200415820 狹、發明說明： C發明戶斤屬之技術領域]| 發明背景 [0001]燃料電池進行一電化學反應來產生電力。典型的燃料電 5 池反應物係為例如氫或烴類的燃料源，以及例如空氣的氧化 劑。該電池提供一直流電（DC)那可能用來提供馬達電能、光 或任何數量的電氣相關應用。燃料電池有許多不同的類型，每 種都使用一不同的化學反應。 10 [0002]燃料電池典型地包含三種基本元件··一陽極、一陰極和 一電解質。通常陽極和陰極係在被插入於電解質的周圍。該 電解質抑制電子的流通。燃料電池通常以所使用的電解質類型 來分類。燃料電池類型通常被分類為五種群組：質子交換膜 (PEM)燃料電池、鹼性燃料電池（AFC)、磷酸燃料電池 15 (PAFC)、固體氧化物燃料電池（s〇FC)龍融碳酸鹽溶解燃料 電池（MCFC)。 [0003 ]該陽極和陰極係為多孔的並且通f包含有電催化劑，雖 然每種都可以具有不同的化學性質。該燃料移動通過多孔的陽 極，而該氧化劑移動通過多孔的陰極。該燃料和氧化劑會反應 20產生各種不同的荷電粒子，其包括在陽極的電子。該等電子無 法通過電解質而因此成為可被導引至一外電路的電流。缝極 從外電路把電子引導回來，在該處其等係與各種不同的離子和 氧氣再次結合㈣能會形成水及/或其他的副產物。通常許多燃 料電池係被架構成-電池堆，以提供有效使用量的電力。 5 200415820 [0004]在迕多燃料電池的應用中，燃料和氧化劑的供給源係被 連接到一包含有燃料電·池的外殼中。然而，提供至燃料電池中 的燃料很多時常是未被充分利用。當燃料被提供到燃料電池的 陽極時，所得到的燃料通常很快地被在陽極的表面消耗，同時 5離陽極一段距離的燃料則會被消耗地較慢，並且其必須要朝向 陽極移動以被更有效地消耗。這種現象會在燃料電池裡面造成 一燃料濃度梯度。韻的有效使錢後會依據_移動到陽極 之氣體擴散率而不同。 [0005]現今，特別是對於可以使用多種燃料來操作的固態氧化 物料電池而a ’燃料濃度梯度和氣體擴散率會明顯地阻礙燃 料電池的效能。為了改良燃料電池的效能已經藉著快速地提供 新鮮補充的燃料至陽極表面，以完全利用陽極消耗燃料的能力 而進订了-些嘗試。然而，現在這是以消耗更多經過該系統之 未使用的燃料或是使用—具有顯著的壓力損失之複雜歧管系 15 統來達成。 【葡^明内^】 發明摘要 [6 ] °午夕可月匕的具體例之—的，本發明提供操作-個燃料電池 的方法。方法含供給對燃料電池的一個氣體流而且振盪氣體 20 流。 [0007]本發明的另_具體例提供_氣流控制器，其包括〆在流 體抓與燃料電池連接的地方，可操作地連接到一流體流的流體 流振盪器。 圖式簡要說明 6 200415820 > [0008]該等隨附的圖式例示說明本發明的各種不同具體例，並 且其係為本發明說明書的一部份。該所例示說明的具體例僅係 本發明的範例，而並不是用於侷限本發明的範圍。 [0009] 第1圖是依據本發明的一具體例的之燃料電池系統的 5 概示圖，其具有一以一第一方向通過該燃料電池的氣體流。 [0010] 第2圖是第1圖之燃料電池系統的概示圖，其具有一 以一第二方向通過該燃料電池的氣體流。 [0011] 第3圖係為一例示說明以時間的函數來表示依據本發 明的具體例之燃料流動方向的圖例。 10 [0012]第4A圖是依據本發明之一具體例的單一腔室燃料電 池系統的概略圖。 [0013] 第4B圖係為第4A圖的單一腔室燃料電池系統，其 之氣流方向係相反的。 [0014] 第4C圖是另一種依據本發明的單一腔室燃料電池系 15 統的具體例。 [0015] 第4D圖係為第4C圖的單一腔室燃料電池系統，其 之氣流方向係相反的。 [0016]第5圖是以時間的函數來例示說明另一個依據本發 明的具體例通過燃料電池系統之燃料流速之圖例。 