TWI251369B - Fuel cell system including an ion filter - Google Patents

Description

1251369 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ‘ 本發明與使用燃料電池和燃料盒的燃料系統有關，更 -體的A本發與結合離子濾器的燃料系統有關。 【先前技術】 燃料電池是一種直接將如燃料和氧化劑之類的反應物 化學旎1，轉換成直流電（DC)的裝置。基於應用上的大幅 立曰加，與傳統燃燒化石燃料的發電機以及如鋰電池類型的 攜帶式儲存電源相比，燃料電池會比它們更具效率。 通常，燃料電池技術包括各種不同類型的燃料電池， 如鹼性燃料電池、高分子膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔 融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池及酵素燃料電 池。現今較重要的燃料電池可分為三大類別，即使用壓縮 氫氣（A)做為燃料的電池；使用甲醇（CH3〇H)、硼氫 化鈉（NaBH4)、碳氫化合物（如丁烷）或其他燃料轉換 成氫氣燃料的質子交換膜（proton exchange membrane， PEM)燃料電池；以及直接使用甲醇（CH3〇H)燃料的質 子交換膜燃料電池（稱為「直接甲醇燃料電池」或 “DMFC”）。壓縮氫氣一般均維持在高壓下保存，而且很難 處理，此外，通常需要大型儲存槽，且不適用於小型的消 費性電子裝置上。傳統的重組器燃料電池需要轉化劑和其 他蒸發與輔助系統，將燃料轉化成氫氣以在燃料電池中與 氧化劑相互反應。最近的發展讓轉化或重組器燃料電池有 希望供消費性電子裝置使用，直接甲醇燃料電池的p醇會 5 1251369 «料電池中與氧化射接產生仙，是最簡單也可能是 取小的燃料電池，並有希望制在㈣性電子裝置上。· 至於在較大型應用上，直接甲醇燃料電池典型上包含 一個風扇錢縮機來供應氧化劑，通常是空氣或氧氣，到 陰極上，另-個泵供應水/甲醇混合物到陽極和—個薄膜電 極組（MEA)上，典型的薄膜電極組包括—陰極、—質子交 換膜和-陽極。在操作期間，水/甲輕體難混合物會直 接供應到陽極上’而氧化劑則供應到陰極上，在每個電極 上會產生電化反應’而直接甲醇燃料電池的整體反應敘述 如下： 陽極上的半反應： CH3OH + H20 C02 + 6H+ + 6e" 陰極上的半反應： 〇2 + 4hT + 4e、2H20 燃料電池整體反應： CH3OH + 1.502-^c〇2 + 2H20 因為氫離子(H+)透過質子交換膜由陽極移動到陰極， 以及自由電子⑷無法穿透質子交換膜的緣故，所以電 子必/頁々IL經外。卩電路因而產生電流。而外部電路可能是任 何可用的 >肖費性電子裝置’如行動電話、計算機、個人數 位助理器、筆記型電腦及其他相關電源工具。直接甲醇燃 料電池已揭露於美國專利案號第5,992,〇〇8號和第 5,945,231號案中，於此併人本文中以f參考。通常，質 子父換膜是由如杜邦公司的__薄膜之類的聚合物製 1251369 作而成，它是一種氟磺酸聚合物，厚度範圍大約在〇·05 釐米到0.5釐米，或是其他適合的薄膜。 · 電氣化學電池反應通常會在包含一陽極擴散層的一 薄膜電極組上發生，它包括一個具有氟聚合物的碳紙，如 杜邦公司的Teflon®，在一個陽極催化劑層中包含如鉑-釕 的催化劑，以及質子導體，如Nafion®氟績酸聚合物，而 質子交換膜是一包含催化劑的陰極催化劑層，如鉑及質子 導體以及具有氟聚合物碳紙的陰極擴散層。 一個硼氫化鈉重組器燃料電池的電池反應如下：

