TW200408158A - Method for reusing current collectors/distributors of a membrane electrochemical generator - Google Patents

Description

200408158 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係關於膜片電化學發電機之集電器/配電器再 用方法。 先前技術 技藝上已知基於膜片電化學發電機，把化學能轉化為 電能之方法。 膜片電化學發電機之一例如第1圖簡略表示。電化學 發電機（1)包含複數反應電池（2 )，厚度相當薄，以減少體 積，彼此串聯，並按照壓濾機形態組合。 各反應電池（2 )把第一種氣態反應劑（燃料）與第二種 氣態反應劑（氧化劑）反應之自由能，無損地完全轉化成熱 能狀態，因而不受到卡諾循環的限制。燃料供應至反應電 池（2)的陽極室，包含例如含氫或輕醇（諸如甲醇或乙醇） 之混合物，而氧化劑則供應至同樣電池之陰極室，例如為 空氣或氧氣。燃料在陽極室内陽化，同時釋出H+離子，而 氧化劑則在陰極室内還原，消耗H+離子。把陽極室與陰極 室分開的離子交換膜，容許H +離子從陽極室連續流至陰極 室，而阻礙電子的流通。因此，在反應電池（2 )極的電壓 達到最大。 更詳言之，各反應電池（2 )受到一對導電性双極片（3 ) 的限制，其間從裡到外，包括離子交換膜（4); 一對多孔 性電極（5 ); —對催化層（6 )，澱積在膜片（4 )與各多孔性 電極（5 )間的介面；一對集電器/配電器（7 )，把導電性双 極片（3 )接電至多孔性電極（5 )，同時分配氣態反應劑；一

200408158 五、發明說明（2) 對密封墊（8 ) 旨在把反應電池（2 )的周邊部份密封。 在各反應電池（2)的導電双極片（3)和/或密封墊（8) 内有洞孔（第1圖上未示）’利用分配溝道（第1圖上亦未系 與陽極室和陰極室連接。 此等洞孔隨後配合，以致形成二上縱向總管（9 )和二 下縱向總管（10)。二上縱向總管（9)(fl圖内僅示其一）， 用來進料氣態反應物（燃料和氧化劑），而二下縱向雜管 (/〇)(第1圖内亦僅示其一）用來取出視情形混有排出1勿（氣 悲惰性和未轉化反應物）之反應生出物（水）。另者，下縱 向總管（1 0 )可用作進料總管，而上縱向總管（9 )作棑料總 管。亦可經由上總管（9)之一進料二氣態反應物之一，採 用相對應下總管（1 0 )排放，而經第二下總管（1 Q )進料第二 氣態反應物，採用相對應上總管（9 )排放。 氣態反應物再經分配溝道分配至各反應電池（2 )。從 各反應電池（2 )進行之反應生成物和可能之剩餘反應物， 亦經由分配溝道抽取。 在反應電池（2 )總成的外側，有二終端導電片（1 1 )， 為電化學發電機（1)之界限。二終端導電片（U)之一具有 喷嘴（第1圖上未示）’以供液力連接上、下縱向總管（g ) (10)。 此外’終端導電片（11)具有適當洞孔（第1圖上亦未示 )，以供容納繫桿，藉此達成電化學發電機（丨）之夾持。 由往復串聯的反應電池（2)形成的電化學發電機（丨）， 其缺點是即使只有一反應電池（2 )有瑕症，全部即失去功

200408158 五、發明說明（3) , 能。瑕疵的反應電池（2 )指即使只有一多孔性電極（5 )失去 正埃功能之電池，例如由於催化層（6 )之鮮少活性，或即 使只有一集電器/配電器（7)失去功能，例如因不正確組成 份或機械特性而顯示過度電阻，或膜片（4 )打孔。此最後 情彡兄特別嚴重，會使彼此不相容的氣態反應物混合。 克服此議題的已知溶液載於歐洲專利6 2 9 0 1 5號，提供 瑕疵反應電池（2 )外部短路。 此前案技藝教示雖然在若干方面有其優點，只能解決 部份問題，因為膜片（4)打孔時，容許電流旁通瑕疵反應 電池（2 )，而無法消除氣態反應物混合時相關之可能不便 。事實上’氣態反應物無論如何會存在於瑕疫反應電池 (2)内，由於該反應電池與上、下縱向總管（9)和（’1〇)連接 之故。 因此，打孔膜片不但妨礙電化學發電機（丨）之 二二起相關安全議題。以打孔臈片（4)而言， 二二 瑕=反應電池·（2)的外部短路，關聯 力擬 如美國專利5, 876, 583號所揭示。 八狀刀芳通 然而，瑕疵反應電池（2)之外部短路， :有關之又一缺點，導電性双極片⑻必須具巧 該外面突部的存在，會增加電化學發 和體積，在許多用途上，尤其是、、舌勤用、全 的重《 為克服此又一不便，另一前宏姑葙批—貫關鍵性 (3) ^ ^ ^ M # ^

