TW200816552A - Fuel cell - Google Patents

Description

200816552 九、發明說喊 . 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種燃料電池，特別是有關於一種具有 多層同狀結構之燃料電池。 【先前技術】 隨著全球能源的消耗以及環保意識的抬頭，如石油及火 力之類的傳統能源已經越來越不敷使用，使得關於新式能量 來源的研究也越來越多，燃料電池的研究便是其中相當重要 的一環。 燃料電池之能量轉換效率高，可達百分之四十以上，如 果再配5忒電共生（(3〇§6116^^011)的技術，將反應時釋放的 廢熱回收，總熱效率即可能超過百分之八十。加上，燃料電 池2發電過程幾乎不會造成任何污染，而且，燃料電池的噪 音量也相當低。目前燃料電池的應用範圍十分廣泛，包括電 力工業、運輸、太空、軍事等各領域，&有多項產物因應 而生。例如發電廠、備用電池、可攜式電力、堆高機、機器 人、電動車、小型潛水艇、乃至太空船和太空梭的電源。 在各種燃料電池中，質子交換膜（pEM;Pr〇t〇n以吡抓# Membrane)燃料電池具有反應溫度低、能量密度高、材料選 擇”優點。質子交換膜燃料電池之原理係以氫氣為燃料與 二氣中之氧氣發生電化學反應，而產生電能與水，其基本構 造包含以下幾種元件：質子交換膜、氣體擴散層（含觸媒層） 及雙極板。氣體擴散層似置質子交換膜之兩侧，以分^供 200816552 氫氣和氧氣擴散進入並解離’而進行電化學反應來產生電 流。雙極板則分別係設置於質子交換膜與氣體擴散層之組合 的兩側，以傳送氣體和收集電流。 然而，此基本構造之燃料電池_般具有固定電壓，其固 定電壓僅為約1.23V，故必須將串聯多個單元之燃料電池， 以提高整體的輸出電壓。而習知之堆疊式燃料電池係將多個 燃料電池直接堆疊串聯而成，然而此種堆疊式燃料電池的整 體體積和重量也相對增加，因而不符合攜帶式電子產品之微 型化的需求。加上’習知堆疊式燃料電池需設計有鎖固元： 和氣體輸送系統（如幫浦或風扇），以使燃料電池緊密地組裝 成-體，並供應氣體燃料’目而更大幅增加燃料電池的重 量、體積及製作成本。 【發明内容】 種燃料電池，藉以 並可大幅地減少

因此，本發明之一方面係在於提供一 串聯多個電池單元，而增加整體電壓輸出 燃料電池之體積與重量。 、 〜WW扠伢一禋燃料電池，其無需幫 浦或風扇係統來供應燃料，亦無需額外之固定構件來進^固 定'，裝。因而可減少整體設計構件，減少燃料電池之體：二 重量，以符合燃料電池微型化之需求。 、 本發明之再-方面係在於提供—種燃料電池，藉由 供給元件和外界空氣來均勻充足地供給燃料，以提升炽料雷 池之發電效率，進一步增加發電量。 +電 6 200816552 本心明之又再一方面係在於提供一種燃料電池，豆 料供給元件可以係圓形筒狀或多邊形筒狀結構，例二矩； 或楕圓形，而增加燃料電池之設計和組裝裕度。 根據本發明之一實施例，此燃料電池至少包含燃料供給 70陽極導電層、膜電極組層及陰極導電層。燃料供給元 件用以供給第一燃料，陽極導電層繞設於燃料供給元件：外 周圍’膜電極組層繞設於陽極導電層之外周圍，陰極導電層 繞設於膜電極組層之外周圍，並使第二燃料進人膜電極二 …另根據本發明之—實施例，此燃料電池係由複數個電池 早元所串聯組成的，每一上 罐 一电心早兀之兩糕面具有絕緣保 "_，其中絕緣保護層係由絕緣材料所製成。 β因此，本發明之燃料電池可使燃料分別均勻充足地由 陽極導電層和陰極導電層進人膜電極組層，以提升整體發電 =ΐ:由於無f幫浦或風扇來循環供應氫氣和氧氣，因而減 2計構件。