TW200832800A - Fuel cell - Google Patents

Description

200832800 PT728 21772twf.doc/e 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於—種燃料電池（fuel cell)，且特別是 有關於-種利用導水層排除化學反應後累積在陰極層的水 的燃料電池。 【先前技術】 曰隨，科技的進步，傳統能源如煤 、石油及天然氣的消 Γ ㈣持續升高。由於天然能_存量有ρ艮，@此，目前各 國都在研發新的替代能源以取代傳統能源，而燃料電池便 是一種重要且具實用價值之選擇。 簡單來說，燃料電池基本上可說是一種利用水電解之 逆反應而將化學能轉換成電能的發電裝置。目前常見的燃 料電池有磷酸型燃料電池（ph〇sphateFuelCell，pAFC)、 固態氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)或 疋貝子父換膜燃料電池（pr〇t〇n Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC ) 〇 以質子交換膜燃料電池來說，其主要是由一膜電極組 (membrane electrode assembly，ME A )、一 陽極集電板以 及一陰極集電板所構成。其中，膜電極組主要是由一陽極 層（anode layer)、一陰極層（cath〇de layer)以及一配置 於陽極層與陰極層之間之質子交換膜（pr〇t〇n exchange membrane)所構成，而陽極集電板接觸陽極層設置，且陰 極集電板接觸陰極層設置。陽極層之燃料（如曱醇或氫氣） 會與位於陽極層之觸媒產生化學反應而產生氫離子與電 200832800 PT728 21772twf.d〇c/e 子。其中，氫離子會穿過質子交換膜而通往陰極層，而電 子則會經由電路通往陰極層。接著，氫離子與電子會與位 於陰極層之觸媒與氧氣產生化學反應而產生水。此時，燃 料電池會因電子的流動而形成電流。 /值得注意的是，在燃料電池中，膜電極組在化學反應 ^會，陰極層產生水，且當陽極層的反應原料為甲醇與水 陽極層的水也會因為電滲效應（dectr〇__〇tic办眙） C 而穿過質子交換膜通往陰極層。然而，這些水若累積在陰 極層，將會阻礙陰極層的觸媒與氧氣接觸，進而降低燃^ 電池的發電效率。 、、在目4常見的燃料電池中，通常是利用風扇或是空氣 泵浦排除化學反應後累積在陰極層的水。盆 ，不僅能為陰極層提供化學反應所需要:氧’氣抖= 2由加速空氣對流而蒸發這些累積在陰極層的水。再者， 田燃料為曱醇時，上述之水蒸氣還能被回收至陽極層重複 使用。 然而，為了蒸發這些水，風扇的轉速必須被提高，反 =會消耗更多燃料電池所產生的電能。再者，提高風扇轉 =可H空氣對流與水的蒸發。但由於燃料電池的反應溫 =通常高於常溫，而空氣職與水的蒸發皆會降低燃料電 =溫度，反而會使燃料電池的發電效率降低。此外，利 ，2對流使水蒸發的方式也會时氣職時所產生的空 场不均勻而使部分累積於陰極層的水無法被排除。而 ’部分的水蒸氣不會重新凝結成水，亦會使陽極層的水 200832800 PT728 21772twf.doc/e 量不足以再利用。 【發明内容】 本發明的目的就是在提供—種姆 組在化學反應後在陰極層所產由 2電極 移除’而不需額外消耗燃料電池所細作用而被 本發⑽其他目触伽可以 日 徵中得到進一步的了解。 I月所揭路的技術特 Γ 為達上述之-或部份或全部目的或是与 明提出一種燃料電池，係包括_ 、本毛 一陰極集·以及-導水=極集電板、 一阻托昆增膝毛極組係包括一陰極層、 τη設於陽極層與陰極層之間之電解質声 strr咖）°陽極集電板接觸陽極層設置，二 觸陰極層設置，使膜電極組置於陽極集電板ΐ 板之間，並具有多個第—開孔。導水層附著於陰 木上，並包括一具有毛細結構之材料及多個第二開 孔’且攻些第—開孔對應於陰極集電板之這些第一開孔。 為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發 明更提出-種燃料電池，係包括_膜電極組、—陽極华^ 板:一陰極集電板、一陰極流道板以及-導水層。膜電極 組係包括-陰極層、一陽極層及_設於陰極層與陽極層之 間之電解質層。陽極集電板接騎極料置，而陰極集電 板接觸陰極層設置，並具有多個第一開孔。陰極流道板接 觸陰極集電板，且位於陰極集電板背向膜電極組之一側。 ‘水層附著於陰極流道板上，並包括一具有毛細結構之材 200832800 PI 728 21772twf.doc/e 料。 ’上述之導 上述之陰 上述之陰 依照本發明的較佳實施例所述之燃 水層位於陰極集電板與陰極流道板之間 ^電池 依照本發明的較佳實施例所述之燃、 極集電板與陰極流道板之間形成多個流道二池 依照本發明的較佳實施例所述之辨G 極流道板之截面形狀係呈鋸齒狀或波浪狀电/ c 依照本發明的較佳實施例所述之貪夕 水層包括多個第二開孔，且料第=池’上述之導 之這些第-開孔。 U孔對應陰極集電板 為達上述之一或部份或全部目的 明再提出-種燃料電池，係包括—膜電極銳、—陽極= 板以^陰極集電板。膜電極組係包括_陰極層、一^ 層及-设於陰極層與陽極層之間之電解質層。陽極 接觸陽極層設置，而陰極集電板接觸陰極層設置，並呈 多個弟一開孔及一導水微流道。 ，、 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，上述之陰 極集電板包括-具毛細結構之材料，且_上形成導水& 流道。 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，上述之導 水微流道上具有多個第二開孔，錢些第二開孔對應陰極 集電板之這些第一開孔。 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，上述之電 解質層包括質子交換膜。 8 槽