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池本身内完成的凹部内，而提供瑕疵反應電池（2)之短 路。 反應電池（2 )形成瑕疵時，較佳解決方式化 學發電機（1 )解組後，加以更換或修理，以恢復發電機的 完全電力。 然而，在需要長期操作時間外，此程序也會引起金部 集電器/配電器（7)更換，成本相當高。事實上，一旦電化 學發電機（1)壓緊時，集電器/配電器（7)與導電性双極片 (3 )’以及在再度夾持電化學發電機（1)時，與膜片電極總 成（4, 5)不再具有可靠的電氣接觸。 ~ ' 理由之一是事實上較佳的現狀技藝集電器/配電器（7) ’在電化學發電機（1)解組後’不能恢復其原^有尺寸f特 性。

更具體言之’如第2圖所示，視對反應電池（2)所施壓 力，集電器/配電器（7)顯示第一階段低彈性模數之可逆彈 性變形，保持到達其原有厚度的1 0 %變形。然後，集電器 /配電器（7)進行相當廣的塑性變形階段（其原有厚I的^ -60% )，其中對反應電池所施壓力保持在變形範^二實 上一定。集電器/配電器（7)最後顯示第二彈性變形階严， 一旦其三維度結構壓平時’有極高的彈性模數。 X 由實驗調查，發現集電器/配電器（7)結構變形 原有厚度5 0 %時，會遭機械性損壞。所以，集電器/ k其 器（7 )在組成完成時，塑性變形最好達到30 配電 。如此，在膜片電極總成（4，5)上安全建立均句接j严間

第12頁 200408158 五、發明說明（5) ，接近最適操作條件。 此外，宜在塑性變形範圍内使用集電器/配電器（7 )， 在此情況下，膜片電極總成（4，5)和集電器/配電器二者呈 現的可能厚度不規則，即被壓平。 另一優點是可用較薄的導電性双極片（3)。在此情況 下，事實上導電性双極片（3 )有可能缺乏平坦性，不會對 膜片電極總成（4，5)的不同部位造成不同的接觸壓力，只 有使集電器/配電器（7)有不同的變形·.膜片電極總成（4, 5) 之最佳操作條件因而獲得保證。上述考慮意味著，若電化 學發電機（1 )解組，則集電器/配電器（7)會保留塑性變 如第3圖所示，一旦電化學發電機（1)再加緊，集電器 /配電器（7 )又開始變形，彷彿未進行前述變形周期。理論 上而言，如此行為使集電器/配電器（7)可再用，而在賦予 同樣變形時，可得同樣接觸壓力。然而，事實上如此操作 ，會在反應電池（2)不同組件間得到不良電氣接觸，以致 電阻惡化代價會局部增加。此等局部電阻惡化代價累積區 域，在其内產生相當熱量時，會遭到快速降解，終致膜片 (4)破裂。 發明内容 本發明之目的，在於提供一種膜片電化學發電機之集 電器/配電器再用方法，未有上述不便。 按照本發明，膜片電化學發電機之集電器/配電器再 用方法，係申請專利範圍第1項所述完成。

