CN103545540B - 多倍力燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多倍力燃料电池，包括一阳极组，其包含第一电极板；一阴极组，包含第二电极板；一质子交换膜，设置于第一与第二电极板之间；一催化层，设置于第一电极板与质子交换膜之间，并与第一电极板形成电性导通，且贴靠于质子交换膜朝向第一电极板的一面；一氢气输送装置，其用于输送氢气至催化层，由催化层将氢气解离为电子与氢质子，电子由第一电极板送出，氢质子经过质子交换膜朝第二电极板移动；质子交换膜与第二电极板之间设置一储氢合金层，并与第二电极板形成电性导通，且贴靠于质子交换膜朝向第二电极板的一面；氢质子穿越质子交换膜之后，再与来自第二电极板的电子及储氢合金层结合反应为氢化合金；本发明还设有氢气汲取装置。
Description
技术领域
本发明有关于一种多倍力燃料电池，尤指一种氢气循环再利用的燃料电池技术。
背景技术
现有氢燃料电池是一种将氢化学能转换为电能的装置，其基本架构如图9所示，包括阳极组110、阴极组120、质子交换膜141、氢气输送装置142、氧气输送装置143及出水管道144。质子交换膜141介置在阳极组110与阴极组120之间。质子交换膜141的两面分别覆设一层的催化层140（即铂或钯触媒层）。
如图10所示，阳极组110包括第一电极板111、第一场流板112、入气管道145及第一压板180。第一场流板112紧靠在第一电极板111与催化层140之间。第一压板180紧靠在第一电极板111外侧面，且其上设有入气口182。入气口182一端与氢气输送装置142连通，另一端则与入气管道145连通。入气管道145贯穿第一电极板111而与第一场流板112的扩散气道112a连通。阴极组120包括第二电极板121、第二场流板122、入气管道146及第二压板181。第二场流板122紧靠在第二电极板121与另一催化层140之间。第二压板181紧靠在第二电极板121外侧面，且其上设有入气口183。入气管道146贯穿第二电极板121而与第二场流板122的扩散气道122a连通。入气口183一端与氧气输送装置143连通，另一端与入气管道146连通，再以螺栓184锁固而封装堆栈为氢燃料电池组。当氢气由阳极组110进入时，氢气被催化层140解离为氢质子与电子。电子由外部负载回路90进入阴极组120。氢质子穿越质子交换膜141后与自外部负载回路90取得的电子及来自阴极组120的氧结合反应生成水并放热，并由出水管道144将水排出。
虽然现有氢燃料电池不会对环境造成污染，能替代燃油引擎及电动车的电池，然而其必须覆设二层铂材或钯材作为催化层，材料成本较高。并且，现有氢燃料电池另一问题是，为确保电池能正常对负载放电，其必须以氧及电子将氢质子结合反应生成水和热量，如此一来，氢质子无法回收循环再利用，以致浪费氢能源，减低了氢燃料电池的供电续航力。
由于储氢合金在低温或高压的环境下可以有效吸覆储存氢气而为氢化合金，而在高温或低压的环境下可释出所吸覆的氢气，并具有储氢量大、容易活化、温度与压力适当、吸放速率快、寿命长及成本低廉等优势，故已广泛地被应用在各产业中，例如制冷设备、氢燃料电池的氢气储存载体及镍氢二次电池负极的制备用途上。其中，镍氢二次电池与镍镉二次电池最大的差异在于，镍氢二次电池是以储氢合金来取代负极原本来使用的镉材。储氢合金在氢氧化钾电解液中充电时，合金表面进行电化学反应。脱离水分子的微小氢原子在合金表面移动，进而扩散溶解于合金内，并与合金反应生成金属氢化物，同时释出反应热。虽然镍氢二次电池可将电容量提升为镍镉二次电池的三倍左右，然而，镍氢二次电池结合储氢合金仅为改善负极的反应效能而已，且其并无氢回收循环再利用的机能设置，因此，当电量耗尽时被丢弃时，仍然会对环境造成污染。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种仅需覆设一层铂或钯触媒层，即可将氢质子转换为可供回收循环再利用的氢气的多倍力燃料电池。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多倍力燃料电池，它包括：
