TWI458171B - 燃料分配結構以及燃料電池 - Google Patents

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TWI458171B TW099144306A TW99144306A TWI458171B TW I458171 B TWI458171 B TW I458171B TW 099144306 A TW099144306 A TW 099144306A TW 99144306 A TW99144306 A TW 99144306A TW I458171 B TWI458171 B TW I458171B
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Description

燃料分配結構以及燃料電池
本發明是有關於一種燃料電池，且特別是有關於一種燃料電池之燃料分配結構。
隨著工業的進步，傳統能源如煤、石油及天然氣的消耗量持續升高，由於天然能源的存量有限，因此必須研發新的替代能源以取代傳統能源，而燃料電池便是一種重要且具實用價值之選擇。
簡單來說，燃料電池基本上是一種利用水電解之逆反應而將化學能轉換成電能的發電裝置。以質子交換膜燃料電池來說，其主要是由一薄膜電極組(membrane electrode assembly，簡稱MEA)及二電極板所構成。薄膜電極組是由一質子傳導膜(proton exchange membrance)、一陽極觸媒層、一陰極觸媒層、一陽極氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)以及一陰極氣體擴散層所構成。其中，上述之陽極觸媒層與陰極觸媒層分別配置於質子傳導膜的兩側，陽極氣體擴散層與陰極氣體擴散層分別設置在陽極觸媒層與陰極觸媒層之上。另外，二電極板包括一陽極與一陰極，其分別配置於陽極氣體擴散層與陰極氣體擴散層之上。
目前業界常見的質子交換膜燃料電池是直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡稱DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液當作燃料供給來源，並經由甲醇與氧的相關 電極反應來產生電流。直接甲醇燃料電池的反應式如下：陽極：CH3 OH+H2 O → CO2 +6H+ +6e-
陰極：3/2O2 +6H+ +6e- → 3H2 O
傳統的直接甲醇燃料電池係將低濃度燃料通入陽極側，並在陰極側使用冷凝器回收水以提高燃料之使用效率，但此作法在可攜式電子產品上的應用受到限制。因此，已有直接使用高濃度燃料之燃料電池被提出，如美國專利公開案US 2010/0124677、中國專利公開案CN 101632195、中國專利公開案CN 101573821以及美國專利公開案US 2010/0190087。為了滿足可攜式電子產品之設計需求，燃料電池必須能夠達到體積小、重量輕以及無操作方向限制等要求。目前，美國專利公開案US 2010/0124677、中國專利公開案CN 101632195、中國專利公開案CN 101573821以及美國專利公開案US 2010/0190087也已針對無操作方向限制之設計作出討論。
承上述，利用泵浦(liquid pump)將微量之高濃度燃料直接供應燃料電池之陽極的關鍵技術在於：如何將提供至燃料電池中之微量高濃度燃料均勻地分散。在美國專利公開案US 2010/0124677中，其所揭露的板狀燃料分配結構(planar fuel distribution structure)具有尺寸十分微小之螺旋狀流道，且板狀燃料分配結構的二表面上皆披覆有甲醇擴散膜(methanol diffusion films)。在中國專利公開案CN 101632195中，其所揭露的燃料分配機構具有多個流道，而各個流道分別具有一流道出口，且流道出口孔徑小於流 道尺寸。中國專利公開案CN 101632195主要是利用流道出口之毛細力避免燃料滲漏。在中國專利公開案CN 101573821以及美國專利公開案US 2010/0190087中，其所揭露的燃料分配機構具有多個流道，而各個流道具有多個分支流道，且各分支流道分別具有一流道出口，且流道出口孔徑大於分支流道尺寸。中國專利公開案CN 101573821以及美國專利公開案US 2010/0190087主要是利用分支流道之毛細力避免燃料滲漏。
