TW200406078A - Fuel cell manifold - Google Patents

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Description

200406078 玖、發明說明： 【發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關於燃料電池，特別地，本發明係有關於 5 —種用於一燃料電池燃料源與排氣歧管之方法與裝置。 I：先前技術1 發明背景
在上一世紀中，能量的需求呈指數曲線地增加，由於 能量的需求之增加，目前已發現與開發出許多不同的能 10 源，其中一主要能源是且將來也會繼續是燃燒碳氫化合 物。但是，燃燒碳氫化合通常是不完全燃燒且會釋放多數 產生各種不同量之煙霧以及其他污染物之未燃燒物。
由於由燃燒破氫化合物會產生污染物，近年來對於更 清潔之能源的需求不斷增加。隨著對更清潔之能源之興趣 15 之升高，燃料電池已變得愈來愈受歡迎且更加複雜，對於 燃料電池之研究與發展已進行至許多人推測燃料電池將很 快就會與產生供應城市大量電力之氣體渦輪機、作為汽車 動力之内燃機引擎與驅動多種小與大電子機器之電池互相 競爭。 20 燃料電池係進行將氫與氧轉換成電力與熱之電化學能 轉換，燃料電池類似於電池，但它們可以在提供電能時“充 電，，。 燃料電池提供一可以供應電力給馬達、燈或各種電器 用具之DC(直流）電壓，且燃料電池有很多種，各使用一不 200406078 同之化學原理。燃料電池通常依所使用之電極種類來分 類，燃料電池種類通常被分類在五組之其中一組中，即： 質子交換膜(PEM)燃料電池、驗性燃料電池(AFC)、鱗酸燃 料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)與熔融碳酸醋 5 燃料電池(MCFC)。
燃料電’也通常包括四個基本元件·陽極、陰極、電解 質、與配置在該電解質各侧上之觸媒。該陽極是該燃料電 池之負極柱且傳導由氫分子釋出之電子，使得該等電子可 以在一外部電路中使用。該陽極包括多數通道，以儘可能 10平均地將該燃料氣體分散於該觸媒之表面上。 該陰極是是該燃料電池之正極柱，且通常包括多數钱 刻形成於其中之通道以均勻地將氧（通常是空氣）分配在該 觸媒之表面上。該陰極亦將該等電子由該外部電路回傳至 該觸媒，此時，它們可以再與該等氫原子與氧結合而形成 15 水。
在大多數的燃料電池中，被引導至該陽極之燃料電池 僅使用該觸媒面積之一小部份。因此，某些燃料氣體經常 通過未耗用之燃料電池。此外，來自該觸媒反應之廢氣產 物似乎會留在該觸媒區域，因此需要新鮮之進入燃料以與 20 該廢氣競爭而得以通達該觸媒。 該觸媒面積之過低利用率以及該新鮮燃料與該廢氣間 對觸媒之競爭會使該燃料電池之燃料效率變差，某些已在 入口處藉由以燃料浸潰該陽極來補償該觸媒面積之過低利 用率。但是，這些方法會使效率之問題更加惡化，因為許 6 2. jf 斤 200406078 多在這種浸潰狀況中之燃料會通過該燃料電池而並未被使 用。 【發明内容】 發明概要 5 在許多可能實施例之其中一實施例，本發明提供一種
包括一燃料電池之燃料電池系統，該燃料電池具有多數分 段陽極，各分段陽極具有一足以大致消耗或催化導入該陽 極之最小長度。 圖式簡單說明 10 本發明之前述與其他特徵將可在配合附圖來閱讀以下 詳細說明後更加了解。 第1圖是本發明之一實施例之燃料電池系統之示意圖。 第2圖是本發明之一實施例之燃料電池結構之前視圖。 第2A圖是本發明之一實施例之燃料電池歧管之第一層 15 的俯視圖。