一阳极组，其包含一第一电极板；
一阴极组，其包含一第二电极板；
一质子交换膜，其设置于该第一电极板与该第二电极板之间；
一催化层，其设置于该第一电极板与该质子交换膜之间，并与该第一电极板形成电性导通，且贴靠于该质子交换膜朝向该第一电极板的一第一面；及
一氢气输送装置，其用于输送氢气至该催化层，由该催化层将该氢气解离为电子与氢质子，该电子由该第一电极板送出，该氢质子经过该质子交换膜而朝该第二电极板移动；
其中，该质子交换膜与该第二电极板之间设置一储氢合金层，并与该第二电极板形成电性导通，且贴靠于该质子交换膜朝向该第二电极板的一第二面；该氢质子穿越该质子交换膜之后，再与来自该第二电极板的电子及该储氢合金层结合反应为氢化合金；且还设有一氢气汲取装置，用以自该氢化合金汲取氢气以供利用。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述催化层覆固于该质子交换膜的该第一面，该储氢合金层是以储氢合金粉末利用涂布技术覆固于该质子交换膜的该第二面上。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述催化层覆固于该第一电极板朝向该质子交换膜的一面上，该储氢合金层是以储氢合金粉末利用涂布技术覆固于该第二电极板朝向该质子交换膜的一面上。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述储氢合金层的厚度为该催化层的多数倍。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述阳极组包括一入气管道及一紧靠在该第一电极板与该催化层之间的第一场流板，该入气管道贯穿该第一电极板而与该第一场流板的扩散气道连通；该氢气输送装置包含与一储槽连通的一进气管路，及一接设在该进气管路的泵浦，该进气管路与该入气管道连通，该泵浦用以将该进气管路的该氢气经该入气管道及该扩散气道输送至该催化层，该催化层密布有复数个供该氢气穿越的孔隙。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述进气管路接设有一用以产生湿气水分子的加湿装置，该湿气水分子可随着该氢气而被输送至该质子交换膜中。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述阴极组包括一出气管道及一紧靠在该第二电极板与该储氢合金层之间的第二场流板，该出气管道贯穿该第二电极板而与该第二场流板的扩散气道连通，该氢气汲取装置包括一抽气管路、一接设在该抽气管路的真空泵浦，及一用以控制该真空泵浦启、闭时机的控制模块，该抽气管路一端与该出气管道连通，其另一端则与该储槽连通。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述储氢合金层的材料选自镁系储氢合金、稀土系储氢合金、钛系储氢合金及铁系储氢合金的其中一种。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，所述催化层选自铂材及钯材中的至少一种。
