TW201216549A

TW201216549A - Thick electrode direct reaction fuel cells utilizing cross-flows and Taylor Vortex Flows

Info

Publication number: TW201216549A
Application number: TW100135560A
Authority: TW
Inventors: Halbert Fischel
Original assignee: Global Energy Science Llc
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-04-16
Also published as: US20120082873A1; US8158277B1; WO2012044603A2; US8124296B1; WO2012044603A3

Description

201216549 六、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係屬於直接反應燃料電池之領域，該直接反應燃料電池係利用將高氫含量燃料中的化學能直接轉化為電能’而不需為了熱能而燃燒該燃料或為了產生氫氣（h2) 而將其重組，並結合以觸媒充填之厚電極、流經電極之電解液交叉流動’以及在電極與電極間的電解液之間提供相對運動的裝置~包括旋轉電極的裝置（美國分類 429/67-69，國際分類H01M 2/38)，以及容許流體反應物或電解液進入或離開電池的裝置（美國分類429/513，國際分類H01M 8/04 )，從而透過泰勒满旋流（Tal〇r v〇tex Fk)ws， TVF)與圓形庫頁特流（Qrcuiar c〇uette fi〇ws，CCF )達成加速的化學反應速率。【先前技術】大夕數利用水溶液化學（叫ue〇us chemistry )的現行燃 ^電池通常會結合厚度小於150微米（μηι)的電極與質子父換膜（proton exchange membrane, ΡΕΜ )，以保留電解液 ^避免燃料和氧化劑在電池的電解液中的越區（cr〇ss〇ver) 見象。這些膜也可作為陽極和陰極電極間與該等膜之對立妾，的電氣絕緣分離器。質子交換膜與其電極的組合被再為膜電極組件」（membrane咖伽如祕^ )。孝八貝子父換膜（PEM),例如NAFI〇N<S>合成聚合物（杜 =广司生產），其限制了發生在該膜與其鄰近之構成膜電液件的含觸媒陽極和陰極電極之接合部的「燃料一電解 (一觸，」與「氧化劑—電解液—觸媒」的三相還原/氧氣氧化還原）反應在電解液、溫度和壓力方面的選擇性。

S 3/42 201216549 f nafiqn®聚合物許交制的情形，必須錢酸性液’且工作溫度不可超過19(rc。因此，必化劑”(例如：鋪金屬），以促進氧化還原反應，而不是於電解液中腐I此外，液體燃料與氧化劑必須經過重組，以獲得氣體，且不良反應物（例如：水）必須經由平衡系統（Balance-of-plant ’ BOP)而加以除去。膜電極組件（MEA)電極質子交換财面主機在可以發生氧化縣反應的氣體驗層（gas diffusiQn 。這些薄層-般厚度為1G至5Q微米。與質子交換膜相鄰的電極面在約1G至3G微米的深度含有觸媒粒子（例如：麵、姑合金）’其大約為-膜電極組件之厚度的1%。該氣體擴散薄層有助於限制電流密度至約每平方公分電極毫安 (mA)。因此，讀技術籠料電池在每瓦成本和每立方公分功率方面毫無競爭力。此在質子交_ (pEM)直接反應燃料電池尤屬真實。在本案發明人於2011彳7月5日申請之美國第 7,972,747號專射所教示之直接反應簡電池（以下簡稱「’747號專利」）’及本說明書所揭露之利用泰勒雌流之 # {Thick Electrode Direct Reaction

Fuel Cells Utilizing Taylor Vonex Flows)，迭過提供一燃料電池，其包含建立在陰極和陽極之間的電極電解質泰勒渦旋流（TVF)，免除了對質子交換膜的需求，從而克服了質子父換膜（PEM)燃料電池在溫度、質子傳送速率切n transfer rate )、氧還原反應過電壓（⑽作如 overvoltage)、電解液儲存和化學選擇性上的限制。tvf可容許水性燃料電池的工作溫度提高至19〇〇c以上，超越了 4/42 201216549 基於貝子父換膜所施加的限制，並容許提高至2⑻。c或更冋的1度。較咼的溫度促進了氧化還原反應速率的提高，並谷許以經濟的鎳及其他低成本觸媒來取代昂貴的鉑族金屬觸媒。質子交換膜的排除也除去了化學作用在選擇性上的限制，而容許使用酸性或驗性之電解液，在處理及處置反應副產物（例如：一氧化碳）或終端產物（例如··水）方面提供了的更多選擇性，處理和處置的反應副產物或的 ^。本發明的厚電㈣接反應_電池進-步透過提供 2電極以，電解液的交叉流動的使㈣搞架構，以低 ’金成本R現了 &所未有的電流密度，*提供了對辦料電池的電流密度及經濟性的改良。 ’··、【發明内容】從且按汉應燃料電池降低了先前技術之 ^電池的電流密度與反應速率之間的限制關係，而獲得 ΐ向的輸*電流和功率密度（瓦特/立方公分，WattsW)。二，是透過對燃料電池之組件加以重新安排而達成， ^據付·⑴可使用厚電極；（2)電極的全部體積可以充填某甘以及⑶經過電極之電解液及燃料或氧化劑之交叉产參叫 ==極和浸潤之觸媒而增加之表面積，、一相還原或虱化（氧化還原）反應。子六交換難料電池中的電極，其厚度係從電極-質在Ϊ乂(_介面的正交(°rth°g〇nal)方向加以列量。間隙的厚電極直接反應燃料電池，電射电間隙之間的介面之正交方向加以測量。讀仏欠電極與厚電極係以觸媒粒子填充，並使之充滿無論是機料或

5/42 S 201216549 疋氧化劑與電解液混合之交又流動（例如：在大約正交於雜與：隙乂之間的介面的方向的橫向: 齡)）。該混合物通過魏厚度的通路將氧化還原反 ί從傳統的燃料電池的可能兄微米增加至整個電_厚度。24有利於更多的電解液與更大的化學計量數量 (_ch戰tnc amo聽）的燃料或氧化劑在特定的辦料電池肢積的觸媒表面參與氧化還原反應。此外，如今的厚度已^以促進電解液與燃料或氧化劑的駐留^間 (㈣d隨time)超越其固有的反應速率時間（職_ 的限制。更進—步地，在陽極和陰極電極的深度内產生剩餘的調和離子，蚊得在電解賴反應平衡更容易達成。由於這些改良有助於^3 率和此㈣m作溫度可提高至汹。c以上，如今可應用鎳或其他較廉價之觸媒而達成商業上可接受之性’能/ 成本之目標。發明人於2011年6月28曰提出申請之 13/171_號專射請案（以下簡稱「號專利申請=

Li入/ 一種在蓄電池响中的厚電極的獨特應用。透過比較，先前技術的電池電極厚度約為丨〇至⑽ 微米，而在任何同—時間内僅具有較窄之1至30微米之反應區厚度之電化學魏之電極。發明人之獅號專社案中的電極則可達到3，175至12,5〇〇微米的厚度，且^ 之全部均具有電化學活性。發明人的’_料财請針較叉流與在本說明書中所揭露的厚電極直接反應祕電池，此二者在概念上的比較可財助於瞭解㈣電⑽力學的獅性。無ς 6/42 201216549 均包含了流通的、相當厚的含有高度二 sed)、高表面積之粒子材料的細多孔 :構:流體流動方向)。然而，蓄電池和燃料電池之間仍有-個重大的結構與概念的區別液與固態法拉第材料)氧化還原:= ㈣Γν支板—相乳化還原反應（液態電解液、氣能燃料及乳悲氧化劑與固態觸媒材料）。〜.·，、 - =電池中細法拉第材料來儲存能量，但在 ‘、池，“則是透過燃料而導入。在燃料電池中，以固舒反應的是㈣’即使如此，在某些情況下:觸媒僅疋暫日守地芩與氧化還原反應。力會it之交又流崎電池與厚電極直接反應燃料電池於水的氧化還原化學反應產生在陽極的深並在陰極的深處產生陰離子。這些特徵形 ==的父又流動蓄電池以及厚電極直接反應燃料電 .㈣蓄電池與燃料電池的區別，因為在後者，料疋在表面或在接近表面的薄層或區域内產生。 - 交又流動蓄電池，或是厚電極直接反應燃料電 ⑽雜7其均可將離子從其各自的電極深處内移動右^可與陽離子令和的位置之間（例如：電極間之含動°&些從其各自電極的深處内，朝對方流力負_電子流達十衡的料電何電流（ionic charge current)。在本發明的交又流動蓄電池，不能塵縮極1f;:)之液體電解液充分發揮其過量離子之電極間傳遞的必要功能。在本文所教示之厚電極直接反應燃

