TWI474550B - Dynamic anode system for metal fuel cells - Google Patents

Description

金屬燃料電池之動態陽極系統

本發明涉及一種電池動態陽極系統，特別係涉及一種透過循環式電解液為金屬燃料電池更新其動態陽極的金屬燃料電池之動態陽極系統。

隨著科技的進步與產業的發展，地球上能源的問題也漸漸受到重視，在能源危機之後，以石化燃料為主要能源之傳統車輛產業也積極投入電動車之研究發展。最早使用的電動車動力為鋰電池，雖然鋰電池具有良好的壽命以及安全性，然而其體積、重量以及效能仍然有待改善。相較之下，燃料電池在進行放電過程中不需充電，只要連續補充燃料及氧化劑，即可連續運轉發電，其中燃料與氧化劑不可混合，而是分別進入燃料電池的陽極與陰極進行氧化還原反應，當陽極端燃料經氧化反應後，產生電子，其電子經由電極及外線路流向另一電極與氧化劑反應，氧化劑接受電子後，產生離子，並由電池內的電解質傳導離子，形成電池運轉的迴路；因此，其燃料選擇多樣化以及免充電等特色，非常符合電動車之發展需求條件，而在眾多的燃料選擇中，其中又以金屬燃料電池之高體積能量密度、儲存容易、無爆炸危險、低污染、低成本以及結構簡單等優點特別脫穎而出。

金屬燃料電池則是利用金屬本質不改變以及不消滅之原理，藉由金屬的氧化來產生電能，且其氧化後的金屬還能透過電解的方式還原，不產生任何汙染，因此可被歸類為綠色能源。然而，現今生活中常見的金屬燃料電池多以多孔性金屬板做為電池陽極，雖然可以達到電力輸出的需求，但其無動態陽極規畫，時常需要進行更換，不僅容易造成能量損耗，也使得該多孔性金屬板反應不完全；即使是利用板狀抽換式的多孔性金屬板來改善其更換上的不方便，仍存在許多技術瓶頸，因而影響其在電動汽機車上的應用以及普遍性，例如：需要存放大量的備用電池以及多孔性金屬板，以及電動車底盤統一化等問題。在台灣專利案第551620號以及第551622號中，揭露了一種金屬空氣電池之顆粒狀陽極結構以及其鋅匣補給更換裝置，該前案所揭露之燃料電池運用一種金屬顆粒作為其燃料，藉此增進其燃料使用效率，然而，其仍需透過另一更換裝置來進行燃料之更換，沒有解決金屬燃料電池使用上不方便的情形，也無法應用至電動車之發展上使用。

基於上述理由，本發明的目的，在於提供一種金屬燃料電池之動態陽極系統，能夠自動判斷補充燃料時機、提高金屬燃料使用效率、提高燃料電池性能及實用性並且延長其使用壽 命，使其可應用於電動車系統中。

本發明的特徵，在於本發明揭露一種金屬燃料電池之動態陽極系統，透過金屬顆粒做為金屬燃料電池之陽極，藉此增加陽極反應面積及放電效率，並充分利用該金屬燃料，而陰極端使用空氣中的氧氣為氧化劑，並不需要儲氣瓶便能達到催化效果，以提升反應效率，大量降低燃料電池製程成本。在動態陽極上，利用一循環式的電解液，配合一監控系統偵測該金屬燃料電池之電壓來判斷進料時機；此外，該金屬燃料電池內設有一金屬濾網集電網盒，藉此將無反應價值及過小的金屬顆粒透過該循環式電解液帶入一回收槽存放，並將還有反應價值的金屬顆粒留在電池內繼續反應，藉此提高金屬燃料的使用效率以及添加的便利性。

本發明的技術手段，包含：一燃料桶，用於存放一含有金屬顆粒之溶液；一金屬燃料電池，包括一陰極、一陽極以及一金屬濾網集電網盒；一回收槽，用於存放無法反應之金屬顆粒，其內包括有一濾網層；一步進馬達以及一蠕動幫浦，用於輸送該溶液；其中，該燃料桶、該蠕動幫浦與該金屬燃料電池係透過一第一管路連接，該金屬燃料電池與該回收槽係透過一第二管路連接，該回收槽與該燃料桶係透過一第三管路連接，且該步進馬達係被連接至該燃料桶。

本發明所使用之含有金屬顆粒之溶液，可以由一電解液以及一金屬粉末調配而成，且該金屬粉末可以為鋅粉、鋰粉及鋁 粉等；存放該溶液之燃料桶，應為一可承受強鹼物質之材質，且其內可具有一遮斷器。其中，該金屬燃料電池之動態陽極系統進一步包括一監控模組，該監控模組係被連接至該金屬燃料電池，用於偵測該金屬燃料電池之電壓；該監控模組進一步連接至該燃料桶，當該監控模組偵測到該金屬燃料電池電壓過低時，該監控模組傳送一信號至該燃料桶，啟動該步進馬達並且開啟該遮斷器，將該金屬顆粒，藉由循環式電解液經由第一管路以及該蠕動幫浦添加至該金屬燃料電池中。

