TW432742B - Large non-bipolar fuel cell stack configuration - Google Patents

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Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 A7 -------^___ 五、發明說明（/ ) 發明背景 本發明一般係關於非雙極燃料電池，特別係關於可釋 放數十瓦至百萬瓦電能之高能量燃料電池堆疊。 圖1係顯示習知技術之非雙極燃料電池陣列之基本零 件的示意剖面圖；'該基本組件包含多孔介電質基座1、電 解質6、燃料電極2、氧化劑電極3、電池隔板7及1 6 、電池連接線1 2、外部電子電路2 0、及電負載9。該 燃料電池之運作係先以燃料1〇(如氫氣或甲醇）溶解在 電解質6內。溶解之燃料1 〇在催化燃料電極2處分裂成 氫原子1 5。氫原子1 5通過燃料電極2 .，且在電極2上 放出一個電子19，而在質子傳導電解質5上形成氫離子 1 7。電子1 9通過電池連接線1 2至鄰近的電池氧化劑 電極3，該氧化電極3係形成在傳導電極4上面。氫離子 1 7通過傳導電解質5而到氧化電極3。在陣列之負輸出 端2 2，.電子1 9進入電路2 0經過電負載9而至陣列2 3之正端。陣列電壓係由陣列內串聯之電池數目所決定,。 每個電池與相鄰電池之間係以稱之爲電池隔板7及16的 介電質耦合區域而作電性分離j而相鄰的電池係以導電通 路或電池連接線1 2作電連接。在氧化劑電極3及4處， 空氣8係與催化反應電極3之表面進行催化反應，以在電 解質處形成表面氧氣1 3或氧離子1 8。氧化電極係由數 層的導電金屬膜4及催化反應電極3所製成。接著，氧離 子1 8接收從電極3而來之電子而在氧電極3處形成水1 4 (副產品）、。在燃料電極2處，燃料將逐漸的催化而除 -------------裝---- (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 訂·---------線 — —· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 432742 A7 B7 五、發明說明（ 經濟部智慧財產局具工湞費合作社印製 去其氫原子1 5，而在電極表面留下—氧化碳2 4、。藉著 取得從燃料內部的水10中而來之氧氣或擴散通過燃料圍 牆2 1之氧氣2 5，一氧化碳2 4可氧化成二氧化碳1 1, 。副產品二氧化碳1 1藉著擴散通過燃料圍牆2 1或通過 電池隔板區域7及1 6而移除之.。副產品水1 4則藉著從 氧電極3擴散至周圍而移除之。此特定範例所顯示之燃料 電極2係無細孔的（無細孔電極2能阻隔如甲醇1 0之燃 料之擴散，.但能使氫原子通過之，以使得燃料電池能更有 效率的使用甲醇燃料》雖然對實際進行催化反應之氫原子 之擴散阻力甚低，J旦是其亦會增加氫分子擴散之阻力，。因 此，無細孔電極2亦能改善以氫爲燃料之燃料電池之效能 e 藉著液態甲醇及水性燃料之使用，該種形式之燃料電 池可在較傳統充電電池更小的空間內儲存更多的能量。甲 醇燃料能有效的達到每立方英吋5至1 3瓦小時（效率2 0 %至5 0 %)之能量密度。此爲現今最佳鎳鎘電池之能 量密度的3至9倍，且爲標準行動電話電池組的4 0至1 2 0倍？同時，這些微燃料電池夺較傳統充電電池爲輕。 甲醇燃料每單位質量內.所具有之能量可達到每公斤1 2 0 0至3 0 0 0瓦小時（效率20%至50%)。,此爲最新 鋰離子充電電池（Sc i enc e News，1995 年3月2 5日出版）所宣稱的每公斤6 0 0瓦小時的2至 5倍。•在不同的專利中、，如美國專利第5，6 3 1，〇 9 9號、美國專利第5，7 5 9，7 1 2號、、美國專利第5 β> — — — — — — — — — — — — — * — — — — — 1— ^- — 1 —---- (靖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ氏張尺度適用令國國家標準 (CNS〉A4規格<2】0 χ 297公釐） 432742 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3 ) ，3 6 4，7 1 1號及美國專利第5，432，023號 中詳細說明此種以氫氣、碳化氫燃料及氧氣所驅動之非雙 極燃料電池。