TW201733193A

TW201733193A - 採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組

Info

Publication number: TW201733193A
Application number: TW105107788A
Authority: TW
Inventors: 管衍德; 楊昌裕; 李興儒
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-16
Also published as: TWI560933B

Abstract

本發明採用輕量化質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)製成行動電源模組，燃料電池中陽極與陰極集電板採用相同的多孔集電板，並配置具有流道區域的陽極和陰極流道板，陽極流道板、陽極集電板、質子交換膜、陰極集電板以及陰極流道板結合成燃料電池的單電池。本發明的行動電源模組還包括燃料匣，其內部設置NaBH4的燃料盒，作為氫氣源，NaBH4顆粒依燃料盒的高度包覆不同厚度的水溶性材料，如此可依水溶性材料溶解時間來控制產氫時間。此外，本發明並可將燃料電池結合無線充電。

Description

採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組

本發明係關於一種行動電源模組，特別有關一種採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組。

在近幾年當中，尋找替代能源廣泛地被各界所研究與討論，其中以氫為動力來源的燃料電池是非常受到重視的未來替代能源應用之選項，其基本原理為將燃料中的化學能直接轉換為電能，轉換效率高，不像一般充電式電池需要進行二次充電。理論上，燃料電池只要持續的提供燃料下，即可以維持運轉發電，如同發電機一般。

綠色能源的開發亦是近年來發展的重點之一，目前燃料電池應用技術日趨成熟，許多3C電子公司如SONY、Toshiba、YAMAHA、HITACHI、NEC及Fujikura等公司，在先進國家都有生活上的應用產品，但大部分都屬於直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)的應用，然而DMFC在應用上亦有許多問題，如甲醇滲透、燃料傳輸、副產物移除、水氾濫等問題，造成DMFC效能下降或損壞。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)大部分都是高功率輸出，鮮少做為較低功率輸出的產品，而輕量化PEMFC的應用更是少見。

傳統燃料電池堆疊方式大多採用直立式堆疊，此類堆疊方法相當佔體積，因此對於電池堆疊的方法也有越來越多人研究。文獻一將燃料電池堆疊方式改為平面式堆疊並加入微機電製程，實現微型化燃料電池的製作，顯示了微機電製程應用於燃料電池的可行性。

此外，文獻二在製作微型DMFC中導入微機電製程利用金屬舉離方式來製作金屬導線，其優點可將燃料電池尺寸縮小及提供較低的接觸阻抗。文獻三以微機電製程將金屬材料沉積於晶圓上製作燃料電池的集電片以製作出微型燃料電池。文獻四運用黃光顯影製程將特定之圖形顯影於基材上，並將顯影區域以微機電製程製作集電片。文獻五提出在集電板上沉積金屬薄膜，可降低集電板的阻抗，進而提升電池效能。文獻六利用微機電製程在一片直徑150mm的矽晶圓上，製作出47個micro fuel cell並將其中一片切割出來，組裝於鋁基材上，並提出利用覆蓋於陰極上蓋子的開口率，得以有效地對於呼吸式微型燃料電池進行水管理，使陰極不至於有積水的現象。

此外，文獻七以微製程的技術，將微流道與觸媒層製作於質子交換膜上，並進行性能測試，雖然研究上在初步評估階段，但其表示未來若能加以應用，將有機會製作出非常輕與高能量的電源。文獻八以濺鍍法，將銅薄膜鍍於壓克力 (Polymethylmethacrylate，PMMA)上，金屬化(metalized)PMMA，並組成微型燃料電池原型，進行測試。文獻九應用壓電材料方式，製作出噴流幫浦，應用至主動呼吸式微型燃料電池，並進行單電池的相關測試，其結果顯示，研究中所開發出的噴流幫浦，得以提供足夠的空氣並帶走多餘的水分，進而提升燃料電池的效能。文獻十以MEMS技術，在矽基板上製作微流道，進而組成微型氫氧燃料單電池，並進行參數影響電池效能的探討，其研究結果顯示，傳導面積與材料，對於微型燃料電池效能影響最為顯著，其中，以銅薄片鍍金之正方型做為傳導的效能最佳。