NaBH4冰成）+ 2H20—(熱或催化劑)—4(H2) + (NaB〇2)(水成） ^2—2H+ + 2e_ (在陽極） 2 (2H + 2e ) + 〇2~> 2H2〇（在陰極） 適當的催化劑在其他金屬中，還包括鉑及釕。由硼氫 化鈉轉化產生的氫氣燃料會在燃料電池中與氧化劑，如氧 氣叙生反應並產生電流（或一種電子的流動）及水的副 產品。同時在轉化過程中也產生硼酸鹽化鈉（NaB〇2)的 副產品。硼氫化鈉燃料電池在美國已公開之專利申請案第 2003/0082427號案中已有討論，在此併入本文中以資參 考。 除了質子以外陽離子會降低質子交換膜的傳導性， 特別是會損及多原子價金屬離子的薄膜傳導性而有受困 在質子交換财的趨勢，當傳導性已充分降低或是當困住 7的程度達到臨界程度時，f子交換膜料以更換或翻 修0 7 I251369 專利文獻揭示了一些燃料電池的過濾器。如美國專 利第US 6,265,093 B1號便揭示一種包含一位於薄膜電極 組前方的燃料濾器之直接甲醇供應燃料電池系統。這個濾 器是一種濾網式過濾器，可依粒子大小將粒子困住以將燃 料中不純的碳氫化合物移除，美國專利第6,63〇,518 B1 號揭示種水合物薄膜經照射及續化之後會將績酸基連 結到薄膜上，在燃料電池中薄膜可作為質子交換膜以及離 子交換構件或離子選擇性淨化系統使用。 因此，用濾器來降低燃料中金屬離子的濃度以供燃料 電池使用是需要的。 【發明内容】 本發明係有關於離子濾器，可放在燃料電池流體系統 的任何位置上。 ，本發明也與包含一入口、一出口和一由氣確酸聚合物 製成並放置於入口和出口之間的媒介。在渡器中的燃料會 $進入濾器前燃料具有較少的金屬離子，氟續酸聚合物媒 介基本上非常類似燃料電池薄膜電極組中的聚合物交換 薄膜。 遽器可連接到—燃料補給器或到一燃料電池元件，濾 器也可能具有一外殼以容納渡器媒介，同時此渡器媒介可 以呈條狀或錠狀來增加媒介的表面積。 本么月更有關於供燃料電池使用之燃料補給器具有 -外设其内含的燃料有最初離子量，以及_個由外殼所支 樓的離子濾器，離子濾器會有燃料流體流通，所以存在離 8 1251369 子濾器中的燃料會具有比最初離子量還少的第二離子 $，離子濾器基本上類似於上述的離子濾器。 本赉明也有關自燃料電池内的適用燃料中及自燃料 電池内的液態副產品中吸引金屬離子的l韻聚合物渡 為媒介，濾器媒介基本上就類似於在燃料電池薄膜電極組 中的聚合物交換薄膜，同時濾器媒介會位於與燃料電池有 關的流體流動路徑之内，如燃料盒、混合室及/或副產品―。 【實施方式】 ^ & ° 正如附圖中所描繪及下面詳細討論的内容，本發明係 有關於燃料補給器，用於儲存燃料電池燃料如甲醇和水、 甲醇/水混合物、不同濃度的甲醇/水混合物或是純甲醇。 甲醇可在許多_的簡電池中使用，如直接甲醇燃料電 池、酵素燃料電池、轉化燃料電池等等。燃料補給器可以 包含其他類型的燃料電池燃料，像是乙醇或酒精、可轉化 為氫的化學藥劑，或其他可以改善燃料電池效能或效率的 化學藥劑。燃料也可以包括氫氧化鉀（K〇H)電解液，這 對於金屬燃料電池或鹼性燃料電池是非常有用的，而且可 以儲存在燃料補給器中。在金屬燃料電池方面，燃料是以 流體鋅粒子形式浸在氫氧化鉀電解質的反應溶液中，因此 在電池空洞内的陽極上會佈滿辞粒子的微粒。氮氧化卸電 解溶液已揭示在美國於20Q3年4月24日公告的專利申請 案第2003/0077493號、名稱為「使用設定的燃料電池系統 以提供一或多個負載電源之方法」，將其完整併於此以資 參考。燃料也包括了甲醇、過氧化氫及硫酸的混合物，它 9 1251369 會流過由石夕晶所形成的催化劑，產生燃料電池反應。