如上所述的多倍力燃料电池，优选地，它还包括一紧靠在所述阳极组外侧面的第一压板，及一紧靠在所述阴极组外侧面的第二压板，该第一压板贯穿设有一入气口，该入气口一端与该氢气输送装置连通，其另端则与该入气管道连通，该第二压板贯穿设有一出气口，该出气口一端与该氢气汲取装置连通，其另一端则与该出气管道连通。
本发明的有益效果为：
本发明仅需覆设一层铂或钯触媒层，可降低材料成本，将氢质子转换为可供回收循环再利用的氢气，可减少氢能源的耗费，提升氢燃料电池的供电运转时间，大幅提升氢燃料电池的商业应用实施的可行性。
附图说明
图1为本发明基本特征架构的剖视简示图。
图2为本发明基本特征架构搭配气体循环的一种实施例的简示图。
图3为本发明基本特征架构搭配气体循环的另一实施例的简示图。
图4为本发明具有一个单体燃料电池的实施例的分解图。
图5为本发明具有一个单体燃料电池的实施例的组合外观图。
图6为本发明具有一个单体燃料电池的实施例的组合剖示图。
图7为图6中圆C的局部放大图。
图8为本发明具有三个单体燃料电池的实施例的组合外观图。
图9为现有氢燃料电池的基本特征架构的剖视简示图。
图10为现有氢燃料电池具体实施例的分解图。
主要组件符号说明
10、110阳极组 11、111第一电极板
12、145、146入气管道 13、112第一场流板
130扩散气道 20、120阴极组
21、121第二电极板 22出气管道
23、122第二场流板 230扩散气道
30、140催化层 40、141质子交换膜
41第一面 42第二面
50、142氢气输送装置 51进气管路
52泵浦 53加湿装置
60储氢合金层 70氢气汲取装置
71储槽 72真空泵浦
73控制模块 74抽气管路
80、180第一压板 81、181第二压板
82、182、183入气口 83出气口
84、184螺栓 90外部负载回路
143氧气输送装置 144出水管道
112a第一扩散气道 122a第二扩散气道。
具体实施方式
一、本发明的技术概念
本发明与现有氢燃料电池的不同之处在于，由于本发明中经解离的氢质子不需与电子及氧结合反应为水与热，所以不需氧气输送装置（如氧气输送管及泵浦）以及第二层的催化层建置。本发明技术概念在于，使穿越质子交换膜的氢质子与外部负载回路所取得的电子以及储氢合金层结合反应为氢化合金，并可通过氢气汲取装置对氢化合金中储存的氢气予以汲取回收、循环再利用。因此，本发明于阴极组或质子交换膜仅需覆设一层的催化层即可，不仅可节省一层催化层的材料成本，而且回收的氢气可以供后续循环再利用，从而达成降低制造成本与节省氢燃料耗费等功效。
二、本发明的基本特征
如图1至图4所示，本发明的基本实施例包括阳极组10、阴极组20、催化层30及质子交换膜40、氢气输送装置50、储氢合金层60及氢气汲取装置70等技术特征。阳极组10包含一第一电极板11。阴极组20包含一第二电极板21。第一电极板11及第二电极板21在本发明电池运作供电时形成电子回路。质子交换膜40设置于第一电极板11与第二电极板21之间。催化层30设置于第一电极板11与质子交换膜40之间，并与第一电极板11形成电性导通，并贴靠于质子交换膜40朝向第一电极板11的第一面41上。氢气输送装置50用以输送氢气至催化层30，由催化层30将氢气解离为电子与氢质子，电子由第一电极板11送出，氢质子经过质子交换膜40而朝第二电极板21移动。其中，本发明与现有技术中的氢燃料电池的差异在于，本发明的质子交换膜40与第二电极板21之间设置一储氢合金层60，并与第二电极板21形成电性导通，且贴靠于质子交换膜40朝向第二电极板21的第二面42。当氢质子穿越质子交换膜40之后，再与来自第二电极板21的电子及储氢合金层60结合反应为氢化合金。再以一氢气汲取装置70自氢化合金汲取氢气以供循环利用。
三、本发明的具体实施例