20 [0017]第6圖是以時間的函數來例示說明另一個依據本發明 的具體例通過燃料電池系統之氣體流速之圖例。 [0018]所有的圖式中，相同的元件標號代表類似的、但不一定 是相同的元件。 【實施方式3 7 200415820 發明的詳細描述 [0019]在此描述-種藉由振盪或改變燃料及/或氧化劑之流動 方向來最小化在燃料電池中的燃料濃度梯度之形成的方法和 系統。在整篇的發明說明書與申請專利範圍中，，,振盡"或” 5振盡作用”係用來代表除了僅是陽極反應物的週期性置乏之 外，在-燃料電池中燃料或氧化劑流的任何改變。振盡可以是 週期性的或不規則的，-平順的連續性轉換或一突然的轉換， 其包括流動方向的完全間段與和逆轉。 [〇〇2〇]現在參照該等圖式，叫別« i圖，其概略表示-H)該燃料電池系統（_。燃料電池系統（⑽）包含—外殼（1〇2) 以及位在該外殼（102)内的燃料電池（1〇4)。當然，可以了解 的是該燃料電池系統⑽）可以包含—被架構成電他堆的數 個燃料電池。因此’該燃料電池(1〇4)可以是單一燃料電池或 為一操作單位之數個許多燃料電池。 "〇川，然料電池(1〇4)包含有一陽極(1〇6)、一陰極(1〇8)與 -插入於陽極(106)和陰極⑽)之間的電解質（110)。該電 解貝（110)可以包含一固態氧化物薄膜、一質子交換薄膜或用 於其他燃料電池類型之其他薄膜。然而，可以了解的是，該燃 料電池系統（100)並不限於所顯示的陽極/電解質/陰極之夾合 2 0結構。其他的燃料電池系統也可以使用例如多孔性支撐體與電 流集極支撐體系統。 [0022]陽極⑽）和陰極（1G8)可以包含電流集極層，且因 此也可以在燃料電池的電氣化學反應發生時作為電流集極。燃 8 200415820 料電池（104)所產生的電流可被導引至一外電路來進行有用 的工作。 [0023]:依據在第11圖中所顯示的設計，該燃料電池（104) 係在外殼（102)的内部被分隔成二腔室。該二腔室之第一個是 5 係為一開放至燃料電池（1〇4)的陽極（106)之燃料室 (112)。該燃料室（112)係與一或更多為燃料電池（1〇4)提供 燃料之氣體流（114)成流體相連通的。該燃料流（114)具有分 別對應於該燃料室（112)之一進口和一出口的第一和第二部 分（115和117)。依據燃料電池的類型不同，該燃料流（η#) 10 供給各種不同的燃料到燃料電池（104)的陽極（1〇6)。舉例來 說，如果燃料電池（104)係為一固態氧化物燃料電池，，該燃料 可以是氫或任何許多種烴或酒精。然而，如果燃料電池（1 〇4) 係為一質子交換膜（PEM)燃料電池，該燃料可以是氫。 [0024] 該燃料電池系統（100)的第二腔室係為一開放至燃料 15 電池（1〇4)的陰極（108)之氧化劑腔室（116)。 類似於該燃料室（112)，該氧化劑室（116)係與一或更多為燃 料電池（104)的陰極（1〇8)提供一氧化劑之氣體流（118)成 流體相連通的。该氧化劑流⑴8)具有分別對應於該氧化劑室 (116)之-進口和-出口的第一和第二部分⑴5和117)。該 20氧化劑流（118)可以包括空氣、一富含有氧或純氧來源或一些 其他氧化劑。 [0025] 如第1圖所顯示的，燃料和氧化劑流（114卩ιΐ8)都 以一第一方向流過的燃料電池系統〇〇〇)。該第一方向係以一 系列的箭號⑽）指示。該具有以在第ι圖中之箭號（12〇) 9 200415820 所顯示的方向之氣體流的燃料電池系統（1〇〇)，係以一字母（A) 標示，以說明第3圖所顯示的圖例（如下述所討論）。如在發 明背景中所討論的，以箭號⑽）的方向之持續㈣，將可能 導致在整個燃料和氧化劑腔室⑴2 #σ 116)中之燃料和氧化 劑濃度梯度。