TWI300278B - - Google Patents

Description

1300278 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種測試裝置，特別是指一種可以分 析電流與電位反應的燃料電池分析系統。 【先前技術】 由於能源危機與環保問題，近幾年來，不論國内、外 、寸於新此源的研發莫不投入大量人力與財力，其中更以使 用氫氧為燃料的燃料電池，為未來能源使用的趨勢。因此 ’要改善燃料電池的效能，就必須透過各項的檢測，所以 ，針對燃料電池的測試平台在國内外都擁有廣大的市場， 而需求量大增。 目刖市售的燃料電池測試系統都是分析單一燃料電池 ^全電池）、或燃料電池串、並聯電池堆的放電效能，操作 時，是依照設定提供特定流量的氣氣（或石化燃料）給燃 料電池的陽極，提供氧氣（或空氣）給燃料電池的陰極， 使待測燃料電池的内部完成電化學反應。藉此，可利用該 式系統提供一設定的電位負載，測量該燃料電池、或燃 料电池串、並聯電池堆在該電位負載下的放電性能。惟， a燃料電池測試系統在使用時仍存有下列所述的缺點·· 1、測1耗時··市售燃料電池測試系統會讓氫氣（石化 燃料）與氧氣（空氣）先通過加濕器，然後再進入待測燃 料電池的内，使得通入氣體帶有飽和水氣以充分濕潤燃 料電池内。卩的固態高分子電解質薄膜，如此氫離子才能有 效地在高分子電解質薄膜内移動。然而利用飽和水氣來充 1300278 分龍高分子電解質需要很長的時間，所以，一 池的測試總是需要耗費很長㈣間，才能在反應已達 狀況的情形下，取得具有參考價值的測試數據。

2一、耗費材料：以測試單一燃料電池（全電池）為例， 需要-片高分子電解質薄膜、一個陽極元件（觸媒/碳電極/ 集電板）與—個陰極元件（觸媒/碳電極/集電板），此外， 由於通入陽極元件與陰極元件的燃料是極危險的氫氣（或 石化燃料)與氧氣（或空氣），目此，在組裝燃料電池時需 要使用兩片鐵复龍（Teflon)墊片來防止氣體溢漏。*目前燃 料電H式所需的零組件材料，> :高分子電解質薄膜、 碳纖維布、鉑黑觸媒、鐵氟龍墊片等仍是相當的昂貴，且 經過測試後的材料不適合重複使用，因此，長期實驗會耗 費相當可觀的金錢。 3、不適合基本元件的研究：目前燃料電池研究的重點 已從早期的電池結構設計與組裝，逐漸移轉至燃料電池内 部各種元件的開發，然而市售燃料電池測試系統所得到之 分析數據為燃料電池陽極與陰極以及電解質之整體的綜合 效應’而無法測知燃料電池單一電極的效能，及基本組成 元件（如氣體擴散層、觸媒層、質導膜）對電化學反應的影響 ’有相關資訊不足、阻礙燃料電池開發優化的缺失。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種可以針對單一元 件進行分析的燃料電池分析系統。 於是，本發明的燃料電池分析系統，包含：一半電池 1300278 測試裝置、-燃料供應單元、—電化學分析單元、一溫控 單兀及殘料收集單元。該燃料供應單元是供應燃料至 該半電池測試裝置，使該半電池測試裝置產生電化學反應 。該電化學分析單元是與該半電池測試裝置電連接，且能 榻取並記錄前述電化學反應的電子訊號。該溫控單元是^ 加熱並設定該半電池測試裝置的反應溫度。該殘料收集單 元是與該半電池測試裝置連通，且能回收電化學反應後殘 存的燃料。