如图4至图8所示，本发明较具体的实施例，包括阳极组10、阴极组20、催化层30（即包含铂或钯材的薄膜层）及质子交换膜40、氢气输送装置50、储氢合金层60及氢气汲取装置70。催化层30及储氢合金层60的设置位置可以覆设在质子交换膜40的二面41、42上。一种方式，是将催化层30覆设于质子交换膜40的第一面41上，而储氢合金层60以涂布技术将储氢合金粉末涂布覆固于质子交换膜40的第二面42上。另一种方式，是将催化层30覆设于第一电极板11朝向质子交换膜40的一面上，而储氢合金层60以涂布技术将储氢合金粉末涂布覆固于第二电极板21朝向质子交换膜40的一面上。前述的涂布技术为现有粉化储氢合金涂布法，或是粉化储氢合金喷涂法。其中，为提升储氢效能，储氢合金层60的厚度为催化层30的多倍以上。并且，储氢合金层60的具体实施例可以是镁系储氢合金、稀土系储氢合金、钛系储氢合金或是铁系储氢合金等材料。
如图4所示，为本发明单体氢燃料电池的分解示意图。如图5和图7所示，为本发明单体氢燃料电池的组合示意图。图6所示则是将三组单体氢燃料电池堆栈组合为氢燃料电池组的示意图，借此提高阳极组10与阴极组20之间的电位。
如图4、图7及图8所示，每一单体氢燃料电池的阳极组10包括第一电极板11，及紧靠在第一电极板11与催化层30之间的第一场流板13。入气管道12贯穿第一电极板11而与第一场流板13的扩散气道130连通。阴极组20包括一第二电极板21，及一紧靠在第二电极板21与储氢合金层60之间的第二场流板23。出气管道22贯穿第二电极板21并与第二场流板23的扩散气道230连通。
如图2及图4所示，氢气输送装置50包含一与储槽71连通的进气管路51，及一接设在进气管路51的泵浦52。进气管路51与入气管道12连通。泵浦52用以输送进气管路51的氢气经入气管道12及扩散气道130而穿越催化层30，且催化层30密布有供氢气穿越的孔隙（图中未示出）。氢气汲取装置70包括抽气管路74、接设在抽气管路74的真空泵浦72及用以控制真空泵浦72启/闭时机的控制模块73。抽气管路73一端与出气管道22连通，另一端则与储槽71连通。控制模块73的具体实施例可以是一种可程序化的控制器；或是一般的计时开关等实施形态，并可依据储氢合金层60的储氢量而决定真空泵浦72的启动时机。
如图4至图8所示，为达到商品封装的目的，本发明还包括一紧靠在阳极组10外侧面的第一压板80，及一紧靠在阴极组20外侧面的第二压板81。第一压板80贯穿设有一入气口82。入气口82一端与氢气输送装置50连通，另端与入气管道12连通。第二压板81设有贯穿的出气口83。出气口83一端与氢气汲取装置70连通，另一端与出气管道22连通，再以多个螺栓84锁固而封装固定堆栈为氢燃料电池组。
如图7和图8所示，为使堆栈的氢燃料电池组的入气管道12与出气管道22可以贯穿各单体氢燃料电池而达到输送氢气至各单体氢燃料电池，及汲取各单体氢燃料电池的氢气等目的，本发明入气管道12可以是穿孔或管道的实施形态，该等穿孔或管道贯穿每一单体氢燃料电池，使入气管道12仅与每一单体氢燃料电池的第一场流板13的扩散气道130相通，使氢气得以由扩散气道130均匀注入至催化层30中。出气管道22同样可以是穿孔或管道的实施形态，这些穿孔或管道贯穿每一单体氢燃料电池，且出气管道22仅与每一单体氢燃料电池的第二场流板23的扩散气道230相通。通过扩散气道230来汲取氢化合金所储存的氢气。
如图3所示，为提升氢质子的传导效能，进气管路51接设有一用以产生湿气水分子的加湿装置53。湿气水分子可随着氢气而被输送至质子交换膜40中。
四、本发明的运作
