TWI500212B

TWI500212B - 直接甲醇燃料電池

Info

Publication number: TWI500212B
Application number: TW102148515A
Authority: TW
Inventors: Yin Wen Tsai; Ching Chang Chiu
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-09-11
Also published as: TW201526373A

Description

直接甲醇燃料電池

本發明是有關於一種燃料電池系統，且特別是有關於一種直接甲醇燃料電池。

在傳統直接甲醇燃料電池系統中，陽極端反應後之氣液混合物，皆一同流入燃料混合槽進行燃料混合與排氣，燃料混合槽因重力方向限制，僅允許CO₂ 排氣與燃料抽取單一方向運作，為解決單一方向運作之問題，則進行氣液分離裝置設計，滿足無方向限制運作之CO₂ 排氣與燃料抽取裝置開發。

在這樣的趨勢下，主要是以簡化系統的結構，達成無方向限制運作為設計目標，拓展燃料電池系統產品應用之場域。譬如有的技術是採用燃料進出口管徑由大而小之設計，透過管壁疏水排氣膜進行CO₂ 排氣，但燃料出口端需設置一多孔材質，來提升阻力達成功效，長時間運作會有孔洞阻塞之問題。另外也有以機構形狀與容積設計來滿足CO₂ 排氣與燃料抽取之功能；或者透過親水材機構進行燃料抽取，疏水排氣膜進行CO₂ 排氣，但是長時間操作親水材易有阻塞情形發生，影響燃料抽取速率。還有的技術是採用機械離心方式進行氣液分離與排氣，但面臨系統功耗增加之問題。

另外，在傳統直接甲醇燃料電池系統中，為了達到水回收之目的，會將陰極端反應後之餘氣與生成水一同回流至燃料混合槽，餘氣再於燃料混合槽之氣孔排出，一方面陰極餘氣導入燃料混合槽未即時排出易造成系統內部壓力之提升，進而影響甲醇補充量，增加系統濃度控制之困難度，另一方面，對燃料電池系統體積微小化與達成無方向性運作是極大之挑戰，將限制了燃料電池系統應用之領域，因此仍有改進空間。

本發明的直接甲醇燃料電池包括一電池組、一陽極部與一陰極部，所述直接甲醇燃料電池的陽極部至少包括一燃料混合槽、一燃料循環幫浦(CP)、一甲醇補充幫浦(MP)，其中燃料混合槽包括槽體、CO₂ 排氣組件與燃料抽取組件。上述槽體具有各自分離的一CO₂ 與燃料混合物之進口、一甲醇進口、一回收水進口、一燃料抽取出口及一排氣出口。CO₂ 排氣組件設於槽體內並與排氣出口相連，而燃料抽取組件則設於槽體內並與燃料抽取出口相連。上述CO₂ 排氣組件包括具有數個開口的中空本體、覆蓋開口的數個第一疏水透氣膜、以及直接連接排氣出口與中空本體的一排氣管道。上述燃料抽取組件包括一中空軟管和一抽取錘，其中抽取錘具有一貫穿孔。上述中空軟管的一端直接與燃料抽取出口相連、另一端則設置有上述抽取錘，且抽取錘能隨重力移位。

基於上述，本發明透過陽極CO₂ 排氣與燃料抽取裝置的設計開發，滿足系統CO₂ 氣體排除與維持燃料抽取的順暢性，使系統可達成穩定且無方向限制運作之目標，同時在體積縮減之進展下，可拓展更多之應用領域。再者，本發明還透過陰極氣液分離裝置的設計開發，能滿足氣體獨立排放，水回收穩定之功效，使系統可達成無方向限制運作之目標，且陰極餘氣獨立排氣，系統內部壓力易維持穩定，可有效調控甲醇補充之穩定性，進而開發出無方向限制且穩定發電之燃料電池系統。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧直接甲醇燃料電池