此外，文獻十一提出提升硼氫化鋰產氫的方法，以應用至微型氫氧燃料電池，其所提的第一種方法是硼氫化鋰水溶液中摻入多壁奈米碳管(multiwalled carbon nanotubes)，此方法可以將水合作用的起始溫度降至室溫。第二種方法是將硼氫化鋰水溶液加入乙醚(diethyl ether)，此方法在適當地反應速率時，可以產生四倍當量的氫氣，若提供微燃料電池使用，則可以使燃料電池運作更為持久。文獻十二利用以微機電技術製作出的微溫度與微電壓/電流感測器，量測其微型氫氧燃料電池內部的溫度、電壓/電流，並與CFD模擬分析進行比較，探討電池的效能，其同時指出，當微型氫氧燃料電池置入微感測器時，對電池效能會有些影響。文獻十三整合奈微米雙效結構，製作出一款高效能微型氫氧燃料電池，他們以矽晶圓為基底，利用三種方式提升電池效能，第一種方式為整合奈米與微米結構，提高反應面積；第二種方式為以超薄離子塗佈於三相區，以降低氧氣擴散阻抗；第三種方式為在燃料電池封裝時，利用微型互鎖(micro-interlocks)設計提升介面強度。文獻十四提出一款平面式陣列模組式的燃料電池堆，其主要製程是利用微機電中的電鑄技術，將微流道製作於銅薄片基板上，再堆疊組裝成平面式的燃料電池堆並進行測試。此文獻中，氫氣是以鋼瓶供應至陽極，陰極則是以空壓機將空氣傳輸至陰極。

由上可知，不論是直接甲醇燃料電池(DMFC)或氫氧燃料電池的微型化開發皆是一種未來的趨勢，以符合愈來愈小的電子產品。

為了實現整合於可攜式電子產品的應用，燃料電池的微型化在近年來已經成為一門極重要的課題。文獻十五提出平面陣列式的燃料電池，可以有效地製作微型化燃料電池，該研究中也使用PDMS為材料製作出了一款的平面陣列式的燃料電池，也證明PDMS運用於燃料電池的可行性。此外，文獻二使用MEMS製程中的金屬舉離，氣相沉積與黃光製程等方法製作微型燃料電池，其電池在0.22V操作電壓時有37mA cm^-2之電流密度。文獻十六運用微機電製程中的氣相沉積技術將金屬材料諸如Cr/Cu/Au分別以厚度0.01/3/0.5微米沉積於矽晶圓上來製作燃料電池的集電片，所組成的DMFC在甲醇濃度為2M，溫度為60℃與室溫的條件下，分別有50mW cm^-2與16.5mW cm^-2的效能。

在產氫的研究中，文獻十七中硼氫化鈉的水解產氫此種儲氫方式，皆優於其他類型的儲氫方式如壓縮氫氣、液態氫氣及金屬氫化物。文獻十八對硼氫化鈉產氫進行研究，並應用至燃料電池，對硼氫化鈉濃度與溫度進行實驗，其反應速率及轉化速率都非常有限，因此需要加入觸媒來提高其反應速率及氫氣轉化率。文獻十九中進行的硼氫化鈉燃料電池之研究，研究中將NaBH4以溶液的方式，供應至燃料電池系統中發電，由於NaBH4溶液在常溫下水解產氫能力並不佳，NaBH4溶液提高水解產氫可經由兩種方式：第一種為加入觸媒、第二種為提高NaBH4溶液溫度，其研究中是將NaBH4溶液加熱至60℃來提高水解產氫的效率。如果單純將NaBH4溶液做為燃料來源則必須做出控溫機制，但其方法對於充電模組來說並不容易且耗能。

在一種習知的氫氣燃料電池的可攜式充電器中，底座分別設計用於放置專用燃料匣的燃料艙與加水用之水艙，使用時只需一湯匙的水注入水艙並放置燃料匣，扣上上蓋後即可透過USB輸出電力，其中對於水的品質沒有嚴苛限制，可以是淡水、海水，甚至是泥水，只要其中懸浮物質含量沒有太高，皆可使其作反應，並且該產品只需要更換專用燃料匣即可持續發電，每組補充用燃料匣可讓手機延長使用10小時，輸出電壓為5V，最大輸出功率2.5W，可透過micro USB或USB A type傳輸。此外，在另一種習知的氫氣燃料電池的可攜式充電器中，該產品使用之燃料源為儲氫合金罐，本體設有放置專用儲氫合金罐的燃料插槽，只需要更換氫氣罐即可持續發電，通過USB端口輸出電力，輸出電壓 5V，最大輸出功率為2W，其專用儲氫合金罐具有一般電池外形，以特殊金屬合金製成，在儲氫方面以低壓儲存氫氣，相較於一般高壓氫氣罐，本裝置儲氫方式較為安全與實用的方式，並可重複填充氫氣，每罐儲氫合金罐為10L，以1W持續消耗相當於14顆一次性AA電池，並可持續發電約為10小時。

因此，採用輕量化質子交換膜燃料電池開發一種小型化應用的便攜式充電模組，為此技術領域企欲發展的方向和目標。

文獻列表：

文獻一：S.J. Lee et al., Design and fabrication of a micro fuel cell array with flip-flop interconnection, J. of Power Sources, Vol.112, 2002, pp.410-418.