7/42 S 201216549 料私池在夕孔電極内的氣相f 要求。特別是，由於一回雍-數。又立了更厫格的 TVF的轴向流動（axial 之電解液的 differential)’在各電極内的 /成之差壓（Pressure 電解液)被吸入流動於電極間之間;子: 間隙的TVF產生了—㈣力此外，在旋所捕集之⑽射氣泡氣相。除此之外，可以電磁 Μ之相對表面的 electro-acoustic forces) J ^ 力量，以加速其在向_之較齡[電何施加痒^外⑽本毛月之厚電極直接反應燃料電池的電極之厚 ^為5〇〇m_微f其所有部分均可充滿觸媒= 廷極直接反舰料電池使絲性較低而廉價了但數量則更多。-㈣貴而可勒於驗性電解液之厂昱電極直接反應燃枓電池的觸媒為用於氧還原反應邱 reduction reaction ’ 0RR)的却。々日 u 成丄 T 相當重量的_1%。銀的歷史平均價格大約是 ^與銘金各自具有.1G.5和21.45克/毫升（gm/ml)的質篁密度（mass densmes)。當銀所使用的質量為麵的⑽ 倍時’其成本為相當的，但銀提供了數量為倍的相同大小的粒子’且活性觸媒面積量亦為2〇〇倍。在一個典型的0RR的投影截面（帅加㈣ cross-sectional)電極，鉑之負載因數〇〇ading fact〇r)為 0.5毫克/平方公分（mgm/Cm2)。其中反應區體積的1%為鉑，此一負載因數僅能提供23微米的反應區厚度。這種稀疏分布的每一單位反應區域體積的鉑粒子觸媒表面，適用 8/42 201216549 方、工氣或氧氣的切向流（tangentiai fl〇w);然而，多數劑於通過時並未反應。在高觸媒表面體積密度，其中密度為50%，銀之負載，數為5G t克/平方公分，提供了—厚度為％微米之反應會使得厚電極直減應顧電池的電極交叉流動有更佳的利用。相較於鉑金粒子，銀可提供數量為其2〇〇倍的粒子，並在每一單位反應區域體積產出48倍於鉑的活性觸媒面積。即使銀的每一公克的分散表面面積或特定催化活 - ^只有鉑的十分之一，銀的淨催化活性仍為ORR電極的2〇，。如果搭配的電極結構有足夠的導電性，以盡量減少〆及扣耗’電極所產生之極為保守的功率額定值為1〇瓦/平方分（W/cm2)。以可比較的每千瓦成本（cost_per也丨〇wait)為根據，銀的負載因數可提高到於！，_微米的反應區的厚度為以 /平方公分。14大約是先前技術之質子交換膜直接反應燃料電池（PEM DRFC)中之氣體擴散層厚度的4〇倍至8〇倍。對於氧還原反應（如二氧化锰）具有較少之特定表面活性的觸媒，其成本會較鉑或銀為低；然而，當以之分散在厚多孔電極之内與電極全體而大幅增加活性面積密度而利用時，卻提供了相等的淨功率性能（net p〇wer perf〇rmance)。此在本發明之厚電極直接反應燃料電池在會降低氧還原反應的過電壓的高溫下運轉時，尤屬真實。本發明透過提供結合填充觸媒之電極，其厚度可為 250、500、1〇〇〇、5000或1〇〇〇〇微米或更厚之厚電極直接反應燃料電池，提高了先前技術之燃料電池的電流密度限制。由於觸媒量可以更大，使一折衷方案可實際化，即使

9/42 S 201216549 為二廉二富於活性之觸媒(例如:在陽極的在從盆分子㈣φ 貝的_金屬。基於氧化氫氧化鎳氫氧化鎳的移入氯和除去質子的高表面活性，氧化佳。因此觸Π效率尤獲致雷产衆;4之甘入入有相δ多觸媒之厚電極，可在42二==應:_的-項重要特點’ 方向而流動之電解液 electrode^, 、日7 夕孔田一極（flow彻ugh ρ〇_ >草4Mg々批…父又流動電極（Cr〇SS_fi〇W deCtr〇des)具 ΡΓ .t Λ已使用於電解槽的恢復與除去電陽性 (」e秦p〇s她）之金屬（例如：銀、金、銅他用途；但是，它們從未使用於賈法尼雷也？ ceils) ’例如燃料電池，以促。:v_ 池中的電解液的交叉流動，現已原反應。在燃料電 =整個部分的氧化還原反應，而不是如傳統I: 池之侷限於薄薄的反應區上。， ^了，較於’747號專利中之直接反應燃料電池二雷广或Ϊ用於先前技術中之任何燃料電池之電厚度均⑽甚多的厚電極直接 _C)的多孔電杨内進行高 = 動，，用了燃料及氧化劑與電解液的氣溶二的獨雜質的優點。燃料和氧化劑以其氣相而被作為細霧 10/42 201216549 液水霧的韻。當被導人至各自的電極時，_ ㈣飽::之電解液的微觀液滴以交又流動移動通 UL被-薄液膜覆以高度分散的觸媒表面。顏2 I本發明的第—個優點’在於透過提供厚而密集的，媒夕孔電極，而提供—就’W號專利加以改良之強力的直接反應燃料電池（DRFC)。本^的第二個優點，是提供—具有較傳統燃料電池孔電極的直接反應㈣電池，以容納總數量較先月i技術之％極的可时更多賴媒表面，而增加電流密度（安培/立方公分）。 .、本發明的第三項優點，是提供一具有燃料或氧化劑的交叉，動，料電池，以提供比先前技術的電極所能達到者更高的橫切面電極之電流密度（安培/平方公分）。本發明的第四項優點，是提供具有至少250微米厚之父叉流動電極的燃料電池。發明的第五項優點，是減少在燃料電池的多孔電極内的觸媒表面的液體電解液膜的厚度，以促進快速的離子交換、反應產物的吸附和脫附（adS〇rptj〇n and des〇rpti〇n)，以及燃料或氣氣的初始飽和度（saturatj〇n )。本發明的第六項優點，是提供一燃料電池，其配置以在電極之間循環之泰勒渦旋流（TVF)及圓形庫頁特流 (CCF) ’以快速除去反應產物與中和過量之離子。本發明的第七項優點，是提供一種燃料電池，其包含以流經一個電極的電解液之交叉流動來輸送燃料或氧化劑的氣溶膠混合物的裝置.。本發明的第八項優點，是提供一種操作燃料電池的方

S 11/42 201216549 法，其包括以流經1㈣電職蚊流_輸送燃氧化劑的氣溶膠混合物的步驟。這些優點將透過以下對本發明之之較佳實施例之描述，更充分地加以說明。 w 【實施方式】本發明中的厚電極直接反應燃料電池（以下簡稱「TEDRFC」）是就發明人的，747號專利所做之改良。加號專利中的㈣魏 TVF^_和氧化獅越區現象’而免除了對質子交_ (PEM)的需求。參考，w號專利中的UA ®，該圖為發明人之直接反應燃料電^ (DRFC)之&向面之部分視圖。铸液透過電解液輸入答 26注入位於陰極電_定陳12纽内表層14與和陽極電極旋轉圓柱18多孔外表層2〇之間的電解液室^。電解液在該1|城_電池1Q _軸向方向雜形成彻 54，並經由電解液排出管26離開電解液室24。如747號專利中之第1B圖所示，TVF 54產生盥從吟 «孔内觸媒表層14延伸進人電解液室24 _媒突起; f 乂=用的CCF56。1解液並未穿透至陰極電極圓 =1，/、夕孔金屬網30至任何可觀之深。，747號專利的第5B圖說明了電解液之TW 54、電驗之ccf %及陰極電極12之組件之間的關係。 >考本㈣書之第1A圖，本發明之厚電極直接反應燃料電池1〇 (以下簡稱「爾跎10」）包括一個多孔圓柱狀陰極12，其具有固定於金屬框架I6之内表面Η，且與個有外表面20的多孔陽極18分離。該圓柱狀陽極係作為旋轉軸22之旋轉軸承。表面14、2()以電解液間隙或 12/42 201216549 電解液室24分離，該電解液室具有電解液輪入管％以及電解液排出管28。在本實施例中，輸送在該電解液室以之陰極電極12與陽極電極18之間之電解液的骏置，包括輸入管26與電解液排出管28，其設置於具有供應與處理電^ 液之平衡系統（BOP-未顯示）喊體鱗（fluiddrcuit) 由於在此實施例中，圓柱狀陰極Π是固定在電池10 的金屬框架16上，其無法猶（角速度㈣）。不像發明

