電化學電池結構補強方法與裝置

专利摘要:
本發明涉及一種防止電化學電池結構中之膜電極組變形之支撐結構與方法。該膜電極組，係被夾合於兩流道板之間，而膜電極組係由電極、氣體擴散層與質子交換膜所構成。本案為避免膜電極組受兩側壓力差影響造成變形，於膜電極組兩側分別設置有支撐板，且於膜電極組與流道板之間設置有容置支撐板用的定位空間。藉此，本案之膜電極組在高壓操作下，仍能維持原有的形體，不會有變形甚至破損的缺點，能有效延長電化學電池的使用壽命，同時減少維修保養的頻率，進而使電化學電池的設備妥善率大幅提升。
公开号:TW201308743A
申请号:TW100127863
申请日:2011-08-05
公开日:2013-02-16
发明作者:Wen-Hui Yang；fu-cheng Guo；yu-jun Xu；bo-zhong Chen
申请人:Gen Optics Corp；
IPC主号:Y02E60-00

专利说明:
電化學電池結構補強方法與裝置
本發明係為一種用以防止電化學電池結構中膜電極組變形之支撐技術，更具體來說，係於原有的膜電極組兩側加設具定位作用之支撐板，以獲致膜電極組不變形之目的。
由於近年來核災頻傳，加上能源短缺已無法避免，傳統的火力、水力與核能發電已無法滿足未來人類的需求，新能源的研發刻不容緩。近年來各界對於綠色能源之研發可說是不遺餘力，氫能經濟的發展被視為能源問題的終極目標方向，氫氣可取代化石能源成為更乾淨可再生的環保替代能源。而進一步看氫氣的生產方式，其中搭配再生能源的水解電技術更是可行的理想對策。
電化學電池由於能量轉換效能高，可作為水電解或氫氣加壓等電化學反應進行。無污染，進行反應作用時無噪音，且能長時間穩定工作，相當符合經濟效益。
以電化學電池的型態來說，大致包含氫氣加壓與水電解及燃料電池等三類。依電池結構特性又可分為鹼性電解質電池、固態氧化物電解質電池以及質子交換膜電解質電池等。其中的質子交換膜電解質電池由於體積小效率高，可分散式搭配再能能源現場製氫或氫氣加壓更是為各廠家發展的重點。該種質子交換膜電解質電池，至少包括複數組膜電極組(簡稱MEA，Membrane Electrode Assembly)與導流板(簡稱FFP，Flow Field Plate)等組成部分。其中之膜電極組，係電池之核心元件，其提供純水或氫氣為原料在此處發生電化學反應之作用，產生高純度氫氣與氧氣或加壓電池產生高壓氫氣。
一般來說，為提高電池總功率，須將複數電池單元透過疊合之方式，串聯構成電池組。該各電池單元中，包括有一膜電極組，該膜電極組係被夾設於兩塊流道板中間，而膜電極組係由電極、氣體擴散層與質子交換膜所構成。
習知水解電池(或氫氣加壓電池)單元，請參閱第一圖。包括有兩流道板1與一膜電極組2。其中之流道板1，兩側面中央皆設有流道槽10結構；該流道槽10中設置有複數板片11，其間並形成有複數流道12，另於流道槽10外緣之流道板1四端角結構處，開設有複數個貫通口14；原則上，其中兩個位於流道槽10對角線上的特定兩貫通口14係供正面的流道槽10連通用，而另兩個貫通口14則提供背面的流道槽10連通用。習知結構為能使流道槽10與對應的貫通口14相互連通，多是在其間開設有外露式的連接通路13，且於該連接通路13間形成有間隔板15。
習知結構於進行水電解反應時，於兩流道板1之膜電極組2間，其一會產生氫氣，另一則會產生氧氣；而該只由電極、氣體擴散層與質子交換膜所構成的膜電極組2，因為係以質子交換膜區隔出陰極與陽極，該陰極與陽極將會操作於不同的壓力環境，以便提高反應效率或是提高產物的使用性，在此高壓差的操作環境下，質子交換膜的膜材便會產生變形(如第二圖)，造成觸媒阻抗提高，甚至氣體擴散層破損，最後膜電極組2便會失去作用，無法進行反應，而必須拆解結構進行維修。如此一來，不但耗時費工，也增加維修費，更且，維修時設備無法運行，經濟上的損失相當可觀，同時，電池內部物質發生混合還有發生燃燒的危險。
