TWI482351B

TWI482351B - 具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置

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Publication number: TWI482351B
Application number: TW101109285A
Authority: TW
Original assignee: Nat Univ Chin Yi Technology
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2015-04-21
Also published as: TW201340452A

Description

具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置

本發明係關於燃料電池裝置，特別係關於一種具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置。

【相關專利發明案的參考】

本案申請人已於中華民國98年6月11日，申請發明專利申請案號第098119479號，其發明名稱為「直接甲醇燃料電池陽極流場CO2氣泡移除之方法」；本案申請人亦已於中華民國99年4月28日，申請發明專利申請案號第099113401號，其發明名稱為「應用於直接甲醇燃料電池的磁力式微幫浦及其直接甲醇燃料電池」；本案申請人又亦已於中華民國99年9月1日，申請發明專利申請案號第099129383號，其發明名稱為「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」。該所述3件相關發明專利案列為本發明之參考。

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，缺少氣泡移除機制，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的具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置。

本發明提供一種具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置，具有排除氣泡功能，以及能與微型幫浦結合，同時又可達到液體輸送的目的。

為達成本發明上述目的，本發明提供一種具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置，包括：一微型幫浦、一壓力產生裝置、一防水薄膜陽極流道板、一直接甲醇燃料電池單元、一陰極流道板，係依序自上而下堆疊且密接成一個單件結構，其中，該壓力產生裝置，係用於產生一第一壓力與一第二壓力，其中該第一壓力係用於對該防水薄膜陽極流道板進行施壓，致使得該防水薄膜陽極流道板受到施壓的部份區域變形，以使得位於該防水薄膜陽極流道板中的一氣泡能夠朝一預定方向移動，其中該第二壓力係用於對該微型幫浦的一幫浦薄膜進行施壓，致使得該幫浦薄膜受到施壓的部份區域變形，以使得位於該微型幫浦內的一液體能夠朝一預定方向流動；一防水薄膜陽極流道板，係利用一防水且具有彈性的材質所製成，以及係具有複數條陽極流道。

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：

請參見第1圖，本發明的顯示具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置1乃包括有：微型幫浦14、壓力產生裝置13、防水薄膜陽極流道板12、直接甲醇燃料電池單元10、陰極流道板11，係依序自上而下堆疊且密接成一個單件結構，茲分別說明如後內文。

壓力產生裝置13的功能是用來產生第一壓力F₁ 與第二壓力F₂ 。第一壓力F₁ 是用來解決留滯於陽極流道板的氣泡問題，第一壓力F₁ 乃用來對防水薄膜陽極流道板12進行施壓。第二壓力F₂ 是做為微型幫浦14內部的薄膜，其壓縮的壓力來源，如此使得微型幫浦14可順利運作。

由於本發明直接甲醇燃料電池裝置1在結構特徵上的特點，使得直接甲醇燃料電池裝置1能夠得以更為輕易地實現微型化直接甲醇燃料電池裝置，或是小型化直接甲醇燃料電池裝置。

請參見第2、3圖，直接甲醇燃料電池單元10乃由：陰極集電片101、防水墊片102、膜電極組(MEA)103、另一片的防水墊片102、以及陽極集電片104等所組成，而陰極流道板11則密接於陰極集電片的外側表面。直接甲醇燃料電池單元10以及陰極流道板11可直接採行對應習知相關技藝。

依據本發明第1圖的技藝精神，本發明茲揭露三個具體實施例，分別詳細說明如下內文。

第4A至9C圖係用於說明本發明第一具體實施例的附圖，在第一具體實施例下的直接甲醇燃料電池裝置1，乃採行微型氣動式幫浦14^’ 以及氣液通道板13^’ ，分別做為所述微型幫浦與所述壓力產生裝置的具體實施手段。

請配合參見第4A、4B圖，防水薄膜陽極流道板12乃利用聚二甲基矽氧烷(Polydimethysiloxane，PDMS)，而製造成PDMS陽極流道板12^’ 。PDMS陽極流道板12^’ 乃包含複數條流道12^’ a。所述氣泡若不加以移除處理，則會留滯在該些流道12^’ a中。本發明充份利用PDMS材質的特性，其具有防水、受壓後會在受壓區域上變形、壓力移除後即恢復原形等特性。

請配合參見第5A、5B、8圖，氣體通道板13^’ 乃具有：通道13^’ a以及至少二個氣孔13^’ b。請配合參見第8圖，微型氣動式幫浦14^’ 乃是由：幫浦薄膜144^’ a、液體壓縮腔體板141^’ 、幫浦薄膜144^’ b、以及出入口端板143^’ 等組成，且係依序自上而下堆疊而成。請配合參見第6、8圖，液體壓縮腔體板141^’ 其中央區域形成一個鏤空的腔體。請配合參見第7A、7B、8圖，出入口端板143^’ 是用於供位於其內部的液體，在其流道中流通。