然而’這些專利並未說明如何將這些燃料電 池組合成較大型之並聯燃料電池堆疊，而此即爲本專利之 主要目的？ 吾人先前之美國專利第4，6 7 3，6 2 4號及5ι, 6 3 1，0 9 9號詳細說明如何在絕緣基座上形成非雙極 堆疊。而沿著共同的燃料及電能連接之燃料電池之堆疊方 法，亦在吾人之美國專利第5， 759， 712號中提及 。本發明係傾向於延伸先前專利所提出之微燃料電池之原 則，且顯示如何將這些燃料電池配置成堆疊以提供具有氣 流冷卻且電能容量更高之系統。本發明亦顯示如何使用水 以及氣流冷卻以提供一個熱及水交換器。 發明之槪要 本發明之主要目的係形成一種模組化電源單元ί其可 並聯以釋放數十瓦至數百萬瓦之大量電能。此微燃料電池 之大型配置使用主動循環及數種相容反應物，以達成在許 多現代應用中所需之高電能輸出。從此種電源系統可獲得 明顯好處的應用實例包含，但不受限於，家庭及建築物用 發電機、、可攜式發電機、大型電動工具、，公用型發電機.、 通訊電源及車輛電源。在這些應用中使用燃料電池的主要 優點係有（1 )燃料電池可獲得約兩倍於傳統熱引擎之效 率’.（2 )其運作時安靜無聲：以及（3 )其污染甚低。 本發明之燃料電池可在塑膠板上製造.，故使此製程特 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --— — — — — — —---- ------- I I ------I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 A7 _________B7______ 五、發明說明（tA ) 別適合用在大體積之應用上7同時，在本方法中可完全消 除在傳統雙極性燃料電池堆疊中的關鍵性組件，溴雷隔離 板。.藉著從燃料電池堆疊中除去此組件，預估可節省1 〇 %至2 0 %之成本。.是故，.因減輕重量：減少零件且降低 製造及組裝成本，、故本發明之燃料電池優於傳統燃料電池 之設計。 本專利包含兩個高電能應用之燃料電池的封裝技術實 施例，其中一個較佳實施例係複合並聯陣列之密封組件》 第二個較佳實施例係複合並聯陣列之模組化組件•在密封 組件中，t所欲之陣列數目係在製造過程中建造及封裝。而 在模組化的方法ΐ，燃料電池陣列係組合成燃料及空氣循 環框以形成模組，.其使得燃料^、空氣、及電接觸能與嵌入 匯流排結構相連接。在模組化的方法中，匯流排使得複合 模組能被終端使用者視應用所需而並聯從至少一個而至很 多個的模組。、這使得燃料電池能源系統能簡單的藉著加入 或移除模組而配合應用調整體積。而當系統運作時？燃料 電池模組亦可安裝或移除，故將維護所需時間降到最低,。 亦可適當地提供一種構件，係可用以電池之自我淸潔.，可 用以淨化燃料管線，且若有不良之情況時可用以關閉"安 全無礙#之電源。 在包含上述及接下來的詳細說明.、申請專利範圍及附 圖的揭示內容中，.將可明顯發現本發明的這些：進一步及 其他的目的及特點/ 圖示簡單說明， -----I -袭----I--—訂! ·線 I < (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公茇） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 A7 B7 - ' -- 五、發明說明（左） 圖1顯示一個習知技術非雙極燃料電池之剖面圖。 圖2 A、2 B及2 C係典型非雙極燃料電池陣列之{布 局，，且係顯示該陣列之空氣電極側•、側視圖及燃料電極彻j 〇 圖3顯示一個密封燃料電池堆疊之實施例之分解® ^ 圖.4顯示一個用在密封燃料電池組件實施例中的燃料 電池組件：其具有一個燃料匯流管夾層在兩個燃料電'池陣 列之間' 圖5 A及5 B顯示用在密封燃料電池組件實施例中_ 側中間氣流通道之前視圖及側視圖.。 圖6 A及6 B顯示用在兩種實施例中單側端帽氣流通 道之前視圖及側視圖s 圖7顯示一個使用密封燃料電池堆疊實施例之系，統層^ 組件。* '圖8顯示一個使用模組組件之實施例的燃料電池堆g 之分解圖。， *圖9顯示一個用在模組組件之實施例之典型燃料閥。 •圖1 0係一個使用模組之燃料電池堆疊實施例的系統 層組件之立體圖， 圖1 1係非雙極燃料電池之軸至軸製程方法之匱[^。 較佳實施例之詳細說明 ’ 圖2A、. 