國外電池發展之抗壓對策為使用多層金屬組裝之流道板，金屬具備可撓性的特點，再於立體夾層的內層放置一具備彈簧波浪板樣式的金屬導電材，再於其波浪處充填高彈性矽膠，將此一抗背壓內層可作為支撑作用但仍會出現因金屬網孔洞過大在背壓過程如同陷入流道的模式陷入金屬網的孔洞中。而且其使用之充填式背壓支撐層亦過於笨重而使電池失去輕量化的優勢。
顯見，傳統膜電極組結構存在易變形與破損且需頻頻更換或維修等缺失極待改善或使用其它對策而致使電池重量驟升。發明人有鑑於此，意圖解決上述發生於先前技術的問題，因而研發成本案，發明人期藉本案之提出，俾改進現有水解電池膜電極組結構之缺失。
本發明「電化學電池結構補強方法與裝置」，其主要目的在於：解決習知膜電極組易因壓力差造成變形或破損之問題，期能提供一種改進的結構與方法，以獲致防止膜電極組變形，降低膜電極組破損率，降低膜電極組維修頻率，以提升設備妥善率等目的。
藉由上述達成避免膜電極組變形之目的，本案衍生能獲致的優點為：避免膜電極之單側背壓，因壓力造成膜材或氣體擴散層出現變形塌陷至流道溝內，而造成膜材結構損傷有互通之虞及造成因為變形而接觸阻抗上升性能衰退。
為達上述目的，本發明具體之技術內容為：於該膜電極組抗壓側或兩側分別設置有支撐板，且於膜電極組與流道板之間設置有容置支撐板用的定位空間。
較佳的，該支撐板，具備導電性為佳。
較佳的，該支撐板，係為一具備導電性且具有多孔結構之板體。
較佳的，該支撐板之多孔結構，孔隙之隙度高，但孔洞小，具有提供物質流通之特性。
較佳的，該支撐板具備有相當程度之結構強度，以具備抗壓、抗變形之能力。
較佳的，該支撐板，係由多孔性碳板或多孔性複合材料與多孔性金屬板製成。
較佳的，為能定位該支撐板，本案之流道板，於流道槽內，設置有定位空間，該定位空間提供予支撐板之容置與定位用。
較佳的，該定位空間，設於流道板之各板片末端緣處。
請參閱第三圖與第四圖所示，本案之單一電化學電池單元，包括有兩流道板1與一膜電極組2，其中該膜電極組2被夾設於兩流道板1之間。
該流道板1，兩側面中央皆設有流道槽10結構；該流道槽10中設置有複數板片11，其間並形成有複數流道12，另於流道槽10外緣之流道板1四端角結構處，開設有複數個貫通口14；其中兩個位於流道槽10對角線上的特定兩貫通口14係供正面的流道槽10連通用，而另兩個貫通口14則提供背面的流道槽10連通用；又於流道槽10與對應的貫通口14間開設有外露式的連接通路13，且於該連接通路13間形成有間隔板15。
本案特徵為：於該各流道槽10結構中，設置有一定位空間16，該定位空間16係位於流道槽10內之板片11末端處，亦即各板片11末端略呈內縮狀；同時，於膜電極組2兩側分別設置有一支撐板3，該支撐板3之體積略與定位空間16相當，支撐板3能被容置於定位空間16內，該支撐板3係為一具備導電性且具有多孔結構之板體，其孔隙之隙度高、孔洞小，能提供物質流通，且具備相當程度之結構強度，具有抗壓、抗變形之能力，例如以多孔性碳板製作。
如第五圖，經將兩流道板1、兩支撐板3與一膜電極組2組合後，位於膜電極組2兩側之兩支撐板3將提供膜電極組2夾合與支撐之作用，且因各支撐板3被妥善定位於各流道板1的定位空間16內，因此，整體成為一具有相當程度之抗壓結構，即便膜電極組2兩側具有壓力差，受制於兩支撐板3之作用，該膜電極組2也不會有變形或破損的問題。
第六圖係揭示藉由將複數組電池單元串聯疊合，即能形成一較高功率電池堆。
綜上所述，本發明「電化學電池結構補強方法與裝置」，其藉由在膜電極組之背壓側或兩側分別設置支撐板，且令支撐板容置於流道板之定位空間內，確實能達到避免膜電極組變形或破損之目的。本案能有效降低維修頻率與費用，適合於高壓力之操作環境，且增加使用安全性，其功效之增進相當容易瞭解。依現行專利法第四十四條規定，未有違反同法第二十一條至第二十四條、第二十六條、第三十條第一項、第二項、第三十一條、第三十二條或第四十九條第四項等規定之情事。本案在產業上確實得以利用，於申請前未曾見於刊物或公開使用，且非為公眾所知悉之技術。再者，本案有效解決先前技術中長期存在的問題並達成相關使用者與消費者長期的需求，得佐證本發明並非能輕易完成。本案完全符合專利法規定之「產業利用性」、「新穎性」與「進步性」等要件，爰依法提請專利，懇請　鈞局詳查，並儘早為准予專利之審定，以保護申請人之智慧財產權，俾勵創新。