102‧‧‧電池組

104‧‧‧陽極部

106‧‧‧陰極部

200‧‧‧燃料混合槽

202‧‧‧槽體

202a~e‧‧‧外管

204‧‧‧CO₂ 與燃料混合物之進口

206‧‧‧甲醇進口

208‧‧‧回收水進口

210‧‧‧燃料抽取出口

212‧‧‧排氣出口

212a‧‧‧電磁閥

214、400、408‧‧‧CO₂ 排氣組件

216、402、410‧‧‧中空本體

216a、402a、410a‧‧‧開口

218、404、412‧‧‧第一疏水透氣膜

220、406、414‧‧‧排氣管道

222‧‧‧燃料抽取組件

224‧‧‧中空軟管

224a~b‧‧‧端

226‧‧‧抽取錘

226a‧‧‧貫穿孔

300‧‧‧燃料

500‧‧‧氣液分離裝置

502、700、708‧‧‧氣液混合流道層

504、702、710‧‧‧入口

506、704、712‧‧‧出口

508、706、714‧‧‧流道

508a‧‧‧直線部

508b‧‧‧轉折部

510‧‧‧第二疏水透氣膜

512‧‧‧上蓋固定板

512a‧‧‧開孔

716‧‧‧擋板

800‧‧‧散熱裝置

802‧‧‧散熱鰭片

804‧‧‧散熱風扇

MP‧‧‧甲醇補充幫浦

CP‧‧‧燃料循環幫浦

AP‧‧‧空氣幫浦

W1、W2‧‧‧尺寸

圖1是依照本發明的一實施例的一種直接甲醇燃料電池的示意圖。

圖2A是圖1的陽極部內的燃料混合槽之立體透視圖。

圖2B是圖2A的另一例之立體透視圖。

圖3A至圖3C是圖2B的燃料混合槽之移位後的立體透視圖。

圖4A和圖4B是圖2A之CO₂ 排氣組件的兩種變形例的立體透視圖。

圖5是本發明的實施例之氣液分離裝置的上視圖。

圖6是圖5之VI-VI線段的剖面示意圖。

圖7A和圖7B是圖5之氣液混合流道層的兩種變形例的上視圖。

圖8是圖5之氣液分離裝置的另一例之剖面示意圖。

圖1是依照本發明的一實施例的一種直接甲醇燃料電池的示意圖。在圖1中顯示的直接甲醇燃料電池100包括一電池組102、一陽極部104與一陰極部106。陽極部104中的MP代表甲醇補充幫浦、CP代表燃料循環幫浦；陰極部106中的AP代表空氣幫浦。雖然圖1中僅顯示一個具有陰極、陽極與膜電極組的電池組102，但是這只是示意圖的表示方式，電池組102通常是由多個電池構成的電池堆。

在一實施例中，陽極部104內有個燃料混合槽，是用來提供電池組102反應所需之陽極燃料，並同時回收來自陽極反應後之CO₂ 與燃料混合物以及回收來自陰極部106反應產生的水。這個燃料混合槽如圖2A所示的200，包括槽體202，且槽體202具有各自分離的CO₂ 與燃料混合物之進口204、甲醇進口206、回收水進口208、燃料抽取出口210及排氣出口212，前述各種出口和進口都可藉由管道連接其他構件。此外，槽體202本身也可以從進口204、206、208和出口210、212處設有數個外管202a~e，請見圖2B。另外，於排氣出口212可加裝電磁閥(Check valve， CV)212a，使其隨直接甲醇燃料電池的開關作動，以避免燃料在未開啟電池的期間蒸發耗損。

再者，於槽體202內還有與排氣出口212相連之CO₂ 排氣組件214，其包括具有數個開口216a的中空本體216、覆蓋開口216a的數個第一疏水透氣膜218、以及直接連接排氣出口212與中空本體216的一排氣管道220。排氣管道220可為軟管或硬管。第一疏水透氣膜218則例如PTFE孔洞材質或PTFE孔洞材質加上PP背材，且孔洞約在0.5μm~3.0μm之間；較佳約在0.5μm~1.0μm之間。至於中空本體216中的各開口216a的面積，如以發電量30W電池堆為例，CO₂ 氣體產生量約為170mL/min，其面積約在1.0cm² ~X/10cm² 之間，較佳在X/40cm² ~X/10cm² 之間，更佳在X/40cm² ~X/20cm² 之間(X代表電池堆發電之CO₂ 氣體產生量)，以使CO₂ 等氣體能順利且大量進入中空本體216中，又不會破壞第一疏水透氣膜218的結構。