燃:料 也包括水成硼氫化鈉（NaBhU)和水，如上所述。燃料尚可 包括碳氫化合物燃料，包括但不限於丁烷、煤油、酒精及 天然氣，已揭示在美國於2〇〇3年5月22曰公告之專利申 請案號2003/0096150、名稱為「液體介面之燃料電池裝 置」一案中有所探討，將其完整併於此以資參考。燃料也 可包括能與燃料進行反應的液體氧化劑。因此，本發明並 不：於任何類型的燃料、電解溶劑、氧化溶劑，或是在補 、、、e器中所包含的液體。此處所使用的「燃料」—詞包括所 有可在燃料電池或燃料補給器内參與反應的任何燃料，包 括但不限於上述所有合適的燃料、電解溶劑、氧化溶劑、 液體及/或化學藥劑及上列的混合物。 、人此處所使料「燃料補給器」一詞包括但不限於可棄 ^蓋可再填充7可再使用盒、容器、位於電子性裝置内的 皿子可移動式盒子、位於電子性裝置外的盒子、燃料箱、 ^再填充箱、其他儲存燃料的容器以及連接到燃料箱及 谷器的& ?。雖然:以下所描述的盒子會與本發明的具體實 加例結合以作為示範，但必須注意的是這些具體實施例也 適用在其他燃料補給器上且本發明不受限於任何特殊形 式的燃料補給器。 —依據本♦明’燃料電池系統具有過濾燃料的能力並能 』著降低燃料中的金屬離子。如下所附圖式及討論細節， 本發明有關於供電子電源裝置11使用之燃料電池10。 第圖顯不本發明之一具體實施例以及包含兩組連 10 1251369 接線路的燃料電池系統，第—組連接線路系統包括了流 體’亦即液體和氣體、線路，並具有箭頭來顯示流動方向。. 第二組連接線路包含電子線路，在交叉點具有較深的圓圈 來顯示電子連接性。雖然本具體實施例是描述有關直接甲 醇燃料電池’但可以了解的是這項具體實施例可適用在任 何燃料電池上。

盒子12連接到供電源電子裝置11使用之燃料電池 1〇。盒子12可包含或不包含内部襯墊或囊袋，不具有襯 墊及相關組件的盒子已揭示於2〇〇3^月31日所提出之 第10/356,793號、名稱為「燃料電池的燃料盒」審查中 之專利申請案，將其完整併於此以資參考。而具有内部概 墊或囊袋的盒子已完整揭示於2〇〇3年7月29日所提出之 第10/629,004流、名稱為「含彈性襯墊之燃料盒」審查 中之專利中請案，將其完整併於此以資參考。第-圖中所 不的燃料電池系統於同日所提出名稱為「含資訊儲存裝置 與控制系統之燃料電池補給II」審查中之專射請案中有 完整地說明，將其完整併於此以資參考。 電子裝置11 一般會較燃料電池彳〇大而且通常用來容 社弟圖中顯不電子裝置11圍繞著燃料電 池10之結構，同時也以—個用虛線所畫出*㈣㈣ 且電源供應來自於薄膜電極組16所產生的電流，本電子 裝置也可做為電池充電的充電器。 有關流體線路，燃料盒連接到活門24，這個活門最好 是-個雙元件活門’其中活門元件24a附加在盒子上而活 11 1251369 門疋件24b則連接到泵14上，當燃料盒與燃料電池分.開 時每個活門元件都可形成密封。雙元件活門已完整揭示於 2003年7月29日所提出之第1〇/629 〇〇6號名為「含 連接活門之燃料盒」審查中之專利申請案，將其完整併於 此以資參考。 、在燃料電池10中，活門元件抑可直接連接縣14 · 並在燃料盒分開時提供泵14的密封，另外，活門元件Mb〜 也可能附加在其他誠電池元件上，$ 14會連接到可選 擇的活門252上，其主要功能為流量調節裝置，同時可用φ 流量表254來量測流經泵14和活門252的流率，如文氏 流量計或其他電子流量計，接著燃料會被泵送至混合室 250中。燃料/水混合物則從混合室25〇直接被泵送至薄膜 電極組16中以產生電力啟動電子裝置彳彳。液態和氣體副 產品，例如水和二氧化碳，則會在二氧化碳氣體所產生的 壓力下被泵送到或流到副產品室256中。