CN1848502A - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有高输出电压的可携式燃料电池，其包含挠曲成封闭环形的电解质膜、多个间隔地设置在电解质膜上并对应串联的反应单元，及容设在电解质膜界定出的管状空间中的燃料供应单元，电解质膜作为导体，每一反应单元具有可挠曲且设置在电解质膜两相反面上的内反应块与外反应块，内反应块接受燃料供应单元提供的氢进行电化学反应，外反应块接受外界的氧进行电化学反应，以产生可对外输出应用的高电压。

Description

燃料电池

技术领域

本发明是有关于一种燃料电池(Fuel Cell)，特别是指一种以氢作为燃料，氧作为催化剂的燃料电池。

背景技术

燃料电池的基本原理，是将氢气质传至阳极催化分解，配合氧气质传至阴极后，发生电化学反应，而产生水及1.229伏特的电压，其化学反应式如下：

阳极(氢气侧)  ：

阴极(氧气侧)  ：

全反应：

由于反应过程中，并没有经过燃烧过程，所以不会产生污染，也不像传统的火力或核能发电，需经多次转换才能发电，因此是一种符合环保要求的高效率供电系统，而逐渐为各界所重视、发展。

参阅图1、图2，目前以氢为燃料、氧为氧化剂的燃料电池，是属于平板式的构造，是由膜极组2(Membrane Electrode Assembly，MEA)，及多块双极板3(bipolar plate)交错堆栈构成，而可对外输出电能。在此，为使说明清楚起见，仅以三膜极组2与四双极板3交错堆栈为例说明。

膜极组2包含一作为离子的导体的质子交换膜21，及二将质子交换膜21夹设其中的反应层22、22’，反应层22、22’分别供氢、氧扩散进入并解离，以产生电子。

每一双极板3以例如石墨等刚性且可导电的材料构成，用以收集/传导电化学反应发生时产生的电子，具有相反的第一面31与第二面32，及多条间隔地设置在第一、二面31、32上的肋条33、33’，每一肋条33相反于第一面31的表面与膜极组2的反应层22相连结，使得第一面31、设置在第一面31的肋条33与反应层22共同界定出多数彼此相间隔的槽道34，而供后续提供氢所用；设置在第二面的肋条33’以相反于第二面31的表面与另一膜极组2的反应层22’表面相连结，使得第二面31、设置在第二面31的肋条33’与反应层22’共同界定出多数彼此相间隔的槽道34’，而供后续提供氧所用。

当氢、氧分别自槽道34、34’进入后，分别自膜极组2的反应层22、22’扩散进入，而进行电化学反应，产生的电子分别与反应层22、22’连结的肋条33、33’表面收集、传导，进而对外输出电压。

上述燃料电池的每一双极板3虽可为串联结构，其产生的电压可以叠加合并输出，但每一双极板3为导电材质一体构成，因此，上述燃料电池若必须输出高电压，则必须增加堆栈的膜极组2与双极板3的个数，而如此一来，燃料电池的体积与重量将大幅增加，而不符合实际携带使用所需。

此外，双极板3是采用可导电的石墨等刚性材料制造成型的，因此，除了不耐碰撞外，也必须在膜极组2、双极板3交错堆栈后，利用绝缘螺栓、加封垫圈等确实将双极板3第一、二面31、32的肋条33、33’与膜极组2紧密接合，以避免因接触不良而造成电阻增加，甚或发生短路的问题，但也因为多了绝缘螺栓、加封垫圈等额外的结构，因此更增加了电池本身的体积与重量。

而同时，为了让氢、氧能充足供应，因此，必须额外以泵浦等辅助设备才可均匀将氢、氧输送达燃料电池的各处，而充分利用膜极组2、双极板3的整体结构，但如此一来，更多的额外设备、更大的体积与重量，更降低了燃料电池的实际携带使用价值，而造成实际应用上的重大技术瓶颈。