在槽體202內還有與燃料抽取出口210相連的一燃料抽取組件222，其包括一中空軟管224和一抽取錘226，其中抽取錘226具有貫穿孔226a方便燃料(水與甲醇)進入。中空軟管224的材質例如矽膠、PP或PTFE；抽取錘226的材質例如不鏽鋼或不鏽鋼本體表面PP塗層。由於中空軟管224的一端224a直接與燃料抽取出口210相連、另一端224b設置了抽取錘226，且抽取錘226本身會隨重力移位，所以當實施例的直接甲醇燃料電池(如圖1的100)移動其位置，則陰極部內的槽體202會如圖3A至圖3C 所示，燃料300始終隨重力移動，而抽取錘226也會隨重力移位不受燃料影響，因此可順利抽到燃料。

在實施例中的CO₂ 排氣組件214並不會隨重力移動，屬於固定式裝置，所以只要設計在適當位置並控制燃料進入槽體202的容量上限，就能維持排氣功能。而且，如以發電量30W燃料電池堆為例，圖2A的槽體202內的壓力P_int 大概維持於5kPa以下(較佳是3kPa以下)，可滿足CO₂ 產生量170mL/min之排氣規格。當P_int 大於第一疏水透氣膜218的靜壓，則CO₂ 能順利排出，當P_int 小於第一疏水透氣膜218的耐水壓，則燃料不滲漏。換句話說，隨槽體202內的壓力P_int 變化，且疏水透氣膜耐水壓大於P_int 值時，當P_int 超過一靜壓值，則能透過排氣洩壓，使槽體202內的壓力P_int 維持在固定值內，進而達到燃料供應的穩定度。

而且CO₂ 排氣組件214除了像圖2A~2B顯示的長方體或正方體，也可以有下列變形例。

圖4A的CO₂ 排氣組件400中的中空本體402是圓柱體，所以其開口402a的形狀連同第一疏水透氣膜404的形狀都與圖2A~2B的不同，且連接排氣出口的排氣管道406是軟管。圖4B的CO₂ 排氣組件408中的中空本體410則是球體，其開口410a和覆蓋開口410a的第一疏水透氣膜412的形狀也與其他圖不同，且連接排氣出口的排氣管道414也可以是軟管。當然本發明並不限於此。

本發明的實施例除上述陽極部104的改進外，還可同時在陰極部106中設置如圖5~圖6所示的氣液分離裝置500。但是，本發明的直接甲醇燃料電池100也可不設置氣液分離裝置，直接以圖1的陰極部106內的冷凝器進行氣液分離。

圖5是上述實施例之氣液分離裝置的上視圖，圖6是圖5之VI-VI線段的剖面示意圖，其中圖5僅顯示氣液分離裝置500中的氣液混合流道層502，至於其他構件，如第二疏水透氣膜510等則顯示於圖6。

請參照圖5和圖6，氣液混合流道層502包含一入口504、一出口506以及連通入口504與出口506的流道508，第二疏水透氣膜510則是覆蓋於氣液混合流道層502的流道508上，且出口506之孔徑例如0.3mm~1.0mm。氣液混合流道層502的材質可為石墨、鋁或其他材質。所述氣液分離裝置500可透過流道502的轉折部508b尺寸W1縮減(較直線部508a尺寸W2要小)或者出口506的孔徑縮減(較入口504的孔徑要小)，使進入氣液混合流道層502的流體流速下降，轉換成壓力，氣體得以自第二疏水透氣膜510排出，液體則持續往出口506前行。也就是說，當流道508內入口504和出口506的壓力差△P大於第二疏水透氣膜510的靜壓，則氣體能順利排出，當△P小於第二疏水透氣膜510的耐水壓，則燃料不滲漏。舉例來說，氣液混合物體積比約3000：3，則經由氣液分離裝置500處理後，其出口之氣液混合物體積比下降至150：3以下，待壓力調降後，其氣液混合物餘液再送回混合槽(請參見圖1)。