Ο 200832800 PT728 21772twf.doc/e 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池 ϋ於膜電極組下方之儲水槽。膜電極組產生化學反庫後 二在陰極層產生水，且這些水適於藉由導水層輸送至儲水 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，上述之具 有毛細結構之材料為紙、紗布、棉布或纖維材料。/、 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，上述之第 一開孔之孔徑之最短邊長度與這些第二開狀孔徑 邊長度相同。 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，上述之導 水層包括-吸水部及-斥水部。其巾，吸水部及斥水部位 於這些第二開孔之關，且吸水部位於斥水部與至少 之一第二開孔之間。 /、 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，上述之 水層與陰極集電板可由黏合、鉚合及壓合方式固定。 依照本發明的較佳實施例所述之燃料電池，更包括〜 風扇，鄰近膜電極組之陰極層配置。 由於本發明之燃料電池包括一具毛細結構之材料，因 此，膜電極組在化學反應後在陰極層所產生的水可藉由毛 細作用（capillarity)而被移除，而不需要額外消耗燃料兩 池所產生的能量。 i 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明啕 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細^ 明如下。 9 200832800 PT728 21772twf.d〇c/e 【實施方式] 下列各實施例的說明是參考附加的圖式，用 實 、 」 卜」、「前」、「後」、「左 、「去 參考:加圖式的方向。因此，使用的方」向用語是」 用末次月，而非用來限制本創作。 文 一實施何 Ο 包括請與Γ，本發明第—實施例之燃料電池、 13〇及―、導二丄二陽極集電板12。、—陰極集電板 FHW 114t 電她110包括—陽極層m 一 八中％極市電板120接觸陽極層112兮 广接觸陰極層114設置，且膜電極組… 5於1%極集電板12G與陰極集電板13G之間 〇 個第-開孔132。導水層⑽“2 開別u並包括—具有毛纟讀構之材料142及多個第二 “。’且第二開孔144對應於陰極集電板13G之第二 =此實施例中，電解質層116例如是質子交換膜 隹^層140例如是以黏合、鉚合或堡合的 ;ΪΓ ’且具有毛細結構之材料142例如是= 再者，％極層m例如是包括一 Π 1極氣體擴散層(未緣示)，而陰極層;14::= 10 200832800 PT728 21772twf.doc/e 一陰極觸媒層（未繪示）及一陰極氣體擴散層（未繪示）。 另外，燃料電池l〇〇a例如是藉由膜電極組11〇中的觸媒声 使燃料產生化學反應而產生可供使用之電力。其中，燃& 例如是氫氣或甲醇。 7 更詳細而言，陽極觸媒層會使位於陽極層1C之燃料 (如甲醇或氫氣）產生化學反應而產生氫離子與電子。/其 中，氫離子會穿過陽極氣體擴散層、電解質層116與陰極 〇 氣體擴散層而傳遞至陰極觸媒層，而電子則會經由電路傳 遞至陰極層114，並產生可供使用之電流。接著，陰極觸 媒層會使傳遞至陰極層114之氫離子、電子與位於^極層 114之氧氣產生化學反應而產生水。 其中，當燃料為甲醇與水時，在陽極層112之反應式 為 2CH3〇H+2H2〇~>2C〇2+12H2+12e·，而在陰極層 114 之 反應式為12H +12e+3(V~>6H20，而且，燃料電池i〇〇a 之總反應式為2CH3〇H+3(V>2C02+4H20。另外，當燃料 為氫氣時，在陽極層1丨2之反應式為2h2—4H++4e-，而在 ^ 陰極層114之反應式為4Η++4ε-+02^2Η20，而且，燃料電 池l〇〇a之總反應式為2η2+〇2—況2〇。 吾人由上述化學式中可得知，不論燃料電池100a所使 用之燃料為甲醇或氫氣，膜電極組110在化學反應後都會 在陰極層114產生水。此時，這些水會被導水層140之具 有毛細結構之材料142吸收，並藉由重力作用排出具有毛 細結構之材料142外。更詳細而言，導水層14〇之具有毛 細結構之材料142例如是包括一吸水部（未繪示）及一斥 11 200832800 PT728 21772twf.doc/e 水部（未繪示）。其中’吸水部例如是位於第-門孔144 周圍並鄰近第一開孔132， ：=孔 =圍並遠離第—開孔132’使吸水部位 144之間。由於膜電極組110在;匕學反

