CN203774404U - 堆叠型燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种堆叠型燃料电池，其包括多个发电模块、至少二个阴极流道板，以及至少一个阳极共用流道板。各发电模块包括阳极集电层、阴极集电层、位于阳极集电层与阴极集电层之间的膜电极组、燃料均匀层及阴极保湿层。燃料均匀层与阴极保湿层分别位于膜电极组两侧，阳极集电层位于燃料均匀层与膜电极组之间，且阴极集电层位于阴极保湿层与膜电极组之间。此外，阳极共用流道板位于相邻二个发电模块中的二个燃料均匀层之间，阳极共用流道板及位于阳极共用流道板两侧的发电模块夹于阴极流道板之间。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种燃料电池，且特别是一种堆叠型燃料电池。
背景技术
随着工业的进步，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，因此必须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。以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由膜电极组(membrane electrode assembly，简称MEA)及二个电极板所构成。膜电极组通常是由质子传导膜(proton exchange membrane)、阳极触媒层、阴极触媒层、阳极气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)以及阴极气体扩散层所构成。其中，上述的阳极触媒层与阴极触媒层分别配置于质子传导膜的两侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极触媒层与阴极触媒层之上。另外，二个电极板包括阳极与阴极，其分别配置于阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之上。
目前业界常见的质子交换膜燃料电池是直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液当作燃料供给来源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接甲醇燃料电池的反应式如下：
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极：3／2O2+6H++6e-→3H2O
反应时，阳极的甲醇与水必须维持适当浓度，理论上是1摩尔：1摩尔，但因受限于膜电极组(MEA)无法阻挡如此高浓度的甲醇水溶液扩散(crossover)至阴极，因此在传统的燃料电池系统中，会使用冷凝器于阴极端收集阴极水，再将所收集到的阴极水送回阳极端的燃料混合槽，并且搭配燃料浓度检测器、燃料循环泵浦与高浓度甲醇补充泵浦等元件，将阳极端的甲醇水溶液控制在2～6％的浓度范围。此类型的燃料电池系统称为主动式回水的燃料电池系统。
近年来，已逐渐发展出被动式回水的燃料电池系统，主要是通过控制阴极湿度，营造阴、阳极水浓度梯度的差异，使阴极水经由膜电极组(MEA)渗回阳极再利用的方式，此技术已被证实为可行。在被动式回水的燃料电池系统中，阴极端不需要冷凝器等回收水元件，阳极端也不需燃料混合槽等复杂元件，仅需使用微量泵浦，适时适量的供应阳极端高浓度甲醇，以较简单的结构配置达成燃料电池系统稳定运作的目的。然而，被动式回水的燃料电池系统所需供应的阳极燃料浓度极高，一般均大于50％以上，而且提供至阳极的燃料并不循环再使用，因此燃料的供应流量很低，大约每平方公分的反应面积仅有0.5μL／min左右的流量，如此少量的燃料必须均匀的分布至所有反应面积，特别是在较大输出功率的多模块系统中更显得困难。另外，在被动式回水的燃料电池系统中，为了使阳极燃料分布均匀与阴极回水顺利，增设了许多层不同特性的材料，多层材料的组合使得被动式回水的燃料电池系统在增加发电模块时，组装过程过于繁琐，空间无法有效利用，也妨碍了被动式回水的燃料电池系统在较大输出功率方面的应用。
传统的燃料电池本体多采用双极板堆叠式设计，即流道板本身除了担任阴、阳极燃料的流道以外，尚担负导电串联的工作，这样的设计方式可以用极小的空间完成多片膜电极组(MEA)的组装。但是，在被动式回水的燃料电池系统里，设计有许多不导电的材料层，使膜电极组(MEA)无法在堆叠方向直接串联，并且在堆叠方向上的多个阳极燃料流道，还存在着极低流量的阳极液态燃料无法顺利分流的问题，因此被动式回水的燃料电池系统无法采用传统的双极板堆叠方式设计。