現有技術係採用尺寸十分微小(寬度約為10微米左右)之封閉型流道來達到均勻分散燃料之目的，但在前述之封閉型流道的製作過程中，封閉型流道之尺寸(寬度)的控制十分困難。
本案提供一種燃料電池及其燃料分配結構，其無操作方向之限制。
本案提供一種燃料分配結構，其包括一第一材料層、一第二材料層、一流道材料層以及一填充材料。第一材料層具有一燃料入口，第二材料層具有多個燃料出口，而流道材料層具有一圖案化流道，其中圖案化流道之分佈範圍涵蓋燃料入口與燃料出口，而填充材料配置於圖案化流道內。
本案另提供一種燃料電池，其包括一薄膜電極組、一陰極集電層、一陽極集電層以及前述之燃料分配結構。陰極集電層與陽極集電層分別配置於薄膜電極組二對側，而 燃料分配結構與陽極集電層位於薄膜電極組之同側。
為讓本案之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為本案一實施例之燃料電池的剖面示意圖，而圖2為本案一實施例之燃料電池的爆炸示意圖。請同時參照圖1與圖2，本實施例之燃料電池100包括一薄膜電極組110、一陰極集電層120、一陽極集電層130以及一燃料分配結構140。陰極集電層120與陽極集電層130分別配置於薄膜電極組110二對側，而燃料分配結構140與陽極集電層130位於薄膜電極組110之同側。
除了前述之薄膜電極組110、陰極集電層120、陽極集電層130以及燃料分配結構140之外，本實施例之燃料電池100可選擇性地包括一燃料均勻層150，此燃料均勻層150係配置於陽極集電層130與燃料分配結構140之間。舉例而言，燃料均勻層150包括一第一孔板152以及一阻氣層154，其中第一孔板152配置於陽極集電層130與阻氣層154之間。在本實施例中，第一孔板152具有多個第一開孔152a，且阻氣層154可為吸附燃料且阻氣之材料層。在另一實施例中，燃料均勻層150亦可僅包括一阻氣層154，但不包括第一孔板152。
在本實施例中，燃料電池100可選擇性地包括一透氣層160，此透氣層160係配置於燃料均勻層150與陽極集 電層130之間。從圖1與圖2可知，透氣層160係位於第一孔板152與陽極集電層130之間。舉例而言，透氣層160可為一吸附燃料且透氣之材料層。此外，阻氣層154以及透氣層160均具有親燃料的特性，意即，阻氣層154以及透氣層160與燃料(例如甲醇)之接觸角係小於90度。值得注意的是，前述之”親燃料”不同於”親水”，因為有些材料對甲醇的接觸角小於90度，但是對水可能會之接觸角大90度。
此外，本實施例之燃料電池100可選擇性地包括一蓋板170、一陰極保濕層180以及一氣體傳送元件190，其中陰極保濕層180配置於蓋板170與陰極集電層120之間，而陰極保濕層180與蓋板170之間具有一反應氣體流道A，且氣體傳送元件190係用將反應氣體傳送至反應氣體流道A，以使反應氣體易於擴散至薄膜電極組110內。舉例而言，陰極保濕層180包括一第二孔板182以及一疏水透氣層184，其中第二孔板182具有多個第二開孔182a，且疏水透氣層184配置於第二孔板182與陰極集電層120之間。
在本實施例中，本實施例所使用的蓋板170可以為任何型態之不透氣板材，如金屬、塑膠、印刷電路板、內表面上具有親水層之的板材、內表面上不具有 親水層之的板材或是其他型態之板材。此外，氣體傳送元件190例如為進氣風扇或其他合適之氣體傳送元件。
在本實施例中，燃料電池100可進一步包括一燃料供應單元F，以供應燃料至燃料分配結構140中。舉例而言， 燃料供應單元F包括一泵浦P、一燃料槽T以及連接於燃料槽T與燃料分配結構140之間的管路L。
承上述，本實施例中前述之燃料均勻層150、透氣層160、蓋板170、陰極保濕層180、氣體傳送元件190以及燃料供應單元F可根據燃料電池100之實際設計需求而作適當的刪減(簡化)。
為了使本案之燃料電池100能夠被應用於可攜式電子元件中，本實施例之燃料分配結構140必須滿足無操作方向限制之需求。以下將針對燃料分配結構140之細部結構作出進一步之說明。
在本實施例中，燃料分配結構140包括一第一材料層142、一第二材料層144、一流道材料層146以及一填充材料148。第一材料層142具有一燃料入口142a，第二材料層144具有多個燃料出口144a，而流道材料層146具有一圖案化流道146a，其中圖案化流道146a之分佈範圍係涵蓋燃料入口142a與燃料出口144a。換言之，燃料入口142a以及燃料出口144a係與圖案化流道146a相連通。此外，填充材料148配置於圖案化流道146a內。舉例而言，燃料入口142a之孔徑介於0.1毫米至10毫米之間，較佳約為1.2毫米，燃料出口144a之孔徑介於0.5毫米至20毫米之間，較佳約介於2毫米至10毫米之間。值得注意的是，第一材料層142、第二材料層144以及一流道材料層146係共同定義出供燃料流動之燃料流道，除了燃料入口142a以及燃料出口144a之所在位置以外，燃料流道內之其他位置的截面皆為封閉之截面。