請參見第9A、9B、9C圖，在第一具體實施例下的直接甲醇燃料電池裝置1，其運作原理為：當空氣端以特定頻率輸入氣體壓縮腔體(已經與出入口端板143^’ 整合為同一零件)時，一部分空氣進入上層氣體通道時，會因為出口的端較入口端小的緣故，緩慢累積的氣體會將對應的PDMS陽極流道板12^’ 進行壓迫，此時，PDMS陽極流道板12^’ 受到壓力的區域會產生變形，如此一來即可將流道12a^’ 中的氣泡，朝向預定方向，往出口排出。另外一部分的空氣進入下層氣體通道時，乃與上層氣體通道的原理相同，緩慢累積的氣體壓力會壓迫到幫浦薄膜144^’ a，此時，幫浦薄膜144^’ a受到壓力的區域會產生變形，如此迫使位於出入口端板143^’ 中的液體發生流動，朝向預定方向，往出口流動，而達成液體輸送的目的。如此一來，即可完成既可主動式輸入燃料，又可針對陽極流道區域進行氣泡移除。

第10至15B圖係用於說明本發明第二具體實施例的附圖，在第二具體實施例下的直接甲醇燃料電池裝置1，乃採行微型熱致動式幫浦14^” 以及熱致動模組13^” ，分別做為所述微型幫浦與所述壓力產生裝置的具體實施手段。

請配合參見第10圖，防水薄膜陽極流道板12乃利用聚二甲基矽氧烷(Polydimethysiloxane，PDMS)，而製造成PDMS陽極流道板12^” 。PDMS陽極流道板12^” 乃包含複數條流道12^” a。所述氣泡若不加以移除處理，則會留滯在該些流道12^” a中。本發明充份利用PDMS材質的特性，其具有防水、受壓後會在受壓區域上變形、壓力移除後即恢復原形等特性。PDMS陽極流道板12^” 的背面乃設置有一空間，可將熱致動模組13^” 安置在內。

請配合參見第11、14圖，熱致動模組13^” 乃具有：至少一條以上的電極13^” a。請配合參見第14圖，微型熱致動式幫浦14^” 乃是由：模組固定板145^” 、幫浦薄膜144^” 、幫浦止逆腔體板142^” 、以及出入口端板143^” 等組成，且係依序自上而下堆疊而成。請配合參見第12A、12B、14圖，幫浦止逆腔體板142^” 其中央區域形成一個鏤空的腔體。請配合參見第13A、13B、14圖，出入口端板143^’ 是用於供位於其內部的液體，在其流道中流通。

請參見第15A、15B圖，在第二具體實施例下的直接甲醇燃料電池裝置1，其運作原理為：藉由間距甚小(例如僅20微米)的電極13^” a予以通電後，因此使得電極13^” a加熱，電極13^” a受熱膨脹，進而壓縮到PDMS產生推擠氣泡的效果。當電極13^” a受熱膨脹後，此時，位於電極13^” a上層之PDMS陽極流道板12^” 產生推擠氣泡的效果，如此一來即可將流道12a^” 中的氣泡，朝向預定方向，達到氣泡移除的效果。當電極13^” a受熱膨脹後，位於電極13^” a下層幫浦薄膜144^” 受到壓縮，此時若液體腔體內尚有液體的存在，會因為幫浦止逆腔體板142^” 的止逆閥的限制，朝向預定方向，而向出口處移動。當電極13^” a未通電而降溫後，PDMS陽極流道板12^” 與幫浦薄膜144^” 便會回復到原本配置的形狀，此時也因為止逆閥的限制的關係而將液體由入口處吸入。如此一來，即可完成既可主動式輸入燃料，又可針對陽極流道區域進行氣泡移除。

第16至22圖係用於說明本發明第三具體實施例的附圖，在第三具體實施例下的直接甲醇燃料電池裝置1，乃採行微型磁致動式幫浦14^’’’ 與磁致動模組13^’’’ 分別做為所述微型幫浦與所述壓力產生裝置的具體實施手段。