本發明的功效是能提昇檢測功能與操作時的簡易性。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配口參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 芩閱圖1、圖2,本發明的燃料電池分析系統的較佳實 施例包含：一半電池測試裝置1、一燃料供應單元2、一電 化子刀析單凡3、一溫控單元4，及一殘料收集單元$。 或半電池測試裝置i具有_容器n、—上夾板Η、一 工作電則反13、-下夾板14、—蓋板15、—滲壓塊Μ、 輔助電極17及-參考電極18。該容器u是容置有電解 液:該上夾板12是封閉該容器u 一端，並具有沿_轴線方 向貝穿的牙口 121。該工作極板13是與該上夾板12疊合 ’在本實施例為一種可導電、氣密、耐腐蝕的高緻密性石 墨，亚具有可供氣體流通的數孔道ι3ΐ，及形成在一頂面且 興。亥等孔4 131連通的_凹槽132。該下夾板14是與該上 1300278 夹板^置該玉作電極板13。該蓋板15是封閉該容器n 另广該渗如6是嵌置在該上央板i2的穿口 i2i内 心孔性㈣，可供電解液及氣 。該輔助電極17是_種耐翁的導體，且容置在該 内，並具有穿出該容器心一端部i7i。該參考電 塊U由該蓋板15穿置在該容器u内’且抵靠在該滲麈 鬼丨6上而位於該工作電極板13上方。 該燃料供應單元2是供應燃料至該半電池測試裝置卜 亚具有可儲存氣態燃料的一氣態儲存裝置2 燃料輸出麼力的一調壓閥22、可控 ^ P孔心 的-質流控制器23、可儲存液態燃料的液態健存裝置I 及可凋液態燃料輸出流量與輸出壓力的—定量幫浦Μ。 該電化學分析單元3具有—恆電位儀31…中控器32 ’及-電化學阻抗頻譜儀33。該但電位儀31是與該工作電 極板/3、該辅助電極17、該參考電極18電連接，且可透 過該參考電極18提供該半電池測試裝置丨_穩定的電場， 且能掏取電化學反應時的電子訊號，並將相關數據記錄於 該:控器32 β。該電化學阻抗頻譜儀33可控制前述穩定 電％產生不同頻率的振幅訊號。 該溫控單元4是具有穿置入該工作電極板13内的一加 熱棒41、可提供該加熱棒41所需電能的一溫控器a〕，及 月匕監測該工作電極板13的溫度，且將溫度數值回饋給該溫 控器42的一熱電偶43。 該殘料收集單元5具有與該半電池測試裝置1連通的 1300278 一殘氣收集裝置51與一殘液收集裝置52、一電子計量器 53,及一量筒54。該殘氣收集裝置51與該殘液收集裝置 Μ可分別时電化學反應後殘存的氣體㈣或液體燃料。 該電子計量器53是設置在該殘氣收集裝置51的進氣端， 可精確計算流人該殘氣收集裝置51的氣體量。該量筒Μ 是設置在該殘液收集裝置52的内部，可精確計算流入該殘 液收集裝置52的液體量。

首先，在此必須闡明的是，在燃料電池反應的分析領 域中，半電池是一個可控制反應發生的裝置，全電池與半 包池間的差異在於，全電池是陽極與陰極間相對反應的結 果，而半電池只專注於單一電極的反應，此電極稱為工作 電極，因此，該半電池測試裝置丨是一個電化學半電池， 而該工作電極板13可以相當於全電池的正極或負極。 檢測時，先將一試片6(如氣體擴散層、觸媒層、質導 膜…等）容置在該工作電極板13的凹槽132内，並夾置在該 滲壓塊16與該工作電極板13間。此時，只須透過該燃料 供應單元2將氣體燃料（或液體燃料）通入該工作電極板13 的孔道131内，該氣體可以視該工作電極板ι3的極性為氫 氣或氧氣。以該工作電極板13為陽極且通入氫氣為例，該 氫氣會通過該試片6，且因為陽極催化劑的作用，分解成二 個氫質子與二個電子，其中，該等質子會由該滲壓塊16擴 散至該容器1的槽室11内，及與該電解液產生反應，該等 電子則經由電路形成電流後，通過該電化學分析單元3到 達該輔助電極17，形成完整的電化學反應迴路。 1300278 由於該恆電位儀31可透過設定而藉由該參考電極18 提供該半電池測試裝置1 一個穩定的電場，因此，在此電 場下，該半電池測試裝置1會產生一相對應的電化學反應 ，藉此，該恆電位儀31同樣可以透過該參考電極ι8量測 並擷取該反應的電子訊號，並將相關數據記錄於該中控器 33内。參閱圖3〜圖5，透過該恆電位儀31的分析曲線，可 以判斷該試片6如觸媒層的活性（如圖3)、碳電極材的親 疏水性與單電極的放電性能（如圖4)、及該試片6的腐餘 性質（如圖5)…等。 而電化學阻抗頻譜儀33可發出交流訊號，使該怪電位 儀31提供給半電池測試裝置丨的穩定電場產生不同頻率的 振幅訊號，使該半電池測試裝置丨在各頻率的電場振幅下 產生相對應的反應，再透過該恒電位儀31擷取該反應的電 子訊號，並將相關數據記錄於該中控器32内。參閱圖6， 該電化學阻抗頻譜儀33的分析曲線，可以闡明在頻域 (frequency domain)中不同表面的反應過程，再配合如圖7 等效電路圖的繪製，可以對針該半電池測試裝置丨中氣體 擴散層、觸媒層、質導膜…等試片6的離子阻抗、電子阻抗 、甚至反應機制進行分析。 值得一提的是，該燃料供應單元2提供的氣態或液態 燃料經過該半電池測試裝置1 的反應後，殘餘的燃料會迴