文獻二：H.Y. Cha et al., Fabrication of all-polymer micro-DMFCs using UV-sensitive photoresist, Electrochimica Acta, Vol.50, 2004, pp.795-799.

文獻三：G.Q. Lu et al., Development and characterization of a silicon-based micro direct methanol fuel cell, Electrochimica Acta, Vol49, 2004, pp.821-828.

文獻四：S.S. Hsieh et al., Development and performance analysis of a H2/air micro PEM fuel cell stack, J. of Power Sources, Vol.163, 2006, pp.440-449.

文獻五：Y.-H. Yun, Deposition of gold-titanium and gold-nickel coatings on electropolished 316L stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells, International J. of Hydrogen Energy, Vol.35 2010, pp.1713-1718.

文獻六：N. Karst et al., Innovative water management in micro air-breathing polymer electrolyte membrane fuel cells, J. of Power Sources, Vol. 195, 2010, pp.1156-1162.

文獻七：A. Omosebi and R. Besser, Fabrication and performance evaluation of an in-membrane micro-fuel cell, J. of power source, Vol. 242, 2013, pp.272-276.

文獻八：J.A. Alanis-Navarro et al., Fabrication and characterization of a micro-fuel cell made of metalized PMMA, J. of Power Sources, Vol. 242, 2013, pp.1-6.

文獻九：Y.H. Seo et al., Development of active breathing micro fuel cell, International J. of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, Vol. 1, No.2, 2014, pp.101-106.

文獻十：C.-H. Chen et al., An experimental study on micro proton exchange membrane fuel cell, J. of Fuel Cell Science and Technology, Vol.9, No. 3, 2011, pp. 031001-1- 031001-7.

文獻十一：B. Weng et al., Enhanced hydrogen generation by hydrolysis of LiBH4 doped with multiwalled carbon nanotubes for micro proton exchange membrane fuel cell application, J. of Power Sources, Vol. 196, 2011, pp.5095-5101；B. Weng et al., Enhanced hydrogen generation by hydrolysis of LiBH4 with diethyl ether addition for micro proton exchange membrane fuel cell application, J. of Power Sources, Vol. 196, 2011, pp.5095-5101.

文獻十二：A. Su et al., Investigating the transport characteristics and cell performance for a micro PEMFC through the micro sensors and CFD simulations, International J. of Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012, II321-II333.

文獻十三：H.-C. Peng et al., A high efficient micro-proton exchange membrane fuel cell by integrating micro-nano synergical structures, J. Power Sources, Vol.225, 2013, pp.277-285.

文獻十四：S.-S. Hsieh and C.-C. Huang, Design, fabrication and performance test of a planar array module-type micro fuel cell stack, Energy Conversion and Management, Vol. 76, 2013, pp.971-979.

文獻十五：S. J. Lee et al., Design and fabrication of a micro fuel cell array with flip-flop interconnection, J. of Power Sources, Vol.112, 2002, pp. 410-418.

文獻十六：G.Q. Lu et al., Development and characterization of a silicon-based micro direct methanol fuel cell, Electrochimica Acta, Vol.49, 2004, pp.821-828.

文獻十七：J. Zhang et al., Heat of reaction measurements of sodium borohydride alcoholysis and hydrolysis, International J. of Hydrogen Energy, Vol.31, 2006, pp.2292-2298.

文獻十八：G.Y. Moon et al., Behavior of hydrogen evolution of aqueous sodium borohydride solutions, J. of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 14, 2008, pp.94-99.

文獻十九：楊惠萍，“呼吸式硼氫化鈉燃料電池之研究，”國立成功大學航空太空工程學系碩士論文，2013.

本發明的一個目的在於提供一種採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組，以開發出燃料電池在小型化電子產品之應用。

