TWI407621B - Used in direct methanol fuel cell pneumatic micro-pump and its direct methanol fuel cell - Google Patents

Description

應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦及其直接甲醇燃料電池

本發明係關於燃料電池裝置，特別係關於一種具氣動式微幫浦的直接甲醇燃料電池裝置。

中華民國發明專利案公告號I232005「積層整合式直接甲醇燃料電池的製造方法及其積層整合式直接甲醇燃料電池」，乃揭露一種積層整合式直接甲醇燃料電池的製造方法包括下列步驟：使用印刷電路板的材料材質，製作成型出流道槽/溶液槽層；製作質傳電解質層；利用印刷電路板的製程，製作控制電路層；將分別所製作出來的流道槽/溶液槽層、質傳電解質層、以及控制電路層等各層，接合成積層整合式直接甲醇燃料電池。

美國專利早期公報US2004/0062964A1「直接甲醇燃料電池系統(Direct Methanol Fuel Cell System)」，乃揭露一種直接使用甲醇溶液的燃料電池系統，其設置燃料供應單元(Fuel supply Unit)用來輸送甲醇溶液，且輸送的手段係利用幫浦。

本發明發明人有鑑於上述相關習知技藝對於小型化甚至於微型化的直接甲醇燃料電池的實現，乃仍有未逮之處，因此發明人亟思改良，而發明一種特別適用於小型化甚至於微型化直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，以及發明改良出一種具氣動式微幫浦的小型化甚至於微型化直接甲醇燃料電池。

本發明提供一種直接甲醇燃料電池與應用在該直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，讓小型化甚至於微型化的直接甲醇燃料電池乃更容易實現。

為達成本發明上述目的，本發明提供一種應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，包括：底板；一幫浦以及一控制模組，皆係固設該底板，其中該幫浦係受控於該控制模組，以及該幫浦與該控制模組係用於分別對一第二板體的該些第二流道分別注入或停止注入一空氣；一第一板體其基材係一防水薄膜，以及係堆疊在該底板上，以及係設置一第一流道，其中該第一流道係用來流通一甲醇溶液；該第二板體其基材係一防水薄膜，以及係堆疊在該第一板體上，以及係設置至少一條以上的該第二流道，其中該些第二流道係用於當受到該空氣的壓迫時導致防水薄膜壓縮，進而使得該些第二流道分別輪替地壓迫到位於該第一流道內的該甲醇溶液，如此使得該甲醇溶液產生流動。

再者，本發明提供一種包含如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦的直接甲醇燃料電池，包括：該氣動式微幫浦、一陽極流道板、一第一集電片、一膜電極組、一第二集電片、一陰極流道板，係自上而下堆疊一起。

為使　貴審查委員對本發明之構造、特徵及其使用功效有更深一層的認識與瞭解，茲舉較佳之可行實施例並配合圖式詳細說明如下：

第一圖顯示本發明直接甲醇燃料電池的立體圖，第二圖顯示本發明直接甲醇燃料電池的分解圖，第三圖顯示本發明應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦的立體圖，以及第四圖顯示本發明應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦的分解圖。本發明直接甲醇燃料電池10主要利用氣動式微幫浦20，來做為推動甲醇溶液流動的動力源，由於本發明氣動式微幫浦20在結構特徵上的特點，使得直接甲醇燃料電池10能夠得以更為輕易地實現小型化直接甲醇燃料電池，甚至於小型化直接甲醇燃料電池。茲先詳細說明本發明的氣動式微幫浦20，氣動式微幫浦20乃包括：幫浦20a、控制模組20b、底板202、第一板體203、以及第二板體201，茲分別說明如下內文。

幫浦20a的主要功能是提供流動的空氣源，而控制模組20b是用來控制幫浦20a。控制模組20b乃可至少由控制器(Controller)、至少一個以上閥(Valve)等所組成。所述控制器對所述每個閥予以控制，分別以預定頻率將閥打開或將閥關閉，如此使得幫浦20a所提供的空氣源能夠依據控制模組20b的預定規則，來分別對第二板體201的該些第二流道201b分別注入空氣或是停止注入空氣。幫浦20a與控制模組20b乃可固設在底板202上，而幫浦20a例如可採用習知低功率空氣幫浦。