因此，目前的燃料电池仍需加以改善，以减少体积与重量，并同时增加输出电功率值，以供实际可携式应用所需。

发明内容

因此，本发明的目的，即在提供一种具有高电压且携带使用方便的燃料电池。

于是，本发明一种燃料电池，包含一电解质膜，及多个反应单元。

该电解质膜可挠曲并具有相反的一第一面与一第二面，作为离子的导体。

多个反应单元彼此相间隔地设置在该电解质膜上，每一反应单元具有可挠曲的一内反应块及一外反应块，该内反应块包含一与该第一面连结的第一反应层，及一与该第一反应层连结的第一导体层，该外反应块包含一与该第二面连结的第二反应层，及一与该第二反应层连结的第二导体层，该第一反应层使一燃料进行电化学反应，该第二反应层使一氧化剂进行电化学反应，该第一、二导体层收集/传导电化学反应发生时产生的电子，进而对外输出电能。

本发明燃料电池的结构简单、成本低，且相较于目前平板式构造的燃料电池而言，确实大幅缩减体积、重量，并同时提高输出电压，而符合可携式应用的需求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是一立体图，说明一现有的平板式构造的燃料电池；

图2是一沿图1线II-II的剖视图，辅助说明图1的平板式的燃料电池；

图3是一示意图，说明本发明燃料电池的一第一较佳实施例；

图4是一俯视图，说明本发明燃料电池的一第二较佳实施例；

图5是一侧视图，辅助说明图4所示的燃料电池的构造。

具体实施方式

参阅图3，本发明燃料电池的一第一较佳实施例，说明构成可携式，且可以输出高电压的燃料电池的基本发明构造，其包含有一电解质膜4，及多个间隔地设置在电解质膜4上的反应单元5，而可在分别由燃料(在此以甲醇与水作为燃料)提供氢，氧化剂提供氧后进行电化学反应，以产生电压对外输出应用。

电解质膜4是一作为离子的导体的固态膜，具有相反的一第一面4 1与一第二面42，并挠曲连结成一封闭环形，在此仅绘示出部分成曲线的部分构造说明。

每一反应单元5具有可挠曲的一内反应块51及一外反应块52，内反应块51包含一与第一面41连结的第一反应层511，及一与第一反应层511连结的第一导体层512。第一反应层511可以辅助作为燃料的甲醇及水更快反应产生氢，并使氢扩散进入而进行电化学反应，第一导体层512以可卷折且可导电的碳纤维为材料构成，当电化学反应发生时收集/传导电子。

外反应块52的构造与内反应块51类似，包含一与第二面42连结的第二反应层521，及一与第二反应层521连结的第二导体层522，第二反应层521使氧化剂内的氧扩散进入后进行电化学反应，第二导体层522以可卷折且可导电的碳纤维为材料构成，用以收集/传导电化学反应发生时产生的电子。

在此要特别说明的是，凡可导电且不易腐蚀的材料均可替代成为第一、二导体层512、522的材料，惟需配合电解质膜4的揉曲挠性而挠曲，所以碳纤维、石墨纤维是较佳的选择。

所述的反应单5元可以如图3所示，以一反应单元5的内反应块51的第一导体层512与另一相邻的反应单元5的外反应块52的第二导体层522彼此串接的串联形式串接，进而将各反应单元5的第一、二导体层512、522收集/传导而输出应用。当然，此等串接形式也可改以内反应块51的第一导体层512彼此串接，且外反应块52的第二导体层522彼此串接的并联形式串接，如此也可以收集/传导电子，进而输出应用。

由于目前一般大众所使用的可携式一次电池(可进行一次连续或断续放电的电池)或二次电池(可进行多次充放电的电池)，其外型多是圆筒状，或是截面呈矩形的方形桶状，而借由上述本发明燃料电池的一第一较佳实施例所说明的基本发明构造，可以简易，且低成本地制造出外观与目前所使用的可携式一次电池、二次电池完全相同的燃料电池。

参阅图4、图5，本发明燃料电池的一第二较佳实施例，包含一绝缘的第一管61、一套围该第一管61且可绝缘的第二管62、一电解质膜7、多个间隔地设置电解质膜7上的反应单元8，及一燃料供应单元9。

