TWI553160B - 用於水電解的膜電極組 - Google Patents

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Description

用於水電解的膜電極組
本發明是有關於一種用於水電解的膜電極組，且特別是一種內部具有感測元件之膜電極組，所述感測元件可於水電解反應發生時感測其所在區域的一環境變化。
隨著工業快速發展，人們消耗化石能源的速度越來越快，除了造成化石能源嚴重短缺外，亦使得生態環境日趨惡化，故發展高效率及低汙染的再生能源來代替化石能源已是重要的發展趨勢。
就再生能源的發展而言，「燃料電池」(Fuel cell)是一種利用氧化還原反應以將燃料的化學能轉變為電能的電池，且在燃料電池產電的過程中其副產物多為水或熱，故對環境的汙染較小，並且相較於太陽能及風能等綠色能源，因不須倚靠氣候變化來進行發電，故不存在供電不穩定的問題。因此，燃料電池已是發展再生能源不可或缺的一環。
在眾多燃料當中，氫氣因是一種乾淨且對環境無害的燃料，故被視為最具潛力的能源載體。根據現有的製氫技術，質子交換膜(Proton Exchange Membrane，簡稱PEM)製氫技術為目前較有效率且較實用的氫氣生產技術，其工作原理為在水電解裝置內加入純水且在正負極兩端通入直流電，使得水分子在陽極上發生電化學反應以產生氧氣和氫離子，接著氫離子穿過質子交換膜在陰 極獲得電子而被還原為氫氣。
值得注意的是，於水電解裝置進行電化學反應時，水電解裝置內部各區域之溫度、壓力、電壓及電流變化等皆會影響水電解的效率。因此，如何量測水電解裝置內部各區域之溫度、壓力、電壓及電流變化等環境參數顯得格外重要。
本發明提供一種用於水電解的膜電極組，所述膜電極組內設置有一感測元件，所述感測元件可於水電解反應發生時感測其所在區域的溫度、壓力、電壓及/或電流等環境變化。
本發明實施例提供一種用於水電解的膜電極組，包括質子交換膜、第一觸媒層、第二觸媒層、第一氣體擴散層、第二氣體擴散層及第一感測片。質子交換膜位於第一觸媒層及第二觸媒層的內側之間。第一氣體擴散層設置於第一觸媒層的外側。第二氣體擴散層設置於第二觸媒層的外側。第一感測片夾置於第一觸媒層與第一氣體擴散層之間，且第一感測片用以於水電解反應發生時感測其所在區域的環境變化。
本發明實施例另提供一種用於水電解的膜電極組，包括質子交換膜、第一觸媒層、第二觸媒層、第一氣體擴散層、第二氣體擴散層、第一環狀封裝片及第二環狀封裝片。質子交換膜位於第一觸媒層及第二觸媒層的內側之間。第一氣體擴散層設置於第一觸媒層的外側，其中第一氣體擴散層的內側相對於第一觸媒層的外側。第二氣體擴散層設置於第二觸媒層的外側，其中第二氣體擴散層的內側相對於第二觸媒層的外側。第一環狀封裝片設置於第一氣體擴散層的外側，且第一環狀封裝片具有第一邊框部及第一感測部，第一感測部自第一邊框部延伸至第一氣體擴散層，以感測該第一氣體擴散層於水電解反應發生時的環境變化。第二環狀封裝片設置於第二氣體擴散層的外側。
本發明實施例又提供一種用於水電解的膜電極組，包括質子交換膜、第一觸媒層、第二觸媒層及第一感測片。質子交換膜位於第一觸媒層及第二觸媒層的內側之間。第一感測片夾置於第一觸媒層與質子交換膜之間，且第一感測片用以於水電解反應發生時感測其所在區域的環境變化。
綜上所述，本發明實施例所提出之用於水電解的膜電極組，其內部增設有至少一感測元件，所述感測元件可於水電解反應發生時感測其所在區域的環境變化，並將感測結果傳送至外部監控裝置，以讓監控裝置能即時進行膜電極組的微觀診斷及分析。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
10、20、30‧‧‧膜電極組
100、200、300‧‧‧質子交換膜
110、210、310‧‧‧第一觸媒層
112、212、312‧‧‧第二觸媒層