第2B圖本發明之一實施例之燃料電池歧管之第二層的 俯視圖。 第3圖是本發明之一實施例之複合式燃料電池之前視 圖。 20 第4圖是本發明之另一實施例之燃料電池歧管之俯視 圖。 在圖式中，相同之標號表示類似但不一定相同之元 件。雖然本發明之特定實施例已在圖中作為舉例而顯示且 在此詳述過了，但本發明仍可容許各種不同修改與替代形 明並不是要限制本發 蓋落於以下申請專利 的所有修改、等效物 態。在此應了解的是特定實施例之說 明於特殊形態，相反地，本發明將涵 範圍所界定之本發明之精神與範疇内 與替代物。 Γ實施方式】 所示實施例之詳細說明 以下說明本發明之實施例。所屬技術領域中具有通常 知識者可知本發明可以包括但不限於SQFC、PEM燃料電 池、AFC、PAF(^MCFC的各種不同燃料電池應用來實施。 «參閱圖式，且請特別參閱第丨圖，其中顯示本發明 之貝施例之使用-燃料電池系統之電子裝置⑻的全視 圖。依據第1圖之實施例，其中有一與一燃料源(42)藉流體 連通的燃料電池(40)。該燃料源(42)沿著_由箭號(44)所表 不之路域供簡，—可由大氣提供之氧源亦如箭號⑽ 所示地與該簡電池(4G)藉流舰連通。如第丨圖所示，水 (Η》)會產生而成為該燃料電池(4〇)之操作的副產物。 該燃料電池(40)可經由一外部電路(48)提供電力至一 電負載(5〇)，該電負載(5〇)可包括任何電操作裝置，包括但 不限於馬達、&、數位相機、膝上型電腦與其他消耗電力 之裝置。該外部電路(48)可與一選擇性電壓調整/控制電路 (1)鉍私谷器或電池(52)連接，而此兩者係與該燃料電池 (4〇)電氣地並聯。該選擇性電壓調整/控制電路(51)可包括一 用以提供資料至該燃料源(42)之回饋迴路(53)，而該電容器 或電池(52)則可提供辅助電力給該電負載(5〇)。 該燃料電池(40)可包括一增加一燃料電池陽極觸媒之 利用率的結構，接著，請參閱第2圖，其中顯示本發明之一 實施例之燃料電池(4〇)結構。依據第2圖之實施例，該燃料 電池(40)可以是一固體氧化物燃料電池，s〇FC可有利地使 用多數燃料(如氫、碳氫化合物、醇等）。 该燃料電池(40)包括四種基本元件：一陽極(20)、一陰 極(22)、一電解質(24)與一歧管系統(26)。該陽極或該等陽 極段(20)與该陰極(22)係配置在該電解質（24)之各側上，該 陽極(20)是該燃料電池(4〇)之負極柱且傳導多數由該燃料 釋出至該外部電路(48、第丨圖）之電子。該陰極⑽是該燃 料電池之正極柱，且暴露於一氧氣源(通常接近大氣壓），該 陰極不必是分段的，但如有必要也可以分段。該陰極(22) 亦將該等t子纟該外部電轉目，該等f子在該外部電 路中與分子氧結合形成氧離子。 本實施例之電解質（24)是一固體氧化物膜(24)，該膜 (24)通常是_僅傳遞氧離子之高溫喊材料。賴㈣亦可 防止電子通過。 -在某些實施例中，該陽極(2G)包括„陶以金屬混合物 (陶瓷合金)(如加釔穩定之錘/鎳；摻釤之鈽/鎳等 (=亦可㈣殊之燃-錢用心括其他鱗代材料。該 極(20)為多孔f者以使三相邊界達到最大，該三相邊界界 疋出一邊緣，而該燃料(如氫）、該陽極(20)與該電解質(24) ㈣邊緣處接合在—起。該陽極㈣亦可包括作為觸媒劑之 前述陶瓷/金屬混合物。 该陰極(22)可包括一電觸媒與氧離子導體之複合混合 物(如鑭U孟鹽、加紀穩定之錯、彭錄始鹽/換彭之飾等）， 該陰極(22)可為多孔質者以使三相邊界達到最大，但這不是 必㈣。接著，氧離子可與該燃料結合而形成-水分子(在 本實知例中）。該陰極(22)材料有助於使該氧化物還原。 雖然典型之燃料電池係配置成管狀或平面結構 ，該陽 極(20)、該陰極(22)與該電解質(24)，如第2圖所*，係配置 成拱形結構。所不之拱形結構包括第一與第二彎曲構件 (25與27) ’及一大致平面構件(29)。各陽極㈣、陰極⑽ 與電解質(24)包括該第—與第二料構件(25與27)，及該大 致平面構件⑽。在所示實施例巾，該陽極⑽之長度大約 為2至15mm，但是，在某些實施例中，該陽極之直線尺 寸不大於15mm且在其他實施例中，該直線尺寸不大於 5mm。不過，該陽極(2〇)之直線尺寸並不限於前述範圍。該 陽極(20)之直線尺寸係以縮小至可使用大致所有的陽極(2〇) 以大致消耗或催化所有導入該陽極(2〇)或燃料電池(4〇)之 燃料的尺寸為佳。但是，“尺寸縮小”亦可包括某些作為 一邊界之額外長度。如前所述，許多習知的陽極僅使用它 們表面積之一小部份以催化燃料，但本實施例縮短以完全 利用該陽極(20)且仍大致消耗或催化所有燃料。