請配合參見第16圖，防水薄膜陽極流道板12乃利用聚二甲基矽氧烷(Polydimethysiloxane，PDMS)，而製造成PDMS陽極流道板12^’’’ 。PDMS陽極流道板12^’’’ 乃包含複數條流道12^’’’ a。所述氣泡若不加以移除處理，則會留滯在該些流道12^’’’ a中。本發明充份利用PDMS材質的特性，其具有防水、受壓後會在受壓區域上變形、壓力移除後即恢復原形等特性。PDMS陽極流道板12^’’’ 的背面乃設置有一空間，可將磁致動模組13^’’’ 安置在內。

請配合參見第17A、17B、20圖，磁致動模組13^’’’ 乃具有：至少一個以上的電磁鐵13^’’’ a。請配合參見第20圖，微型磁致動式幫浦14^’’’ 乃是由：磁性液體載盤146^’’’ 、幫浦薄膜144^’’’ 、幫浦止逆腔體板142^’’’ 、以及出入口端板143^’’’ ，係依序自上而下堆疊而成。另一個磁性液體載盤146^’’’ 乃設置於磁致動模組13^’’’ 與PDMS陽極流道板12^’’’ 之間。請配合參見第18A、18B、20圖，幫浦止逆腔體板142^’’’ 其中央區域形一個鏤空的腔體。請配合參見第19A、19B、20圖，出入口端板143^’ 是用於供其內部的液體，在其流道中流通。

請參見第21A、21B圖，在第三具體實施例下的直接甲醇燃料電池裝置1，其運作原理為：應用微積電製程製作電磁鐵13^’’’ a，並在磁致動模組13^’’’ 的中央區域設置成一個陣列，並應用習知單晶片程式手段，來針對特定區域的電磁鐵13^’’’ a的電極產生磁力，進而吸附對應的上下兩層磁性液體載盤146^’’’ 。當上層磁性液體載盤146^’’’ 受到電磁鐵13^’’’ a陣列的吸附後，所發生的氣泡移除機制原理則與上述第一、二具體實施例相同，因此不再重述。當下層磁性液體載盤146^’’’ 受到電磁鐵13^’’’ a陣列的吸附後，會帶動幫浦薄膜144^’’’ 的擺動，在加上幫浦止逆腔體板142^’’’ 的止逆閥的限制性效果，便可達到液體輸送的目的。

請參見第22圖，在此說明如何製作電磁鐵13^’’’ a。先將晶圓經過一系列的標準清洗程序清洗後，再以自動光阻塗佈機塗佈光阻。將設計好的光罩置放於晶圓上方並完成曝光顯影與烘烤定型的程序後，以蒸鍍鎳金屬的方式製作鎳金屬的線圈133，在重複10次後，再以乾式蝕刻於線圈中心鑿穿一系列的圓孔。最後置放柱狀的鎳錠131，即可製作出與電磁鐵效果之微電磁鐵陣列。

本發明的具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置，具有排除氣泡功能，以及如何與微型幫浦的結合其在結構的精巧設計，可同時達到液體輸送的目的，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。

1．．．直接甲醇燃料電池

10．．．直接甲醇燃料電池單元

11．．．陰極流道板

101．．．陰極集電片

102．．．防水墊片

103．．．膜電極組(MEA)

