TWI423512B

TWI423512B - 燃料電池

Info

Publication number: TWI423512B
Application number: TW100125810A
Authority: TW
Inventors: Hsiao Kang Ma; Jyun Sheng Wang; Wei Han Su; Wei Yang Cheng
Original assignee: Hsiao Kang Ma
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2014-01-11
Also published as: TW201306369A

Description

燃料電池

本發明係有關一種燃料電池，特別有關一種壓電式離子交換膜燃料電池。

燃料電池是一種將化學能直接轉變成電能的裝置，不需充電，只要持續的補充燃料（通常是用氫氣）及氧化劑（一般可用空氣中的氧氣），即可連續發電。所補充的燃料及氧化劑並不需要經過燃燒反應的過程，而是燃料與氧化劑發生電化學反應產生電流。

電化學反應係伴隨著電荷轉移的化學作用，電子及離子以不同的反應路徑完成電荷的轉移。燃料電池的反應過程中，燃料與氧化劑不可混合，而是分開進入燃料電池中，個別在電池的陽極及陰極產生反應。燃料經電化學反應後產生電子，電子經由電極及外線路流向另一電極與氧化劑反應，氧化劑接受電子，產生反應，並由電池內的電解質傳導離子，形成電池運轉的迴路。

燃料電池中燃料與氧化劑的電化學反應速率甚低，需借助於催化劑加速，因此需要陽極觸媒與陰極觸媒。燃料電池的生成物是水，此產生的水分不可滯留在觸媒表面上，才能騰出空間讓反應物再度進駐觸媒表面，因此燃料電池所產生之水分的移去為影響反應快慢的因素之一。

壓電式質子交換膜燃料電池（PZT-PEMFCs）係將壓電片附加在燃料電池陰極板腔體之上，利用壓電材料的形變，使燃料電池陰極板腔體體積產生變化，如此腔體內的壓力亦產生變化，進而讓空氣能進出燃料電池之陰極雙極板，提供燃料電池運轉所需之氧氣，並不會造成額外的體積。

壓電片的價格比空氣泵低廉，可以降低整體的成本，且壓電片質量很輕，附加在碳板上即可使空氣進入燃料電池中，無需再額外增加空氣泵，減輕了整體的重量，而且壓電片在作動時並不會產生很大的噪音，所以燃料電池運作時，噪音也大為降低，在現今如此重視環保的時代，低噪音、低污染也是此項設計的一大優勢。

本發明之主要目的，在於使用單一一個壓電薄膜組可同時驅動兩個電池單元進行反應所需空氣，使燃料電池體積較小且發電量更大。

為達上述之目的，本發明提供一種燃料電池，包括：第一電池單元、第二電池單元及配置於第一電池單元與第二電池單元之間的壓電薄膜組，其中第一電池單元與第二電池單元個別包括陰極板、陽極板及交換膜片；壓電薄膜組包括壓電片、震動膜、陰極集電板、第一支撐板及第二支撐板。第一電池單元與第二電池單元之位置關係係以個別的陰極板正面相對排列。

第一電池單元與第二電池單元中的陰極板，其正面上具有凹陷狀之一陰極腔體，陰極腔體連通有噴嘴流道及擴散流道。陰極腔體內設有複數穿孔，供空氣通過進入燃料電池內部，於交換膜片的膜電極組上進行電化學反應。陰極板上的噴嘴流道為喇叭狀，噴嘴流道之大入口與陰極板的腔體連通，噴嘴流道的小入口與陰極板外部連通。陰極板腔體之一側與喇叭狀之擴散流道的小入口連通，而擴散流道的大入口與陰極板外部連通。

陽極板係配置於陰極板背面，陽極板正面上具有陽極腔體，腔體中具有蜿蜓流道，蜿蜓流道的兩端各具有一貫穿陽極板的二入孔，二入孔與陽極板背面之第一流道及第二流道的一端連通，第一流道及第二流道的另一端各具有一進氣孔。提供燃料例如氫氣由進氣孔進入燃料電池內部，於交換膜片的膜電極組上進行電化學反應。