該用語“直 線尺寸表示該由一第一端（45)至一第二端（47)沿著一直 線所測付之陽極之總長度’該陽極(20)之相對直線尺寸有助 於更完整地利用該陽極(20)來催化該燃料。 如第2圖所示，該等第一與第二彎曲構件(25與27)由該 歧管系統(26)延伸出來，該歧管系統(26)包括第一與第— (31與33)，如第2圖所示。但是在另外的實施例中， 曰 有一第一層（31)，此外，在某些實施例中，可以有三層戈一 層以上。弟一與弟一層（31與33)係如氧化紹、金屬、陶i 玻璃、可光成像聚合物或其他材料之可圖案化基板材料 第一與第二層（31與33)可以由相同或不同材料製成，該陽極 (20)與該基板(33)界定出該燃料電池在其中發生化學反應 之空間。 ‘ 使用可圖案化基板材料作為該等第一與第二層（3 1與 33)可有利地產生一包括一精確燃料流道(35)與一廢氣流道 (37)之流體連通通道，為了產生該燃料流道(35)，該第一層 (31)可以在如大致垂直於在元件標號（35)處之頁面的第— 方向上形成圖案。在垂直於頁面之第一方向上之圖案可以 改變或呈錐形，（即，逐漸變大或變小），以確使燃料均勻地 分布至各燃料電池(40)。一錐形通道的尺寸可作成使沿著該 通道之全長的流體壓力大致相同，該燃料流道亦可在以延 伸至陽極（20)之第一箭頭（39)所示之水平方向以輻條形成 圖案。該第二層可在如以一第二箭號(41)所示之大致垂直方 向的弟一方向上形成圖案。在該第二方向（41)上之燃料流動 圖案係與該廢氣流道（37)之方向相反以便由該陽極(20)區 域快速且有效地移除所產生之廢氣。 該燃料流道(35)亦可朝垂直於頁面之方向繼續延伸作 為一供應許多對齊在所示者後方之燃料電池的燃料集管， 第2A與2B圖顯示透視本發明之一實施例之第一與第二層 200406078 (31與33)之俯視圖。該第一層（31)係顯示於第2A圖且顯示多 數陣列狀之燃料流道(35)且多數輻條(43)朝第2圖所示之箭 號(39)之方向延伸。該等輻條(43)伸至各個燃料電池陽極段 (20、第2圖）’在本實施例中’每三個燃料流道(35)就有七 5 個輻條，但這數目只是個例子且可依應用之情形而有較少 或較多之輻條。所示之該廢氣流道(37)亦具有一與各輻條 (43)成對之流道(37)以緊接副產品產生後(在數秒之内）由該 燃料電池陽極(20、第2圖）排出。
第2B圖顯示該第二層（33)之俯視圖如，如圖所示，該 10 廢氣流道(37)與該燃料流道(35)係以多格結構形成陣列以 配合在第一層（31)中之圖案。
在該等第一與第二層（31與33)中之圖案可依據所使用 之可圖案化材料而以各種方式產生，例如，該等圖案可以 藉由鑽孔或蝕刻以形成流體通道。此外，某些可圖案化材 15 料可以是光敏性之犧牲基板，如光阻聚合物之光敏性材料 在暴露於紫外線或其他光源時會改變化學組成，因此，這 些材料可以暴露於一預定圖案之紫外線，且接著浸在一用 以溶解該暴露或未暴露圖案材料（但不是兩者同時）之溶液 浴中以產生所需之通道。圖案亦可以所屬技術領域中具有 2〇 通常知識者所熟知且對本發明有利之其他方式來產生。 類似於燃料流道(35)，該廢氣流道(37)亦可藉由使該等 第一與第二層（31與33)圖案化而產生，但是，依據本實施 例，該廢氣流道(37)係朝一單一轴向第三方向（在本實施例 中大致是垂直的）通過該等第一與第二層（31與33)兩者來圖 12 200406078 案化。該廢氣流迢(37)可以一通道陣列為代表（見第2B圖） 以與位在圖示者後方之其他燃料電池藉流體連通，以形成 一排氣集管。該廢氣流道(37)亦可在某些實施例中朝其他方 向圖案化，且該廢氣流道(37)有利地提供一在該燃料出口之 5相反方向上之出口以快速地移除在燃料電池(40)操作時於 該陽極段(20)區域中產生的廢氣。