請配合參見第三、四圖，第一板體203係堆疊在底板202上，以及設置有第一流道203b。第一板體203可採用防水薄膜基材，例如為聚二甲基矽氧烷(Polydimethysiloxane，PDMS)薄膜。第一板體203挖設一條凹槽來做為第一流道203b，而第一流道203b是用來流通甲醇溶液。第一板體203鑽孔鑽設該些貫通孔203a來做為進氣管路的一部份，並且鑽設貫通孔203c來做為出氣管路的一部份。

第二板體201係堆疊在第一板體203上，以及設置有至少一條以上的第二流道201b。同樣地，第二板體201可採用所述防水薄膜基材。第二板體201挖設複數條凹槽來做為該些第二流道201b，而該些第一流道201b是用來流通所述空氣。第二板體203鑽孔鑽設該些貫通孔201a來做為進氣管路的一部份，而該些貫通孔201a是分別位於該些第二流道201b的末端處。第二板體203鑽孔鑽設貫通孔201c來做為出氣管路的一部份，而貫通孔201c是位於該些第二流道201b的另一末端處，並且該些第二流道201b一起共用貫通孔201c。第二板體203鑽孔鑽設二個貫通孔201d、201e來做為流體管路的一部份，該些貫通孔201d、201e的設置位置乃分別對應於第一流道203b的兩個末端，並且該些貫通孔201d、201e是分別相通於第一流道203b的兩個末端。

再者，第二板體201挖設一條凹槽來做為流道201g，並且於流道201g的末端設置一個入口201f，而流道201g的另一末端則是與貫通孔201e相通。流道201g與入口201f是用來做為所述流體管路的一部份。

底板202的材質例如可選擇壓克力、金屬、硬質塑膠、玻璃纖維的其中一種。底板202鑽孔鑽設該些貫通孔202a來做為所述進氣管路的一部份，而該些貫通孔202a是分別對應於該些貫通孔203a與該些貫通孔201a，並且該些貫通孔202a是分別與對應的該些第二流道201b相通。底板202鑽孔鑽設貫通孔202b來做為所述出氣管路的一部份，而貫通孔202b是分別對應於貫通孔203c與貫通孔201c，並且貫通孔202b是與該些第二流道201b相通。

接著說明本發明氣動式幫浦20如何使得所述甲醇溶液產生流動，請參見第五A至五D圖。外部的甲醇溶液可自201f入口注入，然後流經流道201g、貫通孔201e，而流入於第一流道203b的末端。請配合參見第五B圖，在第一時間階段中，幫浦20a與控制模組20b使得所述空氣注入至最左側的第二流道201b(網點標示的第二流道201b)，最左側第二流道201b當受到所述空氣的壓迫時，導致防水薄膜壓縮，進而使得最左側第二流道201b壓迫到第一流道203b，如此使得外部的甲醇溶液注入至第一流道203b。接著，請配合參見第五C圖，在第二時間階段中，幫浦20a與控制模組20b仍維持對最左側的第二流道201b(網點標示的第二流道201b)注入所述空氣，同時對中間第二流道201b(網點標示的第二流道201b)注入所述空氣，最左側第二流道201b與中間第二流道201b當受到所述空氣的壓迫時，導致防水薄膜壓縮，進而使得最左側第二流道201b與中間第二流道201b一起壓迫到第一流道203b，如此使得位於第一流道203b的甲醇溶液產生流動。

接著，請配合參見第五D圖，在第三時間階段中，幫浦20a與控制模組20b仍維持對中間的第二流道201b(網點標示的第二流道201b)注入所述空氣，同時對最右側第二流道201b(網點標示的第二流道201b)注入所述空氣，並且對最左側第二流道201b停止注入空氣。最右側第二流道201b與中間第二流道201b當受到所述空氣的壓迫時，導致防水薄膜壓縮，進而使得最右側第二流道201b與中間第二流道201b一起壓迫到第一流道203b，同時，最左側第二流道201b已恢復原來流道的形狀，不會壓迫到第一流道203b，如此使得位於第一流道203b的甲醇溶液產生流動。最後甲醇溶液流出於第一流道203b，然後自貫通孔201d流出於氣動式幫浦20。

