TW508864B - Direct methanol fuel cell system and method of fabrication - Google Patents
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508864 A7 B7 五、發明説明（1 ) 本申請案已申請於7/1 8/2000申請之美國專利申請案第 09/61 8399 號。 發明領域 本發明係關於燃料電池，尤其是關於直接曱醇燃料電池 系統，及製造該系統之方法，其中之電能係經由消耗氣態 或液態燃料產生。 發明背景 燃料電池通常爲''電池替代品〃，且如電池般，經由電 化學法，在未燃燒下產生電力。所用之電化學法條件爲合 併空氣中之氫質子與氧。該方法係使用夾在二電極（亦即陽 極與陰極）間之質子交換膜（PEM)達成。已知之燃料電池爲 電力之永久供給者。一般係使用氫當作燃料產生電力，且 可由甲醇、天然氣、石油、或以純氫氣儲存進行。直接甲 醇燃料電池（DMFCs)利用氣態或液態甲醇當作燃料，因此 不需要昂貴之在升操作。DMFCs提供較簡單之PEM燃料系 統，較低之重量、有效率的製造，及因此較低之成本。 標準DMFC中，將甲醇之稀釋水溶液當作燃料飼入陽極面 (第一個電極）上，且陰極面（第二個電極）暴露在強制或週遭 空氣（或02)中。一般使用naflon型質子傳導薄膜分離陽極與 陰極面。可依電力需要串聯或並聯許多此等燃料電池。 一般之DMFCs設計係在高溫下以強制空氣流之大型堆疊 。較小型空氣吸收DMFC設計更複雜。依傳統PEM燃料電池 ，係在燃料電池组件間以導電板連接堆疊，以氣體分佈用 之渠道或套管機製。一般傳統之燃料電池包括陽極（H2或甲 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 508864 A7 B7 五、發明説明（2 ) 醇面）電流收集器，陽極烘烤、薄膜電極組件（MEA)(陽極/ 離子傳導薄膜/陰極）、陰極烘烤、及陰極電流收集器。各燃 料電池可約爲1.0 V。爲得到較高之電壓，燃料電池一般均 以串聯（雙極性-正對負）堆疊在另一電池之上。一般之燃料 電池亦可並聯（正對正）堆疊，得到較高之電力，但通常均簡 單的使用較大之燃料電池。 直接甲醇燃料電池操作過程中，係在陽極端使用稀釋之 甲醇水溶液（一般3-4%甲醇）當作燃料。若甲醇濃度過高， 則會有甲醇腐蝕之問題，而降低燃料電池之效率。若甲醇 濃度太低，則陽極端之燃料電池反應之燃料不足。現有 DMFC設計係針對強制空氣流乏較大型堆疊。空氣之吸入愈 小，則DMFC之設計更不容易達成，因爲使可攜型應用之系 統小型化之複雜度高。針對帶有極稀甲醇混合物形式燃料 之可攜帶式用途需攜帶大量之燃料，其在可攜帶應用之電 源小型化上並不實際。使DMFC系統小型化需分開攜帶甲醇 及水，且將其就地混合供應燃料電池反應。燃料電池反應 且使燃料電池反應中產生之水循環後，除水擴散經過薄膜 外，水燃料混合物之循環對於系統小型化亦爲需要。 據此，本發明之目的係提供直接曱醇燃料電池系統之設 計，其中至少一.直接甲醇燃料電池係整合在小型化系統之 中。 本發明之目的係提供一種直接甲醇燃料電池系統，該系 統包含微小渠道及空隙，及使帶燃料之流體混合、栗浦且 循環之微流體技術。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 裝 訂
線 508864 A7 B7 五、發明説明（3 ) 本發明之另一目的係提供定向不靈敏之直接甲醇燃料電 池系統。 本發明又另一目的係提供其中所有系統組件均含在基礎 部份，如陶瓷基礎部份中之直接甲醇燃料電池系統。 本發明又另一目的係提供製造直接甲醇燃料電池系統之 方法，該方法包含之步驟爲提供微渠道及空隙，且於其中 進行帶燃料之流體混合、泵浦及循環之微流體技術。 發明概要 燃料電池排列裝置及形成包含基礎部分，且形成單一體 且具有主要表面之燃料電池排列裝置之方法中了解，可至 少部分解決上述問題及其他，及上述目的及其他。基礎部 分之主要表面上形成至少一薄膜電極組件。