120、220、320‧‧‧第一氣體擴散層
122、222、322‧‧‧第二氣體擴散層
130、230、330‧‧‧第一環狀封裝片
132、232、332‧‧‧第二環狀封裝片
1301、1321、2301、2321、3301、3321‧‧‧中空部
2302、2322‧‧‧邊框部
2303、2323、S2‧‧‧感測部
S‧‧‧感測片
S1‧‧‧連接部
圖1為根據本發明實施例之用於水電解的膜電極組之結構示意圖。
圖2為根據本發明另一實施例之用於水電解的膜電極組之結構示意圖。
圖3為根據本發明又一實施例之用於水電解的膜電極組之結構示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字 始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
〔用於水電解的膜電極組之實施例〕
請參照圖1，圖1為根據本發明實施例之用於水電解的膜電極組之結構示意圖。用於水電解的膜電極組10包括質子交換膜100、第一觸媒層110、第二觸媒層112、第一氣體擴散層120、第二氣體擴散層122、第一環狀封裝片130、第二環狀封裝片132及感測片S。如圖1所示，質子交換膜100位於第一觸媒層110及第二觸媒層112的內側之間。質子交換膜100、第一觸媒層110及第二觸媒層112夾設於第一氣體擴散層120及第二氣體擴散層122的內側之間。感測片S夾置於第一觸媒層110的外側與第一氣體擴散層120的內側之間。第一環狀封裝片130及第二環狀封裝片132分別設置於第一氣體擴散層120及第一氣體擴散層122的外側，以封裝質子交換膜100、感測片S、第一觸媒層110、第二觸媒層112、第一氣體擴散層120及第二氣體擴散層122，其中感測片S部份外露於第一環狀封裝片130及第二環狀封裝片132，且第一氣體擴散層120及第二氣體擴散層122的外側分別暴露於第一環狀封裝片130的中空部1301及第二環狀封裝片132的中空部1321。
在本實施例中，第一觸媒層110及第二觸媒層112可以塗佈的方式形成於質子交換膜100的兩側面上，且第一觸媒層110及第二觸媒層112的尺寸可對應於第一氣體擴散層120及第二氣體擴散層122的尺寸。質子交換膜100可為固態高分子聚合物，用以傳送質子(如氫離子H+)。第一觸媒層110及第二觸媒層112分 別為陰極及陽極催化劑，陰極催化劑可採用Pt或Ru等催化劑，且陽極催化劑可採IrO2或RuO2等催化劑。第一氣體擴散層120對應於第一觸媒層110(即陰極催化劑)可採用多孔性的石墨氈或碳氈，而第二氣體擴散層122對應於第二觸媒層112(即陽極催化劑)亦可採用多孔性的石墨氈或碳氈。第一環狀封裝片130及第二環狀封裝片132可為熱塑性聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、PVDF、EPDM、聚酯、聚醯胺、聚醯胺彈性體、聚醯亞胺、聚氨酯、聚矽氧烷、聚矽氧烷彈性體等熱塑性聚合物。
值得注意的是，本發明並不限制質子交換膜100、第一觸媒層110、第二觸媒層112、第一氣體擴散層120、第二氣體擴散層122、第一環狀封裝片130、第二環狀封裝片132的種類及尺寸，本技術領域具有通常知識者可視實際需求而變更之。
感測片S具有感測部S2及連接部S1，感測部S2內包含有一感測元件(未繪示)，且所述感測元件係電性耦接連接部S1。所述感測元件可於水電解發生時感測其所在區域之溫度、電壓、電流或/及壓力等環境變化。連接部S1外露於第一環狀封裝片130及第二環狀封裝片132，且可為一具導電性的輸出接口(如為以金屬構成的導電觸片)，用以連接一外部監控裝置(未繪示)。所述連接部S1可將感測部S2的感測結果傳送至所連接的監控裝置(未繪示)，藉此監控裝置可依據感測部S2的感測結果以即時進行膜電極組的微觀診斷及分析。