2 B及2 C說明本發明中最重要部分的非雙 極微燃料電池陣列2 6 :且在美國專利4，6 7 3，6 2 4、5，631，099 及 5，759，712 中有更詳 7 ------II - -----裝-------訂 --------線 ^靖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 432742 A7 ---B7 五、發明說明（έ ) 細之說明。k圖2 A中顯示非雙極微燃料電池陣列之空氣側 。空氣接觸電極2 7及空氣電極2 8係沉積在多孔介質基 座2 9的其中一側。，多孔介質基座2 9係由如聚醯亞胺或 多元酯塑膠之介質材料所製成：沉積之電極2 7及2 8可 由美國專利4， 673, 624、5， 631， 099及 5，7 5 9，7 12中所提供的數種不同方式所製成；> 這 些代表微小的個別燃料電池之電極%，係沿著陣列之兩側以 電路線或以連接線1 2透過薄膜2 9而平行的連接，*如圖 2 B所示：在多孔塑膠2 9上設有螺栓洞3 0及3 3係用 以將組件固定在一起：同時，，在燃料電池陣列2 6之空氣 側上設有一個二極體3 1、，以避免反向電流通過陣列，。多 孔塑膠基座2 9係使得燃料接觸電極3 2及空氣電接觸電 極2 7整個均可導電。、在多孔介質基座2 9內有一個薄密 封襯墊3 6，、經由洞3 3提供燃料及負端電性壓縮兩種連 接’.而經由洞3 0則提供正端電性壓縮連接·。 圖2 B係非雙極燃料電池陣列之側視圖。，多孔介質基 座2 9係一層薄膜，.其典型厚度係5至2 0 0微米。如美 國專利第 4，673，624 號、、第 5，631，099 號及第5，7 5 9，7 1 2號所述.，在嫌料電池之空氣電 極2 8及燃料電極3 5之間的多孔介質基座2 9係充滿電 解質的。、 圖2 C顯示非雙極微燃料電池陣列之燃料側：燃料電 極3 5係以與前述空氣電極相同之方式沉積在多孔介質基 座2 9上。4如同空氣電極一般.，燃料電極3 5係以電路線 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 ---裝------ 訂-------線 ' < (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 A7 —____B7__ 五、發明說明（V ) 沿著陣列之兩側平行的連接（該圖中未顯示）ί以如多元 酯環氧基樹脂之材料鍍膜於其上之襯墊封條表面3 6係如 邊框地環繞著燃料電極3 5被加入f燃料接觸電極3 2在 襯墊封條內部與陣列內的最後一個燃料電極3 5相接觸.。 圖中顯示空氣接觸電極2 7係在襯墊外側且與陣列之燃 料電極3 5分離。.此微燃料電池之大型配置使用主動循環 及數種相容反應物：其包含，，但不受限於、，甲醇.、乙醇,、 氫氣：再生成氫氣：空氣了氟、.氯、.溴：碘及氧氣以達成 在許多現代應用中所需之高電能輸出： 圖3顯示一個非雙極燃料電池堆疊1 〇 〇結構之實施 例之分解圖。、如圖所示：燃料電池堆疊1 〇 0係包含兩個 燃料電池組件3 8，，每個組件係由兩個燃料電池陣列2 6 (如圖2 A、2 B及2 C所示）所組成；一個中間氣流匯 流管3 9丨及雨個端板氣流匯流管4 0 ,。較大的堆疊可藉 由插入所欲數量附加的燃料電池組件3 8及中間氣流匯流 管3 9所形成。,如圖所示,，氣流匯流管3 9設有空氣通道 4 1以提供熱及水交換至燃料電池組件3 8之空氣電極側 • 。圖示直線對齊之燃料螺栓洞3 3及4 2係用以提供一種 供給燃料、t負端電性連接之構件，，且藉著壓縮分別在燃料 電池組件3 8及氣流匯流管3 9上之負端接觸電極3 2,、 1 0 1及1 0 5而作爲一種機械性支撐。，同樣的；空氣電 極螺栓洞3 0及4 3既提供正端電性連接又藉著將分別在 燃料電池組件3 8及氣流匯流管3 9上之正端接觸電極2 7及3 7壓縮在一起而提供機械性支撐,。 9 ----— — — — — —--- i ! I ! I 訂 ----I I i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 432742 A7 B7 五、發明說明u ) 圖4顯示一個由兩個燃料電池陣列2 6及一個多孔燃 料匯流管4 4所製成之燃料電池組件3 8卩在該組件中’ 多孔燃料匯流管4 4係夾層在兩個燃料電池陣列2 6之燃 料側之間。