因此’依據在此所描述的本發明之原理，該氣流 係被一氣體控制器所振盪為以減少或除去濃度梯产。 [0026]該氣體控制器包含-或更多的可以改變燃料電池系統 的燃料或氧化劑流動（100)之振盪器〇3〇)。該一或更多的振 ίο 15 盪器（130)可以包含或控制一或更多蔡的振盪設備（135和 141)。該振盪設備（135，141)可以包含有，但並不限於：一 可逆轉的泵、一控制閥及/或一例如喇，八或是其他震波產生器之 振盪器。一振盈作用也可以藉由將燃料及/或氧化劑流分開與再 結合來誘發。因此，該振盪設備（135，141)也可能是代表將 氣體流分開與再結合的閥與歧管。除了上面描述的之外，其他 的機構和方法也可被用來誘導一個振盪作用。因此，”振盪器，， 可以包含任何用於誘發一振盪作用的個別的裝置或元件組合。 [0027]振盪器（130)的一個可能結構係被顯示在第1圖中。 在這個結構中’該振盪器（130)控制該振盪設備（135)並在燃 料和氣體流過燃料和氧化劑流（114和118)的第一部分（115 20 和119)時，分別誘發氣體振盪作用。藉著該的振盪器（130)或 振盪設備（135)之振盪器（130)組合所誘發的振盪，可以包含 在下述中被更詳細地討論之許多不同規格。 [0028] —沿著位在該振盪器（130)和該振盪設備（135)之間 的一第一溝通介面（133)之箭號（131)，指出該振盪器是”開 10 200415820 啟的’’，並控制在第一部分（115和119)或通到該燃料和氧化 劑腔室（112和116)的入口之振盪設備（135)。同樣地，一沿 著一第二溝通介面（139)之叉號（131)，指出該振盪器（130) 對於在第二部分（117和121)或通到該燃料和氧化劑腔室 5 (112和116)的出口之振盪設備（114)是”關閉的”。當該振 盪器（130)係對於燃料和氧化劑流（114和118)的第二部分 (117和121)之該振盪設備（141)”關閉”的時候，會允許來自 燃料電池系統（100)的產物係在其流過第二部分（117和121) 時，在不需進一步處理下就被消耗。 10 [0029]如上所述，依據該振盪設備（135，141)的一些具體 例，其可以包含控制閥。在此種具體例中，該控制閥可以是可 以在可調控的方式下開啟與關閉之簡單的單向閥，以在一單一 方向上產生流動振盪。然而，該控制閥也可以是一可以改變流 動方向之多向閥或閥組合。該控制閥的開啟及/或關閉以及流動 15 方向的改變，會誘發可增進燃料電池效能的流動振盪。氣體振 盪可以最小化大部分的濃度梯度並誘發一較高的擴散速率，因 而陽極（106)和陰極（108)係分別地獲得更多的燃料和氧化 劑。 [0030]第2圖例示說明一藉由將流動方向顛倒所產生的流動 20 振盪。如第2圖所示，以箭號（120)表示的流動方向係與在 第.1圖中所顯示的方向相反。該具有在第2圖中所顯示的箭 號（120)方向之氣體流的燃料電池系統（100)，係以字母（B) 標示以使第3圖（如下述）的圖例更清楚。 11 [0031]為了要促進流動由第i圖中的第一方向反轉到第2 圖中第二方向，該振盪器（130)可改變在第1圖中所顯示控 制模式。舉例來說，如同該箭號（131)和叉號（137)的位置的 乂換所表不的，在燃料和氧化劑流（114和118)的該第二部 刀（1Π和121)中之該振盪設備（141)可被，，打開”，同時在 燃料和氧化劑流⑴4和118)的第一部分（H5和⑽）的 振盪σ又備（135)可以被”關閉”。該振盪設備（135矛口 141)因 此可以包含上述之可以顛倒燃料和氧化劑流（ιΐ4和US)的 方向之夕向閥或其他的閥組合’以進入該第二部分⑽和 121)此種流動反轉，係減少或除去大部分的濃度梯度並誘發 更咼擴散率的有效方法。 