Sri利的圓柱狀陰極電極12，該TEDRFC的陰極电"亚❿如DRFC的多孔内觸媒表層之，747號專利），因為 / 一、、士月人陰極Π的内部而分散在〆EDRFC1G中，觸媒是透過過圓=^;8在固定_12_圍 ===?如同圓柱狀陰極電極12-般，由於 ^綠疋遗過％極18的内部 18亦不需要多孔外觸媒表層。放挪極電極的旋轉圓柱於圖式中之圓柱狀電極12 而，這些屬並非條件，亦可使用為右圓和同轴的；然的幾何形狀（例如··橢圓形、錐形、^狀㈤減邊幻不同軸）。此外，建· v又曲線、不規則狀，轉，或兩個圓柱= 18係固定，而外柱】2為旋 :行。所有的二 ==旋轉的麵，轉，而在電極12和18 和18係相對於另一電極旋即可。-個旋轉相對於其 ^逮度差’使得ΩΘΩ, ^ 18二者之-均可為内部^卜；^ 12等，此外，電極Η 要α/Ω#ι即可。 #电極，或固定或旋轉，只 201216549 固定圓柱12的内陰極表面14有一 18的外陽極表面的20有一丰僻、位Γ2。疑轉圓柱 η。電解液宮μ目‘ 隙寬度d = r2 - η，該間隙係形成 -有一間 14、20之間。，、有+^Γ】、〇的表面如，747號專利之說明，Ω Ω 之第ΙΑ、1Β及第2圖中所教示=Γΐ之值如讀專利電極，使其相對於另一電極18 疋私極12、18中之一 U而旋轉，將备右士室24以軸60為軸心產生TVp 曰在電解液王iVF 54和高剪士 (highWate)的CCF56。陳狀突起Q之高2 ★半徑(如發明人之，747號專利所述)之 :j 面Μ延伸進人CCF56，而在陰極12内產生從電解液和反應絲進人TVF 54的絲。谓％纽及引 AE箭頭所示方向軸向移動通過電解液室24時:二= 旋轉。陽極18的表面2G亦有延伸進人CCF 54的突=〇且發揮如陰極突起62的相同功能。 ’ 氧化劑和電解液之混合物的交又流動如第2圖之箭頭 A〇所示，係橫向於電極12、18之間如箭頭&所示的=解液流動。氧化顺電麻的混合物，其含妓應產物；^例如以粒子和氣泡6 4的形式之蒸氣與析出物。粒子和氣泡6 4 被CCF 56吸引進人TVF 54財心，並在該處維持被捕华狀態\直到通過電解液排出管28。粒子和氣泡64接著進= 平衡系統（BOP)，在該處藉由過濾除去粒子，而水則經處理以供重複利用或排出。電解液室24之電解液接著透過平衡系統不斷地回復至標稱化學成分（η⑽inal composition)，以保持最佳性能。在本實施例中之電解液為氫氧化鉀（K〇H)水溶液， 14/42 201216549 i_亦可使用其他電解液（如驗、酸、有機性、碳酸鹽態等）谷如相述’電解液室24係與平衡系統（BOp)、供鹿電解液之電解液輸入管26與排出電解液之電解液排出^ 反應之燃料或氧化劑、進人BqP <水和反應產物（未 :夜:過4〇二包括·起點泵(S_PUmP)與推動電解，通過讀液室24的水槽泵（sinkp_p)，此二者可其共同以脈衝（pulse)或推進方式輸送電解液，極室24提供適#的差壓，以漏在陰極12和陽動。$蚊間的電解液中輸送電解液的TVF 54之軸向流 :=彳中，氧化劑歧管30係位於金屬=:;孔二廷伸'隹面之間。氧化雜巧32係錢體中鱼-: 路徑則是相反的。在馱丨生化學’水的 =的氧化劑包括淨化空氣、氧氣或如虹硯燃料和電解液的選擇而定。氧化虱之過喷霧器噴嘴34而破壞氧化劑-電解，合物f 〇。該薄霧如箭頭a〇以噴灑之交又流動進:：=於 J5/42 5 201216549 噴嘴34的陰極12。氣化劑-電解液薄霧，以箭頭A〇所示的交又、、ώ 广穿透含有被叙入之觸媒粒子的多孔陰極U。使得觸媒= 的表面被塗布以一非常薄的電解液液體薄層，該電解液液體薄層先被氧化賴穿透，紐被反應產物和離子透。此一交又流動是以橫向於電解液依電解液室24之由電解液輸入管26到電解液排出管28之旋轉軸22而軸向移動 =方向而牙透，如前頭^所示。該等流動並無需要與電極八，14-電解液室24介面成正直角（9〇。）；然而，較佳者為氧化物混合物流動應與電解液流動Ae至少呈。山氧化劑混合物流動（如箭頭人〇所示）透過包含多數個肷入fe極12之毛孔内的觸縣子❹孔陰極12而移動。該等觸餘子可為發明人於細年12月％日提出申靖之細/〇329947號專利申請案或，747號專利所揭露仕本貫關巾，大多數—如果枝幾乎所有的話—陰的毛孔均含有—或多個觸媒粒子。氧化劑-電解液混二動隨後茶與二相（觸媒_氧化劑_電解液）之還原反 '二以藉由k水中萃取Η陽離子而產生經基陰離子(〇H)_。 (H)陰離子被保留在驗性電解液。在酸性電解液中，剛_ 陰離子與心離子結合，以產生水（航），而留下過量之了陰離子（如(p〇4))。陰離被交又流動（如箭頭A〇所不）席捲至陰極12的内表面14。與電解液混合的高能量含量__經由燃料輸入管 6進入TEDRFC 1G (來自於—未顯示之來源）。燃料—電解液混合物並透過旋轉器4〇,以及延伸進入位於旋轉圓柱狀陽極18内的燃料歧管38 _ —組噴霧器喷嘴42，而通 16/42 201216549 過並進入燃料歧官38’旋轉圓柱狀陽極18係安裝於旋轉哭較佳之燃料列舉於，747號專利中，其包括： •烷類（烧烴）：曱烧*、乙燒、丙烧《、丁娱•、辛烷； •醇.曱醇、乙醇、丙醇、丁醇； •煤油（kerosene);以及 •侧氮化物：蝴氫化鐘（LiBH4)、魏化鈉（NaBH ) 及硼氫化鉀（kbh4)。 24些燃料是易於使用的氣體、液體紐末，可溶解於電解液液體’並透過噴霧器喷嘴42而散佈。、燃料-電解液混合物被破碎成細水霧。本㈣的辦料可被來自於燃料電池反應的熱所加熱，以將之轉化為氣態。燃料-電解液混合物如#近噴嘴42的陽極18的橫切面之箭頭af所不，被噴灑至陽極18。在本實施例中，喷霧器噴嘴 42係隨陽極18而旋轉；然而，它們可以其他速度旋轉，、或以固定速度旋轉。 1 ㈣物之水過於毛孔时有多數觸 ^粒子的夕孔「祕18。每個觸媒粒子表面被覆以非常薄的电解液液體薄層’該薄層係先為燃料所飽和，隨後與反應 ^和離子形成飽和。該觸媒粒子可為發明人之，947號專 ===利中所揭露者。該等粒子亦可包含如夕=專利所述「法拉第材料」（famdiCmateriass) n化鎳/氫氧化鎳⑽(0聊(〇H)2)的法拉第奈 ^為。喊㈣；但在本發明中，該等粒子係㈣乳化反應之觸媒。由於觸媒粒子輕易地從類刀子吸附氫原子，並釋放在兩個價態之間迅速振蘯的