此外，本發明之含有金屬顆粒之溶液在該金屬燃料電池內進行放電反應後，該電解液透過該金屬濾網集電網盒搜集反應過後之氧化金屬以及過小的金屬顆粒並將其經由該第二管路輸送至該回收槽，接著，該電解液再經由第三管路被該蠕動幫浦泵至該燃料桶，完成一電解液循環。該金屬燃料電池之金屬濾網集電網盒可為一金屬鎳、金屬銅及不銹鋼等金屬，且其陰極可以為一空氣電極片，該空氣電極片係由一鐵氟龍以及一碳黑熱壓而成，且該陰極與該陽極間具有一隔離膜，防止該陽極以及該陰極互相接觸。

藉由上述手段，本發明之金屬燃料電池之動態陽極系統，不僅能提升燃料電池之續航力，更能透過金屬顆粒代替多孔式金屬板來提升其反應面積，提升燃料的使用效率以及添加的便利性，藉此提高燃料電池之性能，使其適合應用於電動車系統使用。

以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

第一圖顯示本發明之金屬燃料電池之動態陽極系統1之方塊圖。參照第一圖所示，該動態陽極系統1包含：一燃料桶10，用於存放一含有金屬顆粒之溶液60；一金屬燃料電池20，包括一陰極、一陽極以及一金屬濾網集電網盒(未顯示於圖中)；一回收槽30，用於存放無法反應之金屬顆粒，且其內包括有一濾網層(未顯示於圖中)；一步進馬達40以及一蠕動幫浦50，用於輸送溶液60；其中，燃料桶10、蠕動幫浦50與金屬燃料電池20係透過一第一管路101連接，金屬燃料電池20與回收槽30係透過一第二管路201連接，回收槽30與燃料桶10係透過一第三管路301連接，且步進馬達40係被連接至燃料桶20。在本較佳實施例中，溶液60係由一電解液以及一金屬粉末，如鋅粉等調配而成，因為鋅粉等金屬，在電解液中的團聚現象會成為金屬顆粒，相較於傳統的多孔性金屬板，金屬顆粒能夠提供金屬燃料電池更大的反應面積，除了添加方便外，也能避免反應不完全的情況發生。在本較佳實施例中，所採用的金屬粉末雖為鋅粉，然而其他能達成同樣目的之金屬粉末亦在本發明之保護範疇中，如鋅粉、鋰粉及鋁粉。

本發明之系統1內的燃料桶10，由於係用於存放一強鹼物 質，其可由一抗強鹼腐蝕之材質製成，如不銹鋼等金屬。此外，如第二圖及第三圖所示，燃料桶10內具有一遮斷器11，且考量到其動態陽極給料之方便性，本較佳實施例中將燃料桶10之形狀設定為一錐形桶。遮斷器11上具有複數個過濾孔洞，且被固定於一插銷12上，如第三圖所示，而插銷12的一端則為步進馬達40之裝置處。藉由上述配置，遮斷器11可控制金屬顆粒的流動。

參照第一圖所示，本發明的金屬燃料電池之動態陽極系統1進一步包括一監控模組70，監控模組70係被連接至金屬燃料電池20，用於偵測金屬燃料電池20之電壓；此外，監控模組70進一步連接至燃料桶10，當監控模組70偵測到金屬燃料電池20的電壓過低時，該監控模組傳送一信號至燃料桶10，啟動步進馬達40並且開啟遮斷器11，將含有金屬顆粒之電解液經由第一管路101以及蠕動幫浦50添加至金屬燃料電池20中。換言之，當電壓充足時，燃料桶10之遮斷器11係呈現關閉狀態，金屬顆粒停留在燃料桶10中，而電解液持續流動，進行金屬顆粒表面積更新及維持電解液濃度，使金屬顆粒使用更完全，而當偵測之電壓過低時，監控模組70則會開啟該遮斷器11，藉由循環式電解液將金屬顆粒經由第一管路101帶入該金屬燃料電池20中，以進行放電反應。金屬顆粒在金屬燃料電池20中進行放電反應後，經由化學反應會在電池20內殘留氧化金屬以及一些過小且沒有反應價值的金屬顆 粒。此時，利用氧化金屬可溶解於電解液之特性，電解液透過金屬濾網集電網盒搜集反應過後之氧化金屬以及過小的金屬顆粒並將其經由第二管路201輸送至回收槽30存放。被輸送至回收槽30之過小的金屬顆粒藉由回收槽30中之濾網層過濾後留在回收槽30中，接著，電解液再經由第三管路301被蠕動幫浦50泵至燃料桶10，藉此完成一電解液循環。