15 20 32] 4亂體流的逆轉可以是規則的或不規則模式的振盡。^ 'j爪動方向可以如第3圖的圖例所顯示的以週期係έ 間隔來反轉。帛3圖係為以時間函數還圖例-燃料電池系矣 )勺氣體机方向。如帛1-2圖所示，該燃料氧化劑流（11 和一 118,第1圖）的流動，可以是在-以正號（122)所表示《 第-或正向方向中一段時間，之後該流動方向反轉 (124)所表示之第一 貝沒 少 第一或負向方向中。該流動為第一方向的時s 係以代表第1圖中所顧 、々 中所頌不的流動方向（A)來標示。同樣地， 以爪為第一方向的時期係以 _ ^ 向（B)來俨_ “ '衣第2圖中所顯不的流動， 仏不。如第3圖所例示說明，該流動可藉由以^ 二心樣，该振盪可以是不規律的。 12 200415820 [0033]除此之外，雖然第3圖顯示在正向方向（122)中的氣 體流模式，比起在負向方向（124)中流動間隔，係被維持更長 的一段時間，這並不是必要的。在不同的應用之間，該流量方 向的時間間隔可能會不同。舉例來說，該流動方向時間間隔可 5 以是相等的、在負向方向（124)中的時間間隔可以比在負向方 向（122)中的時間間隔更長，或者在正向方向（122)與負向方 向（124)中可能會散佈了各種不同的長度的時間間隔。 [0034] 依據第1-3圖的具體例的，該氣體流係藉著週期性反 轉供給至該燃料電池系統（100)的氣體流方向而改善燃料電 10 池效能。然而，該振盪器（130)也可以藉由誘發其他種類的流 體振盪來振盪氣體流，其係在下述中參照第5-6圖而被更進一 步地詳細討論。 [0035] 第1-2圖的具體例例示說明一具有分離的燃料和氧化 劑腔室（112和116)的燃料電池系統（100)。然而，也可以使 15 用其他的燃料電池系統結構。舉例來說，可以使用一種如第 4A-D圖中所顯示的單一腔室燃料電池系統（200)。依據第 4A-D圖的燃料電池系統（200)，其可以只具有一氣體流（214) 和一反應腔室（212)。該氣體流（214)可以是一結合的燃料/ 氧化劑混合物。因此，一陽極（206)可以包含僅限於與氣體混 20 合物的燃料部分反應的材料，而陰極（208)則包含只會與氣體 混合物的氧化劑部分反應的材料。 [0036] 缺乏在此所揭露的原理之該單一腔室燃料電池系統 (200)，將因為將在腔室（212)裡所產生的燃料濃度梯度，而受 制於與上述第1-2圖所描述效能不佳的問題。因此，氣體流 13 200415820 (214)可以依據上面所述並參照第3圖，藉由顛倒氣體流方向 而被一或更多的振盪器（230)所振盪。 [0037] 除此之外，該一或更多的振盪器（230)可以提供可以在 一單一流動方向上，於氣體流（214)裡面提供其他的振盪作 5 用。可以了解的是振盪作用可在單一腔室燃料電池系統（200) 裡的許多地方誘發。因此，振盪設備（235和241)係被顯示 成位在第4A-B圖的燃料和氧化劑流之間的匯流點。舉例來說 在，該振盪器（230)可以在在其等混合成一單一氣體流（214) 之前、在燃料和氧化劑混合之後，或者是在燃料和氧化劑混合 10 之前和之後振盪該燃料和氧化劑流。 [0038] 第4A和4C圖顯示兩種不同的單一腔室（212)氣體 流（208)在第一方向中的流動設計。第4A和4D圖顯示該 氣體流（214)可以參照第1-2圖所描述的類似或相同方式來 週期性的反轉，以改善該單一腔室燃料電池系統（200)的效 15 能。如上述所討論的，藉由倒轉流動方向來振盪該氣體流（214) 會減少或除去在腔室（212)裡的大部分濃度梯度，並增加氣體 擴散速率。該振盪作用也可能促進其他所欲的效果。 [0039] 然而，除了藉由顛倒流動方向來振盪一個燃料電池系統 氣流之外，其他的振盪作用也可以被用來改善燃料電池的效 20 能。舉例來說，燃料電池系統的氣體流量可以一正弦曲線的模 式來加以振盪。此種正弦模式係被顯示在第5圖中。第5圖 例示說明燃料和氧化劑流（114和118，第1圖）的一對稱振 盪模式，其係被分別提供到燃料和陽極腔室（112和116,第1 圖）。因為該振盪作用是對稱的，第5圖的圖例（530)以對應 14 200415820 於燃料流（114,第1圖）和氧化劑流（118，第丨圖）的時間 函數來顯示一燃料流流速（532)。在反轉流動方向時，通過陽 極和陰極腔室（112和116,第1圖）的正弦曲線地振盪之該 流速，會減少或除去濃度梯度並增加擴散率。此外，雖然該圖 5例（530)可以表示第1圖的燃料和氧化劑流（114和118)， 其也都可以代表像是第4A- D圖的氣體流（208)之單一氣體 流。因此’振靈器（130/230)與振盪設備（135/141/235/241)也 可以提供正弦曲線振盪以及流向反轉。 [〇〇4〇]參照第6圖，該燃料流（114，第1圖）與氧化劑流 10 (118，第1圖）的振盪，可能以是以彼此相對的相位之外的來 轉換。舉例來說，燃料流流速（114，第丨圖）可用一相對於 氧化劑流（118，第1圖）振盪模式以表示的時間週期 來轉換。 [〇〇41]將氧化劑流（114和118，第i圖）的振盪模式轉換成 15與在燃料電池的主要反應區所可獲得的燃料和氧化劑同步係 為較佳的。舉例來說，在SOFC中，燃料電池（104，第1圖） 的陽極-電解質界面（134 ’第1圖）係為主要反應區。然而， 氧化劑需花費時間才能移動通過該陰極（108，第1圖）、進行 電化學反應、並移動通過電解質（110)以到達SOFC的陽極_ 2〇電解質界面（134，第1圖）。當氧化劑是〇2的時候，該〇2 分子在移動通過陰極（108,第1圖）和電解質（110,第1圖） 日守，會解離成單一氧陰離子。 [0042]氧化劑移動通過陰極（1〇8，第1圖）和電解質（11〇， 第1圖）以及進行電化學反應所需的平均時間，係可被測量及 15 200415820 /或a十异的。因此，應用在燃料或氧化劑流⑴4 ，第1 圖）的相位轉換（Δω)，可被娜以配合，或實質上配合將陰 離子從陰極腔室（116,第1圖）輪送到燃料⑽4,第丨圖） 電池的陽極-電解質界面（134，第1圖）所需的時間。藉著使 5相位轉換（Δω)實質上等同於此時間測量結果，在陽極_電解 貝界面（134，第1圖）的燃料和氧化劑的可利用性，將會實 質上相匹配以藉此增加的燃料電池效率和效能。該相位轉換值 (△ω)係為離子導電係數、電解質（11〇)厚度、陰極（1〇8)和 陽極（106)、溫度與反應動力學的函數。 10 [0043]也要被了解的疋’在s〇Fc中的燃料（煙或氮）也一定 擴散到陽極-電解質界面⑴4，帛i圖），但是考慮在卿^桑 作時陽極的多孔性和高溫，燃料的移動並沒有顯著的減慢。然 而，如果需要的話-燃料的時間減慢時期可以被計算與考量。 陣4]對於氧化劑而言，這實際上是相當相反的。如所討論 15的’氧化劑必須要解離並擴散通過多孔性陰極和該緻密的電解 質而到達陽極·電解f界面⑽’第i圖）。由於氧化劑擴散 所造成的延遲可能會是氧化劑流的振盪遲延時期（Δω)的主 要部分。該振i遲延時期（△〇)係為電解質厚度（h)其之離 子導電係數⑷的函數。因此，一較厚的電解質將會有一較 20長的遲延時期。離子導電係數（σ)係為溫度和表面活化能⑸ 的函數（較高溫度對應於較高導電係數）；因此△『仙,〆）， 且在 σ = σ Qexp (-E/kT)下 σ ：=f(t)。 [0045]雖然S0FC具有作為其之主要反應區的陽極-電解質界 面（134,第1圖），其他的燃料電池可能會有其他的主要反應 16 200415820 5 ―將34些其他的補電池之燃料及/或氧化舰_振蘯模 式，轉換成實質上與在主要反應區的燃料與氧化劑可利用性同 步係同樣料難的。舉例來說，DMFC时作為主要反應區 陰極-電解質界面（H+會散播通過電解質）。因此，在聊C中 的相：轉換（Δω)可被計算以實質上配合燃料離子從陽極-電解負界面（134，第1圖）移動經過電解質（11〇，第】圖）， 並到達一陰極-電解質界面（136,第1圖）所需的時間。相位 轉換Μω)可依據本發明來調整以與在任何所欲的反應區燃 料和氧化劑可利用性同步。 1〇 [〇〇46]可被了解的是一相位轉換並無法用在如第4Α· D圖中 所顯示的單一腔室之設計中，因為其只有進入腔室的氣體、士 =，在具有數個流體流下，當其等彼此匯流時，相位轉二 能是維持兩個反應物（燃料和氧化劑）在主要反應區之實質上 相等的可利用性的有效方法。 15 [0047]雖然帛6圖的具體例顯示在燃料流與氧化劑流的流速 之振盈作用中，係具有實質上相同的波長、振幅和頻率，這並 不疋必需的。在燃料電池系統的不同氣體流之間波長、振幅、 頻率及/或相位係可以變化。在需要的時候，也可以使用任何對 稱或不對稱的振盪模式來提高燃料電池的效能。在此所描述的 20技術預想了任何的燃料流及/或氧化劑流的振盪作用。除此之 外’本發明預想了包含如第5_6圖所顯示的正弦曲線振盈作 用，以及（並未侷限於）其他的振盪作用：矩形波、方形波或 其他的波形，以及參照第1-4圖所討論的流向反轉振盪。更進 一步來說，振盪作用可以是組合式的。本發明說明書的原理可 17 200415820 以被用來振盪任何的燃料電池系統的任何氣體流以提高燃料 電池效能。 [0048]前面的描述僅是被呈現以用來例示與描述本發明的具 體例。其並非是要將本發明盡述或侷限於任何所揭露的的精密 5 形式。許多基於上述教式内容的修改和變化是可形的。本發明 的範圍應該是要以下列的申請專利範圍來界定。 【圖式簡單說明】 第1圖是依據本發明的一具體例的之燃料電池系統的概 示圖，其具有一以一第一方向通過該燃料電池的氣體流。 10 第2圖是第1圖之燃料電池系統的概示圖，其具有一以 一第二方向通過該燃料電池的氣體流。 第3圖係為一例示說明以時間的函數來表示依據本發明 的具體例之燃料流動方向的圖例。 第4A圖是依據本發明之一具體例的單一腔室燃料電池 15 系統的概略圖。 第4B圖係為第4A圖的單一腔室燃料電池系統，其之 氣流方向係相反的。 第4C圖是另一種依據本發明的單一腔室燃料電池系統 的具體例。 20 第4D圖係為第4C圖的單一腔室燃料電池系統，其之 氣流方向係相反的。 第5圖是以時間的函數來例示說明另一個依據本發明的 具體例通過燃料電池系統之燃料流速之圖例。 18 200415820 第6圖是以時間的函數來例示說明另一個依據本發明的 具體例通過燃料電池系統之氣體流速之圖例。 所有的圖式中，相同的元件標號代表類似的、但不一定是 相同的元件。 5 【圖式之主要元件代表符號表】 100 燃料電池系統 131 箭號 102 外殼 133 第一溝通介面 104 燃料電池 134 陽極-電解質界面 106 陽極 135 和 141 振盪設備 108 陰極 137 叉號 110 電解質 139 第二溝通介面 112 燃料室 200 單一腔室燃料電池系統 114 燃料流 214 氣體流 115 和 119 第一部分 206 陽極 116 氧化劑腔室 208 陰極 117 和 121 第二部分 212 反應腔室 118 氧化劑 214 氣體流 120 箭號 230 振盪器 122 正號 235 和 241 振盡設備 124 負號 532 燃料流流速 130 振盪器 530 圖例 19