加上，無需額外之固定構件來固定組裝，因而 π減夕整體之體積和重量，以符合燃料電池微型化之目的。 另外，本發明之燃料電池可串聯多個電池單位，以增加整 體電壓輸出。 【實施方式】 夕本發明之燃料電池可以係單一的電池單元1〇〇,或係由 ^個，池單元100所組合而成。本發明之燃料電池係以氫氣 氧氣（或空氣）為燃料來進行電化學反應，而產生電能。 200816552 請參照第1圖和第2圖，第1圖係繪示依照本發明第一 實施例之燃料電池的組裝示意圖，第2圖係繪示本第一實施 例之燃料電池的立體示意圖。本第一實施例的電池單元 包括：膜電極組層110、陽極導電層12〇、陰極導電層i儿 及燃料供給元件140。陽極導電層120和陰極導電層^3〇係 分別形成於膜電極組層110之兩側面，以分別容許氫氣和氧 氣擴散進入膜電極組層110,而在膜電極組層11〇内進行電 化學反應。燃料供給元件140係用以供給燃料來進入膜電極 組層110内。而電池單元100之氧氣供給係藉由外界的空氣 經陰極導電層1 30自然擴散進入膜電極組層丨丨〇内。 如第2圖所示，本發明之電池單元1〇〇係多層筒狀結 構，燃料供給元件140係筒狀結構，例如圓形或多邊形筒狀 (如第2圖所示之圓形筒狀），燃料供給元件14〇係設置於電 單元10 0之中〜位置，以供給燃料，例如係利用一種儲氧 材料（未繪示），例如：儲氫合金、奈米碳或硼化碳，來製成 燃料供給元件140。 ，在一實施例中，燃料供給元件140係由儲氫合金材料來 製成，儲氫合金材料係一種可儲存氫氣的合金材料，其具有 儲虱量大、容易活化（Activati〇n)、吸氫/放氫之化學反應速 率快、使用壽命長及成本低廉等特性，故可減少電池單元 100之體積和重量，進而減少燃料電池的體積和重量，並可 提升整體電池效能。。 如第1圖和第2圖所示，電池單元i 〇〇之陽極導電層 係、、:tu β又於於燃料供給元件}4〇之外周圍，以使燃料供給 200816552 π件14G所供給之氫氣可經陽極導電層ΐ2()進人膜電極❹ 成，以撓曲繞設於燃料供給元件14〇之外周圍，並傳導 電化學反應產生的電流。陽極導電層12〇之材料係例如：碳 纖、f石墨纖維，或具有細小穿孔（未繪示）的金屬薄片。由 於陽極产導電層120係、直接形成於燃料供給it件140之外周 =，故氫虱可均勻充足地由燃料供給元件14〇擴散進入陽極 ‘電層120。另外，燃料供給元件140和陽極導電層12〇之 間可例如設置調節層150,以調節燃料供給元件14〇之 供給壓力或流量，並避免燃料供給元件140之氫氣供給壓力 過大’而破壞電池單元1〇〇之結構。 ϋ 如第1圖和第2圖所示，電池單元100之膜電極組層 …係、U於陽極導㈣12〇之外周目，以分別容許氫和氧 氫氣進入來產生電化學反應。膜電極組層⑴係以電解質材 裏成’例如：璘酸型、溶融碳酸鹽型、固·態氧化物型或質子 交換膜型電解質材料，並可撓曲繞設於陽極導電層12〇之外 Μ 1電極組層11G之兩側表面皆形成有觸媒層（未緣 示），此觸媒層之材料例如：始、奈米金、鐵、銘、鎳、钥 或含上述金屬的合金混化物，以分別加速氫之氧化和氧之還 原反應。當電池單A _進行電化學反應時，膜電極組層 110之—側可容許氫氣進入，而將氫解離成電子和氫質子， f子可w形成m電極組層UG之另—側可容許氧氣 進入’並將氧、氫質子及回、☆希 、及口机電子遇原形成水，並產生熱能 (即電化學反應後之副產物）。 200816552 如第1圖和第2圖所示，雷 抑一 蛋池早兀100之陰極導電層 130係繞設於膜電極組層11〇夕认 之外周圍，以使氧氣可由陰極 導電層130進入膜電極組層11(1 ^ 層110。