流體供給渠道 係界定在基礎部份中，且與將帶燃料之流體供給到至少一 薄膜電極組件中之至少一薄膜電極組件相連。排放渠道係 界定在基礎部份中，且與至少一薄膜電極組件相連。排放 / 渠道與流體供給渠道分離，排出來自至少一薄膜電極組件 中之流體。薄膜電極組件及共操作之流體供給渠道及共操 作之排放渠道形成單一燃料電池組件。另外包含頂部，該 頂部包含許多電組件，其係用於許多形成之燃料電池組件 之電力整合。 附圖之簡要敘述 參考以下圖示：· 圖1係依據本發明，在包含許多微流體渠道之單一基礎部 分上形成許多直接甲醇燃料電池裝置之簡化剖面圖； -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 五、發明説明（ 分!:爲二據？明，在包含許多微流體渠道之單-基礎部 二成早-直接甲醇燃料電池裝置之簡化剖面圖；及 圖馬成明本發明系統之簡圖。 敘述 參考附圖，圖1説明一本發明之 T料電池系統之簡單剖•尤 ::接甲醇燃料電池(一般以12代表)之平面堆疊排⑽。燃 ^、也12係在基礎部分14上形成，各燃料電池均12均與相 ^"^料％池12以至少1毫米之距離分離。應了解依所需之 ::輸出’任合數量之燃料電池12均可自圖2中説明之一燃 料電池（本文討論者）至許多燃料電池製備，形成平面排列之 燃枓電池。基礎部分14之材料係經設計，使之無法渗到燃 電力燃料電池12所用氧化劑材料之混合物中。一般之 含風燃料/氧化劑混合物係用在電力燃料電池12中。燃料電 池12消耗以產生電力之適當燃料爲含氫之材料如氫、甲烷 及甲醇。該特殊實彳列中，燃料電池12之燃料爲甲醇。基礎 邵分14一般係由玻璃、塑料、矽、陶瓷、或任何其他適用 足材料形成。特殊具體例中，平面堆疊之排列10係由各個 句、料笔’也薄膜電極組件（MEA)(圖2中討論）界定之至少 二直接甲醇燃料電池12組成，據此，平面堆疊排列1〇包含 一燃料電池薄膜電極組件。 基礎部分14中形成許多如説明之微流體渠道。尤其，基 礎部分14中形成第一流體入口 30及第二流體入口 3 i，且均 與流體供給渠道32流體相連。流體供給渠道32係使用技藝 本紙張尺度適财g g家標準(CNs) Μ規格(加〉< 挪公爱） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 508864 A7 __B7 五、發明説明（5 ) 中習知之標準技術，於基礎部分Η中形成，如多層陶變技 術，微機製或射出模製技術。流體供給渠道3 2將帶有燃料 之泥體34供給到至少二分離邵分之燃料電池ι2之各個中。 該特殊實例中，帶燃料之流體34包括直接由甲醇槽35及水 槽37輸送之甲醇及水。混合室36係以與如説明之流體供給 渠道3 2微流體相通之形式’於基礎邵分14中形成。依較佳 具體例，帶燃料之流體34微含0.5%至4.0%甲醇之水（96〇/〇-9 9 · 5 %)。其目的係以〇 · 〇 〇 2毫升/分鐘之速率，將甲醇聚浦到 整體組件10中’且以0.098毫升/分鐘之速率將水泵浦到組件 10中（2%對98%)。燃料電池1〇亦可使用其他燃料，如氯或乙 醇’但應注思乙醇之效率不南’無法如使用甲醇般產生高 的電力。該特殊實例中，係使用分離之甲醇槽35及水槽37 ，供給帶燃料之流體34。甲醇係以給定之速率泵浦，且以 甲醇濃度感應器3 9測定之需求添加水。甲醇濃度感應器3 9 可協助保持甲醇在混合物中之比例。甲醇及水在流到各個 單獨之燃料電池12中前，於混合室3 6中均勻的混合。應了 解流體供給室32將帶燃料之流體34相等且同時輸送到各單 獨形成之燃料電池12中。 另外’基礎部分14中形成依與至少二分離之燃料電池！ 2 之各個相連之排放渠道3 8。排放渠道3 8係用於自：t然料電、、也 1 2移除廢氣產物42，亦即二氧化碳及水/甲醇混合物。操作 過程中，廢氣產物在二氧化碳分離室44中分離成水/甲醇混 合物46及二氧化碳氣體48。接著，氣體48經由廢氣出口 52(如氣體可滲過之薄膜）排出，且水/甲醇混合物46循環碎 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（21〇χ297公釐） - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 A7