本發明雖藉由前述實施例來描述，但仍可變化其形態與細節，於不脫離本發明之精神而達成，並由熟悉此項技藝之人士可了解。前述本案之較佳實施例，僅係藉本案原理可以具體實施的方式之一，但並不以此為限制，應依後附之申請專利範圍所界定為準。
1．．．流道板
10．．．流道槽
11．．．板片
12．．．流道
13．．．連接通路
14．．．貫通口
15．．．間隔板
16．．．定位空間
2．．．膜電極組
21．．．貫通口
3．．．支撐板
第一圖：係為習知流道板與膜電極組結構之立體分解圖。
第二圖：係為習知膜電極組結構進行反應時發生變形之剖面示意圖。
第三圖：係為本發明之立體分解圖。
第四圖：係為本發明之另一立體分解圖。
第五圖：係為本發明膜電極組結構進行反應時之剖面示意圖。
第六圖：係為本發明串聯成電池堆之立體示意圖。
1．．．流道板
11．．．板片
12．．．流道
13．．．連接通路
14．．．貫通口
15．．．間隔板
16．．．定位空間
2．．．膜電極組
21．．．貫通口
3．．．支撐板

权利要求:
Claims (10)
[1] 一種電化學電池結構補強裝置，包括：兩流道板，各流道板內側面中央設有一流道槽，依背壓操作之受壓力面，該流道槽中設置有一定位空間；至少一片支撐板，容置於定位空間內；一膜電極組，夾設於兩支撐板間。
[2] 如請求項第1項所述電化學電池結構補強裝置，其中該流道槽中設置有複數板片，其間並形成有複數流道，定位空間位於複數板片之末端緣處。
[3] 如請求項第1項所述電化學電池結構補強裝置，其中該支撐板之體積與定位空間相當。
[4] 如請求項第1項所述電化學電池結構補強裝置，其中該支撐板係為一具備導電性且具有多孔結構之板體，其孔隙之隙度高、孔洞小。
[5] 如請求項第1或4項所述電化學電池結構補強裝置，其中該支撐板係為碳板。
[6] 一種電化學電池結構補強方法，係於膜電極組之受壓力側設置有支撐板，且該支撐板容置於位在膜電極組兩外側之流道板的定位空間內。
[7] 如請求項第6項所述電化學電池結構補強方法，其中該流道槽中設置有複數板片，其間並形成有複數流道，定位空間位於複數板片之末端緣處。
[8] 如請求項第6項所述電化學電池結構補強方法，其中該支撐板之體積與定位空間相當。
[9] 如請求項第6項所述電化學電池結構補強方法，其中該支撐板係為一具備導電性且具有多孔結構之板體，其孔隙之隙度高、孔洞小。
[10] 如請求項第6或9項所述電化學電池結構補強方法，其中該支撐板係為碳板或多孔性複合材料與多孔性金屬板。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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TWI441381B|2014-06-11|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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TW100127863A|TWI441381B|2011-08-05|2011-08-05|Method and Device for Reinforcement of Electrochemical Battery|TW100127863A| TWI441381B|2011-08-05|2011-08-05|Method and Device for Reinforcement of Electrochemical Battery|