交換膜片係夾固於陰極板背面與陽極板正面之間，交換膜片上具有對應陽極板的陽極腔體之膜電極組。膜電極組具有五層，中間是傳導氫離子的高分子膜，兩旁各為陽極觸媒層與陰極觸媒層及相對應的氣體擴散層。

配置於第一電池單元與第二電池單元之間的壓電薄膜組，包括壓電片、震動膜、陰極集電板、第一支撐板及第二支撐板，第一支撐板與第二支撐板分別配置於第一電池單元之陰極板與第二電池單元之陰極板上，壓電片係配置於震動膜上，震動膜配置於陰極集電板上。在壓電片受外部驅動產生震動時，壓電片使震動膜產生上下震動時，形成壓縮幫浦狀態，可以將外部的空氣吸入燃料電池內部，於膜電極組上進行電化學反應。

陰極集電板係配置於壓電薄膜組的第一支撐板與第二支撐板之間，陰極集電板具有一開口，該開口之一表面的一側具有一凹陷部，凹陷部與開口相通。凹陷部可提供壓電片產生震動的空間。

本發明之燃料電池可進一步包括二陽極集電板。第一陽極集電板，於正面上設有二出孔，二出孔對應於第一電池單元之陽極板背面的二進氣孔，二出孔貫穿第一陽極集電板並與第一陽極集電板背面的二入孔相連通。同理，第二陽極集電板，於正面上亦設有二出孔，二出孔對應於第二電池單元之陽極板背面的二進氣孔，二出孔貫穿第二陽極集電板並與第二陽極集電板背面的二入孔相連通。

茲有關本發明之詳細說明及技術內容，現配合圖式說明如下：

請參閱第一、二圖，係本發明之燃料電池分解及組合外觀立體示意圖。也請參閱第三、四圖之陰極板、陽極板放大示意圖。如圖所示：本發明之燃料電池，包括：第一電池單元1、第二電池單元2及配置於第一電池單元1與第二電池單元2之間的壓電薄膜組3，其中第一電池單元1包括第一陰極板11、第一陽極板13及第一交換膜片15；第二電池單元2包括第二陰極板21、第二陽極板23及第二交換膜片25；壓電薄膜組3包括壓電片31、震動膜33、陰極集電板17、第一支撐板35及第二支撐板37。第一電池單元1與第二電池單元2之位置關係係以其第一陰極板11與第二陰極板21正面相對排列。

第一陰極板11之正面上具有一凹陷狀之陰極腔體113，陰極腔體113連通有噴嘴流道115及擴散流道117。陰極腔體113內設有複數穿孔1131，供空氣通過進入燃料電池內部。第一陰極板11上的噴嘴流道115為喇叭狀，噴嘴流道115之大入口1151與第一陰極板11的陰極腔體113連通，噴嘴流道115的小入口1152與第一陰極板11外部連通。第一陰極板11之陰極腔體113之一側與喇叭狀之擴散流道117的小入口1171連通，而擴散流道117的大入口1172與第一陰極板11外部連通。同理，第二電池單元2的第二陰極板21之結構與第一電池單元1的第一陰極板11者相同。第一陰極板11與第二陰極板21係由碳材質製成。第一陰極板11與第二陰極板21上設有複數通孔119、219與第二陽極集電板29的鎖固孔295相對應。

第一陽極板13係配置於第一陰極板11背面，第一陽極板13正面上具有陽極腔體131，腔體中具有蜿蜓流道132，蜿蜓流道132的兩端各具有一貫穿第一陽極板13的二入孔1321、1322，二入孔1321、1322與第一陽極板13背面之第一流道133及第二流道134的一端連通，第一流道133及第二流道134的另一端各具有一進氣孔1331、1341。操作時提供燃料例如氫氣由進氣孔1331、1341進入燃料電池內部。同理，第二電池單元2的第二陽極板23之結構與第一電池單元1的第一陽極板13者相同。第一陽極板13與第二陽極板23上分別設有複數通孔135、235與第二陽極集電板29的鎖固孔295相對應。