為達成上述目的，本發明一方面提供一種採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組，包含：一燃料電池堆，其具有複數個輕量化質子交換膜燃料單電池，每個輕量化質子交換膜燃料單電池圍繞一方形體的四個面成環狀排列，每個輕量化質子交換膜燃料單電池包含：一陽極流道板，其內側具有由蜿蜒溝槽構成的流道區域，該溝槽的一端形成一氣體入口，另一端形成一氣體出口；一陽極集電板，具有複數個呈矩陣排列的第一貫通孔；一質子交換膜；一陰極集電板，具有複數個呈矩陣排列的第二貫通孔，該陽極集電板的第一貫通孔與該陰極集電板的第二貫通孔相對應；以及一陰極通透板，具有複數個透孔，穿透該陰極通透板兩側；其中氫氣依序從該陽極流道板的氣體入口和流道區域內的溝槽，通過該陽極集電板的第一貫通孔，擴散到該質子交換膜的一側；其中空氣中的氧氣依序通過該陰極通透板的透孔和該陰極集電板的第二貫通孔，擴散到該質子交換膜的另一側；所述採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組還包含：一充電模組，收容於該等輕量化質子交換膜燃料單電池所圍繞的空間中，其提供有連接埠用於提供電力給與其連接之設備；一上蓋，其於對應該等輕量化質子交換膜燃料單電池的位置對應設有呈矩陣排列穿透孔，且於對應該充電模組的連接埠的位置設置有開口；一下蓋，與該上蓋一起收容該燃料電池堆和該充電模組；一燃料匣上蓋，貼附於該下蓋；以及一可抽換式燃料匣，可分離地固定在該燃料匣上蓋，用於提供經化學反應產生的氫氣。

根據本發明實施例，該充電模組還包含：一無線充電線圈，用於產生無線充電所需之無線電波；一電路板，與該無線充電線圈連接，設置有充電管理電路；以及一可充電電池，用於儲存該燃料電池堆所產生之電力。

根據本發明實施例，所述採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組，還包含：一氫氣過濾器，用於純化該可抽換式燃料匣所產生的氫氣。

根據本發明實施例，該可抽換式燃料匣包含用於產氫的反應物和觸媒，該反應物依高度分層由不同比例調配的水溶性材料包覆著，越遠離入水口則水溶性材料的比例越高。

根據本發明實施例，該反應物為硼氫化鈉，該觸媒為螯合氯化鈷。

根據本發明實施例，該陽極集電板和陰極集電板係選自由石墨-高分子複合材料集電板、金屬集電板及複合型集電板所組成的群組。

本發明另一方面提供一種採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組，包含：一燃料電池堆，其具有複數個輕量化質子交換膜燃料單電池，每個輕量化質子交換膜燃料單電池圍繞一方形體的四個面成環狀排列，每個輕量化質子交換膜燃料單電池包含：一陽極流道板，其內側具有由蜿蜒溝槽構成的流道區域，該溝槽的一端形成一氣體入口，另一端形成一氣體出口；一陽極集電板，具有複數個呈矩陣排列的第一貫通孔；一質子交換膜；一陰極集電板，具有複數個呈矩陣排列的第二貫通孔，該陽極集電板的第一貫通孔與該陰極集電板的第二貫通孔相對應；以及一陰極通透板，具有複數個透孔，穿透該陰極通透板兩側；所述採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組還包含：一充電模組，收容於該等輕量化質子交換膜燃料單電池所圍繞的空間中，其提供有連接埠用於提供電力給與其連接之設備；一上蓋，其於對應該等輕量化質子交換膜燃料單電池的位置對應設有呈矩陣排列穿透孔，且於對應該充電模組的連接埠的位置設置有開口；一下蓋，與該上蓋一起收容該燃料電池堆和該充電模組；一燃料匣上蓋，貼附於該下蓋；以及一可抽換式燃料匣，可分離地固定在該燃料匣上蓋，用於提供經化學反應產生的氫氣，其中該可抽換式燃料匣包含用於產氫的反應物和觸媒，該反應物依高度分層由不同比例調配的水溶性材料包覆著，越遠離入水口則水溶性材料的比例越高；且其中該反應物為硼氫化鈉，該觸媒為螯合氯化鈷。

本發明又一方面提供一種採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組，包含：一燃料電池堆，其具有複數個輕量化質子交換膜燃料單電池，每個輕量化質子交換膜燃料單電池圍繞一方形體的四個面成環狀排列，每個輕量化質子交換膜燃料單電池包含：一陽極流道板，其內側具有由蜿蜒溝槽構成的流道區域，該溝槽的一端形成一氣體入口，另一端形成一氣體出口；一陽極集電板，具有複數個呈矩陣排列的第一貫通孔；一質子交換膜；一陰極集電板，具有複數個呈矩陣排列的第二貫通孔，該陽極集電板的第一貫通孔與該陰極集電板的第二貫通孔相對應；以及一陰極通透板，具有複數個透孔，穿透該陰極通透板兩側；其中氫氣依序從該陽極流道板的氣體入口和流道區域內的溝槽，通過該陽極集電板的第一貫通孔，擴散到該質子交換膜的一側；其中空氣中的氧氣依序通過該陰極通透板的透孔和該陰極集電板的第二貫通孔，擴散到該質子交換膜的另一側；所述採用輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組還包含：一充電模組，收容於該等輕量化質子交換膜燃料單電池所圍繞的空間中，其提供有連接埠用於提供電力給與其連接之設備；一上蓋，其於對應該等輕量化質子交換膜燃料單電池的位置對應設有呈矩陣排列穿透孔，且於對應該充電模組的連接埠的位置設置有開口；一下蓋，與該上蓋一起收容該燃料電池堆和該充電模組；一燃料匣上蓋，貼附於該下蓋；以及一可抽換式燃料匣，可分離地固定在該燃料匣上蓋，用於提供經化學反應產生的氫氣，其中該可抽換式燃料匣包含用於產氫的反應物和觸媒，該反應物依高度分層由不同比例調配的水溶性材料包覆著，越遠離入水口則水溶性材料的比例越高；且其中該反應物為硼氫化鈉，該觸媒為螯合氯化鈷；其中該充電模組還包含：一無線充電線圈，用於產生無線充電所需之無線電波；一電路板，與該無線充電線圈連接，設置有充電管理電路；以及一可充電電池，用於儲存該燃料電池堆所產生之電力。