17/42 S 201216549 ，這是一個觸媒暫時參與氧化還原反應的例子。在本只施例大多數—如果不是幾乎所有的話—陽極Μ的毛 ^均含有一或多個觸媒粒子。燃料-電解液混合物流動以如 :頭所示之流祕徑移動。此—穿透的方向係由電解液 k包解液輸入官％進入到電解液室24中相對於旋轉軸22 轴^夕動’而至電解液排出管28的方肖（如箭頭ae所示）之交叉流動的方向。 β交又流動亦如第1A目中之橫向箭頭A# Ae所示，在 ^極圓检18冲的燃料混合物流自（如箭頭AF戶斤示）為橫解液室24中的電解液流動（如箭頭Ae所示）。 ΐΐΓΪ亚無需要成正直角⑼。）；然而，較佳者為燃料。5 "il動應與電解液流至少呈45。。 -燃料電解液混合物交又流動^，接著參與三相（觸媒㈤二:❺氧化反應，以在陽極18内產生氫陽離子移向陽陽離子在酸性電解液將交叉流動性電解、、夜+ ’在邊處與CCF %電解液結合。在驗蒸汽。過)陽離子首先結合陶_陰離子，以製造水陽離子(了自+電解液（例如氫氧化鉀（KOH))之鹽的處盘CCPV° K )將交又流動向陽極外表面20移動，在該 /、 r 56結合。或酸性電^5式’過f的陰離子(例如鹼性電解液的(OH)· 内部陰在陰極12内將交又流動a。移向結合。、〇，在該處與亦包含陽離子的CCT56電解液或驗性電㈣麵人CCF ’ 14㈣娜子，無論是在酸性與陰極l2t卩同時並迅速地被在陽極18的外表面20 12的内表面M_TVF54所席捲，在該處該等 18/42 201216549 離子形成-個非¥密集的離子電流，因為其互相中和。在以上所述的陽極與陰極方法中，水以蒸汽的形及燃料以氣態形式存在，係透過控制溫度及壓力節在液體/純S伟。裝置可—錢目（聊_ rdiefvaWes)、泵浦、酸鹼度感測器（pHsens〇rs)以衡系統中的溫度計。十當霧化的電解液和氣態燃料或氧化劑之混合物進孔電極12、18之任—電極時’液相形成—個覆蓋了整個可用的觸媒表面的薄膜。本發明的厚電極’其觸媒表面料傳統電極之可用面積大幅地增加。其巾—個結果是，、夜膜 (Uquid mm)的厚度隨著增加的觸媒表面面積而減少。「雨解液-燃料」或「電解液_氧氣」溶液的厚度減少，促進了二料或氧氣透過之飽和f解液_快速離子交換以附^吸）。該薄膜可容許醇類以類似於氫在觸媒表面的方式反應。當以提高溫度和壓力來增_，更薄的層大幅地降低了氧還原反應（〇RR)的過電壓。陽極18的薄膜在父叉流動的差壓和離心力下緩慢向電，液室24移動。類似的氧氣/電解質薄液膜及霧化氣流藉由在乳化劑歧管30與電解液室24之間的差壓推動而通過陰極12。 …同樣的說明亦適用於燃料電池10的鏡像，其中電極18 為陰極而電極12為一固定陽極。發明人的，747號專利說明了如何在—個共同軸線上連接燃料電池1G與其鏡像之燃料電池’以免除將集電環和集電她件％與電極U、外部f力貞載46的需求。同樣的配置也應用於

19/42 S 201216549 &承上闕於燃料電池之運轉的說明，一鹼性（例，化鉀）電解液燃料電池將陽極18白々富氫燃料 ydr〇gen-richfuel)轉化為質子奶，其與(⑽-相結合而雕，、’、在陽極IS的蒸汽。在熱平衡的蒸汽與交叉流動的氣肢，以及含㈣量K+離子的液體電解㈣-向電解液室24 的差壓所驅動。從陽極外表面2G所排放出，體產物（如叫的蒸汽（h2〇)氣泡64，並被TVF = 液集。CCF 56 _加快了離子和(〇H).陰離子以 ^之速率娜.，料速率是pEM/MEA㈣電池所達到的，因為在PEM/MEA燃料電池，離子只會在電極間以低擴散、分散、遷移和濃度梯度而移動。陽離子的陰離子分別在陽極18的外表面20和陰極12 的内表面14之間移動表面，其中，K+J%離子邮結合’以恢復驗性並中和過量的離子濃度。在表面2〇和Μ 上的過量離子的中和支持了新產生的離子以濃度梯度的方向流向這些表面。由於咖56的非常高的速度和化旦條件，TEDRFC 1G的電流、辨域量密度均可達到數= 級’這是未使帛TVF的轉電輯柯能達成的。如發明人之，747號專利所教示，蒸汽氣泡—其與並他來自於反應產物（如二氧化碳氣泡）64 (參照第2圖）'及未反應燃料或氧化劑的氣體氣泡被吸引到TVF54的中心。 TVF 54清除掉來自於兩個電極的蒸汽和二氧化碳^泡 64 ’以及氣態反應產物，但藉由在涡旋中心内保持氣體，而仍保留其本質上不能壓_液體性質。如果轴向電解液的體積流量（volumetric flow)超過總氣流量至少3.丨，較佳者為10:1，這是可能的。氣泡和氣體仍被捕集在谓54 20/42 201216549

28被排在蓄電池和燃斜雷冰，帝、* + 一攸ihDRFC 10除去。

牡計交換膜（PEM)及類及的薄電極反應區區，過量離子在接近電驗·電_介面產线大的表面效應。. 士在TEDRFC的電極’當在航的電騎巾的燃料或氧化;=!丨進入夕孔電極12、18，並在其到達與電解液室24之介表面14 ’ 2G ’父又流動之電解液累積額外過量離子的 ^耳濃度時，過量的離子開始產生。此處，過量離子濃度莫耳數值在;g義上是V[，電驗交叉流動的速度為v，而電流密度i=MvF安培/平方公分。無論在電解液/燃料/氧化劑化學，過量的離子在陰極i 2 總是陰離子，而在陽極18則為陽離子。在TEDRFC，這些離子主要疋以雙電層（electr〇nic d〇ubie iayer，簡稱，，EDL”）的形式在觸媒表面上。在燃料、氧化劑、反應產物和離子以雙向牙越數個漢姆茲層（Helmholtz layers)，進入一擴散及在觸媒粒子上方通過的電解液之切向剪切層流邊界層 (tangential shear flow boundary layer)。在 EDL 的固有電動能電位（electrokinetic energy potentials )，可在透過塊狀電極（bulk electrode)與交叉流動之電解液來移動過量離子時用以提供協助。

