TW201415704A - 被動式燃料電池之進料反應裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種被動式燃料電池之進料反應裝置，其包含：一基板，其具有相對之第一側及第二側；一燃料儲槽，係設置於基板之第一側；一進料微流道部，係設置於基板之第一側，並與燃料儲槽連接，藉由毛細作用以汲取燃料儲槽中之一燃料；一第一肋板陣列部，係設置於基板之第一側，並與進料微流道部連接；一第二肋板陣列部，係設置於基板之第一側，並與第一肋板陣列部連接，此二者肋板陣列部藉由漸縮漸擴設計原理，幫助燃料均勻且快速地佈滿輸送反應區以利後續反應；以及複數之反應孔，係設置於第二肋板陣列部並貫穿基板。

Description

被動式燃料電池之進料反應裝置
本發明係關於一種被動式燃料電池之進料反應裝置，尤指一種適用於液態燃料電池之進料反應裝置。
隨著科技日新月異，人類對能源需求日益增加，由於在傳統石化能源消耗殆盡之時，亦發現伴隨著許多環境汙染以至於造成地球暖化等氣候問題，因此開發高效率、低污染之替代能源是刻不容緩的趨勢，例如太陽能發電、地熱發電、風力發電等再生能源的開發。其中，燃料電池因發電原理簡單、具有能直接將化學能轉換成電能之特性且能量轉換效率高等優勢，故有潛力發展成一可靠之供電來源。
燃料電池是利用電化學反應將化學能轉變為電能輸出的一種供電裝置，其發電原理係將含有氫之燃料，例如氫氣、甲醇、乙醇、天然氣或汽油等物質輸入至陽極端，當陽極將燃料氧化分解成氫離子與電子後，此氫離子會透過質子交換膜傳送至陰極並與經外電路傳導至陰極之電子還原成水(H2O)。由於燃料電池的反應產物是H2O與少許二氧化碳(CO2)，因此對環境具有高度友善性。
燃料池中，直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC)是近年來積極投入發展於可攜式電源之電池系統，DMFC與質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)不同處在於其係透過甲醇取代氫氣作為燃料，以改善燃料電池使用上的方便性及安全性。然而於DMFC技術發展中，有效地提高甲醇的使用率，增加液態甲醇的進料速度、輸送的分佈均勻度以及高效反應性等將是改善DMFC發電效率的重要關鍵。一般DMFC係藉由微流道設計來引導甲醇燃料進行輸送並於反應區內進行電化學反應。關於燃料電池之微流道設計，目前發展已有直線式(straight)、棋盤式(grid)、平行式(paralleled)、叉合式(interdigitated)以及彎曲式(serpentine)等微流道，然而上述微流道目前仍無法有效地提高燃料的快速分佈的反應能力。此外，現階段燃料電池技術發展中，如何能使反應後之氣體產物順利地排除亦是影響燃料電池反應效能的關鍵之一。因此，目前亟需解決上述核心問題以提高燃料電池整體的發電效率。
本發明之主要目的係在提供一種被動式燃料電池之進料反應裝置，藉由特殊微流道結構設計以提高甲醇進料速度及分佈均勻度，並使其同時與輸送反應區內觸媒接觸進行反應來提升燃料電池的發電效率。
為達成上述目的，本發明係提供一種被動式燃料電池之進料反應裝置，包含：一基板，其具有相對之第一側及第二側；一燃料儲槽，係設置於基板之第一側；一進料微流道部，係設置於基板之第一側，並與燃料儲槽連接，藉 由毛細作用以汲取燃料儲槽中之一燃料；一第一肋板陣列部，係設置於基板之第一側，並與進料微流道部連接，第一肋板陣列部係包含複數之第一肋板，而該些第一肋板係交錯排列以形成陣列結構，其中，該些第一肋板具有一V型之設計，且此V型之開口係朝向進料微流道部；一第二肋板陣列部，係設置於基板之第一側，並與第一肋板陣列部連接，第二肋板陣列部係包括複數之第二肋板，該些第二肋板係交錯排列以形成陣列結構，其中該些第二肋板具有一V型，且該些第二肋板之V型開口係朝向第一肋板陣列部；以及複數之反應孔，係設置於該些第二肋板之V型開口處，並貫穿基板，以連通基板之第一側與第二側。
