TW201624810A - 一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組 - Google Patents

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Abstract

一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，包括：至少一電池單元，其係包含一陽極、一陰極及一配置於該陽極與該陰極之間的膜電極；至少一儲氫系統，包含一儲氫合金，係用以儲存與釋放氫氣；其中該儲氫系統係夾設於各電池單元間，最外側則有兩端板，以將各電池單元與各儲氫系統加以固定並保護在其內側。藉此，儲氫系統可有效利用燃料電池產生之廢熱，提升放氫速率與放氫量，而燃料電池也得以被保護避免過熱受損，增加使用可靠度與使用壽命。

Description

一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組
本發明係關於一種燃料電池，特別是關於一種將儲氫系統整合於燃料電池內部之模組。
隨著世界能源危機議題升溫，各國紛紛急於開發乾淨環保之能源技術，其中燃料電池藉由化學反應產生電力，全部過程僅產生水及熱，無碳排放之特性使其成為現今能源技術的明日之星，台灣為高度依賴進口能源之國家，發展燃料電池技術將有利能源自主的提昇。
燃料電池是一種將化學能直接轉換為電能的裝置，且不受卡諾循環(Carnot cycle)限制，是能量轉換效率最高的發電裝置，燃料電池依據燃料或結構特性，尚可分為鹼性燃料電池(AFC,Alkaline Fuel Cell)、磷酸燃料電池(PAFC,Phosphoric Acid Fuel Cell)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC,Molten Carbonate Fuel Cell)、固態氧化物燃料電池(SOFC,Solid Oxide Fuel Cell)、直接甲醇燃料電池(DMFC,Diret Methanol Fuel Cell)等數種，其中最廣泛被使用的是質子交換膜燃料電池(PEMFC)，是以純氫為燃料因此需要搭配儲氫系統，其中儲氫系統中以擬固態之儲氫合金在低 壓(10atm以內)與常溫下具有最緻密之儲存容量。
然而質子交換膜燃料電池(PEMFC)在發電同時則有熱量同部產生，每次產出電力同時就有的廢熱產生，因此在中小型3~5kw以內之PEM燃料電池多半以氣冷方式散熱，大型PEM燃料電池則以水冷方式散熱，一旦散熱不佳或溫度控制不當，燃料電池內部MEA中的昂貴白金觸媒層往往因此受損，造成故障，同時散熱裝置也將使質子交換膜燃料電池的體積增加，龐大的體積將使其運用於汽車等移動裝置的產業利用性大幅降低。
因此目前業界極需發展出一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，如此一來，方能同時兼具散熱性與燃料電池模組體積，有效增加質子交換膜燃料電池運用於汽車等移動裝置的產業利用性。
鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，整合至少一電池單元，其中包括：一陽極、一陰極、一膜電極，以及一儲氫系統等，以完成將儲氫系統整合於燃料電池內部之模組以縮小燃料電池體積。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，包括：至少一電池單元，其係包含一陽極、一陰極及一配置於該陽極 與該陰極之間的膜電極組；至少一儲氫系統，包含一儲氫合金，係用以儲存與釋放氫氣；其中該電池單元與該儲氫系統夾設於兩端板間，該儲氫系統設置於該電池單元陰極或陽極側旁。
上述整合儲氫系統於燃料電池內部之模組中，該膜電極組包含一觸媒層、一氣體擴散層、一質子交換膜；該陽極包含一電極、一陽極燃料氣體源流道，其中，該儲氫系統藉由一運輸管道系統與該陽極燃料氣體源流道相通，以將該儲氫系統產生之氫氣運輸至該陽極燃料氣體源流道內。
本發明中的陰極則包含一電極、一陰極含氧源流道；而該膜電極組包含一觸媒層、一氣體擴散層、一質子交換膜。
本發明中的電池單元與儲氫系統的數量配置可以是N與N-1(但不以此為限)，也就是將每個儲氫系統配置於2個電池單元之間(但不以此為限)；例如在N等於10時，表示有10片電池單元與其間之9個儲氫系統(儲儲罐)，當該電池單元在運作將產生熱量，其中部份或全部熱量，可設計由該儲氫系統直接吸收。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
110‧‧‧電池單元
120‧‧‧陽極
130‧‧‧陰極
140‧‧‧膜電極
150‧‧‧儲氫系統
160‧‧‧端板
170‧‧‧集電板
第一圖係為一種單相儲氫合金之壓力與吸氫量變化曲線圖；第二圖係為本發明一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組示意圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
請參考第一圖，為本發明一種單相儲氫合金之壓力與吸氫量變化曲線圖。如圖所示，儲氫合金吸放氫的平台壓為溫度函數，當溫度上升平台壓亦隨之上升，並且在放氫過程屬吸熱反應，因此儲氫系統在放氫時若熱量無法由環境快速供應，將造成儲氫系統溫度迅速下降，連帶使儲氫合金的平台壓下降，造成氫氣供應量大減，所以當燃料電池進行大功率放電時，若無熱量適時補充，平台壓一旦低於一大氣壓，氫氣立即停止供應即造成燃料電池的停機；而另一方面，PEM燃料電池在發電同時則有熱量同部產生，每次發電產生電力時就會有廢熱產生，因此在中小型3~5kw以內之PEM燃料電池多半以氣冷方式散熱，大型PEM燃料電池則以水冷方式散熱，一旦當散熱不佳或溫度控制不當時，燃料電池內部 MEA中的昂貴白金觸媒層往往因此受損，造成損害。
