TWI427856B

TWI427856B - 調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元

Info

Publication number: TWI427856B
Application number: TW099143721A
Authority: TW
Inventors: Chiu Feng Lin; Shu Feng Lee; Yao Tso Wu
Original assignee: Univ Nat Pingtung Sci & Tech
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2014-02-21
Also published as: TW201225408A

Description

調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元

本發明係關於一種鋅空氣燃料電池，特別是一種可調控電解液濃度之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元。

能源的使用大多仰賴石化燃料的燃燒，然而，石化燃料燃燒後所產生的過多二氧化碳儼然已成為環境污染的元兇，因此，現今人們不斷尋找潔淨的替代能源(例如太陽能、自然能發電及燃料電池等)以減緩對環境造成的污染，其中，該燃料電池係直接由化學能轉變為電能，而該燃料電池具有高密度之能量且其對環境幾乎無污染，因此，多數業界係投入燃料電池的研究領域，以期望獲得具有較佳反應效能之燃料電池。

多數燃料電池的選擇係以鋅空氣燃料電池為主，該習知鋅空氣燃料電池組係由數鋅空氣燃料電池單元及一箱體所構成，該數鋅空氣燃料電池單元係容置於該箱體內，且以二線路分別串聯該數鋅空氣燃料電池單元之正、負極，其中，該箱體之二側係具有風扇單元，用以將空氣送入該鋅空氣燃料電池組中供該鋅空氣燃料電池單元作動。該鋅空氣燃料電池單元係包含有一模組架、一鋅陽極、一儲液空間及一空氣電極，於該模組架之二側分別架設有該空氣電極，且以該二空氣電極及模組架圈圍成該儲液空間，該鋅陽極係容置於該儲液空間內，且以二線路貫穿該模組架之頂側與該鋅陽極互相接觸連通，並且於該儲液空間內填充有電解液，以於該鋅陽極及空氣電極進行反應時供離子游離與交換。

該鋅空氣燃料電池單元係利用空氣中的氧進行去極化以釋出氫氧根離子，再以該氫氧根離子與鋅進行反應生成鋅酸根錯離子並釋出電子，該鋅酸根錯離子係溶於該儲液空間之電解液中，當該電解液中的鋅酸根錯離子濃度逐漸升高至飽和後即生成氧化鋅(請參照化學反應式1至4)。

陰極1/2O₂ +H₂ O→OH^- +e^2- 　(化學反應式1)

陽極Zn+4OH^- →Zn(OH)₄ ^2- +2e^- 　(化學反應式2)

Zn(OH)₄ ^2- →ZnO+2OH^- +H₂ O　(化學反應式3)

全反應Zn+1/2O₂ →ZnO　(化學反應式4)

如此，該鋅空氣燃料電池單元係能夠直接將化學能轉化成電能而釋出能量，且該能量係以正負極之間的電位差所產生之電能。

然而，於該鋅空氣燃料電池單元經由氧與鋅作用不斷釋出能量的過程，係造成氧化鋅逐漸累積於該電解液中，該氧化鋅的過度累積係改變該電解液之濃度，甚至造成該電解液之酸鹼值改變，而無法供該氧與鋅反應過程的離子游離與交換，如此，該鋅空氣燃料電池單元於長時間的使用下，係容易導致氧與鋅的反應無法順利進行，進而導致該鋅空氣燃料電池的供電效率不佳。

再者，由於習知鋅空氣燃料電池單元中的電解液係添加強鹼溶液(例如：氫氧化鈉、氫氧化鉀…等)，以該強鹼溶液提供氧與鋅反應過程的離子游離與交換，往往於長時間的反應作用下，該鹼性電解液受到離子交換的影響而改變其鹼性值，使得該鋅陽極暴露於酸性環境之電解液中受到腐蝕，進而造成該鋅陽極的使用壽命減少，而降低整組鋅空氣燃料電池的使用裕度。

另外，為了維持該鋅空氣燃料電池單元之電解液的作用濃度，則必須對該電解液作替換之動作，然而，該電解液的替換過程往往僅能以水及新、舊電解液進行混合，以改變整個電解液的濃度及酸鹼值，再重新添加於該鋅空氣燃料電池單元之儲液空間內再次進行鋅空氣燃料電池單元的供能，如此，係無法快速且有效的控制整個電解液之濃度，而造成整個電解液替換過程的效率明顯不足。

有鑑於此，該習知鋅空氣燃料電池確實仍有加以改善之必要。

本發明之主要目的乃改良上述缺點，以提供一種調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元，其係能夠於長時間的使用下，以維持該鋅空氣燃料電池的供電效率。

本發明之次一目的係提供一種調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元，係能夠直接控制該電解液的酸鹼值及其濃度，以維持該鋅空氣燃料電池的使用壽命。

本發明之再一目的係提供一種調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元，係能夠快速且有效的調控該電解液之濃度，以提升整個電解液的替換效率。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段包含有：