而水的副產品則 送回到混合室250。在混合室250中具有釋放活門258可 將氣體副產品和過多的水排放到燃料電池之外，釋放活門儀| 可為已揭示在‘004審查中之專利申請案中之提升式活 ，· 門。在混合室250中水會與燃料混合以達到最佳燃料濃 度，燃料濃度可由燃料濃度感測器260來量測，而這些感 測器都已揭示在美國專利申請案第2003/0131663號和第 2003/0134162號以及專利編號第6,254,748號與第 6,306,285號案中，將之併於此以資參考。 當使用加壓式的燃料補給器時，泵14則可省略。在 12 1251369 這項具體實施例中，調節活門252會調節燃料到薄膜電極 組16的流量，而調節活門252已揭示於名為「含資訊儲 存裝置與控制系統之燃料電池補給器」審查中之專利申請 案。 °月 另外，除了需要提供燃料電池反應的水以外，其他副 產品會回送到燃料盒中來處理。釋放活門258可以配置在 燃料盒上以將氣體排放到大氣中。除此之外，副產品室2兄 可以忽略而且會直接由薄膜電極组16冑送到混合室 卜在另-個具體實施例中，混合室25〇中的虛線可將混 合室250分成如圖所示的兩個部分，冑25〇a用來接收燃 料盒上的燃料而室250b則是接收副產品，每個室25〇a 和250b會分別直接連接到薄膜電極組佗或到其他薄膜電 極組的上游混合室中。每個室25加和25〇b也可分別連接 一泵’如泵262 ’來調節由每室到薄膜電極組的流量以獲 得最佳燃料濃度。 有關於控制線路，已在名為「含資訊儲存裝置與控制 系統之燃料電池補給器」審查中之專利申請案中有完整地 說明’控制器18設定用來控制流經燃料電池的燃料流量。 控制器18可放在燃料電池1〇或在電子裝置Μ之中，同 時控制器也可放在燃料盒上，或是控制器的功能可由中央 處理器(CPU)或電子裝置”的控制器來執行，控制器18 可讀取儲存在資訊儲存裝置23' 266、268中的資訊並將 資訊寫入這些儲存裝置中’控制器18也可讀取電子可讀 取式燃料測量儀264以確定所剩燃料的量。這卵料測量 13 1251369 散的片狀過慮材料以增加過濾材料在燃料F令暴露的表面 積使得滤器有緊密而有效的優點，另外，過料料也可使 用較細的粉狀或相㈣東西。在本具體實施财，分散的 片狀聚合物27〇a會在一個選擇性的黏結劑鳩中黏結在 -起’適當的黏結劑270b應可阻抗燃料。另外，除了使 用黏結劑之外’過濾材料也可收納在—個開放式網狀抗燃 料方格網如在審查中專射請案所揭示的方陣。 在燃料中的金屬離子會㈣器中的職材料經由擴 政所吸收或附著其上，所以在滤器中所存在的燃料「具有 第一離子罝少於燃料F進入時具有的最初離子量，擴散效 果可讓過渡材料在燃料流經遽器時E集離子，此時需要相 對的降Μ以穿過渡器。遽器27〇無法依據粒子大小來分 因此是一種非篩選式濾器 辨 在濾态270中過濾材料的密度和穿透性決定燃料F流 經濾、器的流量特性。最好的狀況是過濾材料應在組裝到盒 子前便已弄濕，所以可以比原本的容量再擴大約5%到約 25%之間。更理想的情況便是將過濾材料弄濕而比原本的 體積擴大約15%以上。 過濾材料可能包括一個或多個催化劑，如鉑及/或釕， 但這在不具有基礎材料時是無法支援的。同樣地，過濾材 料可被切割或以較細的粉狀被提供，並如前述的方式使 用’聚合物過濾材料可被擠壓而形成一種紡織墊，包括了 織布和不織布，並可放在燃料流動路徑上。 如第二圖所示，當濾器270放在喷嘴22之上時，它 15 1251369 是,於燃料補給器的下游處和果14的上游處。最好的情 況是泵14利用壓力將燃料自燃料補給 外，如第三圖所示，遽器270位於燃料盒12和果二= 游處。