如图1至图5所示，本发明在运作时，先启动氢气输送装置50，以输送氢气经阳极组10的入气管道12而穿过催化层30，当氢气穿过催化层30时，氢气被催化层30催化解离为电子与氢质子，电子由外部负载RL回路90进入阴极组20，而氢质子则穿越质子交换膜40与外部负载RL回路90取得的电子及储氢合金层60（镁系的储氢合金）结合反应为氢化合金。由于温度在摄氏60度以下时，储氢合金会吸覆储存氢气，并转化为氢化合金。当氢化合金所吸覆氢气即将达到饱和时，控制模块73则启动氢气汲取装置70，由于储氢合金具有低压（即负压状态）或高温状态（约摄氏300度以上）释放氢气的特性，因此透过氢气汲取装置70的汲取运作所产生的负压作用将储存在氢化合金内的氢气汲取至储槽71内，以供后续循环再利用。
五、结论
本发明仅需覆设一层铂或钯触媒层，可降低材料成本，将氢质子转换为可供回收循环再利用的氢气，可减少氢能源的耗费，提升氢燃料电池的供电运转时间，大幅提升氢燃料电池的商业应用实施的可行性。
Claims (8)
1.一种多倍力燃料电池，其特征在于，它包括：
一阳极组，其包含一第一电极板；
一阴极组，其包含一第二电极板；
一质子交换膜，其设置于该第一电极板与该第二电极板之间；
一催化层，其设置于该第一电极板与该质子交换膜之间，并与该第一电极板形成电性导通，且贴靠于该质子交换膜朝向该第一电极板的一第一面；及
一氢气输送装置，其用于输送氢气至该催化层，由该催化层将该氢气解离为电子与氢质子，该电子由该第一电极板送出，该氢质子经过该质子交换膜而朝该第二电极板移动；
其中，该质子交换膜与该第二电极板之间设置一储氢合金层，并与该第二电极板形成电性导通，且贴靠于该质子交换膜朝向该第二电极板的一第二面；该氢质子穿越该质子交换膜之后，再与来自该第二电极板的电子及该储氢合金层结合反应为氢化合金；且还设有一氢气汲取装置，用以自该氢化合金汲取氢气以供利用。
2.如权利要求1所述的多倍力燃料电池，其特征在于，所述催化层覆固于该质子交换膜的该第一面，该储氢合金层是以储氢合金粉末利用涂布技术覆固于该质子交换膜的该第二面上。
3.如权利要求1所述的多倍力燃料电池，其特征在于，所述阳极组包括一入气管道及一紧靠在该第一电极板与该催化层之间的第一场流板，该入气管道贯穿该第一电极板而与该第一场流板的扩散气道连通；该氢气输送装置包含与一储槽连通的一进气管路，及一接设在该进气管路的泵浦，该进气管路与该入气管道连通，该泵浦用以将该进气管路的该氢气经该入气管道及该扩散气道输送至该催化层，该催化层密布有复数个供该氢气穿越的孔隙。
4.如权利要求3所述的多倍力燃料电池，其特征在于，所述进气管路接设有一用以产生湿气水分子的加湿装置，该湿气水分子随着该氢气而被输送至该质子交换膜中。
5.如权利要求1所述的多倍力燃料电池，其特征在于，所述阴极组包括一出气管道及一紧靠在该第二电极板与该储氢合金层之间的第二场流板，该出气管道贯穿该第二电极板而与该第二场流板的扩散气道连通，该氢气汲取装置包括一抽气管路、一接设在该抽气管路的真空泵浦，及一用以控制该真空泵浦启、闭时机的控制模块，该抽气管路一端与该出气管道连通，其另一端则与一储槽连通。
6.如权利要求1或2所述的多倍力燃料电池，其特征在于，所述储氢合金层的材料选自镁系储氢合金、稀土系储氢合金、钛系储氢合金及铁系储氢合金的其中一种。
7.如权利要求1所述的多倍力燃料电池，其特征在于，所述催化层选自铂材及钯材中的至少一种。
8.如权利要求1所述的多倍力燃料电池，其特征在于，它还包括一紧靠在所述阳极组外侧面的第一压板，及一紧靠在所述阴极组外侧面的第二压板，该第一压板贯穿设有一入气口，该入气口一端与该氢气输送装置连通，其另一端则与该入气管道连通，该第二压板贯穿设有一出气口，该出气口一端与该氢气汲取装置连通，其另一端则与该出气管道连通。
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