、而這需要讓其中一個陣列水平的反轉以使得 兩個陣列的燃料側能面對多孔燃料匯流管4 4/該夾層燃 料電池組件3 8使得空氣電極2 8暴露在兩外側多孔燃 料匯流管4 4係沿著其邊框4 5之表面使用如超聲波熱焊 接技術或如多元酯環氧基樹脂之黏著劑而密封之,。該組件 類似一個裝滿燃料的袋子：且將燃料暴露在整個燃料電極 3 5上：燃料係通過燃料及螺栓洞3 3而送至及移出多孔 燃料匯流管4 4 :燃料襯墊3 6係在燃料電池陣列2 6及 多孔燃料匯流管4 4之間而密封該組件、，且使得燃料電極 3 5暴露對著燃料。、亦使用壓縮洞3 0及3 3以分別製造 正端空氣電極接觸2 7t及負端燃料電極接觸3 2之電連接 〇 圖.5 A及5 B顯示用在燃料電池堆疊中的中間氣流及 支撐匯流管3 9之前視圖及側視圖。、如圖5 B所示，該中 間氣流匯流管3 9具有兩個由中間壁4 6分隔的背對背的 空氣通道41;由介質材料所建構的該種結構係包含由側 壁支撐材料4 8所支撐的氣流通道壁4 了，以及分別位在 兩端的正端接觸電極3 7及負端接觸電極1 〇 1。這些接 觸電極3 7及1 0 1可能由固態材料所製成，例如以鋁或 導電銅板環繞著介質通道支撐材料4 8之端點所形成^位 在匯流管3 9之兩側且由壁4 6分隔的空氣通道4 1可製 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】〇 X 297公釐） ----!!-裝！！11 訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 A7 —-—- -. 五、發明說明（？） 成各種的圖案，、以提供在燃料電池組件2 6 (圖4中）之 空氣側表面的熱量及水氣的交換機構。，對此處所示之迂迴 圖案而言，、空氣將可持續的流過燃料電池空氣電極2 8上 不同的部分V燃料電池空氣電極2 8具有水氣蕊墊表®， 如美國專利第4，673，624號：第5，631，〇 9 9號及第5，7 5 9，7 1 2號所述，，其使得凝結之水 氣濕化氣流且水平的移入在氣流通道41內移動之氣流^ 如圖5 A所示，，氣流通道4 1開始於中間氣流匯流管;3^ 的其中一端且結束於介質氣流通道的另一端？側壁材料4 8係在氣流通道壁4 7之邊緣•。而這僅表示一種可能的配 置，藉由調整通道壁厚度及間隔以及氣流圖案等：可能產 生其他更有利於熱及水交換之排列。、螺栓洞4 2將配合中 空的燃料及堆積壓縮螺栓丨當組合燃料電池堆疊時，可用 橡膠密封劑襯墊3 6環繞著在燃料電池陣列側邊之燃料連 接線而實行密封，.然而亦可使用其他的方法,。同樣的，螺 栓洞4 3係配合著空氣電極壓縮螺栓' 圖6 A及6 B顯示用在燃料電池堆疊1 〇 〇中的端帽 氣流及壓力支撐匯流管4 0之前視圖及側視圖，。除了僅在 組件內側具有氣流通道4 1外：端帽氣流通道匯流管4 0 與中間氣流通道3 9完全相同，如圖6 B所示：因此係供 作爲燃料電池堆疊組件1 0 0的端帽之用,。 圖7顯示一個使用本專利第一個實施例之組合系統層 燃料電池堆疊。、如圖所示：該系統包含八（8 )個燃料電 池組件26 ;七（7)個中間氣流匯流管39.，兩（2)
II 本纸張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------裝--------訂---------線 f靖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 A7 ______B7________ 五、發明說明（F ) 個端帽空氣匯流管4 0、，以及其他下述之周邊零件。.如圖( 所示燃料電池組件2 6係壓縮在中間氣流匯流管3 9以 及堆疊兩端所包含之端帽匯流管4 0之間：中空燃料螺检 4 9及螺帽5 0係用以將燃料接觸電極3 2 (在燃料電池 上）及10 1 (在氣流匯流管上）105 (在端帽匯流管 上）拉在一起。、如圖所取’、燃料線賴合5 1連接至中空燃 料螺栓4 9上：負端電接觸係藉著將電纜5 2附著至燃料 螺栓4 9之方式所完成？同樣的固態壓縮螺栓5 4係用 以將空氣接觸電極2 7 (在燃料電池上）及3 7 (在氣流 匯流管上）拉在一起。正端電接觸係藉著將電纜5 3附著 至壓縮螺栓5 4及螺帽5 0之方式所完成。燃料係借助於 燃料線5 5從燃料箱5 7通過燃料閥5 6傳送至燃料電池 堆疊。.未使用之燃料係存在於中空螺栓4 9中且能被丢棄 之、，燃燒之：或是過濾之且再次使用。.