第一交換膜片15係夾固於第一陰極板11背面與第一陽極板13正面之間，第一交換膜片15上具有對應第一陽極板13的陽極腔體131之膜電極組151。膜電極組151具有五層，中間是傳導氫離子的高分子膜，兩旁各為陽極觸媒層與陰極觸媒層及相對應的氣體擴散層（圖未示）。同理第二交換膜片25之結構與第一交換膜片15者相同。

配置於第一電池單元1與第二電池單元2之間的壓電薄膜組3，包括壓電片31、震動膜33、陰極集電板17、第一支撐板35及第二支撐板37，第一支撐板35與第二支撐板37分別配置於第一電池單元1之第一陰極板11與第二電池單元2之第二陰極板21上，壓電片31係配置於震動膜33上，震動膜33配置於陰極集電板17上開口171的一側之凹陷部172上。第一圖所示者係將震動膜33配置於第二支撐板37的一開口371上。在壓電片31受外部驅動產生震動時，壓電片31使震動膜33產生上下震動時，形成壓縮幫浦狀態，可以將外部的空氣吸入燃料電池內部，於膜電極組上進行電化學反應。

陰極集電板17係配置於壓電薄膜組3的第一支撐板35與第二支撐板37之間，陰極集電板17具有一開口171，該開口171之一表面的一側具有一凹陷部172，凹陷部172與開口171以震動膜33隔開。開口171與開口351及凹陷部172與開口371可提供壓電片31產生震動的空間。

本發明之燃料電池可進一步包括兩片陽極集電板19、29。第一陽極集電板19，於正面上設有二出孔191、192，二出孔191、192對應於第一電池單元1之第一陽極板13背面的二進氣1331、1341，二出孔191、192貫穿第一陽極集電板19並與第一陽極集電板19背面的二入孔193、194相連通。同理，第二陽極集電板29，於正面上亦設有二出孔291、292，二出孔291、292對應於第二電池單元2之第二陽極板23背面的二進氣孔2331、2341，二出孔291、292貫穿第二陽極集電板23並與第二陽極集電板29背面的二入孔293、294相連通。第一陽極集電板19具有複數個通孔195與該第二陽極集電板29上具有複數個鎖固孔295相對應。

透過鎖固件4穿過第二陽極集電板29的鎖固孔295與第二陽極板23的通孔235、第二交換膜片25的通孔252、第二陰極板21的通孔219、第二支撐板37的通孔372、陰極集電板17的通孔173、第一支撐板35的通孔352、第一陰極板11的通孔119、第一交換膜片15的通孔152、第一陽極板13的通孔135及第一陽極集電板19的通孔195，可以將各層板鎖固在一起，形成一膜電極組燃料電池。

請參閱第五圖與第六圖，第五圖係本發明之燃料電池的壓電片未動作之示意圖；第六圖係本發明之燃料電池的壓電片往上動作及往下動作之示意圖。如第六圖所示：在壓電薄膜組3受外部控制裝置(圖中未示)驅動時，該壓電片31帶動震動膜33產生震動，形成壓縮泵浦狀態可以將外部的空氣吸入燃料電池內部。當壓電片31使震動膜33往上鼓起，外部空氣經由第一陰極板11的二入孔1152、1172流入陰極腔體113中，由於第一陰極板11的噴嘴流道115與擴散流道117因與外部壓力差的關係，使得由擴散流道117進入第一陰極板11的陰極腔體113的空氣量較少，由噴嘴流道115進入第一陰極板11的陰極腔體113的空氣量多。