在本實施例中，感測部S2內的感測元件例如為可撓式微型溫度、電流、電壓、壓力感測器或上述微型感測器之任一組合(即多合一微型感測器)，本發明實施例並不限制感測部S2所包含之微型感測器的數量及種類。值得注意的是，所述微型感測器是經由微機電系統(MEMS)技術來開發的金屬感測線路，其具有體積小厚度薄的特點，其中所述感測線路可以不鏽鋼薄片作為可撓式基材並以高耐溫性的聚醯亞胺(PI)作為外部保護層，但本發明實施例並 不以此為限。
另，值得注意的是，本發明實施例並不限制膜電極組10內所包含之感測片S的數量，即第一觸媒層110與第一氣體擴散層120之間可設置有複數個感測片S，以於水電解發生時能感測第一觸媒層110與第一氣體擴散層120間之各區域的環境變化。
於另一實施例中，第二觸媒層112與第二氣體擴散層122之間亦可進一步地設置有至少一感測片S，以於水電解發生時感測第二觸媒層112與第二氣體擴散層122間之至少一區域的環境變化。
由上可知，藉由在觸媒層與氣體擴散層間設置多個感測片S，監控裝置可於膜電極組10進行電化學反應時，依據多個感測片S的感測結果即時微觀診斷及分析膜電極組10內部各區域之溫度、壓力、電壓及/或電流等環境變化。
〔用於水電解的膜電極組之另一實施例〕
請參照圖2，圖2為根據本發明另一實施例之膜電極組之結構示意圖。用於水電解的膜電極組20包括質子交換膜200、第一觸媒層210、第二觸媒層212、第一氣體擴散層220、第二氣體擴散層222、第一環狀封裝片230及第二環狀封裝片232。如圖2所示，質子交換膜200位於第一觸媒層210及第二觸媒層212的內側之間。質子交換膜200、第一觸媒層210及第二觸媒層212夾設於第一氣體擴散層220及第二氣體擴散層222的內側之間。第一環狀封裝片130及第二環狀封裝片232分別設置於第一氣體擴散層220及第一氣體擴散層222的外側，以封裝質子交換膜200、第一觸媒層210、第二觸媒層212、第一氣體擴散層220及第二氣體擴散層222，其中第一氣體擴散層220及第二氣體擴散層222的外側分別暴露於第一環狀封裝片230的中空部2301及第二環狀封裝片232的中空部2321。
在本實施例中，與上述圖1實施例不同的是，膜電極組20未具有感測片S，而是由第一環狀封裝片230的邊框部2302延伸出 一感測部2303。所述感測部2303由邊框部2302延伸至第一氣體擴散層220，以於水電解反應發生時感測其所在區域的環境變化，亦即感測部2303可感測第一氣體擴散層220之一區域的環境變化。另外，第二環狀封裝片232亦可如第一環狀封裝片230具有自邊框部2322延伸出的一感測部2323。所述感測部2323由邊框部2322延伸至第二氣體擴散層220，以於水電解反應發生時感測其所在區域的環境變化，亦即感測部2323可感測第二氣體擴散層222之一區域的環境變化。
值得一提的是，本發明實施例並不限制第一環狀封裝片230所具有之感測部2303或第二環狀封裝片232所具有之感測部2323的數量，亦即由邊框部2302可延伸出複數個感測部2303或由邊框部2322可延伸出複數個感測部2323，以感測第一氣體擴散層220或第二氣體擴散層222之各區域於水電解發生時的環境變化。於另一實施例中，第二環狀封裝片232可不需設置有感測部2323，本發明實施例並不限制膜電極組20的實施態樣。
值得注意的是，關於膜電極組20的其他相關細節已在上述圖1實施例詳細說明，在此恕不贅述。
〔用於水電解的膜電極組之又一實施例〕