第13頁 200408158 五、發明說明（6) 圖式簡單說明 為更加明瞭本發明起見，參照附圖說明非限制性實施 例之若干具體例如下。附圖中： 第1圖為前案技藝的膜片電化學發電機分解側視圖； 第2圖為機械性參變數相對於第1圖電化學發電機内存 在的集電器/配電器之變化； 第3圖為機械性參變數相對於第1圖電化學發電機内存 在的集電器/配電器之變化； 第4圖為本發明膜片電化學發電機第一具體例之分解 側視圖； 第5圖為本發明膜片電化學發電機第二具體例之分解 側視圖； 第6a-6b圖表示第1圖電化學發電機第三具體例之組 件； 第7圖為第1圖膜片電化學發電機第四具體例之分解側 視圖。 參見第1圖，為電化學發電機（1)内所用集電器/配電 器之再用方法。 此法在檢測到瑕疵反應電池（2 )存在後，提供電化學 發電機（1 )之解組。然後，本發明方法提供除去瑕疵電池 (2)，並將電化學發電機（1 )重組，再用先前所用之集電器 /配電器（7 )。 於電化學發電機（1)之前，最好在各反應電池（2)内插 入採用諸如金屬性隔體、平坦密合墊或密合墊環之電池厚

第14頁 200408158 五、發明說明（7) 1 ^^ 度用的額外機構。 實施方1 茲以實施例說明本發明方法，但無意僅限於此。 實施例丄 如第4圖所述，電化學發電機（丨）再組合時，將適者3 度的金屬性元件（12)作為各反應電池（2)上採用陽極^和'厚 極側之電池厚度機構，插入導電性双極片（3)與各再^ $ 電器/配電器（7)之間。如此一來，在隨後失^電化與^ 電機（1)過程中，再用集電器/配電器（7)被逼進行進^一 ^ 塑性變形，加到第一次夾持電化學發電機（丨）之際施於^ 集電器/配電器之變形。在此情況下，集電器/配電器 的機械特性（見第3圖）使其行為看似第一次利用，保 片電極總成（4，5 )之最佳操作壓力。' 、 尤其是金屬性元件（12)可包含金屬網或金屬布、 布有孔片材。 特別是金屬性元件（1 2)之厚度必須計算，使對再用集 電器/配電器（7)賦予之總體變形（即相對於集電器/配^ 裔之原有厚度）在5 0 %以下’超過此則有損集^電哭/配電薄 (7)之結構。 " 實驗觀察顯示為了電化學發電機（1)的每次再組合， 提高再用集電器/配電器（7)變形為其原先厚度的至^ 即夠，以達成導電性双極片（3)、金屬性元件（丨2 )、^用 集電器/配電器（7)和膜片電極總成（4，5 )間之良好電氣接 觸。如此可保持金屬性元件（1 2 )有適當厚度，可以解^且和

200408158 五、發明說明（8) 再組電化學發電機（1 )供保養，供多次使用該集電器/配電 器（7)。 例如使用起先厚度3mm的集電器/配電器（7 )，以及起 先厚度0 . 2 mm之金屬網，每次再組電化學發電機（1 )增加 0. 2mm，可再組電化學發電機（1)不低於接續4次使用該集 電器/配電器（7)。 詳言之， —集電器/配電器（7)厚度，未變形：3mm •組合 一集電器/配電器（7)厚度：2. 4mm，相當於其起先 厚度變形2 0 %。 •第一次再組（使用厚度0· 2mm的金屬網） 一集電器/配電器（7)厚度：2. 2 mm，相當於其起先 厚度變形2 7 %。 •第二次再組（使用厚度〇 · 4mm的金屬網） 一集電器/配電器（7)厚度：2mm，相當於其起先厚 度變形3 3 %。 •第三次再組（使用厚度0 · 6mm的金屬網） —集電器/配電器（7)厚度：1. 8mm，相當於其起先 厚度變形4 0 %。 •第四次再組（使用厚度0 · 8mm的金屬網） 一集電器/配電器（7)厚度：1. 6mm，相當於其起先 厚度變形4 7 %。 金屬性元件（1 2)的構造材料，可視需要與集電器/配