震動膜33往上鼓起的同時，會造成第二陰極板21的陰極腔體內部壓力變大，由於第二陰極板21的噴嘴流道與擴散流道因與外部壓力差的關係，使得由擴散流道流出第二陰極板21的陰極腔體的空氣量較多，由噴嘴流道流出第二陰極板21的陰極腔體的空氣量少，讓水氣不會滯留在第二陰極板21的陰極腔體中，使得反應產生的電流大。故此情況下，第二陰極板21的擴散流道為震動膜33往上鼓起時空氣的主要出口，第一陰極板11的噴嘴流道11 為空氣的主要入口。

反之，當壓電片31將震動膜33往下拉，外部空氣經由第二陰極板21的二入孔流入陰極腔體中，由於第二陰極板21的噴嘴流道與擴散流道因與外部壓力差的關係，使得由擴散流道進入第二陰極板21的陰極腔體的空氣量較少，由噴嘴流道進入第二陰極板21的陰極腔體的空氣量多。

震動膜33被往下拉的同時，會造成第一陰極板11的陰極腔體內部壓力變大，由於第一陰極板11的噴嘴流道115與擴散流道117因與外部壓力差的關係，使得由擴散流道117流出第一陰極板11的陰極腔體113的空氣量較多，由噴嘴流道115流出第一陰極板11的陰極腔體113的空氣量少，讓水氣不會滯留在第一陰極板11的陰極腔體113中，使得反應產生的電流大，故此情況下第一陰極板11的擴散流道117為震動膜33被往下拉時空氣的主要出口，第二陰極板21的噴嘴流道為空氣的主要入口。

上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧第一電池單元

2‧‧‧第二電池單元

3‧‧‧壓電薄膜組

4‧‧‧鎖固件

11‧‧‧第一陰極板

13‧‧‧第一陽極板

15‧‧‧第一交換膜片

17‧‧‧陰極集電板

19‧‧‧第一陽極集電板

21‧‧‧第二陰極板

23‧‧‧第二陽極板

25‧‧‧第二交換膜片

29‧‧‧第二陽極集電板

31‧‧‧壓電片

33‧‧‧震動膜

35‧‧‧第一支撐板

37‧‧‧第二支撐板

113‧‧‧陰極腔體

115‧‧‧噴嘴流道

117‧‧‧擴散流道

119‧‧‧通孔

131‧‧‧陽極腔體

132‧‧‧蜿蜓流道

133‧‧‧第一流道

134‧‧‧第二流道

135‧‧‧通孔

151‧‧‧膜電極組

152‧‧‧通孔

171‧‧‧開口

172‧‧‧凹陷部

173‧‧‧通孔

191‧‧‧出孔

192‧‧‧出孔

193‧‧‧入孔

194‧‧‧入孔

195‧‧‧通孔

219‧‧‧通孔

235‧‧‧通孔

252‧‧‧通孔

291‧‧‧出孔

292‧‧‧出孔

293‧‧‧入孔

294‧‧‧入孔

295‧‧‧通孔

351‧‧‧開口

352‧‧‧通孔

371‧‧‧開口

372‧‧‧通孔

1131‧‧‧穿孔

1151‧‧‧大入口

1152‧‧‧小入口

1171‧‧‧小入口

1172‧‧‧大入口

1321‧‧‧入孔

1322‧‧‧入孔

1331‧‧‧進氣孔

1341‧‧‧進氣孔

2331‧‧‧進氣孔

2341‧‧‧進氣孔

第一圖，係本發明之燃料電池分解示意圖。

第二圖，係本發明之燃料電池組合外觀立體示意圖。

第三圖，係本發明之第一陰極板放大示意圖。

第四圖，係本發明之第一陽極板放大示意圖。

第五圖，係本發明之燃料電池的壓電片未動作之示意圖。

第六圖，係本發明之燃料電池的壓電片往上及往下動作之示意圖。