本發明採用輕量化質子交換膜燃料電池製成行動電源模組，輕量化燃料電池中陽極與陰極集電板採用相同的多孔集電板，並配置具有流道區域的陽極流道板和具有複數透孔的陰極通透板(也可採用陽極流道板和陰極流道板的封閉架構)，陽極流道板、陽極集電板、質子交換膜(膜電極)、陰極集電板以及陰極通透板結合成燃料電池的單電池。本發明採用輕量化質子交換膜燃料電池作為小型化電子產品之應用。本發明的行動電源模組還包括燃料匣，其內部設置NaBH4的燃料盒，作為氫氣源，NaBH4 顆粒依燃料盒的高度包覆不同厚度的水溶性材料，如此可依水溶性材料溶解時間來控制產氫時間。此外，本發明並可將燃料電池結合無線充電。

11‧‧‧陽極流道板

12‧‧‧陽極集電板

13‧‧‧質子交換膜

14‧‧‧陰極集電板

15‧‧‧陰極通透板

16‧‧‧矽膠墊片

30‧‧‧燃料電池堆

40‧‧‧充電模組

41‧‧‧連接埠

42‧‧‧無線充電線圈

43‧‧‧電路板

44‧‧‧可充電電池

45‧‧‧開關

50‧‧‧上蓋

51‧‧‧穿透孔

52‧‧‧開口

60‧‧‧下蓋

71‧‧‧燃料匣上蓋

72‧‧‧可抽換式燃料匣

80‧‧‧氫氣過濾器

110‧‧‧鎖固孔

111‧‧‧溝槽

112‧‧‧氣體入口

113‧‧‧氣體出口

121‧‧‧第一貫通孔

122‧‧‧燃料電池

124‧‧‧無線充電模組

126‧‧‧電子設備

141‧‧‧第二貫通孔

151‧‧‧透孔

801‧‧‧入水口

802‧‧‧燃料層

803‧‧‧過濾層

804‧‧‧出口

第1圖顯示本發明採用的輕量化質子交換膜燃料電池的單電池結構的示意圖。

第2圖顯示第1圖中的陽極流道板的結構示意圖。

第3圖顯示本發明採用的輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組中的燃料電池堆的爆炸示意圖。

第4圖顯示本發明的行動電池模組的爆炸示意圖。

第5圖顯示本發明的行動電池模組的組合完成圖。

第6圖顯示試驗不同濃度的硼氫化鈉得出產氫實驗結果。

第7圖顯示試驗不同濃度的螯合氯化鈷得出產氫實驗結果。

第8圖顯示本發明中可抽換式燃料匣的燃料盒的示意圖。

第9圖顯示本發明中燃料盒內的反應物依不同時間反應的示意圖。

第10圖顯示本發明中燃料盒內的反應物由不同比例的水溶性材料包覆的示意圖。

第11圖顯示本發明中燃料電池應用於無線充電的示意圖。

為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照圖式並舉實施例對本發明進一步詳細說明。

本發明說明書和所附申請專利範圍中所使用的冠詞「一」一般地可以被解釋為意指「一個或多個」，除非另外指定或從上下文可以清楚確定單數形式。

本發明採用輕量化質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)製成行動電源模組，輕量化燃料電池中陽極與陰極集電板採用相同的多孔集電板，並配置具有流道區域的陽極流道板和具有複數透孔的陰極通透板(也可採用陽極流道板和陰極流道板的封閉架構)，陽極流道板、陽極集電板、質子交換膜(膜電極)、陰極集電板以及陰極通透板結合成燃料電池的單電池。本發明採用輕量化質子交換膜燃料電池作為小型化電子產品之應用。