所以有別於傳統做法是將燃料電池與儲氫系統分別設置，再以管路將兩者互相連結，本發明則將儲氫系統與燃料電池整合，使儲氫系統內部之儲氫合金成為燃料電池之heat sink，而提升兩者整體效能；由於PEM燃料電池工作溫度不能超過100℃，最佳之工作溫度為40~80℃，因此中間必須設置冷卻系統管路，而BCC儲氫合金最佳釋氫溫度亦為40~80℃，因此本發明特將兩者結合，讓儲氫系統(儲氫罐)成為燃料電池之heat sink達到散熱功效，利用BCC儲氫合金具有放氫時需要吸熱之特性，又可增加儲氫合金的放氫量，因此能保護燃料電池避免過熱受損而可增加可靠度與提升使用壽命。
請參考第二圖，為本發明一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組示意圖。如圖所示，本發明提供一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，包括：至少一電池單元110，在本實施例中，可根據發電量及儲氫系統150的吸熱效率來配置電池單元的數量；該電池單元110包含一陽極120、一陰極130及一配置於該陽極120與該陰極130之間的膜電極組140，以及至少一儲氫系統150，包含一儲氫合金，係用以儲存與釋放氫氣，其中該電池單元110與該儲氫系統150夾設於兩端板160間，該儲氫系統150設置於該電池單元110陰極130側旁。
本發明中該陽極120包含一電極、一陽極燃料氣體源流道，陽極燃料氣體源流道是負責將儲氫系統150所產出的氫氣進入膜電極組；本實施例中膜電極組140包含一觸媒層、一氣體擴散層、一質子交換膜，該氣體擴散層是電的良導體，是一種多層結構的多孔介質，採用碳載鉑技術，當陽極燃料氣體源流道將儲氫系統150所產出的氫氣進入膜電極組140後，該氣體擴散層將氫氣均勻分布在觸媒層上，使得氫氣被分解為電子與質子，其中，電子通過氣體擴散層、陽極、集電板170後被運送到外部電路，而質子則通過質子交換膜到達陰極130側的觸媒層、氣體擴散層，並藉由觸媒層中的觸媒將質子和回流的電子與陰極130中陰極含氧源流道所提供的氧結合而形成水與熱；本實施例中由於儲氫系統150配置於電池單元110的陰極130旁，因此，電池單元110陰極130側所產生的熱將可由儲氫系統150直接吸收掉全部或部分的熱。
本實施例儲氫系統150係利用儲氫合金來儲存與釋放氫氣，並捷由運輸管道系統將氫氣運輸至陽極燃料氣體源流道，因為儲氫合金具有放氫時需要吸熱之特性，藉由配置於電池單元110陰極130側旁，儲氫合金可藉由吸收電池單元110發電產生的熱而維持產氫效率，也可減少電池單元110的散熱系統(甚至不需要散熱系統)，使得本發明整合儲氫系統於燃料電池內部之模組可以大幅減少燃料電池的體積。
上述實施例若欲提高電壓，只需將多個單元電池110串聯集結成電池組(Fuel Cell Stack)即可，只需維持整合儲氫系統於燃料電池放熱的陰極130側旁的配置，仍可大幅減少燃料電池的體積。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
110‧‧‧電池單元
120‧‧‧陽極
130‧‧‧陰極
140‧‧‧膜電極
150‧‧‧儲氫系統
160‧‧‧端板
170‧‧‧集電板

Claims (10)

  1. 一種整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，包括：至少一電池單元，其係包含一陽極、一陰極及一配置於該陽極與該陰極之間的膜電極組；至少一儲氫系統，包含一儲氫合金，係用以儲存與釋放氫氣；其中該電池單元與該儲氫系統夾設於兩端板間，該儲氫系統設置於該電池單元陰極或陽極側旁。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該膜電極組包含一觸媒層、一氣體擴散層、一質子交換膜。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該陽極包含一電極、一陽極燃料氣體源流道。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該儲氫系統藉由一運輸管道系統與該陽極燃料氣體源流道相通。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該儲氫系統產生之氫氣藉由該運輸管道系統運輸至該陽極燃料氣體源流道。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該陰極包含一電極、一陰極含氧源流道。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該膜電極組包含一觸媒層、一氣體擴散層、一質子交換膜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該電池單元運作所產生的部份熱量，由該儲氫系統進行吸收。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該電池單元運作的溫度範圍係為40-80℃。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之整合儲氫系統於燃料電池內部之模組，其中，該儲氫系統設置於2個電池單元間。
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