被动式回水的直接甲醇燃料电池结构多是以平面式排列多片膜电极组(MEA)的方式设计(如WO2008105272以及TW201228085所揭露的)，通过流道设计将阳极燃料均匀分布在反应平面，这样的做法仅解决了单一反应平面的燃料电池设计，对于较大输出功率需求的燃料电池系统而言，除了必须耗费更大空间来容纳多组单一反应平面的结构之外，如何将流量甚低的燃料均匀传送至多组阳极燃料流道中，仍未有所解决。
实用新型内容
本实用新型提供一种具有阳极共用流道板的堆叠型燃料电池。
本实用新型提供一种堆叠型燃料电池，其包括至少两个发电模块、至少二阴极流道板以及至少一阳极共用流道板。各发电模块包括阳极集电层、阴极集电层、位于阳极集电层与阴极集电层之间的膜电极组、燃料均匀层以及阴极保湿层。燃料均匀层与阴极保湿层分别位于膜电极组两侧，而阳极集电层位于燃料均匀层与膜电极组之间，且阴极集电层位于阴极保湿层与膜电极组之间。此外，阳极共用流道板位于相邻二发电模块中的二燃料均匀层之间，阳极共用流道板以及位于阳极共用流道板两侧的发电模块夹于阴极流道板之间。
附图说明
图1为本实用新型的一个实施例的堆叠型燃料电池的剖面示意图；
图2为本实用新型的一个实施例的堆叠型燃料电池的爆炸示意图；
图3为本本实用新型的一个实施例的堆叠型燃料电池的立体示意图；
图4A至图4C为本实用新型的各种阳极共用流道板的剖面示意图。
【附图标记说明】
100：堆叠型燃料电池
110：发电模块
111：膜电极组
112：阳极集电层
113：阴极集电层
114：燃料均匀层
115：阴极保湿层
120：阴极流道板
130：阳极共用流道板
132：第一材料层
134：第二材料层
136：填充材料
140：燃料供应单元
142：燃料储存槽
144：泵浦
146：主流道
148：填充材料
150：锁固构件
160：散热器
CH：图案化流道
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
图1为本实用新型的一个实施例的堆叠型燃料电池的剖面示意图，图2为本实用新型的一个实施例的堆叠型燃料电池的爆炸示意图，而图3为本实用新型的一个实施例的堆叠型燃料电池的立体示意图。请参照图1至图3，本实施例的堆叠型燃料电池100包括多个发电模块110、至少二个阴极流道板120以及至少一个阳极共用流道板130。堆叠型燃料电池100中的各个发电模块110包括阳极集电层112、阴极集电层113、位于阳极集电层112与阴极集电层113之间的膜电极组111、燃料均匀层114以及阴极保湿层115。燃料均匀层114与阴极保湿层115分别位于膜电极组111两侧，而阳极集电层112位于燃料均匀层114与膜电极组111之间，且阴极集电层113位于阴极保湿层115与膜电极组111之间。此外，阳极共用流道板130位于相邻二发电模块110中的二燃料均匀层114之间，阳极共用流道板130以及位于阳极共用流道板130两侧的发电模块110夹于二相邻的阴极流道板120之间。燃料均匀层114的材质例如是织布、不织布、纸类、泡绵、发泡PE、发泡PU等材质，具有可吸附燃料且不导电的特性，其目的在于将阳极共用流道板130出口的燃料进一步扩散均匀，可以解决阳极共用流道板130出口过少的问题。阴极保湿层115的主要作用是在于控制反应后阴极侧所产生水的蒸发速率，其材质可为高分子聚合物或金属等可作开孔加工的阻气材料。阴极保湿层115的厚度例如是介于10μm～2mm之间。在其他实施例中，阴极保湿层115的厚度例如约为10μm～500μm之间。阴极保湿层115具有至少一个开孔(未绘出)，以控制气体透气量，整体的开孔率介于0.5％～30％之间。在其他实施例中，整体的开孔率例如约为2％～10％左右。
在本实施例中，阳极共用流道板130可以使堆叠型燃料电池100的空间利用率增加。此外，由于各个阳极共用流道板130可以将燃料同时供应至位于其两侧的发电模块110中，因此供应至这些发电模块110中的燃料供应量便不会有不均匀的问题。
除了前述的发电模块110、阴极流道板120以及阳极共用流道板130之外，本实施例的堆叠型燃料电池100可进一步包括燃料供应单元140，其中燃料供应单元140包括燃料储存槽142、泵浦144以及主流道146，其中燃料储存槽142适于储存燃料，而主流道146连接于两个阳极共用流道板130之间，且储存于燃料储存槽142中的燃料会通过泵浦144以及主流道146供应至两个阳极共用流道板130中。值得注意的是，前述的主流道146内填充有填充材料148，填充材料148所提供的毛细力量可用来降低重力对低流量燃料的流动的影响，使主流道内146的燃料尽可能的均匀供应至两个阳极共用流道板130中。在本实施例中，填充材料148例如为织布、不织布、纸类、泡绵、发泡PE、发泡PU等毛细材料或是其他亲燃料材质。举例而言，前述的填充材料148与燃料(例如甲醇)的接触角小于90度，意即，填充材料148具有亲燃料的特性。
在本实用新型中，由于主流道146内填充有填充材料148，因此通过填充材料148能够使得流入主流道146内的燃料轻易地被导入阳极共用流道板130中。