至於第二疏水透氣膜510的材質可參照第一疏水透氣膜的範例，故不再贅述。此外，在圖6中的第二疏水透氣膜510雖然是完全覆蓋於流道508，但是本發明並不限於此，第二疏水透氣膜510也可以部分覆蓋於流道508，以利氣體在氣液分離後排出。在圖6中，還可加設一個上蓋固定板512將第二疏水透氣膜510固定於氣液混合流道層502上，其中上蓋固定板512的開孔512a位置與大小可與流道508的位置與大小相同或接近。上蓋固定板512的材質例如金屬(鋁或銅)。但是本發明並不限於此，也可省略上蓋固定板512，而是將第二疏水透氣膜510直接黏在氣液混合流道層502上。

再者，氣液混合流道層502除了像圖5顯示的蛇型流道，也可以有下列變形例。

圖7A的氣液混合流道層700包含入口702和出口704以外，還有連通入口702與出口704的直通型流道706。這個直通型流道706的尺寸也可做變動，以使進入氣液混合流道層700的流體流速下降，轉換成壓力，以便排出氣體。圖7B的氣液混合流道層708一樣包含入口710和出口712，且具有連通入口710與出口712的蛇型流道714，其中流道714內設置數個擋板716，可為對稱或不對稱排列，以產生紊流，增加氣體與流道表面碰撞機會，提升熱交換面積。

圖8是圖5之氣液分離裝置500的另一例之剖面示意圖。在圖8中顯示，氣液混合流道層502的底面502a設置有一散熱裝置800，以進行陰極氣體廢熱移除。散熱裝置800例如散熱鰭片802，其材質包括金屬或碳集成材。而且，還可在散熱裝置800內加設散熱風扇804，幫助降低溫度，使氣液分離。

以下列舉一些實驗例來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。

實驗例一

製作一個如圖2A的CO₂ 排氣組件214，共有4個面有設置疏水透氣膜。單面疏水透氣膜的面積為1cm×4cm，疏水透氣膜的材質為PTFE薄膜+PP背材，PTFE薄膜之孔洞約為1μm，得到排氣量為350.4c.c/min.cm² ~401c.c/min.cm² 。

實驗例二

製作一個如圖5~6的氣液分離裝置，其中流道尺寸為寬度5mm，深度5mm，對應之空氣量為3000mL~4000mL/min。氣液分離裝置中的疏水透氣膜之材質為PTFE薄膜+PP背材，孔洞約為1μm，排氣量350.4c.c/min.cm² ~401c.c/min.cm² 。氣液混合流道層之入口尺寸約5mm×5mm，以避免電池組的內部壓力提升，增加空氣幫浦壽命，並與ID(內徑)0.5mm的出口尺寸搭配，使空氣可多數由疏水透氣膜排出，明水液體則可由出口流入混合槽。

綜上所述，本發明應用於直接甲醇燃料電池的CO₂ 排氣與燃料抽取之燃料混合裝置，可提供系統無方向限制運作之功能，並防止系統內部壓力之累積，未反應燃料則與補充高濃度甲醇混合被輸送進入電池組反應，透過此設計得以使燃料電池系統維持無方向限制運作，提升產品應用之競爭優勢。另外，於直接甲醇燃料電池中的陰極再搭配具散熱排氣效果的氣液分離裝置，可解決長時運作穩定性之問題，有助於延長系統連續運作的壽命。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧燃料混合槽