第16頁 200408158 五、發明說明（9) ___ 電器（7)同，或與導雷极如 具體而言，所用材料類極片>(3)同杜或為第三種材料。 元件（〗2)，導電性双極片=須母次評估，旨在维持金屬性 良電氣接觸，並視金屬 配電器（7)間之優 料為鋼、鋁及其合金，兀f本身机f蝕性而定。常用材 此等材料可經特殊處理、i >、及其合:。在某些情況下， ，或增加金屬性元件（12 =^，少不同組件間的接觸阻力 之抗腐蝕性。 如第5圖所示，名i (8)改用厚度比密封墊）’且電化學發電機（1)時，密封墊 化學發電機〇)當中剛^為/之薄密封墊（13)，在再組電 ⑺對其起二ϊ】j ϊ:3尤%其是足以增加集電器/配生電双器 2.1_厚度密封墊（8)時，〇 相當典型之 0.1+ 0.2_。 ，専在封墊（丨3)應有厚度至少低 並在：：Ϊ 5 Γ、電機(1 )設有熱塑性材料製密封墊(14) J ;、表面（14a)設有密封環（15)，可 4)丄 發電機再組時，只要猶增失持壓力即Λ’Λ 益/配電器（7)變形，剛好足夠（例如 Τ使集電 3%值）達成與膜片電極總成（4, 5)以及與導電性 厚度的 接觸。事實上，當電化學發電機⑴被爽J (3)之 ，、有猪封環（15)與導電性双極片（3)接觸。在變形時丄 第17頁 200408158

封環（1 5 )即可確保氣態反應物之密封。 如第6a圖所詳示，在電化學發電機（1) 带搶封ί哀（1 5 )並未完全變形，故導電性双極片（3 ^膜_ 電極總成（4，5 )間之距離，即比電化學發電第\ 持時（第6b圖）為高，其中密封環（Μ) /第一 即被逼進行較高變形。 ^木弘器/配電器（7) 或由不同的重 橡膠）更適於避 田密封環（1 5 )可與密封墊（！ 4 )合作衝壓 豐，^製成’比密封墊全體（例如聚矽氧 免氣態反應物洩漏且更易變形。 實施例4 數极ί 發電機（1)時，只要密封墊（8)係由彈性模 電器/配電器(7)y“了械性硬質結構之集 力大部份可分佈於ΐI考//、^有在此情況下，所施總體壓 塾（）上’引起改變膜片電極 夕 二山ί 便獲得各反應t池⑺之最佳壓質二=以 器（7)為金屬性泡绵、蛑姓二1卞值硬買孓术電态/配電 製作密封塾(8)之構造。;，二本打;適* 腈（NBR)橡膠、氟化截σ 土本上為橡膠堵如EPDM、 ί" ί ：： ί: ?: ’因為集電器f7^機^1)再組時，不會發生問題 最後，顯示本會進行任何塑性變形。 違本發明之領域。” 方法可有多種修飾和變化，不

200408158 五、發明說明（11) ---- 雖然本發明所述方法是用於電化 ，包括2應電池⑴，該法同等應用於電化學發電機⑴ ^)，冷卻電池（21)，介置於任何成對反應電池機 之間:如苐7圖所示，其中電化學發電機（2〇)之不 （2) ，以第1圖所用同樣參玫符號標示。冷卻電池（2 組件 反應電池（2)，惟不包括離子交換膜（4)、多孔 同^於 和催化層（6 )組成之電化學套裝。 W ) 在此情況下，使用本發明方法，在隨後再組電化學發 電機（20)時，可再用冷卻電池（21)之集電器/配雷 χ (22)。 另外’亦可僅用在冷卻電池（2 1 )内具有彈料特性之集 電器/配電斋（2 2 )。在此情況下，本發明方法只能應用^ 反應電池（2)内存在之集電器/配電器（7)，一如冷^電池 (21)内存在之集電器/配電器（22)，進行不永久性變形， 可如此再用。

第19頁 200408158 圖式簡單說明 第1圖為前案技藝的膜片電化學發電機分解側視圖； 第2圖為機械性參變數相對於第1圖電化學發電機内存 在的集電器/配電器之變化； 第3圖為機械性參變數相對於第1圖電化學發電機内存 在的集電器/配電器之變化； 第4圖為本發明膜片電化學發電機第一具體例之分解 側視圖， 第5圖為本發明膜片電化學發電機第二具體例之分解 側視圖； 第6 a-6 b圖表示第1圖電化學發電機第三具體例之組 件； 第7圖為第1圖膜片電化學發電機第四具體例之分解側 視圖。

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Claims (1)