透過幫浦20a與控制模組20b的運作，該些第二流道201b分別輪替地壓迫到位於第一流道203b內的甲醇溶液，如此使得甲醇溶液能夠沿著預定方向流動，請參見第五B圖至第第五D圖的箭頭線，其代表甲醇溶液的流動方向與流動狀態。外部的甲醇溶液自入口201f注入，流經流道201g、貫通孔201e、第一流道203b，最後自貫通孔201d流出於氣動式幫浦20。所述流體管路即由入口201f、流道201g、貫通孔201e以及貫通孔201d所組成。

所述空氣乃流經該些貫通孔202a、該些貫通孔203a、以及該些貫通孔201a，而流入於該些第二流道201b。所述進氣管路即由該些貫通孔202a、該些貫通孔203a、以及該些貫通孔201a所組成。

流通於該些第二流道201b的所述空氣可經由貫通孔201c、貫通孔203c、以及貫通孔202b排出於氣動式幫浦20。所述出氣管路即由貫通孔201c、貫通孔203c、以及貫通孔202b所組成。排出的所述空氣可進一步利用其它管路(圖未顯示)，將其導引至直接甲醇燃料電池的陰極流道，如此則可進一步有助於陰極所需燃料的供應。

底板202、第一板體203、以及第二板體201可採行積層壓合技術手段而壓成密接一起，或是採行螺合手段而螺緊一起。

接著詳細說明本發明的直接甲醇燃料電池10，直接甲醇燃料電池10乃包括：氣動式微幫浦20、陽極流道板101、第一集電片103、膜電極組105、第二集電片107以及陰極流道板109，上述該些組件係自上而下堆疊一起。為了易於了解本發明起見，我們定義了模組10a，而模組10a乃包括：陽極流道板101、第一集電片103、膜電極組105、第二集電片107以及陰極流道板109。茲分別詳細說明該些組件，如下內文。

直接甲醇燃料電池10所使用的氣動式微幫浦20已在上文揭露，因此不再重述。

陽極流道板101乃設置有陽極流道101c、貫通孔101a以及出口101b。由於貫通孔101a是與貫通孔201d相通，因此來自氣動式幫浦20所輸送過來的甲醇溶液可自貫通孔101a流入，然後流經陽極流道101c，最後自出口101b流出。陽極流道板101可採行習知相關技藝而製作。

第一集電片103與第二集電片107可採行習知相關技藝而製作，例如採用具複數個鏤空孔洞的網絡結構的金屬片。

膜電極組105可直接採用習知具質子交換膜的膜電極組。

陰極流道板109乃設置有複數個通孔109a，以讓空氣可流入至膜電極組105的陰極。陰極流道板109可採行習知相關技藝而製作。再者，陰極流道板109係可被具陰極流道之蓋板所取代。

再者，模組10a可進一步包含一片防水薄膜110，防水薄膜110係夾置於氣動式微幫浦20與陽極流道板101之間，防水薄膜110可用來提昇氣動式微幫浦20與陽極流道板101兩者的密接程度。防水薄膜110乃設置有貫通孔110a，貫通孔110a是用來讓甲醇溶液通過。防水薄膜110可採用防水薄膜基材，例如為聚二甲基矽氧烷(Polydimethysiloxane，PDMS)薄膜。

上述的氣動式微幫浦20、陽極流道板101、第一集電片103、膜電極組105、第二集電片107以及陰極流道板109，可採行積層壓合技術手段而壓成密接一起，或是採行螺合手段而螺緊一起。

請參見第六圖，氣動式微幫浦20帶動甲醇溶液40的流動，燃料槽30的甲醇溶液40通過入口201f，而流入至氣動式微幫浦20的內部，位於氣動式微幫浦20內部流動的甲醇溶液40自貫通孔201d流出，然後自貫通孔101a而流入於陽極流道板101，然後流經陽極流道101c，並且自出口101b流出，最後流回燃料槽30。

為了易於了解本發明起見，上述氣動式幫浦20與直接甲醇燃料電池10僅採以一個膜電極組來做為範例說明。然而經由了解本發明精神後，凡熟悉該項技藝人士者，能夠輕易完成增加第一板體203的第一流道203b數量以及第二板體201的第二流道201b數量，來加以改變設計，使得能夠應用到具多個膜電極組的直接甲醇燃料電池，凡此變化範疇，乃仍屬於本發明。