氣恶時，可以透過該殘氣收集裝置5 ^ 1。當反應殘存的燃料為 51進氣端的電子計量器 10 1300278

，而殘氣則會進入該殘氣收集裝置51，藉此，即可分 別計算殘液與殘氣的量。 且該溫度控制單元4可以利用該溫控器42調整輪出至 。亥加熱棒41的電能功率，使該半電池測試裝置1的溫度達 到該溫控器42所設定的溫度，藉此，可以在不同的溫度條 件下，分別針對氣體擴散層、觸媒層、質導膜…等試片6的 改質、替換，作精確的分析。 據上所述可知，本發明之燃料電池分析系統具有下列 優點及功效： 1 ’則°式快速：當本發明進行測試分析時，會將液態電 解貝加入δ亥半電池測試裝置1中，以形成該輔助電極17與 該工作電極板13間的離子迴路，此時，由於液態電解質中 含有大量水分子，因此，能迅速濕潤該試片6如固態高分 子電解質薄膜，使氫離子能有效地在高分子電解質薄膜内 移動’所以’本發明可以在短時間得到穩定且正確的電極 反應數據。 2 '節省材料：由於本發明著重於單電極的反應，因此 c S > 11 1300278 如高分子電解質薄膜與-個單電極元 ff i八„茨半電池測試裝 Μ祖、、由、运ΛΛ〜 、的鐵跳龍塾片來作為防止 漏的㈣材，所以，可以節省大量的耗材費用。 二 …、貝導膜、碳電極、雙電極板等元件，分析

觸媒層的活性、碳電極材的親疏水性、單電極的放電性能 、雙電極板的抗蝕性、離子阻抗、電子阻抗、甚至反應機 制…等，能有效獲取相關資訊，優化燃料電池的開發。 以上所述只是本發明之較佳實施例而已，當不能以此 限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及 發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發 明專利涵蓋之範圍内。

12 1300278 【圖式簡單說明】 圖1疋方塊圖，說明本發明一燃料電池分析系統的 較佳實施例； '' 圖2疋该較佳實施例中一半電池測試裝置的剖視圖； 圖3是該較佳實施例測試試片的電壓_電流密度曲線圖 圖4是該較佳實施例測試試片的操作電壓_操作電流曲 線圖； 圖5是該較佳實施例測試試片的電流密度_電壓曲線圖 圖6疋该較佳實施例測試試片的阻抗曲線圖；及 圖7是該較佳實施例測試試片的等效電路圖。

13 1300278 【主要元件符號說明】

1....... •…半電池測試裝置 24 ••… …··液態儲存裝置 11 "… …·容器 25 ••… .....定量幫浦 12 …·· •…上夾板 3…… ••…電化學分析單元 121···· .·.·穿口 31 ••… ......艮電位儀 13 "… …·工作電極板 32 •.… …··中控器 131···· …·孔道 33 .•… ••…電化學阻抗頻譜儀 132···· …·凹槽 4....... ••…溫控單元 14 ••… 下夾板 41 ····. .....力口熱棒 15 "… …·蓋板 42 ••… ••…溫控器 16 "… …·滲壓塊 43 ····. ••…熱電偶 17 "… •…輔助電極 5....... …··殘料收集單元 171···· .···端部 51 ····. ••…殘氣收集裝置 18 "… …·參考電極 52 ····. ••…殘液收集裝置 2....... •…燃料供應單元 53 ····. ••…電子計量器 21 ··.·· •…氣態儲存裝置 54 … ••…量筒 22 ····、· •…調壓閥 6....... .....试片 23 ••… •…質流控制器 14

Claims (1)

1300278 十、申請專利範圍： 1· 一種燃料電池分析系統，包含： 一半電池測試裝置； 燃料供應單元，是供應燃料至該半電池測試裝置 ，使該半電池測試裝置產生電化學反應； 一電化學分析單元，是與該半電池測試裝置電連接 ，且能擷取並記錄前述電化學反應的電子訊號； 1控單元’是可加熱並設定該半電池測試裝置的 反應溫度；及 一殘料收集單元，是與該半電池測試裝置連通，且 能回收電化學反應後殘存的燃料。