氣流通道4 1之路 徑係使得空氣能越過每個燃料電池組件之空氣電極,。空氣 進入燃料電池堆疊的其中一側且穿過迂迴之通道而結束 在堆疊的另一側「爲求安全起見電連接係在燃料連接密 封之後才進行，.以避免在開放的燃料附近可能會出現破壞 性的電壓。’ 圖8顯示一個非雙極燃料電池模組配置之第二ΐ實施 例之分解圖，.其能用在超大電源需求之應用上。.此處的主 要差異係將第一個實施例中本質上爲燃料袋之燃料匯流管 4 4 (圖4 )以一個更大的迂迴燃料匯流管5 8所取代 以此種方法，、空氣及燃料匯流管5 8及4 0係分別沿著個 12 本紙張尺度適用中圉舀家標準(CNS>A4規格（210 X 297公釐） --------------裝-----—訂---- I----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 432742 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（11 ) 燃料電池，列2 6而形成可插入共酬流排結構之模 ^ 3 : _⑽㈣例〜般，，亦存在有氣流通道4 1， / j力配匯流吕5 8係與4 7棚之材料所製成但較厚. 燃料流翻樣以_圖案關之鍾5 9、。燃料密 ㈣,、塾3 6 f系用在燃料電池陣列2 6及燃料匯流管5 8之 曰2避雖料賴,燃料触燃料人口歷子6。透過燃 '=6 1流入燃料通道5 9、。燃料人口連接子6 〇係建在 正撕接觸觀3 7上，' 而軸出□連接子6 2係建在負電 接觸電極1 〇 7_L。、圖中所示,，燃料電池陣列2 6上之燃 料電極3 5係面對燃料匯流管5 8，，而空氣電極2 8係面 對端帽空氣S流管4 G。、模組2 Q 3係以固態螺栓5 4及 螺帽5 Q穿過洞4 2及3 3 :以及穿翻4 3及3 0而固 定在一起。、在此實施例中，、因燃料係透過入口連接子6 〇 送入燃料匯流管5 8中’.且透過燃料出口連接子6 2離開. ’故螺栓僅用作組件對準及壓縮以及電接觸之用。.這使得 負端電性接觸係透過接觸電極1〇7、105及32.，而 正端電性接觸係透過接觸電極3 7及2 7 β.燃料匯流管5 8亦具有內建之介質把柄6 3 ι係用以將模組1 0 3插入 或移出系統組件。. 圖9顯示一個燃料閥連接子6 4之分解圖：以及在共 同匯流排結構中與其接合之燃料閥通道區塊7 1之剖面圖· 。該燃料耦合子類似於汽車輪胎之空氣入口閥.，該閥僅在 燃料電池模組已進行氣體密封後才會打開〜該連接係設計 成具有一個0型環密口65:其使得耦合子滑入燃料供應 13 I------ - -裝-------—訂·1!! ·線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁> 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 432742 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（p) 通道區塊7 1之接合洞8 0時能夠密封。兩個按鈕6 6及 7 3相接觸且開啓閥內密口錐體6 9及外密口錐體7 9, 錐體6 9及7 9因空氣麼力及軸桿6 8及7 5周圍之彈簧 6 7及7 4而保持關閉〗當閥密封時·"氣體從孔7 〇及7 8，、以及孔箱了 2流過。，在燃料供應通道區塊7 1內；亦 包含有通道7 6以分配至閥流動通道7 7之燃料。· 圖10係顯示另二個實施例的燃料電池滑出模組10 3之系統層組件.。每個模組1 〇 3係包含兩個燃料電池陣 列2 6、.兩個空氣端帽匯流管4 〇、,以及一個燃料匯流管 5 8 .，藉著將閥連接子6 4插入接合洞8 0且以螺釘8 3 固定在適當位置上可將模組1 0 3安裝在通道區塊8 2上, …流入所有模組的空氣係從埠8 4進入通道區塊8 2 :且 從各自的空氣埠4 1離開個別的模組1 〇 3 :圖中的陰影 區域係分別顯示如圖8中所述之沿著模組1 〇 3底部及頂 部的正端及負端導電區域。如圖所示：每個模組1 〇 3之 電連接係藉著螺栓5 4及螺帽5 〇將所有導電區域壓縮在 一起所完成。模組1 0 3及通道區塊8 2之間的電連接係 藉著裝載彈簧之管腳8 4或藉著其他類似之方法所完成,， 而該管腳8 4係位在模組頂部及底部。.