一種調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置，係包含：一基座；至少一鋅空氣燃料電池單元，係結合該基座，該鋅空氣燃料電池單元由一模組架、一陰極組件及一陽極板所組成，該模組架係形成有一儲液空間，且該儲液空間內係添加有電解液，該陰極組件係結合該模組架以封閉該儲液空間，且該陽極板係置於該儲液空間內；一輸液單元，係包含至少一出液管及至少一入液管，且該出液管及入液管之一端係分別連通至該儲液空間；及一調控單元，係連通該輸液單元，用以控制該儲液空間之電解液分別以該出液管及入液管進行電解液之替換。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1及2圖所示，本發明較佳實施例之調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置係包含一基座1、至少一鋅空氣燃料電池單元2、一輸液單元3及一調控單元4，該鋅空氣燃料電池單元2係容置於該基座1內，且該輸液單元3係分別連通該空氣燃料電池單元2及調控單元4。

該基座1係可以選擇為各種形狀之座體，且該基座1更可進一步設有一容置空間11，用以容置該鋅空氣燃料電池單元2。於本實施例中，該基座1係選擇為一封閉箱體，用以維持該鋅空氣燃料電池單元2的穩定供電效率而不受外界的干擾及碰撞，且該基座1之側壁另設有一通風元件12，該通風元件12係與該容置空間11相連通，用以維持該基座1內部的空氣流通，使得該鋅空氣燃料電池單元2具有足夠的氧元素以進行反應，且利用該通風元件12將該鋅空氣燃料電池單元2於反應過程所產生的額外氣體(例如：氫氣…等)抽出，並同時供該鋅空氣燃料電池單元2進行散熱，以維持該鋅空氣燃料電池單元2的反應效能，且該通風元件12較佳係選擇為風扇。另外，該基座1之底側係結合有一底座13，該底座13係具有一內部空間131用以容置該輸液單元3。

該鋅空氣燃料電池單元2係包含有一模組架21、一陰極組件22、及一陽極板23(參照第2圖所示)。該模組架21係可以選擇為各種幾何形狀之架體，且該模組架21係形成有一儲液空間211，該儲液空間211內係添加有電解液，其中，該電解液係可以選擇為各種鹼性溶液(例如：氫氧化鈉、氫氧化鉀…等)，用以供該鋅空氣燃料電池單元2於反應過程產生之離子進行游離與交換。該陰極組件22係覆蓋於該模組架21之側邊，以封閉該模組架21之儲液空間211，該陰極組件22係可以選擇為單一陰極板或二相對陰極板，且該陰極組件22較佳係選擇為防水透氣膜用以供空氣進行穿透，於本實施例中，該陰極組件22係選擇為二相對陰極板22a、22b，該二相對陰極板22a、22b係為二空氣電極，使得空氣中的氧係能夠穿透該防水透氣之空氣電極以進入該儲液空間211內，用以提供該鋅空氣燃料電池單元2於反應過程所需的氧元素。該陽極板23係容置於該儲液空間211內且浸泡於該電解液中，該陽極板23係可以選擇為鋅片、鋅粉材料或鋅顆粒材料等，用以提供該鋅空氣燃料電池單元2於反應過程所需的鋅元素，另外，該陽極板23係固定於該模組架21之一定位部212，用以避免該陽極板23與陰極組件22之間相互接觸。於本實施例中，該陽極板23之頂側係具有二定位孔231，該二定位孔231係用以固定二導通件24，該二導通件24係貫穿該模組架21頂側的二穿孔213且與該陽極板23相互接觸連通。

該輸液單元3係包含有至少一出液管31及至少一入液管32，該出液管31係對應該鋅空氣燃料電池單元2之數量呈相對應設置，且該出液管31係連通該模組架21之儲液空間211，用以將該儲液空間211內之電解液輸出。該入液管32係對應該鋅空氣燃料電池單元2之數量呈相對應設置，且該入液管32係連通該模組架21之儲液空間211，用以將預定濃度之電解液輸入至該儲液空間211內。於本實施例中，係以數個該鋅空氣燃料電池單元2相互串聯組成本發明調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置，因此，該輸液單元3相對應於數個該鋅空氣燃料電池單元1之設計係具有數個該出液管31及數個該入液管32，該數出液管31係各自貫穿該基座1之底側，且經由該數鋅空氣燃料電池單元2之模組架21之底側通孔214連通該儲液空間711，且該數出液管31係共同連接於一第一輸液管311之一端，以將各儲液空間211內之電解液共同匯流於該第一輸液管311，再經由該第一輸液管311貫穿該底座13側壁之另一端輸出。又，該數入液管22亦各自貫穿該基座1之底側，且經由該數鋅空氣燃料電池單元2之模組架21之底側通孔214連通該儲液空間211，且該數入液管32係共同連接於一第二輸液管321之一端，以將預定濃度之電解液經由該第二輸液管321貫穿該底座13側壁之另一端輸入，且分別由該數入液管32輸入至該儲液空間211內。藉此，係能夠對數鋅空氣燃料電池單元2之儲液空間211內的電解液同時進行替換以穩定該電解液之濃度，使得本發明之調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置係能夠具有較佳的供電效率。

