本上可视为水电解的逆装置。

由于燃料电池效率表现的优劣，是仰赖前述阴阳极反应的完全与否，易言之，各层间的材料选择及隔绝，将是攸关燃料电池作动效率的一大因素。因此，除了慎选使用的材料之外，如何确保阳极与阴极的反应，将是极为重要的课题。

但通常造成燃料电池无法达到如上确实控制的因素主要可归纳为二：其一为处于阳极及阴极板间供作气体防漏的措施无法彰显功能，另一则为各电池单体层间的导电接触压力无法保持在最佳状态。

参阅图1所示，其显示一公知PEMFC燃料电池单体组合结构的剖视图。其主要包括有一阳极板101及一阴极板102，在该阳极板101及阴极板102之间夹置一质子交换膜103、一阳极气体扩散层104、以及一阴极气体扩散层105。该质子交换膜103、阳极气体扩散层104及阴极气体扩散层105即构成一膜电极总成(MEA)。

在该阳极板101面向于膜电极总成的表面设有复数个阳极气体槽道101a，而在该阴极板102面向于膜电极总成的表面设有复数个阴极气体槽道102a。在该阳极板101与阴极板102的外环缘预先分别配设一垫片106、107，当该阳极板101、阴极板102及膜电极总成对准叠合后，即可达到该燃料电池单体的密封效果。

在实际的应用时，依所需将数个燃料电池单体叠置而形成一燃料电池组100(如图2所示)，再于该燃料电池组100接上阴极气体管线、阳极气体管线、冷却液管线、上端板108a、下端板108b、及金属导电端子109a、109b，最后再以复数系杆(tie rods)110予以稳固结合。

公知PEMFC燃料电池单体组合结构之缺失可归纳如下：

(1)由阳极板101的槽道101a供入的氢气，在通过阳极气体扩散层104途中，极易因垫片106、107与阳极板101间的空隙而漏失。而由阴极板102的槽道102a供入的氧气亦极易因垫片106、107与阴极板102间的空隙而漏失，严重影响反应的进行。此缺失在垫片106、107因使用一段时间造成老化现象后尤其明显，即使垫片106、107一体成形制作成单一垫片，亦无法有效解决此一问题。

(2)因垫片106、107本身材质的限制，使其极容易因附近压力不均匀，或老化速度不均一而造成整体电池单体的接触压力不均匀，此为气体扩散反应不能平均实行的原因。由于整体燃料电池组最后需以系杆110控制接触压力，将益加造成燃料电池组周边与中央区域出现明显层合压力差，严重影响电池的工作效率。

(3)采用垫片106、107于阳极板101及阴极板102间的措施，不但隔绝污染的效果不彰，亦无法产生层合定位的功能。又因其接触压力很难事先控制在一最佳的数值间，故依该措施，势无法将燃料电池组以电池单体模块化的型式事先制作储备起来、以及进行任何可能型式的产品测试。此确为目前PEMFC燃料电池无法广泛有效运用的主要症结所在。

有鉴于此，提供一种能够解决上述问题、并提供高效能、能进行量产化及低成本的模块化燃料电池结构乃为业界共同企盼解决的问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种质子交换膜燃料电池的模块化结构设计，通过将其模块化(modulized)及单元化(unitized)，使整体电池的制作及施工更为简化，并可通过事先测试电池单体的效能，而达到整体燃料电池的品质大幅提升、制作成本大幅下降，进而达成量产化的需求。

本发明的另一目的是提供一种模块化燃料电池的密封结构，通过将该燃料电池的阳极板及阴极板间的周缘区域，配施所需量的硅胶材料，使该阳极板及阴极板及其间所夹设的膜电极总成得层合定位，并得事先控制所需层合及接触压力，再进行硅胶的固化过程，使整体制作完成的电池单体或单元模块的品质及效率无瑕疵。

本发明的另一目的是提供一种具有良好密封效果的燃料电池结构，通过阳极板及阴极板间的周缘区域所配施的硅胶，使阳极板及阴极板的气体槽道所导入的气体及冷却液无漏失的可能。