第1圖顯示本發明採用的輕量化質子交換膜燃料電池的單電池結構的示意圖，第2圖顯示第1圖中的陽極流道板11的結構示意圖。請參閱第1圖和第2圖，本發明中輕量化質子交換膜燃料電池的單電池包含：一陽極流道板11，其內側具有由蜿蜒溝槽111構成的流道區域，該溝槽111的一端形成一氣體入口112，另一端形成一氣體出口113；一陽極集電板12，具有複數個呈矩陣排列的第一貫通孔121；一質子交換膜13；一陰極集電板14，具有複數個呈矩陣排列的第二貫通孔141，該陽極集電板12的第一貫通孔121與該陰極集電板14的第二貫通孔141相對應；一陰極通透板15，具有複數個透孔151，穿透該陰極通透板15兩側；其中氫氣依序從該陽極流道板11的氣體入口112和流道區域內的溝槽111，通過該陽極集電板12的第一貫通孔121，擴散到該質子交換膜13的一側；空氣中的氧氣依序通過該陰極通透板15的透孔151和該陰極集電板14的第二貫通孔141，擴散到該質子交換膜13的另一側。

如第1圖所示，本發明中輕量化質子交換膜燃料電池的單電池還包含有多個矽膠墊片16，設置於陽極流道板11和陽極集電板12之間、陽極集電板12和質子交換膜13之間以及陰極集電板14和質子交換膜13之間。這些矽膠墊片16、陽極流道板11、陽極集電板12、陰極集電板14和陰極通透板15的外圍並設置有鎖固孔110，其半徑約為5mm，主要用來鎖合燃料電池時，能使鎖合扭力均勻分佈每一處，防止施力不平均造成燃料洩漏。

本發明中，陽極集電板12與陰極集電板14可以採用相同的配置。陽極和陰極集電板12、14的中心大小尺寸主要依據模電極(即質子交換膜13)的反應面積進行設計，陽極和陰極集電板12、14開口範圍較佳為50mm×50mm，其開孔率為47%，其加工方式可以採用CNC雕刻機進行加工，材質可為不鏽鋼金屬材料。

陽極流道板11的流道區域面積較佳為50mm×50mm，採用蜿蜒式流道以增加反應面積，整體幾何形狀為80mm×80mm，流道深度1mm，開孔率為50%。燃料進出孔(即氣體入口112和氣體出口113)設置於流道對角處，其半徑為2mm之孔徑，孔徑依照導管(即溝槽111)孔徑所設計，其導管主要用於燃料輸入及輸出所使用。陽極流道板11的整體厚度較佳為2mm，重量為20.6g。

在各個輕量化元件(即陽極流道板11、陽極集電板12、質子交換膜13、陰極集電板14、陰極通透板15和矽膠墊片16)完成後，依序將構件進行組裝與鎖合後，即完成輕量化PEMFC單電池，組裝後厚度為5.8mm，重量為60g。

上述架構中，在陰極集電板14外側採用的是陰極通透板15，其可直接與外界空氣接觸，直接使用空氣中的氧氣作為燃料，此種架構為開放式架構。本發明亦可將陰極通透板15取代為陰極流道板，其採用與陽極流道板11相同的結構，不同的是，輸入氧氣作為燃料，此種架構為封閉式架構。相對於封閉式架構，開放式架構的優點在於不需配置氧氣燃料，進一步縮減產品體積，更達小型化之目的。

燃料電池所產生的電力均需透過集電板或稱雙極板(集電板加流道板)的媒介將電源輸出至外部，本發明的質子交換膜燃料電池的雙極板具備如下優點，可以提升電池性能：

(1)分隔氧化劑與還原劑，避免氫氣經由極板產生crossover的影響。

(2)優良的機械強度，使雙極板得以與質子交換膜均衡接觸，以收集電流。

(3)適當的流道設計，使燃料能均勻地分佈至Cell之中，產生均勻的電化學反應，並且在陰極得以帶走生成物水，以避免積水的現象，導致電池效能減低。

(4)良好的熱傳導效能，使電池內溫度均勻，並且可以達成散熱與溫度控制效果。

(5)優良的導電性以收集電流輸出至外部使用。

(6)適合的電極板開孔率，流場溝槽面積與電極總面積之比例，有一適當比例。開孔過高，會造成質子交換膜與雙極板之接觸電阻抗過高而減低性能，開孔過低則會降低質子交換膜觸媒的利用率，以及內部流場的阻力過高，也會減低電池效能。