而濾器270可以包含分散的片狀物27Q 料’㈣外殼274之中。外殼274具有入心和^ 、。最好的清況疋，外殼274由與燃料相容的材料做成。 而遽益也可位於盒子上。另外，當滤器27〇和關閉活門同 夺位於喷紫22上’遽器270也同時扮演流量調節器，使 得關閉活門開啟時能讓燃料流量減緩，這職器和關閉活 門的使用已完整揭示於‘_審查中之專财請案中並併 入本文以資參考，作為一個流 活門的下游或上游處。…周即益，遽益可放在關閉 再參照第-圖，為符合本發明的另一項特色 測器272是用來確定滹琴 么 ¥ 率定何時需要更_ ° 1 ’裔272最理想是位於燃料電池10之内，如 圖所示，或是放置在燃料盒上。離子感測器仍會以電路 = 由控制器來讀取。離子感測器- 1·上如跨過攜帶燃料的管路或在管路 S’如第二圖所示。此電場是跨過燃料的固定電壓或是 ^經^4的固定電流’燃料的電場傳導性取決於燃料内離 子料度，而離子的個數是直接與流經 ， 固定時)或與跨越燃料的電•(當流經燃二: L疋、成正比。即時的離子量測會與低離子辦料 相比較，來決定離子程度是否可被接受。另外:可㈣表 16 1251369 低離子種度的資料點晝出一校準曲線或表袼，在〇„ 會出現無法接受的離子程度或更多的點。而即時量測可和 這個校準曲線相比較，以確定使用期間的離子量，控制哭 18會定期讀取這些電㈣電流值，且當電㈣電流值工達^ 預先決定的程度時，控制器可能會是在下一次重裝燃料補 給器時出現-個訊息或是其他如視覺或聲音的信號，來讓 使用者更換濾器。 雖然本發明所揭示之具體實施例顯然可以完全實現 本發明的目標，如熟知先前技術之人應了解能提出更多的 修改方案和其他具體實施例。除此之外，來自任何具體實 施例的特色及/或元件均可單獨使用或與其他具體實施例 結合運用，例如，過遽材料可放在盒子12中，於混和室 250及/或副產品室256中自燃料及/或水副產品中提取出 金屬離子。因此，可了解附隨的申請專利範圍乃意於涵蓋 本發明之精神和範嘴内之所有類似的修改與具體實 【圖式簡單說明】 、隨附的圖式為本文的—部份應一併參考，在不同的圖 式中會用相同數字來代表相同的元件·· 第一圖是本發明之-個具__，具有-燃料盒、 -離子濾II及離子測量儀的燃料電池系統結構視圖，· 第圖疋第圖中具有離子濾、器及測量燃料中離子程 度測量儀的燃料盒之部份放大橫截面圖；以及 第一圖疋燃料包池系統另一個具體實施例的部分結構 視圖。 17 1251369 【主要元件符號說明】 10 燃料電池 11 電源裝置，電子電源裝置 12 盒子 14 泵 16 薄膜電極組 18 控制器 22 出口，喷嘴 23 資訊儲存裝置 24 活門，雙元件活門 24a 活門元件 24b 活門元件 250 混合室 250a 室 250b 室 252 可選擇的活門，調節活門 254 流量表 256 副產品室 258 釋放活門 260 燃料濃度感測器 262 泵 264 電子可讀取式燃料測量儀 266 資訊儲存裝置 268 資訊儲存裝置 18 、1251369 270 270a 270b 272 274 276 278 濾器 錠狀，分散的片狀聚合物，分散的片狀物 黏結劑 離子感測器 外殼 入口 出口 19

Claims (1)

1. ^51369 21. 22. 23. 本上類似於燃料電池薄膜電極組中的聚合物交換薄膜，且 其中濾器媒介會放在與燃料電池有關的流體流動路徑上。 如申請專利範圍第20項所述之氟磺酸聚合物濾器媒介， 其中該濾器媒介位於燃料補給器中。 如申請專利範圍第20項所述之氟磺酸聚合物濾器媒介， 其中該濾器媒介位於混合室中。 如申請專利範圍第20項所述之氟磺酸聚合物濾器媒介， 其中該濾器媒介位於副產品室中。 22