TW201403936A - 多倍力燃料電池 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種多倍力燃料電池，其包括陽極組、陰極組、質子交換膜、催化層、氫氣輸送裝置、儲氫合金層及氫氣汲取裝置。催化層緊靠在陽極組之第一電極板與質子交換膜之間，而與第一電極板電性導通。氫氣輸送裝置輸送氫氣穿越催化層，經催化層解離為電子與氫質子。儲氫合金層緊靠在質子交換膜與陰極組之第二電極板之間，而與第二電極板電性導通。當氫質子穿越質子交換膜時，則與電子及儲氫合金層結合反應為氫化合金。氫氣汲取裝置將氫化合金所儲存的氫氣汲取至儲槽內，俾能供後續循環再利用，以達到降低製造成本與節省氫燃料等功效。

Description

多倍力燃料電池
本發明係有關於一種多倍力燃料電池，尤指一種可以降低製造成本與節省氫燃料耗費的氫燃料電池技術。
按，習知氫燃料電池是一種直接將氫化學能轉換為電能的裝置，其代表性專利如本國發明第I357683號『端板內建加溼裝置的燃料電池』，以及發明第I365567號『具有透明進氣管路的燃料電池堆及其雙極板結構』所示。習知氫燃料電池的基本架構如圖9所示，係包括一陽極組110、一陰極組120、一介置在陽極組110與陰極組120之間的質子交換膜141、一氫氣輸送裝置142、一氧氣輸送裝置143，及一144出水管道，質子交換膜141朝向陽極組110與陰極組120的二面分別覆設有一層的催化層140(即鉑或鈀觸媒層)。
再請參看圖10所示為習知氫燃料電池的具體架構，每一單體氫燃料電池之陽極組110包括一第一電極板111、一緊靠在第一電極板111與其一催化層140之間的第一場流板112、一入氣管道145，及一緊靠在第一電極板111外側面的第一壓板180，該第一壓板180貫穿設有一入氣口182，該入氣口182一端與氫氣輸送裝置142連通，其另端則與入氣管道145連通，該入氣管道145貫穿第一電極板11而與第一場流板112之擴散氣道112a連通。此外，陰極組120則包括一第二電極板121、一緊靠在第二電極板121與 其二催化層140之間的第二場流板122、一入氣管道146，及一緊靠在第二電極板121外側面的第二壓板181，該入氣管道146貫穿第二電極板21而與第二場流板122之擴散氣道122a連通，該第二壓板81貫穿設有一入氣口183，該入氣口183一端與氧氣輸送裝置143連通，其另端則與入氣管道146連通，再藉由複數螺栓184的穿鎖，以封裝固定堆疊為氫燃料電池組。當氫氣由陽極組110進入時，氫氣則被催化層140解離為氫質子與電子，電子由外部負載回路90進入陰極組120，即陽極H2-->2H++2e-，如圖9所示；另一方面，氫質子穿越質子交換膜141後與自外部負載回路90取得之電子以及來自陰極組120的氧結合反應為水與熱(即陰極2H++2e-+1/2O2-->H2O)，並由出水管道144將水排出。
雖然習知氫燃料電池不會對環境造成污染，並可取代燃油引擎以及電動車的電池，惟，其必須覆設二層鉑材或鈀材作為催化層。由於鉑為貴金屬白金，鈀材則又較鉑材更為稀貴，所以鉑材或鈀材作為催化劑是限制氫燃料電池商業應用最的大原因。依據目前所知，氫燃料電池的生產成本約在500~1000美元/千瓦左右。依據專業的分析評估，當氫燃料電池的生產成本降至100美元/千瓦以下時，氫燃料電池方能真正普及問市。