於本發明中，該些反應孔之內壁附著有複數之奈米碳管以及一催化劑，該些反應孔之內壁較佳可垂直貫穿該基板，且該些奈米碳管之長度較佳係朝基板之該第一側而逐漸縮短，以使該些反應孔朝該基板之該第一側方向而形成漸擴反應孔，藉此提高CO2氣體產物的排除。於上述反應孔中，催化劑係催化燃料氧化反應之催化劑，例如為鉑(Pt)或Pt基合金，另亦可於反應孔中沉積其他有利於提升燃料電池反應效能之試劑，例如燃料催化劑等。反應孔內奈米碳管的長度可藉由金屬催化劑(鐵、鈷或鎳等)之厚度與奈米碳管成長時間等因素來調整而加以控制。於本發明中，反應孔於該基板之該第一側之孔洞大小可視奈米碳管長度來調整，較佳係介於10-50 μm間，更佳係介於20-40 μm間。
於本發明中，第一肋板陣列部之第一肋板具有V型之設計，因此可有效導流燃料，使其同時朝V型開口兩側與其V型尖端方向輸送，以提高燃料輸送效率，此外，第一肋板之交錯排列能產生漸縮漸擴(nozzle-diffuser)效應，此效應能使得燃料能順利且快速地往前輸送。另外，第二肋板陣列部之第二肋板同樣具有V型，主要係用來提高燃料輸送速度，另外其交錯排列，能確保燃料順利均勻且快速地佈滿整個第二肋板陣列部及反應孔內壁。
於本發明中，第一肋板陣列部中之第一肋板只要是具有V型形狀之肋板結構即可，較佳係為三角形、V型肋板、Y型肋板或其排列組合，更佳係V型肋板。另外，第二肋板陣列部中之第二肋板同樣只要是具有V型形狀之肋板即可，較佳係為三角形、V型肋板、Y型肋板或其排列組合，更佳係V型肋板。
為了確保燃料可藉由第一肋板及第二肋板而均勻且快速地輸送，第一肋板及第二肋板結構必需具有特定的開口寬度與邊長投影長度之比例設計。於第一肋板中，其V型開口寬度與其邊長投影長度比例較佳係介於2：1至2：5間，更佳係2：2(即1：1)，使得燃料往V型開口兩側流速比往其V型尖端方向更快，並能均勻且快速地佈滿整個第一肋板陣列部。另外，於第二肋板中，其V型開口寬度與其邊長投影長度比例較佳係介於2：1至2：5，更佳係2：1，藉此設計以利燃料能均勻且快速地輸送外，並在同時間內以相同流速前進佈滿第二肋板陣列部以及反應孔內壁。
於上述第一肋板陣列部中，除了第一肋板之外，更可包含複數之箭型肋板，該些箭型肋板係穿設於該第一肋板陣列部第一排之該些第一肋板中，其中第一排之該些第一肋板係定義為最鄰近於進料微流道之該些第一肋板排列。此外，箭型肋板更可與進料微流道部連接，以使其更容易導引輸入至第一肋板陣列部。
為了提高燃料輸送效率，本發明中之進料微流道部之微流道內壁可塗佈親水性材料或進行表面親水性處理。
就此，由於本發明提供之被動式燃料電池之進料反應裝置係整合於同一基板上，因此無須經過額外的元件接合等製程步驟，故可節省其製作成本與降低製程複雜度。
另外，於本發明進料反應裝置中，儲存於燃料儲槽之燃料可由進料微流道部之密集排列之微流道，透過毛細現象以被動方式來拉引燃料，以將其引導至第一肋板陣列部。另外，利用燃料在此微流道所產生之毛細壓力來抵抗後續反應孔內產生氣體回衝而影響燃料能否順利進料的問題。於第一肋板陣列部中，由於第一肋板具有V型之設計，可有效導流燃料，使其同時朝V型開口兩側與其V型尖端方向輸送。另外，由於第一肋板係相互交錯排列以增加燃料輸送效率，使得燃料能完全佈滿第一肋板陣列部後再引導進入第二肋板陣列部中。而針對較佳之第一肋板之交錯排列方式，假設第一肋板陣列部具有N排複數之第一肋板情況下(N係大於2的整數)，n-1排之各個第一肋板係排列對應於n排之該些第一肋板間空隙，藉此密集排列方式可達到最佳 的燃料輸送效率(n係2至N之整數)。而當燃料由第一肋板陣列部引導至第二肋板陣列部後，其會因為特殊V型結構比例以及其交錯排列的設計，而使燃料均勻且快速地佈滿第二肋板陣列部，同時亦佈滿反應孔內壁以進行電化學反應。最後，透過垂直貫穿基板之反應孔之漸擴設計而得以使反應產生之氣體順利往上方空間流動排除。由此，本發明之進料反應裝置解決了習知燃料流速受限、燃料輸送分佈不均、反應氣體回衝與排除等問題，以期能大幅提高燃料電池的發電效率。
以下係藉由具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。此外，本發明亦可藉由其他不同具體實施例加以施行或應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
實施例1-觀測不同肋板形狀影響流體之輸送
1-1 V型肋板