此外，燃料出口144a例如係以燃料入口142a為對稱中心對稱地分佈於第二材料層144中。然而，本實施例並不限定燃料出口144a之分佈，此領域具有通常知識者可根據設計需求更動燃料出口144a之分佈。舉例而言，燃料入口142a可以不在第一材料層142的中心位置，且燃料出口144a無須呈現對稱分佈，吾人可透過流道路徑的適當安排，讓各個燃料出口144a的燃料流量一致。具體而言，為了讓各個燃料出口144a的燃料流量一致，比較簡單的作法是讓燃料入口142a到各個燃料出口144a的路徑長度相同。當然，在其他實施例中，吾人亦可以將燃料入口142a到各個燃料出口144a的路徑長度設計為不同，但使各流道的尺寸不同(例如使流道寬度不同)，在此設計下，填充材料與流道所提供的毛細力量會讓較窄小流道內的燃料傳遞速度較快，因此可以得到與較寬流道相同的流量。
值得注意的是，填充材料148的填充位置可依據燃料電池100之實際設計需求而更動。舉例而言，此領域具有通常知識者可在圖案化流道146a內的所有位置皆填充有填充材料148，如此，對應於燃料出口144a之圖案化流道146a內填充有 填充材料148，且填充材料148會被燃料出口144a所暴露。當然，此領域具有通常知識者亦可在圖案化流道146a內的部分位置填充填充材料148，意即，對應於燃料出口144a之圖案化流道146a內未填充有 填充材料148。在本實施例中，填充材料148例如為毛細材料或是其他適合之材質。舉例而言，前述之填充材料148與燃料(例如甲醇)的接觸角小於90度，意即，填充材料148具有親 燃料的特性。
在本案中，由於圖案化流道146a內填充有填充材料148，因此透過填充材料148能夠使得流入圖案化流道146a內之燃料輕易地分佈均勻，進而使得燃料分配結構140能夠充分地滿足無操作方向限制之需求。在習知技術中，為了使燃料均勻地分佈於管狀封閉型流道中，管狀封閉型流道通常需具備很小的尺寸或截面積(寬度為10微米左右或10微米以下)，然而，本案無須製作尺寸或截面積很小之圖案化流道146a，而是將填充材料148填充於圖案化流道146a中，透過填充材料148或圖案化流道146a與填充材料148二者所提供的毛細力來讓燃料均勻地分佈於圖案化流道146a中。承上述，本案之圖案化流道146a的寬度可以不限定在10微米左右或10微米以下。換言之，本案之圖案化流道146a的寬度、深度可以大到數十微米，在此情況下，燃料分配結構140內的燃料分佈仍然會十分均勻。當圖案化流道146a的尺寸夠大時，加工過程所導致的尺寸誤差便可以被忽略，也所以圖案化流道146a在製作上變得較為容易。然而，本實施例並不限定圖案化流道146a之尺寸(寬度、深度或截面積)必須比現有技術大，在製程控制得宜的情況下，本案仍然可將填充材料148填充於小尺寸的圖案化流道146a中。
圖3A與圖3B為不同燃料分配結構之剖面示意圖，且圖3A與圖3B係沿著圖1中之I-I’剖面線所得到之剖面示意圖。請參照圖3A，位於第一材料層142與第二材料層144之間的流道材料層146例如為一膠材，如乙階膠材 (B-stage adhesive)或是其他能夠黏著於第一材料層142與第二材料層144之間的膠材。除了膠材之外，製作流道材料層146之材料亦可以是不具黏性之材質，如環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)等，且這些不具黏性之流道材料層146可直接與第一材料層142以及第二材料層144接合，如圖3A所示。舉例而言，本實施例可將第一材料層142以及第二材料層144直接壓著於流道材料層146的二表面，以使流道材料層146直接與第一材料層142以及第二材料層接合。
在本實施例中，流道材料層146之厚度TH與圖案化流道材料層146a之深度D實質上相同，而流道材料層146之厚度TH與圖案化流道材料層146a之深度D例如係介於0.01毫米至2毫米之間，較佳係介於0.04毫米至0.1毫米之間。此外，圖案化流道146a之寬度W例如係介於0.5毫米至20毫米之間，較佳係介於2毫米至10毫米之間。值得注意的是，流道材料層146可透過裁切的方式直接於膠材(如乙階膠材)、環氧樹脂(epoxy)或聚乙醯胺中形成圖案化流道146a，製作十分容易。當圖案化流道146a之尺寸或截面積因加工誤差或溢膠而產生變化時，因誤差尺寸甚小於流道尺寸，故燃料仍然可以分配均勻。