發明説明 過循％渠运53(因此其中包含泵浦54，如MEMS泵浦，或逆 止閥型組件），回到混合室36中。另外，微流體相連爲氣㈣ 可透過之水回收系統56，及水回收回流渠道58。水回收= 統56用於自燃料電池12之陰極端收集水，且將其導向水回 收=流渠道58中’如說明。水回收回流渠道58與分離室料 及最終之混合室36微流體相通。 水/甲醇⑨合物循環，接著於燃料室中反應，及擴散經過 陰極Cjc〈循5幕對於系統小型化爲必須。期望燃料輸送系 、·无包含曱醇槽35及水槽37形式之甲醇及水，其係以可攜可 拋棄式S式裝置攜帶，經管線連到基礎部分14中。 燃料電池排列•一般係以其一部份形&四個獨立之燃 料包池12，其總基礎部分14之尺寸約爲η公分公分 5 a刀，解單竭之燃料電池面積爲4 X 1.5_2.〇平方公分 。各單獨之燃料電池12均可產生約〇·5 V及22.5 —之 參考圖2，其係説明一般以1〇，表示之包含單一燃料電 ”’且件12又燃料電池系統。應了解如圖1中説明之第一具 例〈所有組件均與圖2巾説明之該特殊具體例之組件類似 士以相同數目表不 '所加之上標表示不同之具體例。燃 ，池W包括由第一個電極18(包含碳布背襯19、薄膜2〇， 、、f生貝子傳導之電解質薄膜）及第二個電極22(包含碳布 親23)1料電池薄膜電極組件16。第-及第二電極18及 係包：選自包含鉑、鈀、金、鎳、碳化鎢、釕、鉬及鉑 鈀、金、鎳、碳化鎢、鉬及釕之合金。薄膜2〇尚如形成 508864 五、發明説明（ 芬（nafion)類材料般敘述，其可避免嫁斜ή ^ 一 ^ 』避兄从枓自然料電池12,之陽 松场（罘一电極18)滲透到陰極端（第二電極22)。 該特殊實例中之薄膜電極組件16係配置在基礎部分⑷之 $上王表面26中形成之凹陷24中。該揭示預㈣膜電極組 牛可配置在基礎部分14'之主表面26上，而不會形成凹陷 。该例中，分離物（未顯句㈣於防止_電極狀 完全壓縮。 平面堆疊排列10'尚包含頂部，尤其，在該特殊具體例中 ’配置現有之電流收集器28,以覆蓋薄膜電極組件Μ。較 佳具體例中揭示現有之電流收集器28，其係在各單獨形成 2科電池薄膜電極組件16上不連續的形成。較佳具體例 中尚揭π現有之電流收集器28，其係包括穿孔敏擅之塗佈 金（不銹鋼。另外應了解期望現有收集器28可由任一種導 電材料形成。 製造過程中，單獨之燃料電池薄膜電極組件_使用直 f上漆法或熱壓法形成。尤其，多數第-電極18係在基礎 4分14 (王表面26中形成或與其接觸配|。各種材料均適 用於形成電極18。適用之材料包含銘、！巴、金、鎳、碳化 鎢、釕、鉬及此等材料之各種合金。 、依該特’具體例’即針對列舉之目的，各多數第一電極 中見U馬2.0么刀χ2_〇公分。當平面堆叠1〇,包含許多燃料 电池12,時’如先前針對圖1討論者’在相鄰燃料電池12間包 含約〇·5毫米至1毫米之分隔。 由貝子傳導私解^形成之薄膜2〇(亦稱之爲質子交換薄膜 裝 訂 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇 χ 297公釐） 8 五、發明説明（ (::))係包括奈芬類材料。薄膜20如先前所敘般，用於 22中燃料自然料電池12之陽極18滲到燃料電池12之陰極 其次’薄膜f極組件16之製造過程中，會形成許多與相 j應〈許多第—電_共操作之第二電極U。所形成第二 、:广尺寸約與相對應之第一電極18相同。應了解如敘 燃料薄膜電極組件16均包括第—電_、薄膜取 弟一廷極22。 佳2 ’電流收集器28係相對於第二電極22配置。電流收 :…厚度至少爲〇」毫米，且長度係依燃料電㈣ 許多燃料電池12，均可使用以蒸發錢射沉積之 =“料分界。適用之材料爲金（AU)、銀（Ag)，銅（cu)、 而2種其他低電阻材料、電極材料之整體電阻及電極之 ㈣會支配現有電流收集之種類，使電阻損耗爲最小。另 外’本揭示預期爲達到許多直接甲醇燃料電池12，間之 導電環氧樹脂，及壓著、金屬線連結、襟帶連結、 ='可:ΓΓ夾式夾具形成圖案。