104．．．陽極集電片

12．．．防水薄膜陽極流道板

13．．．壓力產生裝置

14．．．微型幫浦

12^’ ．．．PDMS陽極流道板

12a^’ ．．．流道

13^’ ．．．氣液通道板

13^’ a．．．通道

13^’ b．．．氣孔

14^’ ．．．微型氣動式幫浦

141^’ ．．．液體壓縮腔體板

143^’ ．．．出入口端板

144^’ a．．．幫浦薄膜

144^’ b．．．幫浦薄膜

12^” ．．．PDMS陽極流道板

12a^” ．．．流道

14^” ．．．微型熱致動式幫浦

13^” ．．．熱致動模組

13^” a．．．電極

142^” ．．．幫浦止逆腔體板模組

143^” ．．．出入口端板

144^” ．．．幫浦薄膜

145^” ．．．固定板

14^’’’ ．．．微型磁動式幫浦

12^’’’ ．．．PDMS陽極流道板

12a^’’’ ．．．流道

13^’’’ ．．．磁致動模組

13a^’’’ ．．．電磁鐵

131．．．鎳錠

133．．．線圈

142^’’’ ．．．幫浦止逆腔體板模組

143^’’‘ ．．．出入口端板

144^’’’ ．．．幫浦薄膜

146^’’’ ．．．磁液載盤

第1圖顯示本發明具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置的結構方塊圖。

第2圖顯示本發明的直接甲醇燃料電池單元的結構分解圖。

第3圖顯示本發明的陰極流道板的立體圖。

第4A、4B圖顯示本發明第一具體實施例中的PDMS陽極流道板的正面與背面的構造圖。

第5A、5B圖顯示本發明第一具體實施例中的氣液通道板的正面與背面的構造圖。

第6圖顯示本發明第一具體實施例中的液體壓縮腔體板的構造圖。

第7A、7B圖顯示本發明第一具體實施例中的出入口端板的正面與背面的構造圖。

第8圖顯示本發明第一具體實施例中的直接甲醇燃料電池裝置的結構分解圖。

第9A、9B、9C圖顯示本發明第8圖的運作原理圖。

第10圖顯示本發明第二具體實施例中的PDMS陽極流道板的背面構造圖。

第11圖顯示本發明第二具體實施例中的熱致動模組的構造圖。

第12A、12B圖顯示本發明第二具體實施例中的幫浦止逆腔體板的正面與背面的構造圖。

第13A、13B圖顯示本發明第二具體實施例中的出入口端板的正面與背面的構造圖。

第14圖顯示本發明第二具體實施例中的直接甲醇燃料電池裝置的結構分解圖。

第15A、15B圖顯示本發明第14圖的運作原理圖。

第16圖顯示本發明第三具體實施例中的PDMS陽極流道板的背面構造圖。

第17A、17B圖顯示本發明第三具體實施例中的磁致動模組的正面與背面的構造圖。

第18A、18B圖顯示本發明第三具體實施例中的幫浦止逆腔體板的正面與背面的構造圖。

第19A、19B圖顯示本發明第三具體實施例中的出入口端板的正面與背面的構造圖。

第20圖顯示本發明第三具體實施例中的直接甲醇燃料電池裝置的結構分解圖。

第21A、21B圖顯示本發明第20圖的運作原理圖。

第22圖顯示本發明第三具體實施例中的電磁鐵的結構斷面圖。

1．．．直接甲醇燃料電池裝置

10．．．直接甲醇燃料電池單元

11．．．陰極流道板

12．．．防水薄膜陽極流道板

13．．．壓力產生裝置

14．．．微型幫浦

Claims

一種具氣泡移除機制的直接甲醇燃料電池裝置，包括：一微型幫浦、一壓力產生裝置、一防水薄膜陽極流道板、一直接甲醇燃料電池單元、一陰極流道板，係依序自上而下堆疊且密接成一個單件結構，其中，該壓力產生裝置，係用於產生一第一壓力與一第二壓力，其中該第一壓力係用於對該防水薄膜陽極流道板進行施壓，致使得該防水薄膜陽極流道板受到施壓的部份區域變形，以使得位於該防水薄膜陽極流道板中的一氣泡能夠朝一預定方向移動，其中該第二壓力係用於對該微型幫浦的一幫浦薄膜進行施壓，致使得該幫浦薄膜受到施壓的部份區域變形，以使得位於該微型幫浦內的一液體能夠朝一預定方向流動；一防水薄膜陽極流道板，係利用一防水且具有彈性的材質所製成，以及係具有複數條陽極流道。
如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池裝置，其中該防水薄膜陽極流道板的材質，係一聚二甲基矽氧烷(Polydimethysiloxane，PDMS)。
如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池裝置，其中該微型幫浦，係一微型氣動式幫浦，且該微型氣動式幫浦係包含：該幫浦薄膜、一液體壓縮腔體板、一另一幫浦薄膜、以及一出入口端板，係依序自上而下堆疊。
如申請專利範圍第3項所述之直接甲醇燃料電池裝置，其中該壓力產生裝置，係一氣液通道板，且該氣液通道板，係具有複數條通道以及至少二個氣孔。
如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池裝置，其中該微型幫浦，係一微型熱致動式幫浦，且該微型熱致動式幫浦係包含：一模組固定板、該幫浦薄膜、一幫浦止逆腔體板、以及一出入口端板，係依序自上而下堆疊。
如申請專利範圍第5項所述之直接甲醇燃料電池裝置，其中該壓力產生裝置，係一熱致動模組，且該熱致動模組，係具有至少一條以上的電極。
如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池裝置，其中該微型幫浦，係一微型磁致動式幫浦，且該磁型熱致動式幫浦係包含：一磁性液體載盤、該幫浦薄膜、一幫浦止逆腔體板、以及一出入口端板，係依序自上而下堆疊。
如申請專利範圍第7項所述之直接甲醇燃料電池裝置，其中該壓力產生裝置，係一磁致動模組，且該磁致動模組，係具有至少一個以上的電磁鐵。
如申請專利範圍第8項所述之直接甲醇燃料電池裝置，進一步包括：一另一磁性液體載盤，係設置於該磁致動模組與該防水薄膜陽極流道板之間。