CN101262073A - 燃料电池 - Google Patents

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黄金树
王正
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Abstract

一种燃料电池，包括一膜电极组件、一阳极集电板、一阴极集电板以及一导水层。膜电极组件包括一阳极层、一阴极层以及一设于阳极层与阴极层之间的电解质层。阳极集电板接触阳极层设置，而阴极集电板接触阴极层设置，使膜电极组件置于阳极集电板与阴极集电板之间，并具有多个第一开孔。导水层附着于阴极集电板上，并包括一具有毛细结构的材料及多个第二开孔，且这些第二开孔对应于阴极集电板的这些第一开孔。

Description

燃料电池
【技术领域】
本发明是有关于一种燃料电池，且特别是有关于一种利用导水层排除化学反应后累积在阴极层的水的燃料电池。
【背景技术】
随着科技的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高。由于天然能源的存量有限，因此，目前各国都在研发新的替代能源以取代传统能源，而燃料电池便是一种重要且具实用价值的选择。
简单来说，燃料电池基本上可说是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。目前常见的燃料电池有磷酸型燃料电池(PAFC)、固态氧化物型燃料电池(SOFC)或是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由一膜电极组件(MEA)、一阳极集电板以及一阴极集电板所构成。其中，膜电极组件主要是由一阳极层、一阴极层以及一配置于阳极层与阴极层之间的质子交换膜所构成，而阳极集电板接触阳极层设置，且阴极集电板接触阴极层设置。阳极层的燃料(如甲醇或氢气)会与位于阳极层的触媒产生化学反应而产生氢离子与电子。其中，氢离子会穿过质子交换膜而通往阴极层，而电子则会经由电路通往阴极层。接着，氢离子与电子会与位于阴极层的触媒与氧气产生化学反应而产生水。此时，燃料电池会因电子的流动而形成电流。
值得注意的是，在燃料电池中，膜电极组件在化学反应后会在阴极层产生水，且当阳极层的反应原料为甲醇与水时，阳极层的水也会因为电渗效应(electro-osmotic drag)而穿过质子交换膜通往阴极层。然而，这些水若累积在阴极层，将会阻碍阴极层的触媒与氧气接触，进而降低燃料电池的发电效率。
在目前常见的燃料电池中，通常是利用风扇或是空气抽吸排除化学反应后累积在阴极层的水。其中，燃料电池的风扇不仅能为阴极层提供化学反应所需要的氧气，也能通过加速空气对流而蒸发这些累积在阴极层的水。再者，当燃料为甲醇时，上述的水蒸气还能被回收至阳极层重复使用。
然而，为了蒸发这些水，风扇的转速必须被提高，反而会消耗更多燃料电池所产生的电能。再者，提高风扇转速可加速空气对流与水的蒸发。但由于燃料电池的反应温度通常高于常温，而空气对流与水的蒸发皆会降低燃料电池的温度，反而会使燃料电池的发电效率降低。此外，利用空气对流使水蒸发的方式也会因空气对流时所产生的空气流场不均匀而使部分累积于阴极层的水无法被排除。而且，部分的水蒸气不会重新凝结成水，亦会使阳极层的水量不足以再利用。
【发明内容】
本发明的目的就是在提供一种燃料电池，以使膜电极组件在化学反应后在阴极层所产生的水可通过毛细作用而被移除，而不需额外消耗燃料电池所产生的能量。
本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为实现上述的一或部份或全部目的或是其它目的，本发明提出一种燃料电池，包括一膜电极组件、一阳极集电板、一阴极集电板以及一导水层。膜电极组件包括一阴极层、一阳极层及一设于阳极层与阴极层之间的电解质层。阳极集电板接触阳极层设置，而阴极集电板接触阴极层设置，使膜电极组件置于阳极集电板与阴极集电板之间，并具有多个第一开孔。导水层附着于阴极集电板上，并包括一具有毛细结构的材料及多个第二开孔，且这些第二开孔对应于阴极集电板的这些第一开孔。