S 21/42 201216549 般而5，在中央旋轉電極18的過量電荷會被呈放射狀地向外推動，而在固定的封閉電極內的過量電荷則會被呈放射狀地向内推動。這些帶有可耦合電場和磁場的電動電位（eiectrokinetic potential)可用以配置來將離子向較佳之方向推動。不論從分析或是實驗的角度來看，厚電極直接反應燃料電池的電極的電動能都是極為複雜的，因此本文不^就此詳述。關於電動離子傳輸的優秀參考文獻，可參閱 Delgado等人所撰之《電動能現象的測量及解釋》 et al, Measurement and Interpretation of Electrokinetic Phenomena, Pure Appl. Chem., V〇l. ?7, No. l〇, ©2〇〇5 pD 1753-1805) 一個便利於加速過量的帶離子（丨〇n_bearing)電解液通過電極12、18的裝置’是利用電聲動能。以_〇等人在上述引據文獻第4.6節，第1784頁首段即教示了聲波激發 (acoustic excitation)是如何能夠在沒有干擾粒子（如觸媒粒子）的情況下在流體巾引起非常小的週期性之電荷位移。 .在電極12、18產生電聲動能的壓電式電聲換能器 (Piezoelectric dectroacoustic transducers) 58，如第认圖所不’係連接到電極12、18的終端。換能器％是由一個從燃料電池10或一透過滑環和電刷（未顯示）連接之外部波形電源獲得電力之錢波形電驗絲（未齡）所驅動。 -個可控的聲波透過溶解的離子振動產生一個交流電流（AC current)和磁場。如果氣流量不足，該磁場可連接於一驅動力（例如：可在陽極室38和陰極室4〇内裝置永 22/42 201216549 、夜推3可&式化感應線圈與磁極，未顯示），以將電解液推向電解朗隙24。磁ρ 極18如自㈣荷電流迴喊應而產生自己的並：以獅土質+上穩定之力場的電動電位可以加以控制，的太的離子物種，以―種馳電泳（eleetmphoresis) 力的料Z且軚仏的方向施以驅動力；特別是在永磁流體動力的附加影響之下。 -心甲酉子類、煤油的碳氫燃料，以及硼氫化納，此舻姑:在每單位重置和單位體積具有高能量密度。例如， J康/、各自可逆的吉布斯自由能（Gibbs free energies)，曱 7〇0千焦耳/莫耳（KJ/m〇le)下產生h21伏特及6 电子，而戰化鈉可在1271千焦耳/莫耳下提供i 64伏 =8個電然而’由於在f子交換膜所需的低溫、酸 % '夜’石厌氫化合物及石朋氫化鈉的氧化觸媒反應相當緩因此，在先前技術及發明人的，747號專利之前的直接反應燃料電池均無法獲得這些產量。、石反風化^物和蝴氫化納的厚電極直接反應燃料電池可 ^產生相*局的功率和能量密度，因為驗性電解液可用以 (polarization) (catalyst p〇is〇ning) 象。這在發明人的，747號專利之前的傳統直接反應燃 =池(DRrc)是不可㈣，因為沒有耐久的無性電解液相容的離子交換膜可用以避免_•氧化劑在高功率燃料電池的越區（crossover )現象。如果三相反應是瞬間的’傳統質子交換膜燃料電池的，，組件（MEA)之反應區對性能的限制將會較少，仁事Λ並不然。若離子在反應區的駐留時間低於反應進行

23/42 S 201216549 兀成所需的反應時間，則將會造成燃料或氧化劑且會殘留不良中間反應產物而污較應區。在發明人的 TVF/CCF燃料電池中之反應區，其_電極組件（碰的反應區為厚，且可糾地提供㈣反應時_駐留時 =因此，财極少之浪__錢化财到達電解液、電解液與由燃料和氧化劑所構成群組中的—種氣體的氣溶膠混合#;，其飽和霧化液滴透過電極12、18的至少一個電極而交叉流動，並在觸媒表面形成—個極薄的塗^。這是一個非常理想的化學程序反應動態。曰 V.S. Bagotsky (編者）在《電化學基礎》，第二版， (Fundamentals of Electrochemistry, 2nd Edition, John Wiley, ISBN 13 978-0-471-70058-6, ©2006, 54.4^^01^ Transports 61) —書之第 4.4 節「對流運輸」（c〇nvectWe transport)中闡釋了對流運輸，並對薄液膜氣溶膠混合物的厚度δ，以速度v流經表面時，提供了一個「擴散比率和最大對流通量」的估計值：^/^;«/)//如，其中對典型電解液而言’其i)y為105平方公分/秒（cm2/sec)，而V為大約5Xl〇-2 公分/秒（cm/sec)。液膜氣溶膠混合物的厚度δ，可大約為 (O.lxD) / (3.6xTf) ’其中D為-粒子、觸媒或支架之標稱直徑（nominal diameter)，T為以公分之小數值計（in fractional cm)之電極厚度，而F為一相對於多孔流體動力學的流量係數，其估計值約為0.5。由於液膜厚度，δ，是粒子直徑的一小部分，或不超過厚度為2 mm之電極的3D，當氣體對液體體積的比值為 4:1或更高時，通過薄膜的擴散將會比透過電極的對流運輸 24/42 201216549 運要南。因此’輸送氣溶膠混合物的裝置應包括 12、白卜個電極而將氣體·電解液在氣 =極流動的體積比控制在至少4:1的裝置。。物的父又 4:1或更高的氣溶膠混合物比值不能獨立於變，，維持。此外，燃料電池⑽必須進統在该氣溶膠混合物進入電極（12,18)中的至小一Vi括時，使該氣溶膠混合物之體積，以及該氣溶膠液之莫耳濃度與由燃料和氧化劑所構成群組中白;物電解氣體至少維持化學計量平衡的裝置。至>、一種 -般而言，化學計量平衡是由—個控制士、持，該控制系統包括測量蒸氣蒸汽壓力、〜叫維燃料體積和氧化劑質量流的裝置。來自於^力、熱產生蒸汽壓，該蒸汽壓可用以建立基本池反應的及壓力，以及均衡之電解液濃度。以液土體儲存於 .量流動的成分。其他變量壓與電流的控制系統予以監測。 α 匕3包池之电 s ㉟織統必須錢控縣化還原反應變量，以便有足，的=應’而使每平方厘米的電極_電解液介面的觸媒表面岔度達到接近1GW。如果電解液_取速度太慢，則燃料電池10的電流輸出將受到限制。如果抽取速度太快，則電極12、18將被凝聚的電解液液滴所浸潤。透過維持最低4:1的氣體對液體的體積比，基於表面張力，實際上確保了氣溶膠混合物的毛細管半月板薄層附著於内部的親水性分政電極表面。

25/42 S 201216549 t 15〇t至、二C的標稱工作溫度（_— operating —蝴確保以上面列舉之燃料態:例如在250。。的略高於甲帆^ 的工作 >皿度’廷些燃料在任何壓力下均從液體成為氣離。這個溫度將提供幾乎完整的陰極和陽極之氧化還原反應。 W英㈣湖性f :分別為24叱，於U54 〜央对（㈣和0.2722克/立方公分，或MW莫耳/立方公分；以及243Ϊ，於926碎/英吁（㈣和〇加克/ 莫耳/立方公分。如-個可能的例子， 4(U的载化㈣解液在2观有—個大氣壓_)，或323顿叶（ps〇，以及= 方公分興1.43χ1().2莫耳/立方公分的f量和 22個大錢（atm)下，水蒸氣和二氧化碳氣體^ ^ 产將：f氧化鉀(Κ0Η)維持在25〇。。的溫度和二度。將排出氣體利用熱交換加以冷卻以保留其部分 H (enthaipy)作為其他用途，將會產生可循環利用，亚經再加熱而將供應氧氣予以濕潤 _)，如上所述，其為-個必需的消耗品。甲醇和乙醇的吉布斯值（Gibbsvalues)，分別為和1325千焦/莫耳。假設一個保守的轉化效率 (c_ers—ffl⑽cy)為60%，可傳送的功率值為· f 927千焦/莫耳。這可能是一個比乙醇所能達到者更高轉，效率’因為可實現乙醇可能需要的較高溫度，以在完全氧化為二氧化碳之前打破共價碳雙鍵。鑑於上述計算的莫耳濃度，-個10安培/平方公分的額定電流密度’分別對應於甲醇和乙醇的19xlG.5和863晰6 26/42 201216549 旲耳/秒-平方公分或7.6 χ 1〇·3和4 χ 10·3公分/秒。後者之數值代表進入陽極18之背面的燃料供給速度。此外，必須添加，夠的氫氧化鉀（KOH)流動，以支持在所有電極深處的氧化逛原反應。這將需要對每一莫耳的甲醇提供至少6莫耳的氫氧化鉀，而對乙醇的12個電子則需12莫耳的氫氧化鉀。額外的數量將需要一個額外的8χ1(Γ3或16xl〇·3厘米 /秒，分別為淨1.6 χΐ〇_2至2 〇χ1〇-2厘米/秒。 “

