TWI337784B - Fuel cell - Google Patents

Description

1337784 PT793 22236twf.doc/t 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種燃料電池（fuel cell)，且特別是 有關於一種質子交換膜型燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)。 【先前技術】

以質子交換膜型燃料電池來說，主要是包括一膜電極 組（membrane electrode assembly, MEA )，而膜電極組主 要是由一質子交換膜（proton exchange membrane, PEM)

以及兩電極層所構成。兩電極層包括一陽極層以及一陰極 層，且兩電極層分別配置於質子交換膜的兩侧。陽極層之 燃料（如甲醇或氫氣）會藉由觸媒產生化學反應而產生氫 離子與電子。其巾，驗子會穿過f子交賴㈣往陰極 層:而電子财經由f路通往陰極層。接著，氫離子與電 子藉由觸媒與陰極層之氧氣產生化學反應而產生水。此 B夺’燃^電池會因電子的流動而形成可_之電流。 值，意的是’ f知燃料電池通常都是利用風扇或 發崎需之燃料(如甲醇或氣氣)與陰 ====持續輸送至陽極層與陰極 泵浦都會消耗_雷他^m，、、而自於風扇與 池實際輸所產生的電能，因此，f知燃料電 是利用電能驅‘的’由，扇與泵浦都 易影響燃料電池整體的可靠“二=哥命皆較低，容 PT793 22236twf.doc/t 除此之外，風扇與果浦均需夢由 速以配合燃料電池的發電量，s 工70件控制其轉 電能的控制方式較為複雜。 .“、討電也内部之 【發明内容】 電池，以使其 轉動，以提供 本發明的-目的’就是在提供一種燃料 不需要消耗額外的電源即可使扇葉（blade) 空氣給陰極。 露的技術 本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭 特徵中得到進一步的了解。 為達上述之-或部份或全部目的或是其他目的 明提出-種燃料電池，包括至少—膜電極組、—輪送管、又 -泵浦以及-連動裝置（linkage a腿gement卜膜電極組 包括一陽極層、一陰極層以及一配置於陽極層與陰極層之 間之電解質層（electrolyte layer)。泵浦適於使—流體在 輸送管中流動，以提供陽極層所需之燃料。連動裝置包括 一第一扇葉、至少一第二扇葉以及一連接件。第—扇葉配 置於輸送管内並位於流體之流動路徑上，且流體適於推動 第一扇葉轉動。第二扇葉配置於輸送管外，而連接件適於 連接第一扇葉與弟一扇葉，以使弟一扇茶帶動第二扇葉轉 動，進而帶動空氣流經陰極層。 電解質層為一質子交換膜，而陽極層包括一陽極觸媒 層（catalyst layer)及一陽極氣體擴散層（gas diffusion layer, GDL) ’且陰極層包括一陰極觸媒層及一陰極氣體擴散 層。流體為曱醇溶液。 1337784 PT793 22236twf.doc/t 輪送管更具有一連接於陽極層之反應槽。膜電極組的 數置為多個，且這些膜電極組呈陣列排列於反應槽之—側 或相對兩侧。弟二扇葉的數量為二個，且這些第二扇葉適 於分別帶動空氣流經反應槽之相對兩側之所有陰極層。 第—扇葉為軸流風扇（axial fan)、鼓風扇（bl〇Wer) 或渴輪（tobine)之扇葉，或是其他可被流體推動而旋轉 之構件，而第一扇葉為軸流風扇或鼓風扇之扇葉，或是复 他可有效引起空氣流動之構件。 〜 連接件為—轉軸’且轉軸連接於第—扇葉與第二 值ΓΗ或者，連接件包括一第一轉轴、一第二轉轴及二 動皮▼。