(7)雙極板採用低密度材質，以減輕電池的重量。

本發明中可以採用如下材料作為集電板或雙極板(集電板加流道板)：

(1)石墨-高分子複合材料集電板：無孔石墨板，由石墨粉與由可石墨化樹脂混合後經2500℃高溫，所需碳化時間長，成形後需要以機械方式刻畫流場，缺點是製作成本相當昂貴。而以石墨粉加入熱塑性或熱固性樹脂經熱壓或是射出成形做出的複合材料式(carbon-polymer composites)石墨板，可以減低成本，提高硬度，增加量產之可行性。

(2)金屬集電板：以金屬為雙極板材料，是一種替代材料的方式，如鋁、鈦合金、不銹鋼等，其考量主要在於成本低與易於製造，但是由於質子交換膜燃料電池或是直接甲醇燃料電池，反應後成酸性，因此需要做抗腐蝕的處理。

(3)複合型集電板：將多種材料的特性結合，以薄金金屬(0.1-0.2nm)做分隔板，採用聚碳酸脂等注塑成框的邊框，使其與金屬黏合，以注塑與烘焙製備而成有孔薄碳板做為流場板，金屬與碳流場板之間以一層極薄的導電膠黏合。

第3圖顯示本發明採用的輕量化質子交換膜燃料電池的行動電源模組中的燃料電池堆30的爆炸示意圖，第4圖顯示本發明的行動電池模組的爆炸示意圖，第5圖顯示本發明的行動電池模組的組合完成圖。請參閱第3圖至第5圖，本發明的行動電池模組包含一燃料電池堆30，該燃料電池堆30具有複數個如第1圖所示的輕量化質子交換膜燃料單電池，每個單電池圍繞一方形體的四個面成環狀排列。在第3圖所示的例子中，共有六個輕量化質子交換膜燃料單電池，圍繞方形體，設置在方形體的前後左右四個面上。

請參閱第3圖至第5圖，本發明的行動電池模組還包含：一充電模組40，收容於該等輕量化質子交換膜燃料單電池所圍繞的空間中，其提供有連接埠(如USB連接埠)41用於提供電力給與其連接之設備(未圖式)；一上蓋50，其於對應該等輕量化質子交換膜燃料單電池的位置對應設有呈矩陣排列穿透孔51，且於對應該充電模組40的連接埠41的位置設置有開口52；一下蓋60，與該上蓋50一起收容該燃料電池堆30和該充電模組40；一燃料匣上蓋71，貼附於該下蓋60；以及一可抽換式燃料匣72，可分離地固定在該燃料匣上蓋71，用於提供經化學反應產生的氫氣。

本發明的行動電池模組還包括一氫氣過濾器80，用於純化該可抽換式燃料匣72所產生的氫氣。該充電模組40還包括一無線充電線圈42，用於產生無線充電所需之無線電波；一電路板43，與該無線充電線圈42連接，設置有充電管理電路；一可充電電池(如鋰電池)44，用於儲存該燃料電池堆30所產生之電力；以及一開關45，用於控制電力之輸出。

本發明的行動電源模組的燃料電池堆30係由輕量化質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)組成，每個單電池組裝後厚度為5.8mm，重量僅為60g，因此依此製成的行動電源模組可達輕量化之需求，能夠方便作為小型化電子產品之應用。

硼氫化鈉(NaBH₄)是一種無毒、非燃性的乾燥固體，NaBH₄在與水溶解後唯一穩定不可燃之液體，加入適當觸媒催化後可立即進行化學反應並產生氫氣，NaBH₄為化學氫化物之一，其不含碳基，因此不會產生一氧化碳造成PEMFC毒化問題，且轉換效率高、反應單純及操作溫度低，非常適合用來當作氫氣產生的來源。

本發明實施例中，可以以硼氫化鈉為反應物，螯合氯化鈷為觸媒，置入可抽換式燃料匣72中，來產生氫氣。以下說明螯合氯化鈷的製備以及實驗硼氫化鈉和螯合氯化鈷在不同濃度下產氫的速率。

在螯合氯化鈷的製備中，六水化合物乾燥備料、載體洗滌乾燥、浸泡螯合、真空烘烤及製作完成後，將所需的公克數規劃並取出後，其中的六水化合物利用研磨缽磨成粉末狀並加熱使其乾燥，加熱過程中顏色會由紅色轉為藍色，而載體的部分，利用去離子水掏洗載體中的雜質後再加以乾燥，將藍色粉狀氯化亞鈷，調配成適量的水溶液，再加入移除水分後的載體，利用載體的高孔隙率特性去承載Co離子，浸泡一段時間，濾除Co水溶液再烘烤乾燥即完成觸媒之製作。影響催化觸媒優劣的因子有：一、烘烤的溫度與時間(過多會使載體孔細率降低)，二、載體雜質量，三、Co水溶液的濃度與浸泡時間。