應了解期望燃 而二、:系列連結或部分連結(依所需之最終電壓 =廷分界。爲達到許多燃料電池12，之電 :個弟二電極22均與相鄰之第一電極18電連接，) ,面串聯’增加燃料電池排列1〇，之輸出電壓，或各第一 =8均綱之第—電極18電連接，且各第二電極η均2 二電極22電連接，因此使電介面並 料 電池排列10’之輸出電壓。 …'竹 本紙張尺度適财S g家標準(CNS) 297公爱) -11 - 508864 A7 B7 五、發明説明（9 ) 參照圖3，其係説明本發明系統細節之簡化圖。説明者爲 與混合式微流體相通之甲醇槽35及水槽37。前樹脂混合桶 36係用於達到甲醇及水之適當比例。一旦適當的混合36， 帶燃料之流體經過流體供給室流向燃料電池12。利用選用 之MEMs類泵浦40以協助該流動。裝置濃度感應器39，協助 偵測甲醇之濃度，及帶燃料流體之溫度。帶燃料之流體接 著到達燃料電池堆疊12，且產生電力。電力供給到DC-DC 轉換器62中，將產生之電壓轉換成可攜式電子裝置充電用 之使用電壓，如手機60，且包含其一部份之可充電電池64 。操作過程中，消耗之流體經過排放渠道排相二氧化碳分 離室及且排出二氧化碳，一般以44表示。另外，水係自燃 料電池12之陰極端及分離室44回收，且經過循環渠道循環 回到混合室36中。該流體循環消耗來自水槽37之水較少， 且因此較不需補充水槽37。 據此，本揭示爲燃料電池系統及提供系統製造之製造方 法，其條件爲包含在平整表面上形成單一燃料電池或許多 燃料電池，因此可在單一平整表面上得到較高之電壓及電 流。尤其，該設計使系統簡化，其中消耗之燃料部分分離 成循環可用之副產物，亦即水，因此在供給水之消耗及補 充上較少。另外，本發明揭示本發明之系統爲含半自動之 系統，且在定向上不靈敏，因此使系統可輕易移動，如當 對可攜帶式電子裝置提供電力時。 雖然已呈現及敘述本發明之特定具體例，但熟習本技藝 者可進行其他改良及改善。但因此需了解本發明並不限於 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 508864 A7 B7 五、發明説明（1Q ) 顯示之特殊形式，且本發明將以附屬之申請專利範圍以含 改所有改良，且所有改良均不離本發明之精神及範圍。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
Claims (1)
- 508864 第090117450號專利申請案 中文申請專利範圍修正本（91年6月)申請專利範圍 1. 一種燃料電池系統.，包括： 由單一體形成且具有主表面之基礎部分； 至少一在基礎部分之主表面上形成之燃料電池薄膜電極 組件； 界定在基礎部份中，且與至少一燃料電池薄膜電極 組件相通之流體供給渠道，該流體供給渠道包含混合室 及至少二帶燃料之流體入口； 界定在基礎部份中·，且與至少一燃料電池薄膜電極 組件相通之排放渠道，該排放渠道包含水回收及循環系 統，排放渠道與自至少一燃料電池薄膜電極組件排放流 體用之流體供給渠道分離，該至少一燃料電池薄膜電極 組件及共操作之流體供給渠道及共操作之排放渠道形成 單一燃料電池組件； 燃料電池組件之電整合用之在基礎部份中形成之許 多電組件。 2. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其中之基礎部 分包括選自包含陶瓷、塑料、玻璃及矽之材料。 3. 如申請專利範圍第2項之燃料電池系統，又其中在基礎 部分之主表面上形成之至少一燃料電池薄膜電池組件包 含許多在基礎部分之主表面上形成之燃料電池薄膜電極 組件，且其中許多燃料電池薄膜電極組件之各個均與相 鄰燃料電池薄膜電極組件分離至少1毫米。 4. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其中之燃料電 池薄膜電極組件包含第一電極、與第一電極相鄰之由傳 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 508864 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 導質子之電解質形成之薄膜、及與薄膜接觸之第二電極 Ο 5. 