本發明的直接甲醇燃料電池由於使用特別設計的氣動式微幫浦，因此使得小型化甚至於微型化的直接甲醇燃料電池乃更容易實現，此即為本發明進步所在。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能用以限定本發明可實施之範圍，凡熟悉於本技藝人士所明顯可作變化與修飾，皆應視為不悖離本發明之實質內容。

10．．．直接甲醇燃料電池

10a．．．模組

20．．．氣動式微幫浦

20a．．．幫浦

20b．．．控制模組

30．．．燃料槽

40．．．甲醇溶液

101．．．陽極流道板

101c．．．陽極流道

101a．．．貫通孔

101b．．．出口

103．．．第一集電片

105．．．膜電極組

107．．．第二集電片

109．．．陰極流道板

109a．．．通孔

110．．．防水薄膜

110a．．．貫通孔

202．．．底板

203．．．第一板體

203a．．．貫通孔

203b．．．第一流道

203c．．．貫通孔

201．．．第二板體

201a．．．貫通孔

201b．．．第二流道

201c、201d、201e．．．貫通孔

201g．．．流道

201f．．．入口

第一圖顯示本發明直接甲醇燃料電池的立體圖。

第二圖顯示本發明直接甲醇燃料電池的分解圖。

第三圖顯示本發明應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦的立體圖。

第四圖顯示本發明應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦的分解圖。

第五A至五D圖顯示本發明氣動式微幫浦在運作時，甲醇溶液如何產生流動的斷面圖。

第六圖顯示本發明直接甲醇燃料電池的應用狀態示意圖。

10．．．直接甲醇燃料電池

10a．．．模組

20．．．氣動式微幫浦

101b．．．出口

201f．．．入口

Claims (10)

1. 一種應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，包括：一底板；一幫浦以及一控制模組，皆係固設該底板，其中該幫浦係受控於該控制模組，以及該幫浦與該控制模組係用於分別對一第二板體的至少一條以上的第二流道分別注入或停止注入一空氣；一第一板體，其基材係一防水薄膜，以及係堆疊在該底板上，以及係設置一第一流道，其中該第一流道係用來流通一甲醇溶液；該第二板體，其基材係一防水薄膜，以及係堆疊在該第一板體上，以及係設置該至少一條以上的第二流道，其中該至少一條以上的第二流道係用於當受到該空氣的壓迫時導致防水薄膜壓縮，進而使得該些第二流道分別輪替地壓迫到位於該第一流道內的該甲醇溶液，如此使得該甲醇溶液產生流動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，其中該幫浦與該控制模組係用於分別以一預定頻率對該第二板體的該些第二流道分別注入或停止注入該空氣。
3. 如申請專利範圍第1項所述之應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，其中該底板的材質係選自一壓克力、一金屬、一硬質塑膠、一玻璃纖維的其中一種。
4. 如申請專利範圍第1項所述之應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，其中該底板、該第一板體、以及該第二板體係積層壓合一起，或係螺合一起。
5. 如申請專利範圍第1項所述之應用於直接甲醇燃料電池的氣動式微幫浦，其中該些第二流道，係連通於一出氣管路，以及自該出氣管路流出的該空氣，係輸送至一直接甲醇燃料電池的陰極流道。
6. 一種包含如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦的直接甲醇燃料電池，包括：該氣動式微幫浦、一陽極流道板、一第一集電片、一膜電極組、一第二集電片、一陰極流道板，係自上而下堆疊一起。
7. 如申請專利範圍第6項所述之直接甲醇燃料電池，其中該陰極流道板，係可被具陰極流道之蓋板取代。
8. 如申請專利範圍第6項所述之直接甲醇燃料電池，其中該氣動式微幫浦、該陽極流道板、該第一集電片、該膜電極組、該第二集電片、該陰極流道板，係積層壓合一起，或係螺合一起。
9. 如申請專利範圍第6項所述之直接甲醇燃料電池，其中該膜電極組，係一具質子交換膜的膜電極組。
10. 如申請專利範圍第6項所述之直接甲醇燃料電池，進一步包括一防水薄膜，係夾置於該氣動式微幫浦與該陽極流道板之間。