除此之外，習知氫燃料電池另一問題是，為確保氫燃料電池可以正常對負載放電，故而必須以氧及電子將氫質子結合反應為水與熱，如此一來，氫質子就無法回收循環再利用，以致平白無故地浪費氫能源，因而大幅縮短氫燃料電池的供電運轉時間，從 而增加商業應用上的限制與困難性。再者，儲氫合金低溫或高壓的環境下可以有效吸覆儲存氫氣為氫化合金；反之，氫化合金在高溫或低壓的環境下即可釋出所吸覆的氫氣。由於儲氫合金具有儲氫量大、容易活化、溫度與壓力適當、吸放速率快、壽命長以及成本低廉等優勢，因此已被應用在各式的產業當中，例如用於工業、醫療等行業需要低溫環境的場合的製冷設備、作為氫燃料電池之氫氣儲存的載體以及鎳氫二次電池負極的製備用途上。其中，鎳氫二次電池與鎳鎘二次電池最大的差異在於，鎳氫二次電池是以儲氫合金來取代負極原本來使用之鎘材。儲氫合金在氫氧化鉀電解液中充電時，合金表面進行電化學反應。脫離水分子的微小氫原子在合金表面移動，進而擴散溶解於合金內，並與合金反應生成金屬氫化物，同時釋出反應熱。雖然鎳氫二次電池可將電容量提升為鎳鎘二次電池的三倍左右，惟，鎳氫二次電池結合儲氫合金僅為改善負極的反應效能而已，且其並無氫能回收循環再利用的機能設置，因此，當電量耗盡時被丟棄時，仍然會對環境造成污染。又，直到目前為止，尚未有一套結合儲氫合金之氫燃料電池的技術、論文或是專利被提出，有鑑於此，本發明人等經努力研發之下，終於研發出一套可以解決習知氫燃料電池之缺失的本發明。
本發明主要目的在於提供一種多倍力燃料電池，除了僅需覆設一層鉑或鈀觸媒層以大幅降低材料成本之外，並可將氫質子轉 換為可供回收循環再利用的氫氣，故可大幅減少氫能源的耗費，因而可以提升氫燃料電池的供電運轉時間，進而大幅提升氫燃料電池的商業應用實施的可行性，藉以取代現行的燃油引擎，並解決電動車輛充電不便的問題。達上述功效之技術手段，係包括陽極組、陰極組、質子交換膜、催化層、氫氣輸送裝置、儲氫合金層及氫氣汲取裝置。催化層緊靠在陽極組之第一電極板與質子交換膜之間，而與第一電極板電性導通。氫氣輸送裝置輸送氫氣穿越催化層，經催化層解離為電子與氫質子。儲氫合金層緊靠在質子交換膜與陰極組之第二電極板之間，而與第二電極板電性導通。當氫質子穿越質子交換膜時，則與電子及儲氫合金層結合反應為氫化合金。氫氣汲取裝置將氫化合金所儲存的氫氣汲取至儲槽內，以供後續再利用，俾能達到降低製造成本與節省氫燃料耗費等功效。
壹.本發明的技術概念
本發明與習知氫燃料電池不同之處在於，由於本發明經解離之氫質子不需與電子及氧結合反應為水與熱，所以不需氧氣輸送裝置(如氧氣輸送管及泵浦)以及第二層的催化層建置。本發明技術概念在於，係使穿越質子交換膜的氫質子與外部負載回路所取得之電子以及儲氫合金層結合反應為氫化合金，並可透過氫氣汲取裝置對氫化合金中儲存的氫氣予以汲取，以達到氫氣儲存回收循環再利用的功效，因此，本發明於陰極組或質子交換膜僅需覆設一 層的催化層即可，不僅可以節省約一半催化層的材料成本，而且回收之氫氣可以供後續循環再利用，如此即可達到降低製造成本與節省氫燃料耗費等功效。
貳.本發明基本實施
請參看圖1~4所示，本發明的基本實施例係包括陽極組10、陰極組20、催化層30及質子交換膜40、氫氣輸送裝置50、儲氫合金層60及氫氣汲取裝置70等技術特徵。陽極組10包含一第一電極板11。陰極組20包含一第二電極板21。質子交換膜40介置於第一電極板11與第二電極板21之間。催化層30介置在第一電極板11與質子交換膜40之間，並與第一電極板11形成電性導通，並貼靠於質子交換膜40朝向第一電極板11的第一面41上。氫氣輸送裝置50用以輸送氫氣至催化層30，由催化層30將氫氣解離為電子與氫質子，電子由第一電極板11送出，氫質子經過質子交換膜40而朝第二電極板21移動。其中，本發明與習知氫燃料電池的差異在於，該質子交換膜40與第二電極板21之間介置一儲氫合金層60，並與第二電極板21形成電性導通，且貼靠於質子交換膜40朝向第二電極板21的第二面42。當氫質子穿越質子交換膜40之後，再與來自第二電極板21的電子及儲氫合金層60結合反應為氫化合金，再以一氫氣汲取裝置70自氫化合金汲取氫氣以供循環利用，如此即可達到降低製造成本與節省氫燃料等諸多功效。