該燃料流道(35)與該廢氣流道（37)—同有利地用以將 新鮮燃料導入該燃料電池(40)且由該陽極(2〇)移除用過之 燃料，該燃料流道(35)與該廢氣流道(37)之流道結構有助於 10藉由減少在該新鮮燃料與該廢氣之間，為通達該觸媒表面 之競爭來增加一觸媒陽極表面（49、第2圖）之利用率。此外， 該陽極(20)係較習知平面陽極長度為短以更有效地使用該 觸媒表面。因此，一燃料電池可包括許多較小之小陽極段 (20)，且與僅利用它們之表面積之一部份來催化觸媒之習知 I5 陽極相較，這些小陽極段(2〇)各可更完全地利用以大致消耗 所有的燃料。通過該等陽極段(2〇)之短燃料通道可快速地移 除會與該新鮮燃料為通達該陽極而競爭之廢氣副產物，但 是，該陰極(22)可以與該等陽極段(20)之相同方式分段；它 可以是平面的且為許多陽極段(20)所共用。 20 因為第2圖所示之燃料電池結構可在低電壓下僅產生 一小電流，許多該等燃料電池(40)可以堆疊在一起以達成更 高之電力需求。接著，請參閱第3圖，其中顯示本發明之另 一實施例之許多燃料電池(40)之堆疊結構。依據第3圖之實 施例，四排燃料電池（100/102/104/106)係配置成各具有六個 13 200406078 電池之電池組，因此總共有二十四個獨立之燃料電池(40)。 在所示者後方朝向垂直頁面之方向可有許多另外的多層燃 料電池以產生一燃料電池陣列，但是，第3圖之結構只是一 個例子且不限於四排各具有六個電池者。此外，各排不必 5 具有相同數目之電池，任何經計算以達成某種電力需求之 其他燃料電池結構亦可與在所示拱形中構成之具有該歧管 系統(26)於其中之燃料電池(40)—起使用。 依據第3圖之實施例，該歧管系統(26)係配置成使該等 第一與第二排燃料電池（100與102)靠近一將氧氣供應至兩
10 15 20 排燃料電池（100與102)之共用空氣集管（108)，一在第三與 第四排燃料電池（1〇4與1〇6)之間類似結構亦可使用另一共 用空氣集管（110)。此外，該歧管系統(2◦之一組共用空氣 集管（111)可將燃料供應至該等燃料電池（4〇)之第一排 (100)。類似之燃料集管（112與114)可將燃料供應至各排燃 料電池，各燃料電池（40)包括燃料流道（35)與廢氣流道 (37)，請詳細參閱第2圖，以使燃料源分歧並排出產物。因 此，如第-與第二排（1〇2與1〇4)之多排燃料電池，可以如圖 所示地與—共用排氣歧管（116)相鄰配置以由該等燃料電池 (40)中移除廢氣。各燃料電池(4_可藉流體與該歧管系統 (26)連接以由其中移除廢氣。
山/亥等燃料電池(4〇)之操作可大致說明如下。該燃料(如 人氫化口物H2、-氧化石炭等）由該等燃料集管（⑴川㈣句 經由在各歧管系統⑽中形成圖案之燃料流道(35)進入燃 料電池(4G)’ $簡通過該㈣流道⑼，且它由此流至該 14 200406078 陽極(20)。當該燃料與該觸媒陽極(2〇)接觸時，離子、電子 與田產物(廢氣)形成。該等電子傳導通過該陽極(2〇)，且它 們由此通過一可提供電力以進行有用之工作（如轉動馬達 或點党燈泡）之外部電路。依據具有該歧管系統(26)之所示 5結構，由於燃料連續地供應至該燃料電池，該副產物通過 δ亥廢氣流道（37)離開該燃料電池（4〇)而到達該排氣歧管 (116)。因此，不需要該新鮮燃料源來與該廢氣競爭以通達 該陽極(20)。 同時，在該燃料電池之陰極(22)側，分子氧(〇2)在空氣 % 10中產生且流經該歧管系統(26)之空氣集管（108與11〇)。該陰 極(22)可包括如有摻雜之輝鈷礦、水錳礦與鐵氧體之一或多 種更佳之觸媒材料以加速氧分子之分解。當〇2與陰極(22) 反應時，它形成兩個氧離子，各具有一強負電荷。這些氧 離子通過該固體氧化物電解質（24)且在該陽極(2〇)處氧化 15該燃料。如果是一碳氫化合物燃料源，該等氧離子與該碳 氫化合物結合而產生水、^一氧化碳與供該外部電路用之電 子。如果是以Η2作為燃料，該等氧離子結合形成一水分子 與兩供該外部電路用之電子。 固體氧化物燃料電池通常以非常高之溫度（大於大約 20 800。〇操作，而此使它們可具有高反應動力，且可依據該 陽極組成物來使用多種燃料。低溫操作對於需要快速啟動 之其中便宜之容器結構與溫度管理為重要事項之應用是必 要的，但是，所示之燃料電池(40)結構可使用在其他燃料電 池中並且包括但不限於ΡΕΜ、AFC、PAFC與MCFC。 