依據申請專利範圍第丨項所述之燃料電池分析系統，其 中，該燃料供應單元具有可儲存氣態燃料的一氣態儲存 裝置、可調節氣態燃料輸出壓力的一調壓閥，及可控制 該氣恶燃料輸出流量的一質流控制器。 依據申明專利範圍第2項所述之燃料電池分析系統，其 中，忒殘料收集單元具有一殘氣收集裝置及一電子計量 為，该殘氣收集裝置可回收電化學反應後殘存的氣體燃 料，名電子汁量器是可精確計算流入該殘氣收集裝置的 氣體量。 4·依據申晴專利範圍第丨項或第2項所述之燃料電池分析 系統，該燃料供應單元具有可儲存液態燃料的液態儲存 裝置，及可調節液態燃料輪出流量與輸出壓力的一定量 幫浦。 15 1300278 5·依據申睛專利範圍第4項所述之燃料電池分析系統，其 中，忒殘料收集單元具有一殘液收集裝置及一量筒，該 歹欠’夜收集裝置可回收電化學反應後殘存的液體燃料，該 里筒可精確計算流入該殘液收集裝置的液體量。 6·依據申明專利範圍第1項所述之燃料電池分析系統，其 中’该電化學分析單元具有一恆電位儀及一中控器，該 恆電位儀可提供該半電池測試裝置一穩定的電場，且能 擷取⑴述電化學反應的電子訊號，並將相關數據記錄於 該中控器内。 7.依據申明專利範圍第6項所述之燃料電池分析系統，其 =，该電化學分析單元更具有一電化學阻抗頻譜儀，該 包化干阻抗頻谱儀可控制前述穩定電場產生不同頻率的 振幅訊號。 8·依據中請專利範圍第1項所述之燃料電池分析系統，其 中4 /jnL控單元具有可傳導熱能至該半電池測試裝置的 加熱棒、可提供該加熱棒所需電能的一溫控器，及能 監測孩半電池测試裝置的溫度，並將溫度數值回饋給該 溫控器的一熱電偶。 9.依據中專利|&圍第丨項所述之燃料電池分析系統，其 中’该半電池測試裝置具有容置電解液的-容器、容置 在該容器内且可改變極性的一輔助電極、容置在該容器 内且與該電化學分析單元電連接的—參考電極，及與該 電解液相式片且可改變極性的—工作電極板，該工 作電極板是可導人燃料，使該燃料透過該試片與該電解 16 1300278 液產生电化學反應，而與該辅助電極形成一反應迴路。 10.依射請專利範圍第9項所述之燃料電池分析系統，其 中，該半電池測試裝置更具有夾置該工作電極板的一上 夾板舁下夾板，使該試片容置在該上夾板與該工作電 極板間，該上夹板是封閉在該容器一端，並具有沿一軸 線方向貫穿且相對該試片的一穿口。 11. 依據f請專利範圍第1G項所述之燃料電池分析系統，其 巾’該半電池測試裝S更具有嵌置在該上夾板冑口内的 一滲壓塊，該滲壓塊是一種耐腐蝕且不導電的多孔性材 料，可供電解液及氣體滲透。 12. 依據申請專利範圍第9項所述之燃料電池分析系統，其 中，该工作電極板是一種高緻密性石墨，並具有可供反 應物流通的數孔道，及形成在一頂面且與該孔道連通的 一凹槽，該凹槽是相對於該試片。 13·依據申請專利範圍第9項所述之燃料電池分析系統，其 中，該半電池測試裝置更具有封閉該容器另一端的一蓋 1板。 盍 17 (1 > 1300278 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：圖（1 )。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 電化學阻抗頻譜儀 溫控單元 加熱棒 溫控器 熱電偶 殘料收集單元 殘氣收集裝置 殘液收集裝置 電子計量器 量筒 1 ............半電池測試裝置 33......... 2 ............燃料供應單元 4........... 21 ..........氣態儲存裝置 41......... 22 ..........調壓閥 42......... 23 ..........質流控制器 43.........

24 ..........液態儲存裝置 5........... 25 ..........定量幫浦 51......... 3 ............電化學分析單元 52......... 31 ...........r亙電位儀 53......... 32 ..........中控器 54......... 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：