202‧‧‧槽體

204‧‧‧CO₂ 與燃料混合物之進口

206‧‧‧甲醇進口

208‧‧‧回收水進口

210‧‧‧燃料抽取出口

212‧‧‧排氣出口

212a‧‧‧電磁閥

214‧‧‧CO₂ 排氣組件

216‧‧‧中空本體

216a‧‧‧開口

218‧‧‧第一疏水透氣膜

220‧‧‧排氣管道

222‧‧‧燃料抽取組件

224‧‧‧中空軟管

224a~b‧‧‧端

226‧‧‧抽取錘

226a‧‧‧貫穿孔

Claims

一種直接甲醇燃料電池，包括一電池組、一陽極部與一陰極部，所述陽極部至少包括：一燃料混合槽、一燃料循環幫浦(CP)、與一甲醇補充幫浦(MP)，其中該燃料混合槽包括：一槽體，具有各自分離的一CO₂ 與燃料混合物之進口、一甲醇進口、一回收水進口、一燃料抽取出口及一排氣出口；一CO₂ 排氣組件，設於該槽體內並與該排氣出口相連，其中該CO₂ 排氣組件包括：一中空本體，具有數個開口；數個第一疏水透氣膜，覆蓋該些開口；以及一排氣管道，直接連接該排氣出口與該中空本體；以及一燃料抽取組件，設於該槽體內並與該燃料抽取出口相連，其中該燃料抽取組件包括：一中空軟管，一端直接與該燃料抽取出口相連；以及一抽取錘，設置於該中空軟管的另一端能隨重力移位，其中該抽取錘具有一貫穿孔。
如申請專利範圍第1項所述的直接甲醇燃料電池，其中所述陰極部至少包括一空氣幫浦與一氣液分離裝置，其中該氣液分離裝置包括：一氣液混合流道層，包含一入口、一出口以及連通該入口與該出口的流道；以及一第二疏水透氣膜，覆蓋於該氣液混合流道層的該流道上。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該CO₂ 排氣組件為固定式裝置。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該中空本體的形狀包括長方體、正方體、圓柱體或球體。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，更包括一電磁閥，裝設於該排氣出口，隨該直接甲醇燃料電池的開關作動。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該排氣管道包括軟管或硬管。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該第一疏水透氣膜包括PTFE孔洞材質或PTFE孔洞材質加上PP背材。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該中空軟管的材質包括矽膠、PP或PTFE。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該抽取錘的材質包括不鏽鋼或不鏽鋼本體表面PP塗層。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該中空本體中的各該開口的面積在X/40cm² ~X/10cm² 之間，X代表電池堆發電之CO₂ 氣體產生量。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該第一疏水透氣膜的孔洞在0.5μm~3.0μm之間。
如申請專利範圍第1項或第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該槽體內的壓力維持於5kPa以下。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，更包括一散熱裝置，設置於該氣液混合流道層的底面。
如申請專利範圍第13項所述的直接甲醇燃料電池，其中該散熱裝置包括一散熱鰭片。
如申請專利範圍第14項所述的直接甲醇燃料電池，其中該散熱鰭片的材質包括金屬或碳集成材。
如申請專利範圍第13項所述的直接甲醇燃料電池，更包括一散熱風扇，設於該散熱裝置內。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該第二疏水透氣膜是完全或部分覆蓋於該流道。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，更包括一上蓋固定板，俾使該第二疏水透氣膜被固定於該氣液混合流道層上。
如申請專利範圍第18項所述的直接甲醇燃料電池，其中該上蓋固定板的開孔位置與大小與該流道的位置與大小相同。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該第二疏水透氣膜是黏在該氣液混合流道層上。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該第二疏水透氣膜包括PTFE孔洞材質或PTFE孔洞材質加上PP背材。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該氣液混合流道層的該出口的孔徑比該入口的孔徑小。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該氣液混合流道層的該出口之孔徑為0.3mm~1.0mm。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該氣液混合流道層的該流道包括數個直線部與至少一轉折部，且該轉折部的尺寸比該直線部的尺寸小。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，其中該氣液混合流道層的該流道的型式包括蛇型或直通型流道。
如申請專利範圍第2項所述的直接甲醇燃料電池，更包括數個擋板，設置於該氣液混合流道層的該流道內。