被:水部吸收’並會藉由重力作用由斥丄 '=:42外’因此，水不會累積於二二 ΪΓ 礙魏料第1孔132 _遞至陰極觸 媒層。 弟-職132之孔彳纹最短邊長度例如是與第二開孔 之孔控之最短邊長度相同。舉例來說，第_開孔132 ^弟^孔Η4例如是孔徑相同之圓孔。或者，第一開孔 〜弟一開孔144之其一為長圓孔，而第一開孔132與 弟一開孔144之另—為圓孔，且長圓孔之孔徑之最短邊長 度與圓孔之孔徑相同。 除此之外，燃料電池l〇〇a更可以包括一配置於膜電極 組110下方之儲水槽150，且膜電極組11〇在化學反應後 在陰極層114所產生的水適於藉由導水層14〇輸送至儲水 ^ 150於此貝把例令，在陰極層ι14所產生的水例如是 藉由重力作用由具有毛細結構之材料142滴入儲水槽15〇 :。值得注意的是，當燃料電池1〇〇a所使用的燃料為甲醇 時，陽極層112的反應原料必須包括甲醇與水，因此，儲 水槽150中的水還能被輸送至陽極層I〗：重複使用。除此 之外，燃料電池l〇〇a還可以包括一鄰近膜電極組11〇之陰 12 200832800 PT728 21772twf.doc/e 極層114配置之風扇160,用以提供陰極層n4在化學反 應時所需要的氧氣。 盖二實施例 請參考圖3A與圖3B，本發明第二實施例之燃料電池 l〇〇b之結構大致上是與圖1與圖2中之燃料電池1〇〇a相 同，而二者不同之處在於燃料電池100b更包括一陰極流道 板170。陰極流道板170例如是接觸陰極集電板13〇，且位 (' 於陰極集電板13〇背向膜電極組110之一側，而導水層140 例如是附著於陰極流道板17〇上，且位於陰極集電板13〇 與陰極流道板170之間。 相同的’導水層140例如是包括具有毛細結構之材料 (未繪示）及多個第二開孔（未繪示），且第二開孔對應 陰極集電板130之第一開孔（未繪示）。由具有毛細結構 之材料所組成其中，陰極流道板170之截面形狀例如是呈 鑛齒狀（如圖3A)或波浪狀（如圖3B)，以使陰極集電 板130與陰極流道板17〇之間形成多個流道18〇。 " 膜電極組U0在化學反應後在陰極層114所產生的水 會在陰極集電板130與陰極流道板170接觸處被導水層 140吸收。然後，被導水層M〇吸收的水會藉由重力作用 順著流道180排出導水層14〇外。 相同的，燃料電池l〇〇a還可以包括儲水槽150與風扇 16〇至少其中之一。其中，儲水槽150與風扇160的配置 與功能與第一實施例相同，於此不作贅述。 13 200832800 PT728 21772twf.doc/e 束二實施例 請參考圖4，本發明第三實施例之燃料電池100c之結 構大致上是與圖1與圖2中之燃料電池l〇〇a相同，而二者 不同之處在於陰極集電板130之結構。於此實施例中，陰 極集電板130之表面更具有一導水微流道134，且膜電極 組110在化學反應後在陰極層114所產生的水例如是累積 在陰極集電板130表面之導水微流道134中。然後，累積 η 在導水微流道134中的水會藉由重力作用順著導水微流道 134排出陰極集電板13〇表面。 陰極集電板130例如是包括第一實施例中之具有毛細 結構之材料142 (繪示於圖1與圖2)，且導水微流道134 例如是形成於具有毛細結構之材料142之表面。另外，陰 極集電板130具有多個第一開孔13¾繪示於圖1與圖2)， 且導水微流道134亦可以具有多個對應第一開孔丨32之第 二開孔144 (繪示於圖1與圖2)。其中，第一開孔B2 與第二開孔144之結構與功用與第一實施例相同，於此不 ‘作贅述。 另外，燃料電池100a更可以包括導水層140、儲水槽 150與風扇160至少其中之一。其中，導水層14〇、儲水槽 150與風扇160的配置與功能與第一實施例相同，於此不 作贅述。 综上所述，由於本發明之燃料電池是利用毛細作用與 重力作用將膜電極組在化學反應後在陰極層產生的水排 除，因此，在陰極層所產生的水不會累積在陰極層而阻礙 14 200832800 PT728 21772twf.doc/e 陰極層觸媒層與氧氣接觸。而且，本發明可 外的能源即可移除在陰極層所產生的水，因此， 七 發電效率會較高。 不毛月之