參.本發明具體實施例
請參看圖4~8所示為本發明較具體的實施例，係包括陽極組10、陰極組20、催化層30(即包含鉑或鈀材的薄膜層)及質子交換膜40、氫氣輸送裝置50、儲氫合金層60及氫氣汲取裝置70等之技術特徵。其中，催化層30及儲氫合金層60的設置位置可以覆設在質子交換膜40的二面41、42上，亦即催化層30係覆設於質子交換膜40的第一面41上，儲氫合金層60則是以塗佈技術將儲氫合金粉末塗佈覆固於質子交換膜40的第二面42上；或是，將催化層30覆設於第一電極板11朝向質子交換膜40的一面上，儲氫合金層60則是以塗佈技術將儲氫合金粉末塗佈覆固於第二電極板21朝向質子交換膜40的一面上。至於上述之塗佈技術為習知的粉化儲氫合金塗佈法；或是粉化儲氫合金噴塗法。此外，為提升儲氫效能，儲氫合金層的厚度係為催化層的複數倍以上。又，儲氫合金層60的具體實施可以是鎂系儲氫合金、稀土系儲氫合金、鈦系儲氫合金或是鐵系儲氫合金等材料。
請參看圖4所示，為本發明單體氫燃料電池的分解示意圖。圖5、7所示則為本發明單體氫燃料電池的組合示意圖。再者，圖6所示是將三組單體氫燃料電池堆疊組合為氫燃料電池組的示意圖，藉以提高陽極組10與陰極組20之間的電位，以達到產業利用的門檻。請參看圖4、7、8所示，每一單體氫燃料電池之陽極組10包括一第一電極板11，及一緊靠在第一電極板11與催化層30之間的第一場流板13，該入氣管道12貫穿第一電極板11而與第一場流板13之擴散氣道130連通。再請參看圖2、4所示，該氫氣 輸送裝置50包含至少一與儲槽71連通的進氣管路51，及一接設在進氣管路51的泵浦52，該進氣管路51與入氣管道12連通，該泵浦52用以輸送進氣管路51的氫氣經入氣管道12及擴散氣道130而穿越催化層30，且催化層30密佈有供氫氣穿越的孔隙(本圖式例未示)。另外，如圖4、7、8所示，陰極組20則包括一第二電極板21，及一緊靠在第二電極板21與儲氫合金層60之間的第二場流板23，出氣管道22貫穿第二電極板21而與第二場流板23之擴散氣道230連通。再請參看圖2所示，該氫氣汲取裝置70包括一抽氣管路74、一接設在抽氣管路74的真空泵浦72，及一用以控制真空泵浦72啟、閉時機的控制模組73，該抽氣管路73一端與出氣管道22連通，其另一端則與儲槽71連通。該控制模組73的具體實施例可以是一種可程式化的控制器；或是一般的計時開關等實施形態，並可依據儲氫合金層60的儲氫量而決定真空泵浦72的啟動時機。
請參看圖4~8所示，為達到商品封裝之目的，本發明更包括一緊靠在陽極組10外側面的第一壓板80，及一緊靠在陰極組20外側面的第二壓板81，該第一壓板80貫穿設有一入氣口82，該入氣口82一端與氫氣輸送裝置50連通，其另端則與入氣管道12連通，該第二壓板81貫穿設有一出氣口83，該出氣口83一端與氫氣汲取裝置70連通，其另端則與出氣管道22連通，再藉由複數螺栓84的穿鎖，藉以封裝並固定堆疊為氫燃料電池組。