第一、二管61、62分别是管径不同的圆管，第一管61的管壁间隔地开设有多数开槽63，并界定出一圆柱状的第一空间64。第二管62的管径大于第一管61而环围第一管61，其管壁与第一管61管壁相似，亦开设有多数相间隔的开槽63’，第一、二管61、62的管壁并共同界定出一第二空间65，第二空间65借由开设于第二管62管壁上的开槽63’而与外界相通，且第一、二空间64、65借由开设在第一管61管壁上的开槽63相通。

电解质膜7设置截面成封闭圆管态样，以容置于第二空间65中，具有相反的第一面71与第二面72，作为离子的导体。

每一反应单元8具有可挠曲的一内反应块81，及一外反应块82。内反应块81包含一与第一面71连结的第一反应层811，及一与第一反应层811连结的第一导体层812，第一反应层811对应位于第二空间65中，可以辅助燃料中的甲醇及水更快反应产生氢，并使氢扩散进入后进行电化学反应，第一导体层812以可卷折且可导电的碳纤维，例如碳布为材料构成，固设在第一管61管壁上两相邻的开槽63间，且部分对应裸露于第二空间65中，而当电化学反应发生时可收集/传导电子。

外反应块82的构造与内反应块81类似，包含一与第二面72连结的第二反应层821，及一与第二反应层821连结的第二导体层822，第二反应层821亦对应位于第二空间65中，将氧化剂内的氧解离并进行电化学反应，第二导体层822以可卷折且可导电的碳纤维，例如碳布为材料构成，固设在第二管62管壁上两相邻的开槽63’间，且部分对应裸露于第二空间65中，而当电化学反应发生时可收集/传导电子。

所述的反应单元8以内反应块81的第一导体层812与另一相邻的反应单元8的外反应块82的第二导体层822彼此串接的并联形式串接，进而向外输出高电压应用。

燃料供应单元9填置于第一空间64中，包含甲醇及水，可自第一管61管壁上的开槽63流至第二空间65中反应提供氢，同时借第一反应层811辅助反应快速大量产生氢，并使氧扩散、进行电化学反应。

在本例中，以外界空气中所含的氧气作为氧化剂，自第二管62的多数开槽63’进入第二空间65中，借第二反应层821使氧扩散并进行电化学反应。

当燃料供应单元9内的甲醇(CH₃OH)及水，自第一管61的开槽63流至第二空间65中作为燃料，进而反应提供氢，以及外界空气中所含的氧气自第二管62的开槽63’进入第二空间65中以提供氧时，氢、氧分别扩散进入第一、二反应层811、821进而发生电化学反应，第一、二导电体812、822收集/传导产生的电子，并借由反应单元8串联的模式，而对外输出可资利用的高电压。

在此要特别说明的是，本例是以燃料供应单元9提供甲醇与水作为燃料，以及自外界空气中取得氧作为氧化剂为例说明，事实上，燃料供应单元只需可以提供作为燃料的氢，并以配合的氧化剂提供氧即可，并非一定要以本例所提出的方式进行，由于燃料电池相关氧化剂、燃料的搭配种类形式众多，在此不再多加举例赘述。

此外，由于第一、二管61、62主要是作为固定电解质膜7、反应单元8，以及容设燃料供应单元9之用，所以，其构造样式并非一定要如上例所述，分别为开设有穿槽的圆管态样，而可以例如相间隔设置的薄环等构造态样，亦可以达到固定电解质膜7、反应单元8，以及容设燃料供应单元9的目的，因为此等构造变化繁多，且极易推广思及，在此不再一一举例所详述。

由上述说明可知，本发明的燃料电池主要是利用挠曲成封闭环形的电解质膜7，及间隔设置于电解质膜7上的反应单元8，配合设置于相互套设的第一、二管61、62中，同时配合提供氢作为燃料的燃料供应单元9，以及自外界空气中取得氧作为氧化剂，而可在与目前各一次电池、或二次电池外观相同，且便于携带使用的前提下，制备出输出电压符合利用的燃料电池。