、在電極的空隙分率（void fraction)為50%時，這些燃料供給的速度在陽極18时是先前估計值的祕。如果分 3曱醇和乙醇而言，通過寫的多孔陽極18的燃料^ 解質混合物的速度是大約每秒3〇〇至4〇〇微米，或每秒U =6密耳（mils)，則氣溶膠混合物完全移動通過一個6 笔米厚的陽極18需要大約2〇或15秒。在亡述的例子中’曱醇燃料氣體的體積可比得上最小 .魏1體積；然而，乙醇的體積卻是在被讀液的織濃度的4倍之多。後者之比值僅在由氧氣作為霧化之氫氧化鉀之載體氣體時始會被超越八可更佳地霧化液體電解液。對甲醇而言，相同或更高的氣溶膠混合物之比可透過利用更高濃度的氮氧化鉀(k〇h)而，成。在虱虱化鉀的濃度為8〇%且25〇。。下大氣壓㈣/英忖，⑽），絲氫氧化_在約為赋的較低溫度時相同: 洛，飞在辰度較咼的氫氧化鉀或較低據’將產生-個控制溫度和勤;= 任何有優«化效果之_解液之_氣體或氧化劑的

27/42 S 201216549 氣溶膠混合㈣體積比。對於使用？賴料，並在每個投影電極面積產生1G安培/平方公分（A/em2)的電流的燃^ 電池ίο，一組合理的操作參數為：溫度為25(rc的6〇%或 2.45莫耳/毫升的氫氧化鉀（K〇H)，及13 6 —的操作蒸汽壓力」(2GG石旁/每平方寸，psi)。當液體速度下降到 3.26x10公分/秒，或一個合適的氣體對液體之霧化 (atomization)比值為3.66時，氣體標稱進氣速度（肋此細 gentry vebdty)成為lh95xl(r3公分/秒。液體霧化的比例為3.66。對於所有透過在⑽幻⑻。〇之溫度範圍下，於深處電極时生之化學反應所產生的燃料或中間產物，水與反應產物仍轉在氣相，以域氣溶膠流動。，除了迅極厚度之外，觸媒粒子大小會成反比地影響辦料電池的性能。如果觸雜子具有—標稱特徵尺寸u〇minai ha^eristicsize) D ’例如觸媒棒或球與以5〇%至6〇%的物質密度（materiddensity)(這是—個最佳的催化活性範圍）封裝或燒結的觸媒粒子的封裝直徑，則每單位投影雪，面積的活縣_倍數是咖，其中τ為電極厚度，f 疋-個數字因子（mumerie faetG〇，其制體粒子而言，大、’勺為2 (燒結）至3 (封震），或遠大於RANEY®粒子。大約3奈米的細粒具有1〇〇平方公尺/公克扣2々醒) =表面積。最先進的電極使用小於〇 5 mg/cm2祕露大約某表面積的一半的碳载體鉬（carbon-supported 因此，闕媒的表面因子&餘f論r)低 =250 J，但如則所述’在白的表面所散布的體積密度非常的低’因此，並不適用以上的說明。 28/42 201216549 並含有電極之厚度為1公分（】_〇微米），因子。如果將财幼為25_之倍數的表面提高。此外，使料錄子，縣_子將會顯著進入多孔結構（_SsiRietoe)時=由是，當聚合的關聯。當霧化且以氣體佔具有密切 ^所構成群組中之-的混合物燃料和的表面’且液膜厚度隨著表面積的增二:: =.用於f g|與氧的鎳、銀歧金的二氧子，之觸媒粒子，其可分地獲得ig奈米^ 糾倍於10微米之粒子的表面積。這些更^ 二持奈米電解液膜的厚度。即使這些替_媒的斗寸疋催化表面活性具體催化不過是翻的一小部分，' 的分子與離子加速傳送速率，以及擴大的觸某表面可使電流和功率密度大幅增加。 —-個開放的毛孔結構的導電流集流器具有5%的物質密度’但不超過20%，且200奈米到25〇微来的毛孔尺寸可以提供結構支持並作為支架（scaff〇ld)，其中極小的觸媒粒子可被隔離並置於適當位置。市售的玻璃碳泡沫 (vitreous carbon foam)，化學鍍（dectr〇les邛如⑷鎳或銀或注射成型（injection molded)和燒結（sintered)的顆粒混合物可輕易地被製造。尤感興趣者，為張氏等人於《三維雙連續超快充電-放電電池電極》（ bicontinuous ultrafast-charge and-discharge battery electrodes'

Nature Nanotechnology, Letters and Supplement, 20 March s 29/42 201216549 2011) —文中所描述的電極和電流集電支架結構。這些結構在Braun等人於2010年3月18曰所申請之名為《可充電電池之多孔電極及製造該等電極之方法》（⑽及访ery Electrode For A Rechargeable Battery And Method Of Making 7½五以的办’’）的美國專利申請第2010/0068623號一案中被進一步加以說明。本用發明可使用厚電極，其可利用在陽極的羥基氧化鎳（NiO(OH))奈米薄片上進行碳氫氧化 (hydrocarbon oxidation )之結構，並在陰極的電鍍 (electrodeposited)之二氧化錳具有供氧還原反應（〇RR)的類似結構。黾流集流益之支持結構（SUpp〇rt structure )或支架的表面並非主要的觸媒表面。主要的觸媒表面可透過在陽極以上述之任何類型或奈米級（nano_scale)的鎳粒子（如R⑽巧@ 錄）’在陰極則以鍍銀、金的二氧化猛粒子而提供，此等粒子均可燒結於支架結構的開放毛孔。 v 由於TEDRFC 10是利用泰勒渴璇流（TVF)，而非質子父換膜（PEM) %避免燃料或氧化劑通過電解液間隙μ 的越區現象12 ' 18的燃料與電解液的交叉流動祭發生。交又流動克服了先前技術在電極厚度上不付朗微如上的關，此厚度龜，膜。本發重要特徵在於，厚電極直接反應燃ς 電池10的f極12、18,在電驗蚊流鄉，ι_，焉或麵微料甚至電極，成本卻更低。兒從、、且仵CMEA) 201216549 此外，厚電極12、18可與相當多的觸媒封裒，以將氧化還原反應加速至膜電極組件的兩百倍或甚至兩百倍以上。這些因素促進了更高比例的燃料與氧化劑的轉換〔因為可以暴露較多的反應部位（reacti〇n site)以及反應時間較長，使得燃料或氧化劑的使用更完全，不良中間^^ 物減少’並降低了燃料或氧化劑成本。因此，厚電極直接反1燃料電池10的電極表面14、2〇的電流密度可以低度的IR損耗達到每平方公分5、1G或2G安培，具有與其他電能來源相匹敵之商業競爭力。〜、居u極可以奈米碳管（carb〇n nanotUbe，簡稱，，cnt”）或又包層（EDL )的材料建構，例如多壁奈米碳管 (mulu-walled carbon iianotube，簡稱”MWCNT”）與觸媒粒合，並以電路與物理方式與電極12、18接觸。、這些多土示米碳官具有非常高的電場充電和放電率，可用於構建稱起級電谷器」（supercapacitors)之獨立電能儲存元件。在厚電極直接反應燃料電池中，透過電解液的交叉流動，^DL材料帶有電荷，故可以提供額外的突波電流，以 x足大然增加的負載。碳富勒烯（Carb〇n也iierenes )可與電 2液机動，因為其會透過各自的電極吸附並攜帶多餘的自、離子，以增加EDL的效果。含碳離子在進入TVF 54時 ^ 並可發生與通過任一電極相同的功能。這在質子 =換膜（PEM)燃料電池是不可能的，因為此等電池無法 |5午燃料或氧化劑的交叉流動。长，TVF 54也免除了任何電解液儲存之質子交換膜的需上並避免了燃料或氧化劑的越區現象。TVF 54除去了質子又換犋（例如：Nafion®聚合物薄膜）之大約為190 °c的 31/42 201216549 最高工作溫度限制。較高的溫度促使低成本的鎳基觸媒 (mckel-based catalysts)被用以取代在f子交換膜燃料電池所需的昂貴之鉑族金屬。由200至400。(：的工作溫度可促使濃縮甲醇或類似之高月匕1岔度燃料在使用低成本觸媒（例如：銀、鎳、猛、敍和鐵）時，有高達m的化學能職成電能，因而免除了昂貴義族金屬觸媒的需求。此外，至少朦⑽溫度消除了 0.4-0.5伏特的過電壓（overv〇itage) 的能量），不論有無觸’此通常是在較低的f子交細之溫度下的氧還原反應（ORR)中所損耗。此外，藉由在醇氧化反應區（alcohol oxidation reaction zone )產生甲搭或甲酸，能量不致損失。匕里由於TEDRFC10沒有任何的質子交換臈（pEM)，因此無需為了避免損壞質子交換膜而加燃料加以稀釋。此外，可使用不會腐蝕金屬電極的鹼性電解液，且簡化了去除水的程序。不會因為產生質子交換朗機械性故障的風險，也不會因磨損而產生任何質子交換膜的漏損 (leakage) ° 厚電極直接反應燃料電池亦以較傳統燃料電池（例如甲醇直接反應燃料電池）為高的能量轉換效率運轉。由 Skown^ski等人，在《以鎳泡沫基之氫氧化鎳/羥基氧化鎳電極作為鹼性溶液之甲醇氧化之觸媒系統》