再者，如圖7、8所示，為使堆疊之氫燃料電池組之入氣管道 12與出氣管道22可以貫穿各單體氫燃料電池而達到輸送氫氣至各單體氫燃料電池，及汲取各單體氫燃料電池之氫氣等目的，本發明入氣管道12可以是穿孔或管道的實施形態，該等穿孔或管道可以貫穿每一單體氫燃料電池，使入氣管道12僅與每一單體氫燃料電池之第一場流板13的擴散氣道130相通，使氫氣得以由擴散氣道130均勻注入至催化層30中。至於出氣管道22同樣可以是穿孔或管道的實施形態，該等穿孔或管道可以貫穿每一單體氫燃料電池，且出氣管道22僅與每一單體氫燃料電池之第二場流板23的擴散氣道230相通，如此即可藉由擴散氣道230來汲取氫化合金所儲存的氫氣。又，為提升氫質子的傳導效能，係於進氣管路51接設有一用以產生溼氣水分子的加溼裝置53，如圖3所示，該溼氣水分子可隨著氫氣而被輸送至質子交換膜40中。
肆．本發明的運作實施
請參看圖1~5所示，本發明於具體運作時，首先啟動氫氣輸送裝置50，以輸送氫氣經陽極組10之入氣管道12而穿過催化層30，當氫氣穿過催化層30時，氫氣則被催化層30催化解離為電子與氫質子，即陽極H2-->2H++2e-，電子由外部負載回路90進入陰極組20，至於氫質子則穿越質子交換膜40與外部負載回路90取得的電子以及儲氫合金層60結合反應為氫化合金，即陰極2H++2e-+Mg--->MgH2或是MHX。眾所周知的是，儲氫產熱的狀態下，儲氫合金附近的溫度必須低於攝氏60度以下，換言之，當溫度在攝氏60度以下時，儲氫合金則會吸覆儲存氫氣，並轉化為氫化合 金。其中上述Mg係為鎂系的儲氫合金，當氫化合金所吸覆氫氣即將達到飽和時，控制模組73則啟動氫氣汲取裝置70，由於儲氫合金具有低壓(即負壓狀態)或高溫狀態(約攝氏300度以上)釋放氫氣的特性，因此透過氫氣汲取裝置70的汲取運作所產生的負壓作用將儲存在氫化合金內的氫氣汲取至儲槽71內，如此回收之氫氣即可供後續循環再利用。
伍．結論
本發明僅需覆設一層鉑或鈀觸媒層，故可大幅降低材料成本，並可將氫質子轉換為可供回收循環再利用的氫氣，故可大幅減少氫能源的耗費，因而可以提升氫燃料電池的供電運轉時間，進而大幅提升氫燃料電池的商業應用實施的可行性，藉以取代現行的燃油引擎，並可解決電動車輛充電不便的問題。
以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
10、110‧‧‧陽極組
11、111‧‧‧第一電極板
12、145、146‧‧‧入氣管道
13、112‧‧‧第一場流板
130‧‧‧擴散氣道
20、120‧‧‧陰極組
21、121‧‧‧第二電極板
22‧‧‧出氣管道
23、122‧‧‧第二場流板
230‧‧‧擴散氣道
30、140‧‧‧催化層
40、141‧‧‧質子交換膜
41‧‧‧第一面
42‧‧‧第二面
50、142‧‧‧氫氣輸送裝置
51‧‧‧進氣管路
52‧‧‧泵浦
53‧‧‧加溼裝置
60‧‧‧儲氫合金層
70‧‧‧氫氣汲取裝置
71‧‧‧儲槽
72‧‧‧真空泵浦
73‧‧‧控制模組
74‧‧‧抽氣管路
80、180‧‧‧第一壓板
81、181‧‧‧第二壓板
82、182、183‧‧‧入氣口
83‧‧‧出氣口
84、184‧‧‧螺栓
90‧‧‧外部負載回路
143‧‧‧氧氣輸送裝置
144‧‧‧出水管道
112a‧‧‧第一擴散氣道
122a‧‧‧第二擴散氣道
圖1係本發明基本架構的剖視示意圖。
圖2係本發明基本架構的實施示意圖。
圖3係本發明基本架構的另一實施示意圖。
圖4係本發明具體架構的分解示意圖。
圖5係本發明單體燃料電池的外觀示意圖。
圖6本發明堆疊氫燃料電池組的外觀示意圖。
圖7係本發明具體架構的組合剖視示意圖。
圖8係圖7的局部放大示意圖。