該調控單元4係與該輸液單元3相互連通，使得該調控單元4係能夠以各種處理方式對該儲液空間211內之電解液進行循環替換，於本實施例中，該調控單元4係分別連通該第一輸液管311及第二輸液管321之一端，如此，該出液管31係能夠將該儲液空間211內之電解液經由該第一輸液管311輸出至該調控單元4以進行替換，且以該第二輸液管321將預定濃度之電解液自該調控單元4經由該入液管32輸入至該儲液空間211內。藉此，係能夠維持該儲液空間211內之電解液於預定之濃度，以穩定該鋅空氣燃料電池單元2的供電效能。

請再參照第1圖所示，分別以二線路5a、5b串聯該數鋅空氣燃料電池單元2之二陰極板22a、22b及陽極板23，使得該二線路5a、5b凸出於該基座1之外，藉由該二線路5a、5b連接於各種所需用電之物件，以增加本發明之調控電解液之鋅空氣燃料電池組的應用性。

請再參照第1圖所示，本發明較佳實施例之調控電解液之鋅空氣燃料電池組的組裝情形。將該數鋅空氣燃料電池單元2置放於該基座1之容置空間11，且於該鋅空氣燃料電池單元2之模組架21之底側各自連通有數出液管31及數入液管32，再以該第一輸液管311及第二輸液管321分別連通該數出液管31及數入液管32至該調控單元4，接著，再以該結合於基座1底部之底座13，用以封閉該輸液單元3於該底座13之內部空間131，再以二線路5a、5b分別串聯該數鋅空氣燃料電池單元2，且使得該二線路5a、5b凸出於該基座1之外，以供連接於各種所需用電之物件，藉由該數鋅空氣燃料電池單元2於反應過程中的氧與鋅作用以產生電能。

請參照第3圖所示，本發明較佳實施例之調控電解液之鋅空氣燃料電池組的使用情形。當空氣經由該二陰極板22a、22b穿透進入該鋅空氣燃料電池單元2之儲液空間211時，該空氣中的氧與水進行反應而釋出氫氧根離子，該氫氧根離子係經由電解液游向該陽極板23，此時，該氫氧根離子會與該陽極板23之鋅元素進行氧化反應，以生成鋅酸根錯離子並釋出電子，該鋅酸根錯離子係溶於該儲液空間211之電解液中，當該電解液中的鋅酸根錯離子濃度逐漸升高至飽和後即生成氧化鋅，且於該鋅空氣燃料電池單元2內部的氧與鋅不斷進行氧化作用而釋出氧化鋅的同時，連通該儲液空間211的出液管31及入液管32係對該儲液空間211內之電解液進行循環替換，利用該出液管31各自將該儲液空間211內之電解液匯流於該第一輸液管311，再經由該第一輸液管311將該欲替換之電解液輸出至該調控單元4，同時，該調控單元4係利用該第二輸液管321，以將預定濃度之電解液各自經由該入液管32輸入至該儲液空間211內。

藉由該調控單元4與輸液單元3之設計，使得該儲液空間211內之電解液能夠不斷進行循環替換，以穩定該電解液之濃度及酸鹼值。如此，儘管氧與鋅長時間於該鋅空氣燃料電池單元2內部進行氧化作用的情況下，仍然能夠使該鋅空氣燃料電池單元2不斷的將化學能轉化成電能以釋出能量，而不受限於該電解液之濃度及酸鹼值的改變，因此，經由上述的調控機制係能夠延長該鋅空氣燃料電池單元2的使用壽命，使得本發明之調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置具有較佳的供電效率。

本發明之調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元，其係能夠於長時間的使用下，以達到維持該鋅空氣燃料電池供電效率之功效。

本發明之調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元，係能夠直接控制該電解液的酸鹼值及其濃度，以達到維持該鋅空氣燃料電池使用壽命之功效。

本發明之調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元，係能夠快速且有效的調控該電解液之濃度，以達到整個電解液之替換效率提升之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

1．．．基座

11．．．容置空間

12．．．通風元件

13．．．底座

131．．．內部空間

2．．．鋅空氣燃料電池單元

21．．．模組架

211．．．儲液空間

212．．．定位部

213．．．穿孔

214．．．通孔

22．．．陰極組件

22a．．．陰極板

22b．．．陰極板

23．．．陽極板

231．．．定位孔

24．．．導通件

3．．．輸液單元

31．．．出液管

311．．．第一輸液管

32．．．入液管

321．．．第二輸液管

4．．．調控單元

5a．．．線路

5b．．．線路

第1圖：本發明較佳實施例之立體示意圖。

第2圖：本發明較佳實施例之局部立體分解圖。

第3圖：本發明較佳實施例之剖視示意圖。