完成觸媒製備後，進行不同濃度的硼氫化鈉產氫實驗，實驗結果如第6圖所示，若硼氫化鈉水溶液的濃度在10wt%時，有最高產氫率發生，若濃度於30wt%時，觸媒的功用會降低；而濃度超過45wt%時，則會有些許硼氫化鈉無法溶解於水中，而造成沉澱的現象。如第7圖所示，接著進行溫度條件25℃的γ-Al₂O₃觸媒產氫率實驗，使用不同螯合氯化鈷濃度作為實驗條件，條件1~3加入1wt%的安定劑(NaOH)，而條件4的濃度與條件3相同，但添加了2wt%的安定劑，參數條件如下表1所示。由實驗結果可看出，進行實驗條件2時，有較高的產氫速率，而在實驗條件3，能有較佳的總產氫量。於實驗進行中得知，假如沒有加入安定劑參與反應，水會產生劇烈的汽化反應，對操作人員有一定的危險性，且若NaOH的濃度過高，反而會抑制反應效率，影響產氫效果，適量地添加安定劑才能穩定產氫反應。

本發明實施例中，可抽換式燃料匣72內部可以設置至少一個NaBH₄的燃料盒，也可以是NaBH4燃料盒作為可抽換式燃料匣72，可直接插入本體後運作，使用者只需要注入少量的水並打開閥門旋鈕後水會依照管路進入到燃料盒中即可產生所需要的氫氣。如第8圖所示，水可以從入水口801進入燃料盒，燃料盒內部設有燃料層802可以容納NaBH₄，燃料盒內部上層有設計過濾層803，過濾氫氣中的水氣及腐蝕性物質，產出的氫透過出口804，再進入燃料電池陽極側進行反應發電。

NaBH₄本身亦可設計有不同的產氫時間，如此將可以控制燃料盒的使用時間，並將燃料盒制式化成1小時或多小時使用之燃料盒，可以依照使用者所需要的時間做為燃料盒的選擇，而燃料盒設計屬於一次性使用，反應完即可更換繼續發電。

燃料盒內部存放著NaBH₄顆粒其反應過程如第9圖所示，顆粒依照不同的反應時間順序排放如第10圖所示，NaBH₄反應時間由一水溶性材料填充至類似(或同樣)食用級膠囊，當水注入燃料盒後，NaBH₄完全無防水的保護會優先進行化學反應產氫供燃料電池使用，其它NaBH₄依高度分層由不同比例調配的水溶性材料包覆著，越遠離入水口801則水溶性材料的比例越高，水溶性材料可調配為30/60/90分鐘三種或更久時間才依序溶解，在達到溶解時間後內部的NaBH₄即與水產生反應持續產氫，藉由此方式來做氫氣控制並使其制式化，如此一來使用者可以依現況所需來選擇操作時間而不需要額外的節流設備。

本發明實施例中，亦可將燃料電池組與PCB電路板進行串接，應用PCB電路板可以直接整合控制晶片與簡化金屬導線的優點將其與燃料電池堆進行串聯，並加以保護及監控整體燃料電池。PCB板可以免去實體電路的體積使得輕量化PEMFC整體可以放置在更小的空間內，其主要目的是為了使燃料電池組更穩定輸出之外，縮小體積的模組化設計亦是最主要的重點。

再者，本發明實施例中，為了保護燃料電池的運作，亦可開發出可判斷燃料電池狀態並自行啟動保護機制的PCB電路板，其中包含了控制晶片、升壓模組、穩壓模組、三段電壓切換器、鋰電池等，其運作流程，其控制主要目的是為了監控及保護燃料電池狀態，電力輸出有5V及12V供使用者做選擇，可依照使用者的需求做使用，5V可做為手機充電使用(輸出電流約在1~2A)，12V可輸出給點菸器以做為臨時需要火源時(如野外取暖)得以使用(結合系統內之二次電池，輸出電流最高約在5A)。

再者，本發明實施例中，為了方便使用者操作，可將無線充電模組，透過線圈提供5V電力輸出進行手機無線充電，無線充電的最大特點為不受實體線路限制，加上現今無線充電技術日益成熟，並漸漸融入日常生活中取代傳統有線的充電模式。如第11圖所示，燃料電池122連接無線充電模組124，以為電子設備126充電。於其他實施例中，燃料電池122外殼可以設計一個插孔，如此可以方便無線充電模組124插入該插座後即可完成電性連接。

本發明本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。