陰極導電層130亦係以具 有可撓、多孔及導電性的材料制士、 版成’以撓曲繞設於膜電極組 層110之外周圍，並傳導雷仆風 电化予反應產生的電子。陰極導電 層130之材料係例如··碳纖維、 a臺纖維，或具有細小穿孔 (未繪示）的金屬薄片。陰極導雷展ι 导冤層13〇之外周圍繞設有過濾 / 層160，過濾層160係由多孔性# " 少札r生材枓製成，以過濾外界空氣 之雜質，使空氣可由過滹μ〗^ 愿層160過濾進入，再由陰極導電層 130擴散進入膜電極組層11〇。由 曰ηυ由於虱氣係直接由過濾層ι6〇 之外周圍的空氣來提供，故4名 水托仏玟乳乳可均勻充足地擴散進入 導電層130。 睛參照第3圖和第4圖，笛ι k _ u不乐4團，弟3圖係繪示依照第一實施 之燃料電池的立體示意圖’第4圖係繪示本實施例之組合多 個電池單元的立體示意圖。電池單元100之兩端面分別形成 有絕緣保護層17〇’以絕緣和保護電池單元⑽之結構。絕 緣保護層170設有一開n m ’而對應於燃料供給元件 之位置’以供由開σ 171注人補充燃料至燃料供給元件14〇 内。電池單元100之陽極導電層和陰極導電層13〇 別設有接線121、131，其係由'絕緣保護層17G接出，以二 便電性連接來供電，或係與串接多個電池單元100。當進r :池單：串聯時，如第i圖所示，電池單元100之端：與： 電也單元200之端面相互接合，此時，每一此些電池一 100之陰極導電層130的接線131係與其相鄰一側之電池單 200816552 元1 0 0之極導雷居 9 的接線121電性連接，以形成電性 對：電池-，當串聯多個電池單元時，本發明之燃料電池可 二’早兀之串聯數量而增加整體輸出電壓。另外，電池 早 之臈電極組層110、陽極導電層120、陰極導電声 130及燃料供终分放a 1守电禮 口牛40白相备輕薄，因而電池單元1〇〇可 大幅地縮小尺+ ^^ &胃 寸矛減輕重S，即使組合多個電池單元，本 明之燃料。電池也可符合攜帶式電子產品之微型化需求。力:

"單元100之各元件係直接繞設形成於燃料供給元件 140外，無需額外之固定構件來固定組裝，因而本發明之辦 料電池可減少整體之體積和重量。再者，氫和氧係直接由燃 枓供給…40和外界空氣所供給，而無需設計幫浦或風扇 系統來循環供應燃料，進而減少整體設計構件。 請參照第5圖，其繪示本發明之第二實施例之燃料電池 的立體示意圖。第二實施例之電池單元⑽a亦設有膜電極 組層110a、陽極導電層120a、陰極導電層u〇a、燃料供給 凡件140a、調節層i50a及過濾層16〇ae相較於第丨圖和第 2圖之實施例，第5圖之實施例之電池單元1〇〇a的燃料供 給元件140a係矩形筒狀結構，因而可增加第5圖之實施例 之燃料電池的設計裕度。 請參照第6圖’其緣示本發明之第三實施例之燃料電池 的立體示意圖。第三實施例之電池單元1〇〇b亦設有膜電極 組層110b、陽極導電層120b、陰極導電層13〇b、燃料供給 元件140b、調節層150b及過濾層160b。相較於第1圖和第 2圖之實施例’第6圖之實施例之電池單元1〇〇b的燃料供 11 200816552 給元件1 40b係呈楕圓形筒狀，因而可進一步增加第6圖之 實施例之燃料電池的設計裕度。 由上述本發明之實施例可知，本發明之燃料電池可使氫 氣和氧氣分別均勻充足地由陽極導電層和陰極導電層進入 膜電極組層内來產生電能，因而提供電池之發電效率。由於 氫和氧係直接由燃料供給元件和外界空氣進入所供給，故無 需幫浦或風扇來循環供應氫氣和氧氣，因而減少整體設計構 件加上，本發明之燃料電池無需額外之固定構件來固定組 裝，因而可減少體積和重量，以符合燃料電池微型化之要求。