進出系統層組件的 電流連接係經由電線5 2及5 3所完成該電線5 2及5 3以中空螺拴4 9及5 1以及螺帽5 0連接至組件上，。燃 料及氧化劑連接係透過借助於燃料閥連接子6 4的雙重密 封連接：如前所述，，當燃料線5 5及燃料電池模組1 0 3 分離時.，連接子6 4可密封此兩者。·這些連接僅在其固定 本紙張尺度柳家標準(CNSM4規格（210 X 297公釐） ----II-------- ---I--11 --I--I-- (請先閱讀背面之注意事項#填寫本頁) A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（G) 在一起時才會開啓：如前所述、燃料係從外部燃料箱5 7 借助於燃料線5 5經由燃料閥5 6送至燃料電池堆疊進 入中空螺栓5 1以及未使用之燃料從中空螺栓4 9離開 其獨特的燃料及電流快速分離之特點’，且配合每個燃料電 池陣列2 6內建之電二極體（未顯示出）.，使得模組1 〇 3能藉著把柄6 3從運作中之模組組件移除或加入而不干 擾到系統r本發明中的關鍵性零件係在塑膠板上製造之燃 料電池，、如美國專利5 '631，099、4，673, 624及5，759，. 71 2所述之燃料電池，但不受限 於這些燃料電池。如圖1 1所示’該生產技術使得該燃料 電池能以軸至軸製造方法生產之，、類似於印刷壓印程序。 該製程可想像爲在真空系統8 5內進行，.而金屬電極與觸 媒劑係沉積在軸繞之多孔塑膠網8 6上<».在該製造過程中 ，多孔塑膠網8 6係從來源軸8 7注入真空系統8 5 .，經 過數個定位及牽引軸8 8後到拉緊軸8 9上.。在真空系統 8 5內之濺鍍材料源9 0及散熱器9 1係沿著多孔塑膠網 8 6而位在策略性的位置上：其中濺鍍遮罩9 2係用以在 燃料電池陣列26(未顯示出）上沉積適當之圖案丨電解 質亦能借助於軸繞真空沉積系統或浸漬箱而沉積之？個別 的燃料電池元件能藉著切斷燃料電池卷及組合而形成之。. 邊緣密封係預期爲熱密封’、且切割操作及熱密封操作應當 爲同一個操作9該方法的主要優點係生產及處理製造過程 中不會出現有毒且無用之副產品^ 本專利的兩個實施例提供有監測及診斷功能，，以幫助 15
Ji· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i τ —衾· ί ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210X297公釐） A7 432742 ___B7_ 五、發明說明（β ) 這些電源在操作時能保持安全。，這些元件中最簡單的係在 每個燃料電池陣列2 6之電流輸出端處所包含之二極體 該二極體避免在內部短路時電流反向流過燃料電池.。亦能 使用保險絲或限流器以避免反向電流流過陣列？亦能使用 監測元件以偵測燃料電池模組內明顯的燃料洩漏，.且關閉 該模組。爲完成此功能.，燃料閥5 6係以電連接至整個系 統的燃料電池輸出端？當燃料洩漏時，，因匯流管內的燃料 及氧化劑會混合在一起而明顯地降低電池之效能：故燃料 電池模組的電流輸出將會下降。.若因燃料洩漏而導致其中 一個閥上的螺線管的電流大幅降低：則螺線管將退出，關 閉閥且停止燃料流向燃料電池。.一道可在每個模組外部看 見之光線亦能提供燃料電池操作之簡單的指示，。而更複雜 之方法係在每個燃料電池輸出端之電流導體處加入特定應 用之積體電路形式的電子診斷電路，.以監測電池電流及電 壓階度？這些積體電路可停止故障電池以避免災難性故障 。.在較大的系統中這些診斷電路的讀出値可登錄在電腦 中，，以同時監測及控制每個個別燃料電池之效能以及整體 系統效能。·亦能使用任何更複雜之診斷槪念.，包含但不受 限於高頻通訊及/或經由匯流排輸出之非接觸無線電通訊 。·另一個可加入之特點係、故障無礙〃元件:，該元件係結 合在模組內以使得燃料電池之電流輸出經過一個開啓反應 物連接的螺線管閥’‘因此模組僅能在以外部電流輸入手動 、開動#時才能打開，’非常類似在火窯及火爐中的指示光 線〜反過來說，若電池之電流輸出掉到臨界値之下時.，模 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） I J I-----— II— -----—訂 111 J f 11 -' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 432742 A7 B7 五、發明說明（β ) 組將自動關閉,。