請參照圖3B、圖3C、圖3D與圖3E，當製作流道材料層146之材料為不具黏性之材質時，本實施例可以透過不同型態之黏著材料AD與第一材料層142以及第二材料層144接合。值得注意的是，流道材料層146之材質可與第一材料層142相同或與第二材料層144相同。換言之， 流道材料層146與第一材料層142係一體成形，或者流道材料層146與第二材料層144係一體成形。舉例而言，由於圖案化流道146a的深度係介於0.01毫米至2毫米之間，因此本實施例可採用適當厚度(需大於圖案化流道146a的深度)之不鏽鋼板，並於不鏽鋼板上形成具有適當深度的圖案化流道146a，而形成圖案化流道146a的方法例如為蝕刻或者是切削。
雖然本案已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧燃料電池
110‧‧‧薄膜電極組
120‧‧‧陰極集電層
130‧‧‧陽極集電層
140‧‧‧燃料分配結構
142‧‧‧第一材料層
142a‧‧‧燃料入口
144‧‧‧第二材料層
144a‧‧‧燃料出口
146‧‧‧流道材料層
146a‧‧‧圖案化流道
148‧‧‧填充材料
150‧‧‧燃料均勻層
152‧‧‧第一孔板
152a‧‧‧第一開孔
154‧‧‧阻氣層
160‧‧‧透氣層
170‧‧‧蓋板
180‧‧‧陰極保濕層
182‧‧‧第二孔板
182a‧‧‧第二開孔
184‧‧‧疏水透氣層
190‧‧‧氣體傳送元件
A‧‧‧反應氣體流道
F‧‧‧燃料供應單元
P‧‧‧泵浦
T‧‧‧燃料槽
L‧‧‧管路
AD‧‧‧黏著材料
D‧‧‧深度
TH‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
圖1為本案一實施例之燃料電池的剖面示意圖。
圖2為本案一實施例之燃料電池的爆炸示意圖。
圖3A與圖3E為不同燃料分配結構之剖面示意圖。
110‧‧‧薄膜電極組
120‧‧‧陰極集電層
130‧‧‧陽極集電層
140‧‧‧燃料分配結構
142‧‧‧第一材料層
142a‧‧‧燃料入口
144‧‧‧第二材料層
144a‧‧‧燃料出口
146‧‧‧流道材料層
146a‧‧‧圖案化流道
148‧‧‧填充材料
150‧‧‧燃料均勻層
152‧‧‧第一孔板
152a‧‧‧第一開孔
154‧‧‧阻氣層
160‧‧‧透氣層
170‧‧‧蓋板
180‧‧‧陰極保濕層
182‧‧‧第二孔板
182a‧‧‧第二開孔
184‧‧‧疏水透氣層
190‧‧‧氣體傳送元件
A‧‧‧反應氣體流道
F‧‧‧燃料供應單元
P‧‧‧泵浦
T‧‧‧燃料槽
L‧‧‧管路

Claims (29)

  1. 一種燃料分配結構，包括：一第一材料層，具有一燃料入口；一第二材料層，具有多個燃料出口；一流道材料層，配置於該第一材料層與該第二材料層之間，該流道材料層具有一圖案化流道，其中該圖案化流道之分佈範圍涵蓋該燃料入口與該些燃料出口；以及一填充材料，配置於該圖案化流道內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該燃料入口之孔徑介於0.1毫米至10毫米之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該些燃料出口之孔徑介於0.5毫米至20毫米之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該些燃料出口係以該燃料入口為對稱中心對稱地分佈於該第二材料層中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該流道材料層之厚度與該圖案化流道之深度相同。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該流道材料層之厚度小於該圖案化流道之深度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該流道材料層之厚度介於0.01毫米至2毫米之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該圖案化流道之寬度介於0.5毫米至20毫米之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中該填充材料包括毛細材料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中對應於該些燃料出口之該圖案化流道內填充有該填充材料。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之燃料分配結構，其中對應於該些燃料出口之該圖案化流道內未填充有該填充材料。