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明」任何熟習此技藝者’在不脫離本發明之精神和範圍 内’當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視 後附之申請專利範圍所界定者為準。 ，ϋ 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示根據本發明 組裝示意圖； 第2圖係繪示根據本發明 立體示意圖； 第3圖係繪示根據本發明 立體示意圖； 第4圖係繪示根據本發明 池單元的立體示意圖； 第5圖係緣示根據本發明 之第一實施例之燃料電池的 之第一實施例之燃料電池的 之第一實施例之燃料電池的 之第一實施例之組合多個電 之第二實施例之燃料電池的 12 200816552 立體示意圖；以及 第6圖係繪示根據本發明之第三實施例之燃料電池的 立體示意圖。 【主要元件符號說明】 100、100a、100b :電池單元 110、110a、110b :膜電極組層 120、120a、120b:陽極導電層 1 2 1 :接線 130、130a、130b :陰極導電層 131 :接線 140、140a、140b :燃料供給元件 150 、 150a 、 150b :調節層 160、160a、160b :過濾層 170 :絕緣保護層 171 :開口 200 ··電池單元 13

Claims (1)

1. 200816552 十、申請專_義顯識 1 · 一種燃料電池，至少包含： 一燃料供給元件，用以供給一第一燃料； 一陽極導電層，繞設於該燃料供給元件之外周圍，其中 該第一燃料經該陽極導電層進入該膜電極組層； 一膜電極組層，繞設於該陽極導電層之外周圍；以及 一陰極導電層，繞設於該膜電極組層之外周圍，其中一 第一燃料經該陰極導電層進入該膜電極組層，而與該第一燃 料產生電化學反應，以產生電能。 2 ·如申睛專利範圍第1項所述之燃料電池，1 一燃料係氫氣。 /、 弟 利範圍第1項所述之燃料電池’其中該第 燃圍第1項所述之燃料電池’其中該第 1項所述之燃料電池，其中 該燃 兀件係-圓筒狀結構 料供給二，.，.广專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該燃 14 1 ’如申請專利範圍第 料供給元件係-筒狀結構 200816552 7.如申請專利範圍第5項所述之燃料電池，其中該燃 料供給元件係一多邊筒狀結構。 …、 8·如中請專利範圍帛i項所述之燃料電池，其中該燃 料供給兀件係由一儲氳材料所製成，其中該儲氫材料係選自 由儲氫合金、奈米碳及硼化碳所組成之族群中的材料。 9.如申凊專利範圍第！項所述之燃料電池，其中該陽 極導電層和該陰極導電層分別設有一接線。 八" 入1〇_如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，更至少包 含· 一調節層，設置於該燃料供給元件和該陽極導電層之 間。 曰 U.如申請專利範圍第項所述之燃料電池，更至少包 含·· 過;慮層’繞設於該陰極導電層之外周圍。 12·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該膜 電極組層係由一電解質材料所製成。 13·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該膜 15 200816552 電極組層之兩側分別 刃W刀別形成有—觸媒層。 