其中，第一轉軸連接於第一扇葉，而第二 ^妾於第二扇葉，且第—轉轴與第二熟藉由傳動皮帶連 =㈣中’由於連動裝置之第一扇葉是 = ㈣使流體在輪送管中流動時 =而帶娜經陰極層。故本發明不需 、厂即可提供陰極層反應時所需要的氧氣 、 易懂其他目的、特徵和優點能更明顯 明如下。 貫蝴’並配合所_式，作詳細說 【實施方式】 ，參考圖】與圖2,本發明第—實 包括至少-膜電極組⑽、—輸 〈簡電池％ 200、—泵浦3〇〇與一 8 1337784 PT793 22236twf.doc/t 連動裝置400a。膜電極組100包括一陽極層】】〇、一陰極 層120與一配置於陽極層丨1〇與陰極層12〇之間之電解質 層130。泵浦300適於使一流體（未繪示）在輸送管2〇〇 中沿箭頭202所示方向流動，並使流體流經陽極層11〇， . 以提供膜電極組】〇〇之陽極層1】0所需之燃料。連動裝置 ' 400a包括一第一扇葉410、至少一第二扇葉420與一連接 件430。第一扇葉410配置於輸送管200内並位於流體之 φ 流動路徑上，第二扇葉420配置於輸送管2〇〇外，而連接 件430適於連接第一扇葉410與第二扇葉42〇。流體適於 推動第一扇葉410轉動，以使第一扇葉4】〇帶動第二扇葉 轉動420 ’進而帶動空氣流經陰極層12〇。 ' 於此實施例中，膜電極組100與第二扇葉42〇的數量 皆為一個，且第一扇葉410與第二扇葉420例如是鼓風扇 之扇葉。第一扇葉410與第二扇葉420例如是藉由一連接 件430連接，且連接件430例如是一轉軸，連接於第一扇 隹 葉410與弟一扇葉420之中心，以使第一扇葉41 〇與第二 扇葉420之轉速與旋轉方向皆相同。第二扇葉42〇例如是 • 平行於膜電極組1〇〇配置。再者，燃料電池i〇a更包括一 電性連接至泵浦300之控制單元（未繪示），且控制單元 ， 適於控制泵浦300之轉速。當泵浦300使流體在輸送管2〇〇 • 中沿箭頭202所示方向流動時，流體會推動第一扇葉4】〇 ，動。此時，第一扇葉410會藉由連接件430帶動第二扇 葉420轉動，以使第二扇葉“ο帶動空氣沿箭頭a〕方向 流經陰極層120,進而提供陰極層120反應時所需之氧氣。 1337784 PT793 22236twf.doc/t 更詳細而言，電解質層l3〇例如是用以傳輸氫質子之 質子交換膜’陽極層110例如是包括一陽極觸媒屬]14及 -陽極氣體擴散層U2，而陰極層12Q例如是包括一陰極 觸媒層124及-陰極氣體擴散層122。再者，陽極層^ • 與陰極層120外可分別配置一多孔性集電板14〇、15〇,其 • 主要材料為碳，以提高陽極層110與陰極層120之導電性。 除此之外，輸送管200例如是具有一連接於陽極層11〇之 • 反應槽210,而反應槽210内例如是具有流道（夫合） 以^流體與陽極層m之接觸面積。其d未述 =例 如是柵狀式流道（column fl〇w field, CFF)、蛇行式流道 (serpentine flow field, SFF)、分岔式流道（丨咖池咖㈣ flow field, IFF)或其他流道結構。 舉例來說，當燃料電池l〇a為直接曱醇燃料電池時， 流體例如是曱醇溶液，而電解質層130 (質子交換膜）的 材質例如是高分子膜。再者，陽極觸媒層114的材質例如 是翻/釕（Pt/Ru)合金、外鍍鉑/釕合金之碳材微粒、外鍍 鉑之碳材微粒或其他合適之材料，而陰極觸媒層124的材 質例如是鉑合金、外鍍鉑合金之碳材微粒、外鍍鉑之碳材 • 微粒或其他合適之材料。此外，多孔性集電板14〇、150 ’ 的材質例如是導電材質，如鈦（Ti )及其合金，或任何具 有防甲醇腐蝕處理之金屬，或以積層式電路板製程所製作 之多孔性集電板140、150 (表面鍵金）。陽極層no之反 應生成物二氧化礙可經由此多孔性集電板140之孔洞處排 除’而陰極層120之反應原料氧氣亦可經由此多孔性集電 1337784 ^*793 22236twf.doc/t 板150之孔洞與陰極觸媒層i22接觸。 