除了可診斷及安全的特點外.，亦可包含額 外之特點’、例如以個別的電流脈衝至燃料電池而淸潔燃料 電池。，亦可加入更爲複雜之閥排列方式，.因此可選擇非反 應物的氣體連接以淨化電池及/或對燃料線"放氣"。 雖然本發明已經以參考特定實施例而詳細說明之.，但 是熟知本技術者，在不偏離下列申請專利範圍所定義之本 發明之範圍之下將能建造出本發明之修正及變動： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ^口 丁 4'v 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐）

Claims (1)

  1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 s* C8 —^__^__ 、申請專利範圍 1.一種用以釋放電能之非雙極燃料電池之堆疊設備 其包含，，燃料電池組件，.每個燃料電池組件更包含，：兩 以燃料電極側朝內及空氣電極側朝外之燃料電池陣列.， 該燃料電池陣列係以堆疊方式放置且平行的電連接至正電 及負電連接端：、中間空氣匯流管：其係裝設在燃料電池組 件之間，•而端帽空氣匯流管係裝設在堆疊之外端，，且以中 間空氣匯流管耦合至位在堆疊外端之上述燃料電池組件之 空氣側、，該空氣匯流管具有在堆疊組件內部側邊至側邊之 廷迴氣流通道；燃料匯流管，其係耦合至燃料電池組件內 上述燃料電池陣列之燃料側,；中空燃料線及壓縮螺栓，，其 係連接至燃料匯流管且延伸通過空氣匯流管及燃料電池組 件；.一個外部燃料箱：一個外部燃料控制閥；一條外部燃 \ * 料線，，其係聯接上述燃料箱及上述燃料控制閥.；一個燃料 輸入耦合子：其係連接至中空之燃料線一條外部燃料線 其係聯接上述燃料控制閥及上述燃料輸入耦合子,。 2 _如申請專利範圍第1項之設備，.其中：每個燃料 電池組件更包含：.兩個獨立之燃料電池陣列•其具有背對 背連接之空氣側及燃料電極側；.一個燃料匯流管·，其係位 在上述燃料電池之燃料電極側之間；.一個燃料側燃料襯墊 ，.其係位在每個上述燃料電池陣列及上述燃料匯流管之間 :、一個壓縮封條，、其係位在每個上述燃料電池陣列及上述 燃料匯流管之間；、且電連接更包含在上述燃料電池陣列及 上述空氣匯流管之間的正電及負電接觸連接.。 3 .如申請專利範圍第2項之設備，，其中，每個燃料 本紙張尺度逋用中國國家榡準（CNS > A4规格（21〇><297公釐） I , I H 味 (請先闐讀背面之注項再填寫本頁) Μ濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 as CS D8 六、申請專利範圍 電池陣列在燃料側燃料襯墊內更包含一個多孔塑膠基座、， 空氣側電極，.及燃料側電極；每個上述燃料電池.陣列係爲 水分保持及流動表面所覆蓋（且具有一個正電接觸電極.， 一個負電接觸電極，.一個內建保護二極體係連接至其中一 個電極上，.以及裝設及壓縮洞： 4 .如申請專利範圍第2項之設備，.其中：每個燃料 匯流管包含一個多孔塑膠燃料袋，.上述多孔塑膠燃料袋係 沿著邊緣密封之。， 5 .如申請專利範圍第1項之設備，.其中.，每個中間 空氣匯流管包含一個介質支撐結構.，兩個介質迂迴空氣通 道係位在該結構之兩側，Γ"*個可導電之正電接觸電極.，一 個可導電之負電接觸電極，.以及裝設及壓縮洞,。 6 .如申請專利範圍第1項之設備，.其中.，每個端帽 空氣匯流管包含一個介質支撐結構，.一個介質迂迴空氣通 道係位在該結構之其中一側，.一個可導電之正電接觸電極 ，一個可導電之負電接觸電極《，以及裝設及壓縮洞？ 7 .如申請專利範圍第5項之設備，*其中，，該介質迂 迴空氣通道更包含出口埠，.且使得水分從燃料電池陣列水 平轉移至上述迂迴空氣通道.，使得凝結之水分能在上述迂 迴空氣通道內濕化空氣，以使得熱量能在上述迂迴空氣通 道內轉移至暴露之空氣.，且經由出口埠將水分及熱量帶離 組件-。 8 _ —種釋放從數十瓦至數百萬瓦之大型非雙極燃料 電池之堆疊設備，其包含一個具有一個燃料供應器·、電 _____2____ 本紙張尺度逋用中國國家標牟（CNS ) A4此格（210X297公釐） 裝 訂 線 (請先閎讀背面之注^項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 __^_ 六、申請專利範圍 流連接、·及一個氣流供應器之匯流排結構;.