再者，相較於習知燃料電池，由於本發明不 提高風扇轉速以排除在陰極層所產生的水，因此; 池可維持較佳的溫度，以轉其發電效率。除此之夕^ : ^發明所使用的燃料為甲醇時，陽極層的反應原料必須^ 括甲醇與水。因此’儲水槽還可用以收集在陰極層所產 t ’然後’儲水槽所累積的水還可以被輸送至陽極 複使用。 曰： π定^發:月已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限疋本I月’任何所屬技術領域中具有通常知識者 明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾， =本U之保護範圍#視後附之巾請專魏圍所界定者 =。另外’本發明的任—實施例或申請專利範圍不須 成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部 題僅是用來細專敝倾尋之用，並㈣來 本發明之權利範圍。 【圖式簡單說明】 圖0 圖1為本發明第一實施例之一種燃料電池之側視 意 圖2為圖1之燃料電池之立體分解示意圖。 ° /、θ 3Β刀別為本發明第二實施例之一種燃料 池之俯視示意圖。 15 200832800 PT728 21772twf.doc/e 圖4為本發明第三實施例之一種燃料電池之俯視示意 I 〇 【主要元件符號說明】 100a、100b、100c :燃料電池 110 :膜電極組 112 :陽極層 114 ··陰極層 116 :電解質層 120 :陽極集電板 130 :陰極集電板 132 ··第一開孔 134 ··導水微流道 140 :導水層 142 :具有毛細結構之材料 144 :第二開孔 150 :儲水槽 160 :風扇 170 :陰極流道板 180 :流道 16