由上述實施例中可知，燃料電池10a中之連動裝置 400a提供空氣給陰極層〗2〇時並不需要消耗額外的電能， 因此，本發明可減少燃料電池〗〇3發電時所消耗的電能， 進而提昇燃料電池l〇a實際輸出時之發電效率。再者，由 * 於連動裝置40此並非靠電能驅動，而是藉由流體的推動而 旋轉，因此，連動裝置4〇〇a之可靠度與使用壽命皆較高， • 而不會影響燃料電池l〇a之可靠度與使用壽命。此外，控 制單元只需控制泵浦300之運轉，而且，當燃料電池i〇a 之發電量改變時，控制單元只需控制泵浦3〇〇之轉速即可 同時調整陽極層110與陰極層12〇之反應速率，因此，燃 料電池10a内部之電能的控制方式較為簡單。 凊參考圖1與圖3’本發明第二實施例之燃料電池1〇b 其結構大致上與圖2中之燃料電池10a相同，而二者不同 之處在於膜電極組1〇〇與第二扇葉42〇的數量皆為二個。 齡其中，膜電極組1〇〇分別配置於反應槽21〇之相對兩側， 且膜電極組1〇〇之陽極層11〇連接於反應槽21〇。再者， • 第二扇葉42〇分別配置於第一扇葉410之相對兩側，以使 第二扇葉420適於分別帶動空氣流經對應之膜電極组1〇〇 ’ 之陰極層120。 月多考圖4與圖5 ’本發明第三實施例之辦料電池1 其結構大致上與圖丨與圖2中之燃料電池收=池而= 者不同之處在於本實施例中之連動裝置4Q%之結 达官200之配置方式與第一實施例不同，即連動裝置4〇〇b 1337784 PT793 22236twf.doc/t 中之第二扇葉420為軸流風扇之扇葉，而連接件43〇包括 一第一轉軸432、一第二轉軸434及一傳動皮帶436。第一 轉轴^32連接於第一扇葉410，而第二轉軸434連接於第 二扇葉420 ’且第一轉軸432與第二轉軸434藉由傳動皮 帶436連接。其中，第一轉軸432與第二轉軸434之外徑 不同，以使第一扇葉410與第二扇葉42〇具有不同的轉速。 再者:由於第二扇葉420為軸流風扇之扇葉，因此，當第 一扇葉410藉由連接件43〇帶動第二扇葉42〇轉動時，第 二扇葉420適於帶動空氣沿箭頭422方向流經陰極層120。 請參考圖6與圖7,本發明第四實施例之燃料電池i〇d 之結構大致上是與圖1與圖2中之燃料電池10a相同，而 二者不同之處在於膜電極組1〇〇之數量。於此實施例中， 膜電極組100之數量為三個，且膜電極組1 〇〇例如是以1 χ3 的陣列排列於反應槽210之一側。 請參考圖6與圖8,本發明第五實施例之燃料電池1〇e 之結構大致上是與圖3中之燃料電池】〇b相同，而二者不 同之處在於膜電極組〗〇〇之數量。於此實施例中，膜電極 組1〇〇之數量為六個，且膜電極組1〇〇例如是以1χ3的陣 列分別排列於反應槽210之相對兩側。 然而，本發明並不僅限於上述實施例。舉例來說，第 一扇葉410不僅可以是軸流風扇或渦輪之扇葉，還可以是 ，他可被流體推動而旋轉之構件，而第二扇葉42〇亦可以 是其他可有效引起空氣流動之構件。再者，連接件4〇〇a、 400b更可以包括齒輪組’以使第一扇葉41 〇與第二扇葉4如 12 PT793 22236twf.doc/t 的齒輪結構而具有不同的轉速，更可以具有不同 輪組與傳動皮Ϊί，連接件、傷更可以是轉轴、齒 不僅限於上數每^組合。除此之外，膜電極組100之數量 多於兩個。^例’而且，第二扇葉420的數量亦可以 所述，本發明之燃料電池具有至少下列優點： 電池少，H之燃料電池中會消耗電能之裝置較習知燃料 ;因此，本發明之發電效率較高。 流體的推動而旋：2裝J並，電能驅動，而是藉由 皆較高。 