相较于现有的平板式构造的燃料电池而言，本发明的燃料电池具有以下的优点：

1.本发明的燃料电池是一完整的构造，无须靠泵浦或是风扇等装置循环供应氧、氢即可运作，符合可携式电池的基本要求。

2.截面成封闭环形的构造较平板构造而言，不但少了两个边缘，同时由于电解质膜4、7与反应单元5、8材质的可挠曲性，而可紧密配合不需另外锁固，因此可以省略最重的隔板、螺栓、加封垫圈等构造，因此在相同输出电功率的前提下，重量可以大幅度缩减。

3.燃料供应单元9容填于设置管形的第一空间64中，可以快速提供内反应块81氢，外界空气则随时对外反应块82提供氧，进而快速地发生电化学反应，因此不需如现有的平板式的燃料电池，必须额外以泵浦泵送氧、氢才可发生电化学反应，因此不但在体积上大幅缩减，同时反应速率也大幅提升。

4.由于本发明的燃料电池在组装构造上，无须隔板、螺栓、加封垫圈等组装构件，同时，也无须如平板式燃料电池调控双极板3与膜极组2接触紧密度的组装程序，因此，可以大幅降低生产成本。

5.对直接式甲醇燃料电池(DMFC，Direct Methanol Fuel Cell，即上述第二较佳实施例所说明的本发明燃料电池)而言，在高温时具有较佳的性能，而由于本发明燃料电池的燃料供应单元9是容填于中心的管状第一空间64中，外围环包产生反应热的电解质膜7，因此散失热量小，具有较佳的温度控制，进而具有较佳的电输出效能。

6.由于本发明燃料电池主要理念是将电解质膜4、7成封闭环，配合间隔设置的反应单元5、8，因此可简易地配合设置各式目前行的有年的可携式一次电池、二次电池的外观形状，而以无污染的燃料电池，进而迅速切入、占有市场。

综上述，本发明燃料电池的结构简单、成本低，且相较于目前平板式构造的燃料电池而言，确实大幅缩减体积、重量，并同时提高输出电压，而符合可携式应用的需求，确实达到本发明的发明目的。

Claims (8)

1、一种燃料电池，其特征在于：

该燃料电池包含：

一可挠曲的电解质膜，具有相反的一第一面与一第二面，作为离子的导体；及

多个反应单元，彼此相间隔地设置在该电解质膜上，每一反应单元具有可挠曲的一内反应块及一外反应块，该内反应块包含一与该第一面连结的第一反应层，及一与该第一反应层连结的第一导体层，该外反应块包含一与该第二面连结的第二反应层，及一与该第二反应层连结的第二导体层，该第一反应层使一燃料进行电化学反应，该第二反应层使一氧化剂进行电化学反应，该第一、二导体层收集/传导电化学产生的电子并输出电能。

2、如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：该燃料电池更包含一绝缘且界定出一第一空间的第一管，及一绝缘并环围该第一管的第二管，该第一、二管的管壁并共同界定出一供该电解质膜环绕容置且与该第一空间相通的第二空间，每一反应单元的第一导体层间隔地固设于该第一管管壁上，每一反应单元的第二导体层间隔地固设于该第二管管壁上。

3、如权利要求2所述燃料电池，其特征在于：该第一管对应于所设置的每两相邻第一导体层的间设有至少一开槽，使该第一、二空间相连通，且该第二管对应于所设置的每两相邻第二导体层的间设有至少一开槽，使该第二空间与外界相连通。

4、如权利要求1所述燃料电池，其特征在于：该燃料电池更包含一可提供该燃料的燃料供应单元，使该第一反应层接受该燃料后进行电化学反应，且该第二反应层自外界接收空气中的氧作为该氧化剂进行电化学反应。

5、如权利要求4所述燃料电池，其特征在于：该燃料供应单元容置于该第一空间中。

6、如权利要求1、2、3、4或5所述燃料电池，其特征在于：该第一、二导体层以可导电的碳纤维材料构成。

7、如权利要求1、2、3、4或5所述燃料电池，其特征在于：该电解质膜的截面为封闭环。

8、如权利要求4或5所述燃料电池，其特征在于：该燃料供应单元提供甲醇及水作为该燃料。

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