請參考圖1，圖1係本發明實施例1-1具有V型肋板之輸送反應區示意圖。本實施例係提供6 mm×6 mm之輸送反應區1，其上方佈滿交錯設置之V型肋板11，且V型肋板之V型開口係朝向A方向(流體注入方向)，其開口寬度、邊長投影長度分別為50與25 μm。
請參考圖2，圖2係本發明實施例1-1之流體輸送測試過程圖。將一流體由A方向輸入輸送反應區1中，觀察流體之輸送，由觀察結果可發現流體於輸送反應區1上能均勻且快速地輸送，其流體佈滿輸送反應區1時間為820 ms。
1-2矩形肋板
請參考圖3，圖3係本發明實施例1-2具有矩型肋板之輸送反應區示意圖。本實施例係提供6 mm×6 mm之輸送反應區1，其上方佈滿交錯設置之矩型肋板12，其長、寬分別為30與15 μm。
請參考圖4，圖4係本發明實施例1-2之流體輸送測試過程圖。將一流體由A方向輸入輸送反應區1中，觀察流體之輸送，由觀察結果可發現流體於輸送反應區1無法快速均勻地輸送，且係先流經輸送反應區1之邊緣後再慢慢佈滿整個輸送反應區1表面。在此，流體佈滿輸送反應區1時間為2298 ms。
1-3圓形肋板
請參考圖5，圖5係本發明實施例1-3具有圓型肋板之輸送反應區示意圖。本實施例提供6 mm×6 mm之輸送反應區1，其上方佈滿交錯設置之圓型肋板13，其直徑為25 μm。
請參考圖6，圖6係本發明實施例1-3之流體輸送測試過程圖。將一流體由A方向輸入輸送反應區1中，觀察流體之輸送，由觀察結果可發現流體於輸送反應區1上無法均勻地輸送，其係由輸送反應區1之右上緣往左下緣之方向慢慢佈 滿整個輸送反應區1表面，且流體佈滿輸送反應區1時間為2312 ms。
根據實施例1-1至1-3之結果可了解，由於V型肋板具有兩交叉之斜面，因此容易導引並帶動流體往前輸送。此外，V型肋板的設置可有效達到漸縮漸擴(nozzle-diffuser)效應，以使得流體能夠順利且快速地往前輸送，也因此，實施例1-1之具有V型肋板之輸送反應區1較容易使流體均勻且快速地輸送且完全佈滿輸送反應區1。
實施例2-被動式燃料電池之進料反應板
請參考圖7一併參考圖8，圖7係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置示意圖，圖8係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置之進料微流道部掃描式電子顯微鏡結果圖。本實施例之被動式燃料電池之進料反應裝置具有：一基板2，其具有相對之第一側X及第二側X’；一燃料儲槽21，係設置於基板2之第一側X；一進料微流道部22，係設置於基板2之第一側X，與燃料儲槽21連接，藉由毛細作用以汲取燃料儲槽21中之一燃料；一第一肋板陣列部23，係設置於基板2之第一側X，並與進料微流道部22連接；一第二肋板陣列部24，係設置於基板2之第一側X，並與第一肋板陣列部23連接；以及複數之反應孔25，係設置於第二肋板陣列部24並貫穿基板2。
請參考圖8，一併參考圖9，與第一肋板陣列部23相連之進料微流道部22中，其包含有複數之微流道221，且該些微流道寬度約4.8 μm，為增加被動式汲取燃料之流體張 力，可於微流道內壁塗佈親水性材料或進行表面親水性處理。
請參考圖9以及圖10，圖9係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置局部示意圖；圖10係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置局部掃描式電子顯微鏡結果圖。第一肋板陣列部23具有複數之第一肋板231，且該些第一肋板231係V型肋板，其係彼此交錯排列以形成陣列結構，每一第一肋板231之V型開口係朝向進料微流道部22，藉此以利引導流體朝第二肋板陣列部24輸送。請參考圖11，圖11係本發明實施例2第一肋板示意圖，其中第一肋板231之V型開口寬度E以及第一肋板231之邊長投影長度F比例係1：1，透過此比例之第一肋板交錯排列，使得燃料往V型開口兩側流速比往其V型尖端方向更快，並能均勻且快速地佈滿整個第一肋板陣列部23。
於第一肋板陣列部23中尚具有複數之箭型肋板232，該些箭型肋板232係穿設於該第一肋板陣列部23第一排之該些第一肋板231中，其中第一排之該些第一肋板231係定義為最鄰近於進料微流道部22之該些第一肋板231之排列。