Electrochemical Systems，Vol.9, pp· 345-351 ) —文中，說明了傳統曱醇直接反應燃料電池的峰值電流是如何受到會阻礙 32/42 201216549 甲醇氧化的進一步反應的形成於羥基氧化鎳（Ni〇〇H)顆粒之細孔中的低聚合物膜（〇lig〇merfllm)的過量厚層的結構的限制（第349頁，第I、π段，31-33行），而此等情形不會發生在厚電極直接反應燃料電池。低聚合物膜在傳統的甲醇燃料電池形成於整個電極的理由，在於在傳統的燃料電池中促進離子遷移的主要力量是擴散梯度（由電極内的電荷力所引起）、分散梯度（由 • 溶質在溶劑中的混合所引起）、遷移梯度（由電極間的電荷力所引起）和濃度梯度（造成溶質在溶劑中的不均勻莫耳數）。14些都是相對較小的力量，無法避免中間反應產物如甲醇氧化的惰性產物（passive product(s))之阻擒含有經基氧化鎳（NiOOH)之觸媒成分的電極表面（Id.，第 351頁’第I、π段’ 15-46行）之附著於電極。在厚電極直接反應燃料電池（TEDRFC)，相當強力的通過陽極Μ 的電解液甲醇交又流動的對流力（e_eetiQnfbrces)將掃 $甲醇氧化反應的中間產物，例如甲酸（f〇rmicadd)和甲醛（formaldehyde)，並避免低聚合物膜的形成。厚電極直接反應燃料電池1〇經運轉產生傳，陽極終端電器44,經由外部電路負載46到達陰極終端^ 器48，係經由包含下列步驟的方法：包 '透，電解液輸入管26將電解液輸送至電解液室 24成為流動Ag ; ^11,將氧化劑與電解液之混合物輸送至入氧化劑輪入:^ ’並透過喷霧器喷嘴3 4在氧化劑歧管3 0形成薄霧: 接著父又流動A〇經由陰極12進入電解液室24 ;

33/42 S 201216549 / 燃料與電解液之混合物輸送至燃料輸入管36，㈣霧器噴嘴42在燃料歧管38形成薄霧，接著交又 ^動af經由陽極18進入電解液室24;

W.供應電力予電動馬達驅動裝置52,以使-圓枉 ^以Ω跑之速率相對於另一圓柱18、12旋轉，且該 t率足以在該電解液室24之流動ae内產生TVF 54及CCF —使仔陽離子和_子在電極表面14，2Q反應以形成水条乳，該水蒸氣與其他反應產物（例如：二氧化碳） =之燃料和未反應之氧化舰電解液的泰勒贿流^所循票，且 ν'從電解液室％排出含有水與其他反應產物（例 •-乳化碳）、未反舰料與未反應氧化_電解液。炻is同毛月人之747號專利的直接反應燃料電池10，陽電子(°，該電子從陽極18經過-集電環: ==連接至:卜部電力負載46之-終端的絕緣端電哭48^、外^力負載46的另—終端連接終而48( + )，此終端固定於連接至陰極12的金屬框架麵極12 ’電子⑹參與了氧化劑的還原反應。 :般而言，電極表面14和2〇是共同延 I ensive)。在電駿室24响目㈣喊面Μ，2〇之开藉由Γ予其中—個或兩個表面略微圓柱-圓錐 ’开邊(未顯不)而有所改變’其目的是在容納於内的軸向流動之流體中設定均勻的壓力。、二 =何情況下，根據本發明，在本實施例中，無再朗’其均細_電輕室24的兩個表面Η與20之内。如上所述，外表心係可 34/42 201216549 =面20則保持固定，或者只要旋轉速㈣观，兩個表面 20都是可旋轉的。旋侧柱_轉在液體進入腔室卩在電解液流動Ae中賦予充滿能量，但非紊流的 TVF54與圓形庫頁特流％。在電解液和燃料或氧化_電極12、18内的觸媒表面的 j目化学反應是兼具隨溫度而變和放熱的特性。燃料 =化劍最初可藉由平衡系統⑽p)或内部加熱器而加熱。 =平_ _電解㈣再鄕通過提酸 (PH)值調整、沉澱物禍嗆鲛釦 —驗磁蝴ΪΓ⑽—胸f之回收由陽極例中’燃料電池⑽包含在多孔陰極⑼盘 ^裝置進-步包含以横向於在雜二解液UE)的方向，輪逆恭m丄以18)之間輸运之電極⑴，5之一的裝置(〜，A〇)通過電在一實施例中，燃料電池（1〇) —解液（AE)的方ό ^^向於在電極（12, 18)之間輸送之電極⑴，⑷之的之交又流動㈤為）通過電交流動通過電極之一詩’ 4’36,42) ’其中輸送電解液料與氧化射所構成之群/置包含輪送氣溶膠®合物與由燃和陽二==4電池(1〇)包含在其多孔陰極(丨2) 該等裝置進-^==電解液（Αε)的裝置（w)，七向於在電極⑴，⑻之間輪送之電

35/42 S 201216549 解液（ae)的方向，輸送電解液之交叉流動（Af, w 極（12，18)中的至少一電極的裝置（32,34,3M2)，复$ 送電解液之交又流動通過電極之-的裝置，包含輸；^ 液，與氧化劑交又流動(Af,a。)所構成群組乳浴膠混合物通過電極⑴，18)中之-電極的裝置（32 % 36, 42)，且/或該等裝置進—步包含:(i)在流經電極（12 ’⑻ 中的至少-電_被輸送之氣溶膠混合物交又’ 持氣體-電解液體積比為至少4:1的裝置；及/或⑼在= =合物進入電極（12，.18).中的至少—電極時使該氣溶膠混合物之體積，以及氣溶膠混合物電解 = 和氧化劑所構成群組t的至少-種氣體;= 予。十里平衡的t置；及/或(Ui)在氣溶觀合（ ⑻中的至少-電極時，使該氣溶膠混合;，=，氣溶膠混合物電解液之莫耳嚿以及群組中㈣—咖量:衡係藉由控制系統而予以維持，該控糸就3 •洛虱洛〉'壓力、電解液蒸汽壓和氧化劑質量流量之計量裝置；及/或(v)多孔電極積者含有觸媒粒子;及/或⑽該觸媒粒子係盘夺未奴m ’及/或(vii) f極⑴，18)之—在電解液交又流動（AF，A〇)的方向的厚度至少為25〇微米，· 極〇2, 18)之—在電解液交叉流動（Af，A〇)的三方向的严度不超過華〇微求；及/或⑻在陰極⑼和陽極（= 電極之間輸运電解液喊置，其包含在電極⑴ 解液間隙（24)中產生TVF⑼的裝置（i(m 及/或⑻包含在電極（12，]8)之間的電解液間隙’(⑷中 36/42 C!