在本較佳實施例中，金屬燃料電池20之外殼可為一抗強鹼腐蝕之材質，如不銹鋼等金屬，且其金屬濾網集電網盒可以為一金屬鎳、金屬銅及不銹鋼等金屬。金屬燃料電池20之陰極可以為一空氣電極片，空氣電極片係由一鐵氟龍以及一碳黑熱壓而成；鐵氟龍之作用為一防水透氣層，用於與外界空氣接觸，主要功用為防止電池20內部之電解液溢出並使空氣中的氧進入與觸媒反應；碳黑本身為一多孔性材質且具有均勻擴散氣體作用，主要功用為一觸媒載體。陰極與陽極間具有一隔離膜，可在陽極與陰極間傳遞電子，並防止陰極與陽極直接接觸導致電池內產生內電阻之情形發生。

本發明之金屬燃料電池之動態陽極系統1如上所述，利用一循環式的電解液將金屬顆粒輸送進金屬燃料電池20內進行反應，並且利用氧化金屬可溶解的特性，以及透過金屬濾網集電網盒將沒有反應價值之過小金屬顆粒運送至回收槽存放，藉此克服反應過後之殘餘物存留在電池內部造成反應面積減少的現象，提高金屬顆粒的使用效率以及使用效率，進一步改善 習知抽換式多孔金屬板的缺點。此外，金屬燃料電池之動態陽極系統1不需依賴其他裝置來更新其電池之陽極，因此當將此系統應用於電動車中時，可以提升電動車的續航力，更可透過加油的方式來添加燃料，達到能源攜帶的方便性。

由以上實施例可知，本發明確具產業上之利用價值，惟以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之精神及以下所界定之專利範圍中。

1‧‧‧金屬燃料電池動態陽極系統

10‧‧‧燃料桶

11‧‧‧遮斷器

12‧‧‧插銷

101‧‧‧第一管路

20‧‧‧金屬燃料電池

201‧‧‧第二管路

30‧‧‧回收槽

301‧‧‧第三管路

40‧‧‧步進馬達

50‧‧‧蠕動幫浦

60‧‧‧溶液

70‧‧‧監控模組

第一圖為顯示本發明之金屬燃料電池自動加料系統之方塊圖。

第二圖為顯示本發明之較佳實施例中燃料桶之立體透視圖。

第三圖為顯示本發明之較佳實施例中遮斷器之立體分解圖。

1‧‧‧金屬燃料電池動態陽極系統

10‧‧‧燃料桶

101‧‧‧第一管路

20‧‧‧金屬燃料電池

201‧‧‧第二管路

30‧‧‧回收槽

301‧‧‧第三管路

40‧‧‧步進馬達

50‧‧‧蠕動幫浦

60‧‧‧溶液

70‧‧‧監控模組

Claims (8)

1. 一種金屬燃料電池動態陽極系統，包括：一燃料桶，用於存放一含有金屬顆粒之溶液；一金屬燃料電池，包括一陰極、一陽極以及一金屬濾網集電網盒；一回收槽，用於存放無法反應之金屬顆粒，且其具有一濾網層；以及一步進馬達以及一蠕動幫浦，用於輸送該溶液；其中，該燃料桶、該蠕動幫浦與該金屬燃料電池係透過一第一管路連接，該金屬燃料電池與該回收槽係透過一第二管路連接，該回收槽與該燃料桶係透過一第三管路連接，且該步進馬達係被連接至該燃料桶；其中，該燃料桶為一可抗強鹼之材質，且其內具有一遮斷器。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之金屬燃料電池之動態陽極系統，其中該含有金屬顆粒之溶液係由一電解液以及一金屬粉末調配而成。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之金屬燃料電池之動態陽極系統，該金屬粉末為鋅粉。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之金屬燃料電池之動態陽極系統，進一步包括一監控模組，該監控模組係被連接至該金屬燃料電池，用於偵測該金屬燃料電池之電壓。
5. 依據申請專利範圍第1項或第4項所述之金屬燃料電池之動態陽極系統，其中該監控模組進一步連接至該燃料桶，當該監控模組偵測到該金屬燃料電池電壓過低時，該監控模組傳送一信號至該燃料桶，啟動該步進馬達並且開啟該遮斷器，將該金屬顆粒，藉由該電解液經由該第一管路以及該蠕動幫浦添加至該金屬燃料電池中。
6. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之金屬燃料電池之動態陽極系統，其中在該含有金屬顆粒之溶液在該金屬燃料電池內進行放電反應後，該電解液透過該金屬濾網集電網盒搜集反應過後之氧化金屬以及過小的金屬顆粒並將其經由該第二管路輸送至該回收槽，接著，該電解液再經由第三管路被該蠕動幫浦泵至該燃料桶，完成一電解液循環。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之金屬燃料電池之動態陽極系統，該金屬濾網集電網盒為一金屬鎳。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之金屬燃料電池之動態陽極系統，該金屬燃料電池之陰極進一步包括一空氣電極片，該空氣電極片係由一鐵氟龍以及一碳黑熱壓而成，且該陰極與該陽極間具有一隔離膜，防止該陽極以及該陰極互相接觸。