15 200406078 以下請參閱第4圖，其中顯示該燃料電池歧管系統之另 一種結構。依據第4圖之實施例，其中一歧管系統(126)係配 置成一交匯部與輻條結構，在該交匯部之中心的是一具有 多數由其延伸出來之輻條（130)的主燃料通路（128)，該等輻 5條（130)與流道可以與第2A與2B圖所示之相同方式配置。連 接於該燃料通路（128)之輻條數目可為任意數目且不限於第 4圖所示之結構。該交匯部與輻條歧管系統（126)有助於一用 以將燃料供應至一燃料電池之陣列的單一燃料供應管線， 以及經由廢氣流道（137)快速且有效地由該系統（126)中移 10 除廢氣。 剷述說明僅是用以顯示與說明本發明，它並非是唯一 $且不是要將本發日錄制於前述之任何特定形態。在了解 鈾述揭示後可進行許多修改與變化。 15 —所示之實施㈣_擇且說明以最佳地解釋本發明與 其實際應用，前述說明係欲使其他所屬技術領域中具有通 常知識者可以將本發明最佳地使用在各種實施例中且進行 各種t改以配合特殊之用途。本發明之範脅係由以下申請 專利範圍來界定。 【圖式簡單明】 20 圖疋本發明之_實施例之燃料電池系統之示意圖。 第2圖疋本發明之—實施例之燃料電池結構之前視圖。 第2A圖疋本务明之_實施例之燃料電池歧管之笫一層 的俯視圖。 第2B圖本發明之一實施例之燃料電池歧管之第二層的 16 200406078 俯視圖。 第3圖是本發明之一實施例之複合式燃料電池之前視 圖。 第4圖是本發明之另一實施例之燃料電池歧管之俯視
【圖式之主要元件代表符號表】 20···陽極 46...氧氣源 22···陰極 47…第二端 24...電解質 48...外部電路 25...第一彎曲構件 49...觸媒陽極表面 26…歧管系統 50...電負載 27··.第二彎曲構件 51...選擇性電壓調整/控制電路 29...大致平面構件 52...電容器或電池 31...第一層 53···回饋迴路 33···第二層 100，102，104，106...燃料電池排 35…燃料流道 108,110…空氣集管 37···廢氣流道 111112，114…燃料集管 39...水平方向 116…排氣歧管 40…燃料電池 126…歧管系統 41...垂直方向 128…燃料通路 42...燃料源 130…輻條 43…輻條 137...廢氣流道 44···路徑 45·.·第一端
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Claims (1)

  1. 5 拾、申請專利範圍： -«料電池系統’包含—具有多數分段陽極之燃料電 池:各分段陽極具有—足以大致雜或催化導入該陽極 之最小.長度。 10 2. 3. 4. 如申請專利範圍第1項之系統，更包含-在-基板中形 成圖案之㈣電池㈣源歧管，其中簡廢氣係緊接在 該廢氣產生後由鱗分段陽極上移除。 如申請專利範圍第_項之线，其中該燃料電池㈣ 源歧管包含—朝—第-方向延伸之燃料通道隼管。 Μ請專利範圍第卜2或3項之系統，其中該燃料源歧 s匕3夕數由㈣料通道集管延伸至各個分段燃料電 池陽極之燃料源輻條。 ‘
    申明專利靶圍弟卜2、3或4項之系統，其中該 燃料源輻條係朝一第-古s ’數 15 、朝弟一方向延伸至該各個分段燃料電 池陽極。
    如申請專利範圍第1、2、3、4或5項之系統，其中該等 刀丰又燃料電池陽極之長度不大於15mm。 20 一種方法，用以由—燃料電池移除多數副產物，包含： /吏燃料朝-第一方向流入一拱形燃料電池陽極與 使該等副產物緊接燃料被大致消耗或催化後，朝一第二 方向排出至一廢氣集管。 如申請專利範圍第7項之方法，其t該第—方向與該第 一方向相反。 如申請專利範圍第7或8項之方法，其中該拱形燃料電池 18 200406078 陽極具有足消耗或催化大致所有的燃料之最小長度。 10.如申請專利範圍第7、8或9項之方法，其中該最小長度 大約為2至15mm。
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