I 201216549 產生CCF (56)的裝置（極（12, 18)中之至少〜+ ，，52)，及/或(xi)包含於電物’該電極在電解液交^_驗子和奈米碳管的混合米；及/或㈣透過電極（1^的方向之厚度至少為250微與一由燃料及氧化劑交又、士2’ 18)中之一電極輸送電解液氣溶膠混合物的褒置^32"IL動（Af，A〇)所構成群組之一的之間的電解液間隙（24、占34’36,42)，在電極（12, 18) 52)，以及包含於至少電極產生TVF⑸）的裝置（12, 18, • 子和奈米碳管的混合物，:^12, 18)中之一電極的觸媒粒 . 之厚度至少為250微米電極在電解液交又流動的方向至少一電極產生電聲動、，⑽）在電極（12，18)中的在—實施例中產^ (58)° (44)經由外部電路負載^包力的方法係透過陽極終端電器含下列步驟：m、t 恭至陰極終端電器(招），該方法包 •解液室（24)成為&Ί液輪入管（26)輸送電解液進入電物進入氧化劑輸^(32)E，並祕液混合劑歧管（30)形成薄霧，接；1嘴（34)於氧化 , 谁入恭妒一者父又仙·動（A〇)經由陰極（12) 幹入4 ’㈣輸送燃料和電解液混合物進入燃料，並透過噴霧器噴嘴⑹於燃料歧管⑽形成 =务哺錢叉流動（Af)經由陽極⑽注人電解液室（24): (iv)供應電力予電動馬達驅動裝 ⑴以-足以在電解液室（24)之流動Ae紐及CCF (56)之速率ΩβΩ】，相對於另一圓柱（18, 12)旋轉三使得陽離子和陰離子在電極表面（14,2〇)反應以形成水瘵氣，該水蒸氣與其他反應產物、未反應之燃料和未反應之氧化劑在電解液室（24)被TVF (54)所捕集；以及

37/42 S 201216549 (V)攸包解液室（24)排出含有水與其他反應產*、未反應燃料與未反應氧化咖電解液。址本發明中的厚電極直接反應燃料電池和觸媒電極所提八勺電化予犯1轉換系統，遠遠超越了長期以來先前技術的燃料電池電_ !安培/平方公分的性能障礙。雖然本發明所揭露者係關於彻泰誠旋流（TW )與圓形庫頁特流 (CF)的厚私極直接反應燃料電池之實施例的描述和說明，應理解者為，本說明書_露之内容並不以所描述之實施例與_為限。因此，應以參照以下中請專利範圍為主，而確定本發明的範圍。【圖式簡單說明】弟1A圖為本發明中之厚電極直接反應燃料電池的部分剖視圖。該厚電極直接反應燃料電池可從高氫含量燃料，例如100%之甲醇中產生電能’而無需藉助稀釋燃料或

燃料重組1將A氣及氧氣轉縣電能和水，並處理含物來萃取氫氣（¾) 〇 X 第1B圖為顯示第1A圖之電池的陰極電極部分之放大圖。第2圖為顯示-個燃料電池的陰極之延伸進入由奉勒涡旋流（tw)產生的_庫頁特流（CCF)的突起透視圖。【主要元件符號說明】 10 厚電極直接反應燃料電 12 固定之多孔圓柱狀陰極 14 内表面 16 金屬框架池(TEDRFC) 電極 38/42 18201216549 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 54 56 58 60 62 64 多孔圓柱狀陽極電極外表面旋轉軸電解液室電解液輸入管電解液排出管氧化劑歧管氧化劑輸入管噴霧器喷嘴燃料輸入管燃料歧管旋轉器噴霧器喷嘴終端電器外部電路負載泰勒渦旋流（TVF) 圓形庫頁特流（CCF) 集電環與集電刷組合件旋轉軸圓柱狀突起粒子和氣泡 s 39/42

Claims

201216549 七 1. 2. 3. 4. 申s青專利範園：一種燃料電池M 極（⑷電核之門=包含在其多孔陰極⑴）與陽其係進-步^輪达_液（Ae )的裳置（24, 26, 28 )，以橫向於在畲紅方向，而輸适電解之間所輪送之電解液（Ae)的 ⑻的至少 Μ之父又流動（~Α。）通過電極J 如申請個ΐ極的裝置（32,34,36,42)。動輪送之電丄項线料電池(1〇)，其中該交又流化劑所構成的君H :氣溶膠混合物與來自於由燃料和氧中的至少—個+、且的—種氣體’其係通過電極（12, 18) 如申請專利範 =又又-動（Af，A0)。液交又流動的電池⑽，其中輸送電解 18)中的至,丨(32’34，外42)包含：在流經電極（12, 中，唯μΓ個電極的被輪送之氣溶膠混合物交叉流動的=持该氣溶膠混合物之氣體_電解液體積比為至少4:1 送氣第Ϊ至3項之燦料電池（10)，其中該輪 (12 物的裝置包含·在該氣溶膠混合物進入電極積叫目電極時，使該氣溶膠混合物之谱 L二卿混合物電解液之莫耳濃度與由燃料和辈衡^L成群乡且中的至少—種氣體至少維持化學計量^ ==圍第4項之燃料電池(1。)，其中該化學1 氣蒸汽麗广^系、=!以維持，該控制系統包含:? 量之計量事置’解液m壓力、燃料體積和氧化劑質量 40/42 5. 201216549 6.如申請專利範圍第1至5項中任一項之燃料電池（1〇)，其中多孔電極（12, 18)中之至少一個電極含有觸媒粒子。 7·如申請專利範圍第6項之燃料電池（1〇)，其中該觸媒粒子係與奈米碳管混合。 8. 如申睛專利範圍第1至7項中任一項之燃料電池（1〇)，其中電極（12, 18)中之一者在電解液交又流動（Af，a〇) 方向的厚度至少為250微米。 9. 如申請專利範圍第丨至8項中任一項之燃料電池（1〇)，其中電極（12，18)中之一者在電解液交叉流動（Af，a〇) 方向的厚度不超過10,000微米。 ’ 0 10·如申5月專利範圍第1至9項中任-項之燃料電池（10)， /、中在陰極（12)與陽極（18)電極之間輸送電解液的裝置包括在電極（12, 18)之間的電解液間隙（Μ)中產生泰勒渦旋流（54)的裝置（12，〗8 52)。 1 ^請專利範圍第！至1()項中任L項之燃料電池，置勺與陽極（18)電極之間輸送電解液的裂已电極（12,⑻之間的電解液間隙（24)中產生圓形庫頁特流（56)的裝置（12, 18,⑵。 12.如申請專利範圍第〗 ’ 並^隹_項之燃料電池⑽）， ^進-步包含在電極（12, 18 電聲動能的電聲換能器（58)。 7個，电極產生輸電力之方法’其係透過陽法包含下列步^而傳廷至陰極終端電綱，該方 . 經由電解液輸入管（26 )於、主+* 成為流動U山）輸轉解液孰電解液室⑼ 13 201216549 i i.輸送氧化劑及電解液氣溶膠混合物進入該氧化劑輸入管（32)，並透過喷霧器喷嘴（34)於該氧化劑歧管 (30)形成薄霧，然後交叉流動（A〇)經由陰極（12) 注入該電解液室（24); iii. 輸送燃料和電解液氣溶膠混合物進入該燃料輸入管 36，並透過喷霧器噴嘴（42)於該燃料歧管（38)形成薄霧，然後交叉流動（AF)經由陽極（18)注入該電解液室（24): iv. 供應電力予電動馬達驅動裝置（52)，以使一圓柱（12, 18)以足以在該電解液室（24)之流動AE内產生泰勒渦旋流（54)及圓形庫頁特流（56)之速率對於另一圓柱（18, 12)旋轉，使得陽離子和陰離子在電極表面（14, 20)反應以形成水蒸氣，該水蒸氣與其他反應產物、未反應之燃料和未反應之氧化劑在電解液室（24)被泰勒渦旋流（54)所捕集。 ν. 從該電解液室（24)排出含有水與其他反應產物、未反應燃料與未反應氧化劑的電解液。 14.如申請專利範圍第13項之方法，其係包含在電極（12, 18) 中的至少一個電極產生電聲動能。 42/42