於圖9中，第二肋板陣列部24具有複數之第二肋板241，在此，第二肋板241係V型肋板，且每一個第二肋板241係交錯排列以形成陣列結構。每一個第二肋板241具有一V型，且其V型開口係朝向第一肋板陣列部23。請參考圖12，圖12係本發明實施例2第二肋板示意圖，其中第二肋板241之V型開口寬度G以及第二肋板241之邊長投影長度H比例 係2：1，藉此設計以利燃料能均勻且快速地輸送外，並在同時間內以相同流速前進佈滿第二肋板陣列部24以及反應孔25內壁。
在每一個第二肋板241之V型開口處設置有一反應孔25，且反應孔係貫穿基板2，以連通基板2之第一側X與第二側X’。
請參考圖13及圖14，圖13係本發明實施例2之反應孔斷面示意圖，圖14係本發明實施例2反應孔之掃描式電子顯微鏡結果圖。本實施例反應孔25於基板2之第一側X之孔洞大小約40 μm，其內壁附著有一催化劑251以及複數之奈米碳管252，其中，奈米碳管252的長度可藉由金屬催化劑(鐵、鈷或鎳等)厚度與奈米碳管成長時間等因素來來調整，使奈米碳管252長度由基板2之第一側X朝第二側X’方向而呈現由短漸長的長度梯度分佈，以使反應孔25朝基板2之第一側X方向形成漸擴反應孔。本實施例之反應孔25係貫穿基板2之第一側X及第二側X’，而第二側X’之下方設置有一固態質子交換膜3(Nafion®)，用以傳導燃料(例如甲醇)反應後產生的質子(氫離子或氫質子)並以質子傳遞方向B往陰極端進行傳遞。於此本實施例之反應孔25中，當燃料隨進料方向C流入後，其能於奈米碳管252上之催化劑251進行氧化反應(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-)，而反應所產生的CO2氣體可透過漸擴反應孔朝D方向流動且排除，提高燃料電池反應效能。
請參考圖15，圖15係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置之被動式甲醇進料反應結果圖，即以實施例1中最佳燃料輸送效率之V型肋板進料反應裝置進行測試，並繪製出該裝置之電流密度(current density)與時間關係圖，持續於50 min內進行週期性地進料(燃料供給I，共7次)來觀察甲醇氧化反應效能。由結果顯示此進料反應裝置可順利且持續地進行被動式供料發電的過程。另外，從供應燃料I至反應到達峰電流密度L(peak current density,IP)所需平均上升時間J約為6.3±0.5 s，而從峰電流密度L狀態降至剩下10%峰電流密度時所需要下降時間K大約持續5-7 min，且其峰電流密度L隨供料測試次數增加而降低，整體測試時間內減少約50%，主要原因來自於Pt觸媒表面產生一氧化碳(CO)毒化問題。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
1‧‧‧輸送反應區
11‧‧‧V型肋板
12‧‧‧矩型肋板
13‧‧‧圓型肋板
A‧‧‧流體注入方向
2‧‧‧基板
21‧‧‧燃料儲槽
22‧‧‧進料微流道部
221‧‧‧微流道
23‧‧‧第一肋板矩陣部
231‧‧‧第一肋板
232‧‧‧箭型肋板
24‧‧‧第二肋板矩陣部
241‧‧‧第二肋板
25‧‧‧反應孔
251‧‧‧催化劑
252‧‧‧奈米碳管
3‧‧‧質子交換膜
X‧‧‧第一側
X’‧‧‧第二側
B‧‧‧質子傳遞方向
C‧‧‧(燃料)進料方向
D‧‧‧氣體排除方向
E‧‧‧開口寬度
F‧‧‧邊長投影長度
G‧‧‧開口寬度
H‧‧‧邊長投影長度
I‧‧‧燃料供應
J‧‧‧上升時間
K‧‧‧下降時間
L‧‧‧峰電流密度
圖1係本發明實施例1-1具有V型肋板之輸送反應區示意圖。
圖2係本發明實施例1-1之流體輸送測試過程圖。
圖3係本發明實施例1-2具有矩型肋板之輸送反應區示意圖。
圖4係本發明實施例1-2之流體輸送測試過程圖。
圖5係本發明實施例1-3具有圓型肋板之輸送反應區示意圖。
圖6係本發明實施例1-3之流體輸送測試過程圖。
圖7係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置示意圖。
圖8係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置之進料微流道部掃描式電子顯微鏡結果圖。