如图1所示，泵浦144的数量会少于或等于阳极共用流道板130的数量。详言之，泵浦144的数量为N1，而阳极共用流道板130的数量为N2，且N1、N2满足下列的关系式：N1＝N2／n，其中(N2／n)为正整数，且n为小于3的正整数。在本实施例中，通过主流道146的分支设计以及阳极共用流道板130，单一个泵浦144可以将燃料提供至4个发电模块110中，此时，泵浦144的使用数量为发电模块110的数量的四分之一。当然，若主流道146未采用分支设计，仅通过阳极共用流道板130，单一个泵浦144仍可以将燃料提供至2个发电模块110中，此时，泵浦144的使用数量为发电模块110的数量的二分之一。
本实施例的堆叠型燃料电池100属于被动式回水的燃料电池，被导入至堆叠型燃料电池100中的燃料需具备高浓度，且燃料在阳极共用流道板130内的流量很低。在本实施例中燃料的浓度例如大于50％，而在其他可行实施例中，被导入至堆叠型燃料电池100中的燃料的浓度大于70％。此外，燃料在阳极共用流道板130内的流量与膜电极组111的反应面积成正比的关系。举例而言，供应至每片膜电极组111中的燃料，在每平方公分的反应面积的流量例如介于3μL／min至0.1μL／min之间，而在其他可行实施例中，供应至每片膜电极组111中的燃料，在每平方公分的反应面积的流量例如介于2μL／min至0.1μL／min之间。
一般而言，随着膜电极组111的总面积愈大，阳极共用流道板130愈难将燃料分散均匀，通常阳极共用流道板130的面积会小于250em2，而较佳的例子是小于100cm2。在本实施例中，一片阳极共用流道板130可以将燃料分散均匀并且供应至其两侧的膜电极组111，因此阳极共用流道板130内的燃料流量会小于1500μL／min，较佳的例子是小于600μL／min。
如图1至图3所示，本实施例的堆叠型燃料电池100可进一步包括多个锁固于阴极流道板120上的锁固构件150，以使阳极共用流道板130以及发电模块110被固定(稳定夹持)于阴极流道板120之间。值得注意的是，本实施例中的阳极共用流道板130的厚度可以无需与阴极流道板120的厚度相当，通常，本实施例中的阳极共用流道板130的厚度小于阴极流道板120的厚度。
此外，本实施例的堆叠型燃料电池100可进一步包括一散热器160，此散热器160例如是配置于阴极流道板120的外表面上，以协助堆叠型燃料电池100进行散热。
以下将参照图4A至图4C针对多种不同的阳极共用流道层130设计进行说明。
图4A至图4C为本实用新型的阳极共用流道板的剖面示意图。请先参照图4A，本实施例的阳极共用流道层130包括第一材料层132、第二材料层134以及填充材料136，其中第一材料层132具有多个第一燃料出口132a，而第二材料层134具有多个第二燃料出口134a，第一材料层132与第二材料层134之间具有一图案化流道CH，此图案化流道CH的分布范围涵盖前述的第一燃料出口132a以及第二燃料出口134a，且图案化流道CH与第一燃料出口132a以及第二燃料出口134a相连通。此外，填充材料136填充于图案化流道CH中。在本实施例中，阳极共用流道板130的整体厚度例如是小于5mm，而较佳是小于2mm。此外，阳极共用流道板130中各个流道的宽度例如是介于0.5mm至10mm之间，在其他可行实施例中，各个流道的宽度例如是介于1mm至5mm之间，而第一燃料出口132a与第二燃料出口134a的面积例如是介于3mm2至100mm2之间。值得注意的是，第一燃料出口132a与第二燃料出口134a的分布密度例如是膜电极组111每20cm2的反应面积，至少有一个燃料出口。
填充材料136所提供的毛细力量可用来降低重力对低流量燃料的流动的影响。在本实施例中，填充材料136例如为织布、不织布、纸类、泡绵、发泡PE、发泡PU等毛细材料或是其他适合的材质。举例而言，前述的填充材料136与燃料(例如甲醇)的接触角小于90度，意即，填充材料136具有亲燃料的特性。此外，由于图案化流道CH内填充有填充材料136，因此通过填充材料136能够使得流入阳极共用流道板130内的燃料轻易地被导入发电模块110中。
在本实施例中，填充于图案化流道CH中的填充材料136与填充于主流道146中的填充材料148可以为相同材质。当然，本领域的普通技术人员也可依据实际的设计需求，令填充材料136不同于填充材料148。
值得注意的是，填充材料136的填充位置可依据堆叠型燃料电池100的实际设计需求而更动。举例而言，本领域的普通技术人员可在图案化流道CH内的所有位置均填充有填充材料136，如此，对应于第一燃料出口132a以及第二燃料出口134a处的图案化流道CH内便填充有填充材料136，且填充材料136会被第一燃料出口132a以及第二燃料出口134a所暴露。当然，本领域的普通技术人员也可在图案化流道CH内的部分位置填充填充材料148，意即，对应于第一燃料出口132a以及第二燃料出口134a处的图案化流道CH内未填充有填充材料136。