Claims (1)

1. 200832800 PT728 21772twf.doc/e 十、申請專利範圍： 1 · 一種燃料電池，係包括·· 陽極層及一設於該 一膜電極組，係包括一陰極層、一 陰極層與該陽極層之間之電解質層； 一陽極集電板，接觸該陽極層設置； -陰極集電板’翻該陰極層設置，魏膜電極

   極集電板之間，且該陰極集電板具 一導水層，附著於該陰極集電板上，該導水層包括— 具有毛細結構之材料及多個第二開孔，該些第二開孔對應 於該陰極集電板之該些第一開孔。 2·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該電 解質層包括質子交換膜。 3·如申請專利範圍第丨項所述之燃料電池，更包括一 儲水槽，該儲水槽配置於該膜電極組下方，該膜電極組產 生化學反應後會在該陰極層產生水，且該些水適於藉由該 導水層輸送至該儲水槽。 4·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該具 有毛細結構之材料為紙、紗布、棉布或纖維材料。 5·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該些 第一開孔之孔徑之最短邊長度與該些第二開孔之孔徑之最 短邊長度相同。 6·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該導 水層包括一吸水部及一斥水部，該吸水部及該斥水部位於 200832800 r a /么〇 ^1772twf.doc/e 該些第二開孔之周圍，且該吸水部位於該斥水部與至少其 中之一該第二開孔之間。 7·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該導 水層與該陰極集電板可由黏合、鉚合及壓合方式固定。Λ、 8·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，更包括— 風扇，鄰近該膜電極組之該陰極層配置。 9· 一種燃料電池，係包括： 一膜電極組，係包括一陰極層、一陽極層及一設於該 陰極層與該陽極層之間之電解質層； 一陽極集電板，接觸該陽極層設置； 陰極集電板，接觸該陰極層設置，且該陰極集電板 具有多個第一開孔； 木包 陰極流道板，接觸該陰極集電板，且位於該陰極集 電板背向該膜電極組之一側；以及 ""木 一導水層，附著於該陰極流道板上，該導水芦 具有毛細結構之材料。 9 10.如申請專利範圍第9項所述之燃料電池，其中該導 水層包括乡個第二開孔，且該㈣二開孔對應該陰極集電 板之該些第一開孔。 ^ 11·如申睛專利範圍第9項所述之燃料電池，更包括一 儲水槽，該儲水槽配置於該膜電極組下方。 12·如申請專利範圍第9項所述之燃料電池，其中該 水層位於該陰極集電板與該陰極流道板之間。 13·如申請專利範圍第9項所述之燃料電池，其中該陰 18 200832800 “…“1772twf· doc/e 極集電板與該陰極流道板之間形成多個流道。 14·如申請專利範圍第13項所述之燃料電池，其中診 陰極流道板之截面形狀係呈鋸齒狀或波浪狀。 ’ ^ 15· —種燃料電池，係包括： 一膜電極組，係包括一陰極層、一陽極層及一設於診 陰極層與該陽極層之間之電解質層； 、 一陽極集電板，接觸該陽極層設置；以及

   一陰極集電板，接觸該陰極層設置，且該陰極集電 具有多個弟一開孔及一導水微流道。 16·如申請專利範，5項所述之燃料電池， 陰極集電板包括-具毛細結構之材料，該材料成= 水微流道。 17·、如申睛專利範圍第15項所述之燃料電池， 導水微流道上具有多個第二開孔，且該此 該些第-開孔。 二弟一開孔對應於

   19