1 4·如申請專利範圍第1 3項所述之燃料電池，其中該 觸媒層之材料得撰白& 乐k自由鉑、奈米金、鐵、鈷、鎳及鉬所組成 之族群。 1 5.如申请專利範圍第丨項所述之燃料電池，其中該陽 β ‘電日和3陰極導電層係由具有導電性和多孔性之材料 1 6·如申明專利l(L圍帛1 5項所述之燃料電池，其中該 陽極導電片和該陰極導電片為具有複數個穿孔的金屬薄片。 17.如申請專利範圍第15項所述之燃料電池，其中該 陽極導電片和該陰極導電片之材料係碳纖維。 如申咕專利範圍第i項所述之燃料電池，更至少 含： 二絕緣保護層’係由絕緣材料所製成，其中該些絕緣保 護層係形成於該燃料電池之兩端面。 之燃料電池，其中談 燃料至該燃料供給元 19·如申請專利範圍第is項所述 絕緣保護層設有一開口，以注入該第一 件。 16 200816552 20. —種燃料電池，至少包含： 複數個電池單元，其中每一電池單元至少包含· 一燃料供給元件，用以供給一第一燃料； 一陽極導電層，繞設於該燃料供給元件之外周 圍，其中該第一燃料經該陽極導電層進入該膜電極組 層； 、、 产.1 f 、 KJ 一膜電極組層，繞設於該陽極導電層之外 以及 "固， 斤 …—日、吖同固， ，、中一弟二燃料經該陰極導電層進入該膜電極組層，而 與該第一燃料產生電化學反應，以產 至少一絕緣保護層，形成於每-該些電^元乂之及兩端 面，其中該絕緣保護層係由一絕緣材料所製成； “其中，|一該些電池單元之該陽極導電層係與其相鄰一 貝，之電池單凡的該陰極導電層電性連接。 21如申請專利範圍第20項所述之燃料電池，盆中該 第一燃料係氫氣。 /、 口 第二::專氣利範圍第2。項…^ 23.如中請專利範圍第2G項所述之燃料電池，其令該 17 200816552 第二燃料至少包含有氧。 24. 如申請專利範圍第頊所述之燃料電池，其中該 燃料供、給元件係—冑狀結構。 25. 如申請專利範圍第24項所述之燃料電池，其中該 燃料供給元件係一圓筒狀結構。 26·如申請專利範圍第24項所述之燃料電池，其中該 燃料供給元件係一多邊筒狀結構。 27·如申請專利範圍第2〇項所述之燃料電池，其中該 燃料供給元件係由一儲氫材料所製成，其中該儲氫材料係選 自由儲氫合金、奈米碳及硼化碳所組成之族群中的材料。 28.如申請專利範圍第2()項所述之燃料電池，其中該 陽極導電層和該陰極導電層分別設有一接線。 29·如申請專利範圍第2〇項所述之燃料電池，更至少 包含： 一調節層，設置於該燃料供給元件和該陽極導電層之 30.如申請專利範圍第20項所述之燃料電池，更至少 18 200816552 包含： 一過渡層，繞設於該陰極導電層之外周圍。 3 1 ·如申％專利範圍第20項所述之燃料電池，其中該 膜電極組層係由一電解質材料所製成。 •如申明專利範圍第項所述之燃料電池，其中該膜電 極組層之兩側分別形成有一觸媒層。 、 該 雜33.如申請專利範圍第32項所述之燃料電池，其中你 觸媒層之材料係自士 ^ ^ .^. ，、自由鉑、奈米金、鐵、鈷、鎳及鉬所組成 <族群。 ▼电層和該陰極導 所製成_ 等電層係由具導電性和多孔性之材料 3 5 .如申請專利 陽極導雷μ 阁弟34項所述之燃料電池，其中該 V冤片和該陰極 电月為具有複數個穿孔的金屬薄片。 36·如申請專利範 陽極導雷μ 固弟34項所述之燃料電池，其中該 纖維 卞电片和該陰極導電 个电月之材料係碳 37 •如申請專利範圍第20項所 述之燃料電池，其中該 19 200816552 絕緣保護層設有一開口，以注入該第一燃料至該燃料供給元 件0 20