1. 200408158 六、申請專利範圍 1. 一種膜片電化學發電機之集電器/配電器再用方法 ，該發電機包括複數單元電池，組合成壓濾機形態，該複 數單元電池包括陣列導電片和集電器/配電器，此方法包 括步驟如下： 一檢測有受損單元電池存在； 一把該電化學發電機解組； —修理/更換該受損單元電池； 一再用該集電器/配電器，再組該電化學發電機 者。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電化學發電 機再組步驟，包括把衡量電池厚度之至少一機械性機構， 插在各導電片和個別集電器/配電器之間者。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該衡量電池厚 度之至少一機械性機構，包括機械性元件，其厚度可對該 個別集電器/配電器賦予塑性變形，在該集電器/配電器 起先厚度的3%和50%之間者。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該機械性元件 為金屬網者。 5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該金屬網係由 選自包含鋼、铭及其合金，鈦、鎳及其合金之導電性和抗 腐餘性材料製成者。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該導電性和抗 腐蝕性材料經表面處理者。 7. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該機械性元件

   第21頁 200408158 六、申請專利範圍 係選自包含金屬布者。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該布係由選自 包含鋼、鋁及其合金，鈦、鎳及其合金之導電性和抗腐蝕 性材料製成者。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該導電性和抗 腐蝕性材料經表面處理者。 1 0.如申請專利範圍第3項之方法，其中該機械性元件 係由交織纖維組成者。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之方法，其中該交織纖維 係由選自包含鋼、鋁及其合金，鈦、鎳及其合金之導電性 和抗腐#性材料製成者。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該導電性和 抗腐蝕性材料經表面處理者。 1 3.如申請專利範圍第3項之方法，其中該機械牲元件 係有孔片者。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該有孔片係 由選自包含鋼、鋁及其合金，鈦、鎳及其合金之導電性和 抗腐蝕性材料製成者。 1 5.如申請專利範圍第1 4項之方法，其中該導電性和 抗腐蝕性材料經表面處理者。 1 6.如申請專利範圍第3項之方法，其中該機械性元件 係有孔網片者。 1 7.如申請專利範圍第1 6項之方法，其中該有孔網片 係由選自包含鋼、鋁及其合金，鈦、鎳及其合金之導電性

   第22頁 200408158 六、申請專利範圍 和抗腐餘性材料製成者。 1 8.如申請專利範圍第1 7項之方法，其中該導電性和 抗腐蝕性材料經表面處理者。 1 9.如申請專利範圍第2項之方法，其中該衡量電池厚 度之至少一機械性機構，包括薄密封墊，其厚度可對該集 電器/配電器賦予塑性變形，為該個別集電器/配電器起 先厚度之至少3%者。 2 0.如申請專利範圍第1 9項之方法，其中該薄密封墊 之厚度介於0.1和0.2匪之間者。 2 1.如申請專利範圍第2項之方法，其中該衡量電池厚 度之機械性機構，包括密封墊，在其表面具有密封環，其 厚度可對該個別集電器/配電器賦予塑性變形，為該個別 集電器/配電器起先厚度之至少3%者。 2 2.如申請專利範圍第2 1項之方法，其中該密封環係 重疊於該密封墊之表面者。 2 3.如申請專利範圍第2 1項之方法，其中該密封環係 在該密封墊之表面上合作衝壓者。 2 4.如申請專利範圍第2 1項之方法，其中該密封環係 由包括聚矽氧或橡膠之材料製成者。 2 5.如申請專利範圍第2項之方法，其中該集電器/配 電器具有機械性硬質結構，而該衡量電池厚度之至少一機 械性機構，包括由低彈性模數的塑膠材料製成者。 2 6.如申請專利範圍第2 5項之方法，其中該低彈性模 數之彈性材料，係選自包含橡膠，諸如EPDM、NBR或氟化

   第23頁 200408158 六、申請專利範圍 產品者。 2 7.如申請專利範圍第2 5項之方法，其中該集電器/配 電器係由金屬性泡綿、燒結材料、金屬網或有孔網片者。 28.如申請專利範圍第1項之方法，其中該單元電池包 括反應電池者。 2 9.如申請專利範圍第1項之方法，其中該單元電池包 括冷卻電池者。 30. —種膜片電化學發電機之集電器/配電器再用方法 ，實質上參致附圖所述者。

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