为实现上述的一或部份或全部目的或是其它目的，本发明更提出一种燃料电池，包括一膜电极组件、一阳极集电板、一阴极集电板、一阴极流道板以及一导水层。膜电极组件包括一阴极层、一阳极层及一设于阴极层与阳极层之间的电解质层。阳极集电板接触阳极层设置，而阴极集电板接触阴极层设置，并具有多个第一开孔。阴极流道板接触阴极集电板，且位于阴极集电板背向膜电极组件的一侧。导水层附着于阴极流道板上，并包括一具有毛细结构的材料。
为实现上述的一或部份或全部目的或是其它目的，本发明再提出一种燃料电池，包括一膜电极组件、一阳极集电板以及一阴极集电板。膜电极组件包括一阴极层、一阳极层及一设于阴极层与阳极层之间的电解质层。阳极集电板接触阳极层设置，而阴极集电板接触阴极层设置，并具有多个第一开孔及一导水微流道。
由于本发明的燃料电池包括一具毛细结构的材料，因此，膜电极组件在化学反应后在阴极层所产生的水可通过毛细作用而被移除，而不需要额外消耗燃料电池所产生的能量。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
【附图说明】
图1为本发明第一实施例的一种燃料电池的侧视示意图。
图2为图1的燃料电池的立体分解示意图。
图3A与图3B分别为本发明第二实施例的一种燃料电池的俯视示意图。
图4为本发明第三实施例的一种燃料电池的俯视示意图。
【主要组件符号说明】
100a、100b、100c：燃料电池
110：膜电极组件
112：阳极层
114：阴极层
116：电解质层
120：阳极集电板
130：阴极集电板
132：第一开孔
134：导水微流道
140：导水层
142：具有毛细结构的材料
144：第二开孔
150：储水槽
160：风扇
170：阴极流道板
180：流道
【具体实施方式】
下列各实施例的说明是参考附图，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本创作所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
第一实施例
请参考图1与图2，本发明第一实施例的燃料电池100a包括一膜电极组件110、一阳极集电板120、一阴极集电板130及一导水层140。膜电极组件110包括一阳极层112、一阴极层114及一设于阳极层112与阴极层114之间的电解质层116。其中，阳极集电板120接触阳极层112设置，而阴极集电板130接触阴极层114设置，且膜电极组件110置于阳极集电板120与阴极集电板130之间，阴极集电板130并具有多个第一开孔132。导水层140附着于阴极集电板130上，并包括一具有毛细结构的材料142及多个第二开孔144，且第二开孔144对应于阴极集电板130的第一开孔132。
在此实施例中，电解质层116例如是质子交换膜，而导水层140例如是以粘合、铆合或压合的方式固定于阴极集电板130，且具有毛细结构的材料142例如是由纸、纱布、棉布、纤维材料或其它具有毛细结构的材料所组成。再者，阳极层112例如是包括一阳极触媒层(未图示)及一阳极气体扩散层(未图示)，而阴极层114例如是包括一阴极触媒层(未图示)及一阴极气体扩散层(未图示)。另外，燃料电池100a例如是通过膜电极组件110中的触媒层使燃料产生化学反应而产生可供使用的电力。其中，燃料例如是氢气或甲醇。
更详细而言，阳极触媒层会使位于阳极层112的燃料(如甲醇或氢气)产生化学反应而产生氢离子与电子。其中，氢离子会穿过阳极气体扩散层、电解质层116与阴极气体扩散层而传递至阴极触媒层，而电子则会经由电路传递至阴极层114，并产生可供使用的电流。接着，阴极触媒层会使传递至阴极层114的氢离子、电子与位于阴极层114的氧气产生化学反应而产生水。
其中，当燃料为甲醇与水时，在阳极层112的反应式为2CH3OH+2H2O→2CO2+12H2+12e-，而在阴极层114的反应式为12H++12e-+3O2→6H2O，而且，燃料电池100a的总反应式为2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O。另外，当燃料为氢气时，在阳极层112的反应式为2H2→4H++4e-，而在阴极层114的反应式为4H++4e-+O2→2H2O，而且，燃料电池100a的总反应式为2H2+O2→2H2O。