  12. 一種燃料電池，包括；一薄膜電極組；一陰極集電層；一陽極集電層，該陰極集電層與該陽極集電層分別配置於該薄膜電極組二對側；一燃料分配結構，該燃料分配結構與該陽極集電層位於該薄膜電極組之同側，該燃料分配結構包括：一第一材料層，具有一燃料入口；一第二材料層，具有多個燃料出口；一流道材料層，配置於該第一材料層與該第二材料層之間，該流道材料層具有一圖案化流道，其中該圖案化流道之分佈範圍涵蓋該燃料入口與該些燃料出口；以及一填充材料，配置於該圖案化流道內。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該燃料入口之孔徑介於0.1毫米至10毫米之間。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該些燃料出口之孔徑介於0.5毫米至20毫米之間。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該 些燃料出口係以該燃料入口為對稱中心對稱地分佈於該第二材料層中。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該流道材料層之厚度與該圖案化流道之深度相同。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該流道材料層之厚度小於該圖案化流道之深度。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該流道材料層之厚度介於0.01毫米至2毫米之間。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該圖案化流道之寬度介於0.5毫米至20毫米之間。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中該填充材料包括毛細材料。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中對應於該些燃料出口之該圖案化流道內填充有該填充材料。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，其中對應於該些燃料出口之該圖案化流道內未填充有該填充材料。
  23. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，更包括一燃料均勻層，配置於該陽極集電層與該燃料分配結構之間。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之燃料電池，其中該燃料均勻層包括一阻氣層，該阻氣層配置於該陽極集電層與該第二材料層之間。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之燃料電池，其中該燃料均勻層包括： 一第一孔板；以及一阻氣層，配置於該第一孔板與該第二材料層之間。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之燃料電池，更包括一透氣層，配置於該燃料均勻層與該陽極集電層之間。
  27. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，更包括：一蓋板；一陰極保濕層，配置於該蓋板與陰極集電層之間，其中該蓋板與該陰極保濕層之間具有一反應氣體流道；以及一氣體傳送元件，提供一反應氣體至該反應氣體流道。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之燃料電池，其中該陰極保濕層包括：一第二孔板；以及一疏水透氣層，配置於該第二孔板與該陰極集電層之間。
  29. 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池，更包括一燃料供應單元，供應燃料至該燃料分配結構。
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