圖9係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置局部示意圖。
圖10係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置局部掃描式電子顯微鏡結果圖。
圖11係本發明實施例2第一肋板示意圖。
圖12係本發明實施例2第二肋板示意圖。
圖13係本發明實施例2之反應孔斷面示意圖。
圖14係本發明實施例2反應孔之掃描式電子顯微鏡結果圖。
圖15係本發明實施例2被動式燃料電池之進料反應裝置之被動式甲醇進料反應結果圖。
22‧‧‧進料微流道部
23‧‧‧第一肋板陣列部
231‧‧‧第一肋板
232‧‧‧箭型肋板
24‧‧‧第二肋板陣列部
241‧‧‧第二肋板
25‧‧‧反應孔

Claims (10)

  1. 一種被動式燃料電池之進料反應裝置，包含：一基板，其具有相對之第一側及第二側；一燃料儲槽，係設置於該基板之該第一側；一進料微流道部，係設置於該基板之該第一側，並與該燃料儲槽連接，藉由毛細作用以汲取該燃料儲槽之一燃料；一第一肋板陣列部，係設置於該基板之該第一側，並與該進料微流道部連接，該第一肋板陣列部係包含複數之第一肋板，而該些第一肋板係交錯排列以形成陣列結構，其中，該些第一肋板具有一V型之設計，且該V型之開口係朝向該進料微流道部；一第二肋板陣列部，係設置於該基板之該第一側，並與該第一肋板陣列部連接，該第二肋板陣列部係包括複數之第二肋板，且該些第二肋板係交錯排列以形成陣列結構，其中該些第二肋板具有一V型，且該些第二肋板之V型開口係朝向該第一肋板陣列部；以及複數之反應孔，係設置於該些第二肋板之V型開口處，並貫穿該基板，以連通該基板之該第一側與該第二側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之進料反應裝置，其中該些反應孔之內壁附著有複數之奈米碳管以及一催化劑。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之進料反應裝置，其中該些反應孔之內壁係垂直貫穿該基板，且該些奈米碳管之長度由基板之第一側朝第二側方向而呈現由短漸長的長度梯 度分佈，以使該些反應孔朝該基板之該第一側方向形成漸擴反應孔。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之進料反應裝置，其中該些反應孔於該基板之該第一側之孔洞大小係介於10-50 μm間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之進料反應裝置，其中該些第一肋板及該些第二肋板可各自獨立為三角形、V型肋板、Y型肋板或其排列組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之進料反應裝置，其中該第一肋板陣列部更包括複數之箭型肋板，該些箭型肋板係穿設於該第一肋板陣列部第一排之該些第一肋板中，其中第一排之該些第一肋板係定義為最鄰近於該進料微流道之該些第一肋板之排列。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之進料反應裝置，其中該些微流道內壁係塗佈親水性材料或進行表面親水性處理。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之進料反應裝置，其中該些第一肋板之V型開口寬度以及其邊長投影長度比例係介於2：1至2：5。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之進料反應裝置，其中該些第二肋板之V型開口寬度以及其邊長投影長度比例係介於2：1至2：5。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之反應板，其中該第一肋板陣列部之該些第一肋板之V型肋板係產生漸縮漸擴 (nozzle-diffuser)效應，以使得燃料能順利且快速地往前輸送。
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