由上述化学式中可得知，不论燃料电池100a所使用的燃料为甲醇或氢气，膜电极组件110在化学反应后都会在阴极层114产生水。此时，这些水会被导水层140的具有毛细结构的材料142吸收，并通过重力作用排出具有毛细结构的材料142外。更详细而言，导水层140的具有毛细结构的材料142例如是包括一吸水部(未图示)及一斥水部(未图示)。其中，吸水部例如是位于第二开孔144周围并邻近第一开孔132，而斥水部例如是位于第二开孔144周围并远离第一开孔132，使吸水部位于斥水部与至少其中的一第二开孔144之间。由于膜电极组件110在化学反应后在阴极层114所产生的水会在邻近于第一开孔132处被吸水部吸收，并会通过重力作用由斥水部排出具有毛细结构的材料142外，因此，水不会累积于第一开孔132，故可以避免水阻碍氧气通过第一开孔132而传递至阴极触媒层。
第一开孔132的孔径的最短边长度例如是与第二开孔144的孔径的最短边长度相同。举例来说，第一开孔132与第二开孔144例如是孔径相同的圆孔。或者，第一开孔132与第二开孔144的其一为长圆孔，而第一开孔132与第二开孔144的另一为圆孔，且长圆孔的孔径的最短边长度与圆孔的孔径相同。
除此之外，燃料电池100a还可以包括一配置于膜电极组件110下方的储水槽150，且膜电极组件110在化学反应后在阴极层114所产生的水适于通过导水层140输送至储水槽150。在此实施例中，在阴极层114所产生的水例如是通过重力作用由具有毛细结构的材料142滴入储水槽150中。值得注意的是，当燃料电池100a所使用的燃料为甲醇时，阳极层112的反应原料必须包括甲醇与水，因此，储水槽150中的水还能被输送至阳极层112重复使用。除此之外，燃料电池100a还可以包括一邻近膜电极组件110的阴极层114配置的风扇160，用以提供阴极层114在化学反应时所需要的氧气。
第二实施例
请参考图3A与图3B，本发明第二实施例的燃料电池100b的结构大致上是与图1与图2中的燃料电池100a相同，而二者不同之处在于燃料电池100b还包括一阴极流道板170。阴极流道板170例如是接触阴极集电板130，且位于阴极集电板130背向膜电极组件110的一侧，而导水层140例如是附着于阴极流道板170上，且位于阴极集电板130与阴极流道板170之间。
相同的，导水层140例如是包括具有毛细结构的材料(未图示)及多个第二开孔(未图示)，且第二开孔对应阴极集电板130的第一开孔(未图示)。由具有毛细结构的材料所组成其中，阴极流道板170的截面形状例如是呈锯齿状(如图3A)或波浪状(如图3B)，以使阴极集电板130与阴极流道板170之间形成多个流道180。
膜电极组件110在化学反应后在阴极层114所产生的水会在阴极集电板130与阴极流道板170接触处被导水层140吸收。然后，被导水层140吸收的水会通过重力作用顺着流道180排出导水层140、。
相同的，燃料电池100a还可以包括储水槽150与风扇160至少其中之一。其中，储水槽150与风扇160的配置与功能与第一实施例相同，于此不作赘述。
第三实施例
请参考图4，本发明第三实施例的燃料电池100c的结构大致上是与图1与图2中的燃料电池100a相同，而二者不同之处在于阴极集电板130的结构。在此实施例中，阴极集电板130的表面更具有一导水微流道134，且膜电极组件110在化学反应后在阴极层114所产生的水例如是累积在阴极集电板130表面的导水微流道134中。然后，累积在导水微流道134中的水会通过重力作用顺着导水微流道134排出阴极集电板130表面。
阴极集电板130例如是包括第一实施例中的具有毛细结构的材料142(示于图1与图2)，且导水微流道134例如是形成于具有毛细结构的材料142的表面。另外，阴极集电板130具有多个第一开孔132(绘示于图1与图2)，且导水微流道134亦可以具有多个对应第一开孔132的第二开孔144(绘示于图1与图2)。其中，第一开孔132与第二开孔144的结构与功用与第一实施例相同，于此不作赘述。
另外，燃料电池100a还可以包括导水层140、储水槽150与风扇160至少其中之一。其中，导水层140、储水槽150与风扇160的配置与功能与第一实施例相同，于此不作赘述。