如图4A至图4C所示，本实施例的图案化流道CH可形成于第一材料层132中(图4A)、形成于第二材料层134中(图4B)，或者同时形成于第一材料层132与第二材料层134中(图4C)。在本实施例中，第一材料层132与第二材料层134可以采用任何形态的不透气板材，如金属、塑料等材质。第一材料132层与第二材料层134之间可采用焊接或熔接方式接合。由于阳极共用流道板130已事先经由焊接或熔接方式先行接合密封，因此不但密封可靠度可以获得有效的提升，且有助于阳极共用流道板130的薄型化(即，阳极共用流道板130不需要设计成很厚重)。换言之，本实施例仅需通过阴极流道板120彼此之间互相紧迫，不需像传统堆叠式结构使用厚重端板来迫紧，即可完成堆叠型燃料电池100的组装。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种堆叠型燃料电池，包括：
多个发电模块，各该发电模块包括：
阳极集电层；
阴极集电层；
膜电极组，位于该阳极集电层与该阴极集电层之间；
燃料均匀层；
阴极保湿层，其中该燃料均匀层与该阴极保湿层分别位于该膜电极组两侧，而该阳极集电层位于该燃料均匀层与该膜电极组之间，且该阴极集电层位于该阴极保湿层与该膜电极组之间；
至少二个阴极流道板；以及
至少一个阳极共用流道板，位于相邻二个发电模块中的二个燃料均匀层之间，其中该阳极共用流道板以及位于该阳极共用流道板两侧的发电模块夹于所述阴极流道板之间。
2.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，其中该阳极共用流道层包括：
第一材料层，具有多个第一燃料出口；
第二材料层，具有多个第二燃料出口，其中该第一材料层与该第二材料层之间具有一图案化流道，该图案化流道的分布范围涵盖所述第一燃料出口以及所述第二燃料出口，且该图案化流道与所述第一燃料出口以及所述第二燃料出口连通；以及
填充材料，填充于该图案化流道中。
3.如权利要求2所述的堆叠型燃料电池，其中该填充材料进一步填充于所述第一燃料出口与所述第二燃料出口中。
4.如权利要求2所述的堆叠型燃料电池，其中该图案化流道位于该第一材料层或该第二材料层上。
5.如权利要求2所述的堆叠型燃料电池，其中该图案化流道位于该第一材料层与该第二材料层上。
6.如权利要求2所述的堆叠型燃料电池，其中该第一材料层与该第二材料层之间采用焊接或熔接方式接合。
7.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，还包括燃料供应单元，其中该燃料供应单元包括：
燃料储存槽，适于储存燃料；
泵浦；
主流道，连接于所述阳极共用流道板之间，其中储存于该燃料储存槽中的该燃料通过该泵浦以及该主流道供应至所述阳极共用流道板。
8.如权利要求7所述的堆叠型燃料电池，其中该主流道内填充有填充材料。
9.如权利要求7所述的堆叠型燃料电池，其中该泵浦的数量为N1，而该阳极共用流道的数量为N2，且N1、N2满足下列的关系式：
N1＝N2／n，其中(N2／n)为正整数，且n为小于3的正整数。
10.如权利要求7所述的堆叠型燃料电池，其中该燃料的浓度大于50％。
11.如权利要求7所述的堆叠型燃料电池，其中该燃料的浓度大于70％。
12.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，其中供应至各该膜电极组中的燃料，在每平方公分的反应面积的流量介于3μL／min至0.1μL／min之间。
13.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，其中供应至各该膜电极组中的燃料，在每平方公分的反应面积的流量介于2μL／min至0.1μL／min之间。
14.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，其中该阳极共用流道板的厚度小于5mm。
15.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，其中该阳极共用流道板的面积小于250cm2。
16.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，其中该阳极共用流道板内的燃料流量小于1500μL／min。
17.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，还包括多个锁固于所述阴极流道板上的锁固构件，以使该阳极共用流道板以及所述发电模块被固定于所述阴极流道板之间。
18.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池，还包括散热器，配置于该阴极流道板上。
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