如申請專利範圍第4項之燃料電池系統，其中之第一及 第二電極包括選自包含鉑、鈀、金、鎳、碳化鎢、釕、 J目及始、免、金、鎳、碳化物、I目及贫之合金。 6. 如申請專利範圍第5項之燃料電池系統，其中之薄膜覆 蓋包括質子交換類材料之第一電極。 7. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其中帶燃料之 流體包括藉由分離之甲醇源與分離之水源供給，且就地 混合之曱醇及水之混合物。 8. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其中界定在基 礎部份中，且與燃料電池薄膜電極組件相通之流體供給 渠道包含甲醇濃度感應器。 9. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其中界定在基 礎部分中，且與燃料簡持薄膜電極組件相通之排放渠道 上包含二氧化碳分離室及二氧化碳排放口。 10. 如申請專利範圍第1項之燃料電池系統，其中之水回收 及循環系統提供燃料電池消耗之水及乙醇混合物循環回 到混合室中。 11. 一種燃料電池排列裝置，包括： 由單一體形成且具有主表面之基礎部分，該基礎部 分係由選自包含陶瓷、塑料、玻璃及矽之材料形成； 至少一在基礎部分之主表面上形成之燃料電池薄膜 電極組件，該至少一燃料電池薄膜電極組件包含第一電 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 裝 訂 •線 508864 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 極、與第一電極接觸且由傳導質子之電解質形成之薄膜 、及與薄膜接觸之第二電極； 界定在基礎部份中，且與至少一燃料電池薄膜電極 組件相通之供給帶燃料之流體到達至少一燃料電池薄膜 電極組件之流體供給渠道，該流體供給渠道尚包含第 一個帶燃料之流體入口及第二個帶燃料之流體入口及 混合室；界定在基礎部份中，且與至少一燃料電池薄膜電極 組件相通之排放渠道，該排放渠道與流體供給渠道分離 ，用於排放來自至少一分離之燃料電池薄膜電極組件之 流體，該排放渠道尚包含與至少一燃料電池薄膜電極組 件之第二電極相通之水回收及循環組件，合併至少一燃 料電池薄膜電極組件及共操作之流體供給渠道及共操作 之排放渠道，形成單一燃料電池組件；及 包含許多用於電整合許多形成之燃料電池組件之電 組件之頂部。12. —種製造燃料電池排列裝置之方法，包括之步騾為： 提供由選自包含陶瓷、塑料、玻璃及矽之材料形成 之基礎部分； 在基礎部分上形成燃料供給渠道，用於供給帶燃料 之流體到至少一燃料電池薄膜電極組件中，該流體供給 渠道尚包含混合室及甲醇濃度感應器； 在基礎部份中形成排放渠道，該排放渠道與流體供 給渠道分離，用於排放來自至少一分離之燃料電池薄膜 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 64 8 8 ο 5 A B c D 々、申請專利範圍 電極組件之流體，該排放渠道尚包含用於回收及循環消 耗之帶燃料流體之水回收及循環系統； 在基礎部分之主表面上形成至少一燃料電池薄膜電 極組件，形成至少一分離之燃料電池薄膜電極組件之步 騾包含在基礎部分之主表面上提供第一電極，提供與第 一電結接觸，且由傳導質子之電解質形成之薄膜，及提 供與薄膜接觸之第二電極之步騾，該至少一燃料電池薄 膜電極組件及共操作之流體供給渠道及共操作之排放渠 道，形成單一燃料電池組件；及 形成包含許多用於電整合許多形成之燃料電池組件 之電組件之頂部。 -4- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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