综上所述，由于本发明的燃料电池是利用毛细作用与重力作用将膜电极组件在化学反应后在阴极层产生的水排除，因此，在阴极层所产生的水不会累积在阴极层而阻碍阴极层触媒层与氧气接触。而且，本发明可不需要消耗额外的能源即可移除在阴极层所产生的水，因此，本发明的发电效率会较高。
再者，相较于已知燃料电池，由于本发明不需要通过提高风扇转速以排除在阴极层所产生的水，因此，燃料电池可维持较佳的温度，以维持其发电效率。除此之外，当本发明所使用的燃料为甲醇时，阳极层的反应原料必须包括甲醇与水。因此，储水槽还可用以收集在阴极层所产生的水，然后，储水槽所累积的水还可以被输送至阳极层重复使用。
虽然本发明已以较佳实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须实现本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (17)

1. 一种燃料电池，包括：
一膜电极组件，包括一阴极层、一阳极层及一设于该阴极层与该阳极层之间的电解质层；
一阳极集电板，接触该阳极层设置；
一阴极集电板，接触该阴极层设置，使该膜电极组件置于该阳极集电板与该阴极集电板之间，且该阴极集电板具有多个第一开孔；以及
一导水层，附着于该阴极集电板上，该导水层包括一具有毛细结构的材料及多个第二开孔，该些第二开孔对应于该阴极集电板的该些第一开孔。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池，其中该电解质层包括质子交换膜。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池，还包括一储水槽，该储水槽配置于该膜电极组件下方，该膜电极组件产生化学反应后会在该阴极层产生水，且该些水适于通过该导水层输送至该储水槽。
4. 根据权利要求1所述的燃料电池，其中该具有毛细结构的材料为纸、纱布、棉布或纤维材料。
5. 根据权利要求1所述的燃料电池，其中该些第一开孔的孔径的最短边长度与该些第二开孔的孔径的最短边长度相同。
6. 根据权利要求1所述的燃料电池，其中该导水层包括一吸水部及一斥水部，该吸水部及该斥水部位于该些第二开孔的周围，且该吸水部位于该斥水部与至少其中的一该第二开孔之间。
7. 根据权利要求1所述的燃料电池，其中该导水层与该阴极集电板可由粘合、铆合及压合方式固定。
8. 根据权利要求1所述的燃料电池，还包括一风扇，邻近该膜电极组件的该阴极层配置。
9. 一种燃料电池，包括：
一膜电极组件，包括一阴极层、一阳极层及一设于该阴极层与该阳极层之间的电解质层；
一阳极集电板，接触该阳极层设置；
一阴极集电板，接触该阴极层设置，且该阴极集电板具有多个第一开孔；
一阴极流道板，接触该阴极集电板，且位于该阴极集电板背向该膜电极组件的一侧；以及
一导水层，附着于该阴极流道板上，该导水层包括一具有毛细结构的材料。
10. 根据权利要求9所述的燃料电池，其中该导水层包括多个第二开孔，且该些第二开孔对应该阴极集电板的该些第一开孔。
11. 根据权利要求9所述的燃料电池，还包括一储水槽，该储水槽配置于该膜电极组件下方。
12. 根据权利要求9所述的燃料电池，其中该导水层位于该阴极集电板与该阴极流道板之间。
13. 根据权利要求9所述的燃料电池，其中该阴极集电板与该阴极流道板之间形成多个流道。
14. 根据权利要求13所述的燃料电池，其中该阴极流道板的截面形状呈锯齿状或波浪状。
15. 一种燃料电池，包括：
一膜电极组件，包括一阴极层、一阳极层及一设于该阴极层与该阳极层之间的电解质层；
一阳极集电板，接触该阳极层设置；以及
一阴极集电板，接触该阴极层设置，且该阴极集电板具有多个第一开孔及一导水微流道。
16. 根据权利要求15所述的燃料电池，其中该阴极集电板包括一具毛细结构的材料，该材料上形成该导水微流道。
17. 根据权利要求15所述的燃料电池，其中该导水微流道上具有多个第二开孔，且该些第二开孔对应于该些第一开孔。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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