圖9係習知氫燃料電池的基本架構示意圖。
圖10係習知氫燃料電池具體架構的分解示意圖。
10‧‧‧陽極組
12‧‧‧入氣管道
20‧‧‧陰極組
22‧‧‧出氣管道
30‧‧‧催化層
40‧‧‧質子交換膜
41‧‧‧第一面
42‧‧‧第二面
50‧‧‧氫氣輸送裝置
60‧‧‧儲氫合金層
70‧‧‧氫氣汲取裝置
90‧‧‧外部負載回路

Claims (10)

  1. 一種多倍力燃料電池，其包括：一陽極組，其包含一第一電極板；一陰極組，其包含一第二電極板；一質子交換膜，其介置於該第一電極板與該第二電極板之間；一催化層，其介置在該第一電極板與該質子交換膜之間，並與該第一電極板形成電性導通，及貼靠於該質子交換膜朝向該第一電極板的一第一面；及一氫氣輸送裝置，其用以輸送氫氣至該催化層，由該催化層將該氫氣解離為電子與氫質子，該電子由該第一電極板送出，該氫質子經過該質子交換膜而朝該二電極板移動；其中，該質子交換膜與該第二電極板之間介置一儲氫合金層，並與該第二電極板形成電性導通，及貼靠於該質子交換膜朝向該第二電極板的一第二面；該氫質子穿越該質子交換膜之後，再與來自該第二電極板的電子及該儲氫合金層結合反應為氫化合金；且有一氫氣汲取裝置，用以自該氫化合金汲取氫氣以供利用。
  2. 如請求項1所述之多倍力燃料電池，其中，該催化層覆固於該質子交換膜的該第一面，該儲氫合金層係以儲氫合金粉末利用一塗佈技術而覆固在該質子交換膜的該第二面上。
  3. 如請求項1所述之多倍力燃料電池，其中，該催化層覆固於該第一電極板朝向該質子交換膜的一面上，該儲氫合金層係以 儲氫合金粉末利用一塗佈技術而覆固在該第二電極板朝向該質子交換膜的一面上。
  4. 如請求項2或3所述之多倍力燃料電池，其中，該儲氫合金層的厚度為該催化層的複數倍。
  5. 如請求項1所述之多倍力燃料電池，其中，該陽極組包括一入氣管道及一緊靠在該第一電極板與該催化層之間的第一場流板，該入氣管道貫穿該第一電極板而與該第一場流板之擴散氣道連通；該氫氣輸送裝置包含與一儲槽連通的一進氣管路，及一接設在該進氣管路的泵浦，該進氣管路與該入氣管道連通，該泵浦用以將該進氣管路的該氫氣經該入氣管道及該擴散氣道輸送至該催化層，該催化層密佈有複數個供該氫氣穿越的孔隙。
  6. 如請求項5所述之多倍力燃料電池，其中，該進氣管路接設有一用以產生溼氣水分子的加溼裝置，該溼氣水分子可隨著該氫氣而被輸送至該質子交換膜中。
  7. 如請求項1所述之多倍力燃料電池，其中，該陰極組包括一出氣管道及一緊靠在該第二電極板與該儲氫合金層之間的第二場流板，該出氣管道貫穿該第二電極板而與該第二場流板之擴散氣道連通，該氫氣汲取裝置包括一抽氣管路、一接設在該抽氣管路的真空泵浦，及一用以控制該真空泵浦啟、閉時機的控制模組，該抽氣管路一端與該出氣管道連通，其另一端則與該儲槽連通。
  8. 如請求項1、2或3所述之多倍力燃料電池，其中，該儲氫 合金層的材料係選自鎂系儲氫合金、稀土系儲氫合金、鈦系儲氫合金及鐵系儲氫合金的其中一種。
  9. 如請求項1所述之多倍力燃料電池，其中，該催化層係選自鉑材以及鈀材的其中一種。
  10. 如請求項1所述之多倍力燃料電池，其更包括一緊靠在該陽極組外側面的第一壓板，及一緊靠在該陰極組外側面的第二壓板，該第一壓板貫穿設有一入氣口，該入氣口一端與該氫氣輸送裝置連通，其另端則與該入氣管道連通，該第二壓板貫穿設有一出氣口，該出氣口一端與該氫氣汲取裝置連通，其另端則與該出氣管道連通。
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