請參照圖3，圖3為根據本發明又一實施例之膜電極組之結構示意圖。用於水電解的膜電極組30包括質子交換膜300、第一觸媒層310、第二觸媒層312、第一氣體擴散層320、第二氣體擴散層322、第一環狀封裝片330、第二環狀封裝片332及感測片S。如圖3所示，質子交換膜300位於第一觸媒層310及第二觸媒層312之間。質子交換膜300、第一觸媒層310及第二觸媒層312夾設於第一氣體擴散層320及第二氣體擴散層322的內側之間。第一環狀封裝片330及第二環狀封裝片332分別設置於第一氣體擴散層320及第二氣體擴散層322的外側，以封裝質子交換膜300、感測片S、第一觸媒層310、第二觸媒層312、第一氣體擴散層320 及第二氣體擴散層322，其中感測片S部份外露於第一環狀封裝片330及第二環狀封裝片332，且第一氣體擴散層320及第二氣體擴散層322的外側分別暴露於第一環狀封裝片330的中空部3301及第二環狀封裝片332的中空部3321。
在本實施例中，與上述圖1實施例不同的是，感測片S是夾置於質子交換膜300與第一觸媒層310之間，且第一觸媒層310及第二觸媒層312是利用過濾轉印法分別製作在第一氣體擴散層320與第二氣體擴散層322的一側面上。所述感測片S可於水電解反應發生時感測其所在區域的環境變化，即感測片S可感測質子交換膜300與第一觸媒層310間之一區域的環境變化。
值得注意的是，本發明實施例並不限制膜電極組30內所包含之感測片S的數量，即質子交換膜300與第一觸媒層310之間可設置有複數個感測片S，以於水電解發生時感測質子交換膜300與第一觸媒層310間之各區域的環境變化。
於另一實施例中，質子交換膜300與第二觸媒層312之間亦可進一步地設置有至少一感測片S，以於水電解發生時感測質子交換膜300與第二觸媒層312間之至少一區域的環境變化。
由上可知，藉由在觸媒層與質子交換膜間設置多個感測片S，監控裝置可於膜電極組30進行電化學反應時，依據多個感測片S的感測結果以即時微觀診斷及分析膜電極組30內部各區域之溫度、壓力、電壓及/或電流等環境變化。
〔實施例的可能功效〕
綜合以上所述，本發明實施例所提出之用於水電解的膜電極組，其內部增設有至少一感測元件，所述感測元件可於水電解反應發生時感測其所在區域的環境變化，並將感測結果傳送至外部監控裝置，以讓監控裝置能即時進行膜電極組的微觀診斷及分析。
惟上述所揭露之圖式及說明，僅為本發明之實施例而已，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，當可依據上述之說明 做各種之更動與潤飾，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10‧‧‧膜電極組
100‧‧‧質子交換膜
110‧‧‧第一觸媒層
112‧‧‧第二觸媒層
120‧‧‧第一氣體擴散層
122‧‧‧第二氣體擴散層
130‧‧‧第一環狀封裝片
132‧‧‧第二環狀封裝片
1301、1321‧‧‧中空部
S‧‧‧感測片
S1‧‧‧連接部
S2‧‧‧感測部

Claims (2)

  1. 一種用於水電解的膜電極組，包括：一第一觸媒層；一第二觸媒層；一質子交換膜，位於該第一觸媒層及該第二觸媒層的內側之間；一第一氣體擴散層，設置於該第一觸媒層的外側，其中該第一氣體擴散層的內側相對於該第一觸媒層的外側；一第二氣體擴散層，設置於該第二觸媒層的外側，其中該第二氣體擴散層的內側相對於該第二觸媒層的外側；一第一環狀封裝片，設置於該第一氣體擴散層的外側，且該第一環狀封裝片具有一第一邊框部及一第一感測部，該第一感測部自該第一邊框部延伸至該第一氣體擴散層，以感測該第一氣體擴散層於水電解反應發生時的環境變化；以及一第二環狀封裝片，設置於該第二氣體擴散層的外側；其中，該環境變化為溫度、電壓、電流或壓力變化。
  2. 如請求項1所述之膜電極組，其中該第二環狀封裝片具有一第二邊框部及一第二感測部，該第二感測部自該第二邊框部延伸至該第二氣體擴散層，以感測該第二氣體擴散層於水電解反應發生時的環境變化。
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