平行連接至匯 流排結構之插入燃料電池模組’.該模組內有燃料電池陣列 、燃料流通道、‘氣流通道、‘以及電連接物,；〜個外部燃料 箱；.一個外部燃料控制閥:，一條外部燃料線，·其係聯接上 述燃料箱及上述燃料控制閥：‘一個燃料輸入耦合^，其係 連接至燃料供應器；，一條外部燃料線：其係聯接上述燃料 控制閥及上述燃料輸入耦合子、；且其中.，電連接包含正端 及負端電連接β 9 .如申請專利範圍第8項之設備’.其中.，每個燃料 電池模組包含兩個具有空氣側及燃料側之獨立燃料電池陣 列；一個燃料匯流管;、兩個空氣端帽匯流管，.其中.，上述 燃料電池陣列係夾層在上述燃料匯流管及上述端帽空氣匯 流管之間；.一個燃料襯墊封條係位在每個上述燃料電池陣 列及上述燃料匯流管之間；上述端帽空氣匯流管耦合至上 述燃料電池陣列之空氣側.，上述燃料厘流管耦合至上述燃 料電池陣列之燃料側，.其中，，上述空氣匯流管係具有從燃 料電池模組之端至端之迂迴氣流通道： 1 0 .如申請專利範圍第9項之設備：其中_，每個燃 料匯流管包含一個介質迂迴燃料流路徑，一個燃料供應通 道區塊，.一個插入燃料閥：且其中.，每個上述模組更包含 電流連接物，.可導電之正及負電壓縮接觸.，一個連接至介 質主體之介質模組把柄：以及裝設及壓縮洞，。 1 1 ..如申請專利範圍第8項之設備，.其中.，該匯流 排結構更包含可產生燃料供應連接及電連接之中空燃料及 —_______3 本纸張尺度適用中國國家樣率（CNS ) A4規格（2Ϊ0Χ；297公釐） n I I I I i n n n I i 線 (請先閲讀背&之注意事項再填寫本育) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 432742 a8 C8 D8 六、申請專利範圍 壓縮螺栓·^ 1 2 .如申請專利範圍第1 0項之設備：其中.，該電 流連接物包含一個保護二極體係用以避免反向電流流過燃 料電池組件，.以免災難性故障之發生.。 1 3 .如申請專利範圍第8項之設備，、其中.，該插入 燃料電池模組可在其所連接之電源系統運作時安裝及/或 移除。， 1 4 .如申請專利範圍第1 0項之設備：其中,，每個 燃料閥連接子更包含一個〇型環密口，個內閥組件，，一 個內密口錐體，、一個外密口錐體：氣壓彈簧•，活動軸桿，， 燃料孔，.以及一個孔箱 1 5 .如申請專利範圍第8項之設備.，其更包含：連 接至電流連接之限流電子元件：係用在發生內部短路時限 制燃料電池組件內流過之電流。、 1 6 .如申請專利範圍第8項之設備：其更包含.，將 監測元件以電連接至燃料控制閥以及連接至連接物，‘以量 測個別燃料電池之電流及/或電壓、，且當燃料電池之電流 及/或電壓改變時藉由關閉適當燃料控制閥而停止燃料供 應。. 1 7 .如申請專利範圍第8項之設備，.其中.，連接一 個乾淨氣體源至燃料控制閥，.係用以選擇非反應物之氣體 以淸潔組件：淨化燃料，，且對燃料線放氣.。 1 8 .如申請專利範圔第1 4項之設備’.其更包會， 一個a故障無礙〔啓動及停止電路係連接至燃料連接子，， _ 4_ 本尺度適用中國國家揉準(CNS ) 格（210X297公ίΤ) 111 I >—11 I: I II - I - n n n (請先聞讀背Λ·之注意^項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 其中燃料電池之輸出通過一個耦合至燃料閥之螺線管,，該 螺線管回應外部電流輸入而打開燃料閥，.而當燃料電池輸 出變化量超過容許界限時、，該螺線管關閉上述燃料閥連接 子。. 1 9 .如申請專利範圍第3項之設備，^其中：每個燃 料電池陣列係使用軸至軸製造技術生產之：該技術包含一 個基座材料來源輪軸及一個基座材料拉緊軸，其中基座材 料從來源軸轉移至拉緊軸 2 0 .如申請專利範圍第1 9項之設備：其中，，該製 造技術更包含一個網鍍膜真空腔，，其中多孔塑膠網基座材 料從基座材料源軸經由一連串之灑鍍材料源、，一連串之散 熱器、.及濺鍍遮罩而轉移至基座材料拉緊軸,。 432742 n ί I ^ 裝 „ , 訂 I 線 (請先閲讀背1之注意^項再填.？本頁) ---5 _____ 本紙張尺度逋用中11國家梯準（) Α4規格（210X297公釐）
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