匕，連動裝置之可靠度與使用壽命 當燃料電池之3量U二疋只需控制泵浦之運轉，而且’ 速即可同時調整=二，單元只需控_ 電池内部之電能的控射;較心應速率’因此，燃料 脫離本發明之精神和範圍：=中具有通常知識者’在不 因此本發明之保護範圍田可作些4之更動與潤飾， 為準，另外本發明的任二，之中請專利範圍所界定者 本發明所揭露之全部目的申請專利顧不須達成 和標題僅是用來輔助專利C點。此外，摘要部分 發明之權利範圍。 变尋之用，並非用來限制本 【圖式簡單說明】 1337784 PT793 22236twf.doc/t 圖1為本發明第一實施例之一種燃料電池之結構示意 圖。 圖2為圖1燃料電池之側視示意圖。 圖3為本發明第二實施例之一種燃料電池之侧視示意 圖。 圖4為本發明第三實施例之一種燃料電池之結構示意 圖。 圖5為圖4燃料電池之側視示意圖。 圖6為本發明第四實施例之一種燃料電池之結構示意 圖。 圖7為圖6燃料電池之側視示意圖。 圖8為本發明第五實施例之一種燃料電池之側視示意 圖。 【主要元件符號說明】 l〇a ' l〇b、l〇c、i〇d、l〇e :燃料電池 100 :膜電極組 110 .陽極層 112 :陽極氣體擴散層 114 :陽極觸媒層 120 :陰極層 122 :陰極氣體擴散層 124 :陰極觸媒層 130 :電解質層 140、150 :集電板 1337784 PT793 22236twf.doc/t 200 :輸送管 202、422 :箭頭 210 :反應槽 300 :泵浦 400a、400b :連動裝置 410 :第一扇葉 420 :第二扇葉 430 :連接件 432、434 :轉軸 436 :傳動皮帶 15

Claims (1)

1337784 PT793 22236t^/,jvl 十、申請專利範圍： —種燃料電池，包括： 至少一膜電極組，包括： 一陽極層； 一陰極層；以及 一電解質層，配置於該陽極層與該陰極層之間； 一輸送管； 一栗浦’適於使一流體在該輸送管中流動，以提供該 陽極層所需之燃料；以及 一連動裝置，包括： 一第一扇葉’配置於該輸送管内並位於該流體之流動 路徑上，I該流體適於推動該第一扇葉轉動； 至>、第一扇葉，配置於該輸送管之外；以及 A斤一連接件，適於連接該第一扇葉與該第二扇葉，以使 §玄第一扇葉透過該連接件帶動該第二扇葉轉動，進而帶動 空氣流經該陰極層。 2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該電 $質層為一質子交換膜，該陽極層包括一陽極觸媒層及一 陽極氣體擴散層’該陰極層包括一陰極觸媒層及一陰極氣 體擴散層，該流體為甲醇溶液。 3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該輸 送管更具有一連接於該陽極層之反應槽。 4. 如申請專利範圍第3項所述之燃料電池，其中該膜 電極組的數量為多個，且該些膜電極組呈陣列排列於該反 16 1337784 PT793 22236twf.doc/t 應槽之一側。 5. 如申請專·圍第3項所以 電極組的數量為多個，且該，電柄W池其中°亥膜 應槽之相對兩側。 ⑹呈陣列排列於該反 6. 如申請專利範圍第5項所述之蚴 二扇葉的數量為二個，麟些第二，也’其中該第 « 流經位於該反應槽之㈣兩側之該些陰=分別帶動空氣 7. 如申请專利範圍第1項所述之杨二、 -扇葉為轴流風扇、鼓風扇或渦輪之屬葉“ ’也’其中該第 8:如申請專利範圍第丨項所述、料㈣ 二扇葉為軸流風扇或鼓風扇之扇葉。 / /、中邊第 9. 如申請專利範圍第丨項所述之物 接件為一轉軸，且該轉軸連接於該第〜、二池，其中該連 之中心。 屬茱與該第二扇葉 10. 如申請專利範圍第丨項所述之蝣 接件包括一第一轉軸、一第二轉軸及〜傳…池’其中該連 轉軸連接於該第一扇葉，該第二轉軸連帶，該第一 且該第一轉軸與該第二轉軸藉由該傳動皮帶二扇葉， 17