TWI649911B - 三極式鋅空氣燃料電池 - Google Patents

Abstract

本發明三極式鋅空氣燃料電池包含殼體、空氣電極、金屬層、鋅材料、隔膜層以及電解液，空氣電極作為化學放電反應中的放電正極；金屬層作為化學充電反應中的充電正極；鋅材料作為配合空氣電極層進行化學放電或是配合金屬層進行化學充電的負極；電解液使得空氣電極、金屬層以及鋅材料之間相互電性連接；隔膜層能夠將空氣電極、金屬層、鋅材料彼此分隔並供電解液流通通過，藉由輸入或輸出動作改變電解液於容置空間內的高度，使得電解液所能接觸到的結構不同，進而改變本發明三極式鋅空氣燃料電池的開啟、關閉、充電或放電狀態。

Description

三極式鋅空氣燃料電池

本發明有關於一種鋅材料與空氣進行氧化還原反應的燃料電池，尤指一種同時具備有電解液以及鋅材料作為反應原物料，並能夠透過三極接頭與其他外部電子產品電性連接的鋅空氣燃料電池。

燃料電池能源是一種能夠直接將化學能轉變為電能的科學領域，而燃料電池於產能的過程中具有高密度之能量，其能量係以正負極之間的電位差所產生之電能，同時對環境幾乎無污染，因此，多數學術界、產業界皆投入燃料電池的研究領域，對於全球碳(石化)排放循環現象、能源短缺以及環境污染等危害期能有一番革命性的改善。

習知鋅空氣燃料電池(Zinc－Air Fuel Cell，ZAFC)的內部組成大多是由一空氣電極、一鋅陽極、一儲液空間以及一電解液構成，由於空氣電極以及鋅陽極接浸泡於電解液中，靜置擺放不使用或者是使用時間長久之下，造成鋅陽極的極化、鈍化以及表面枝晶的生長等情形，故使得鋅陽極進一步出現快速腐蝕、鋅空氣燃料電池的電池性能降低、電解液的酸化以及縮短電池壽命等結果。

本發明主要目的在於，本發明三極式鋅空氣燃料電池受到安置擺放的未使用狀態時，能夠將其中的電解液部分或完全抽除，進一步避免其中的兩正極結構與電解液接觸，使得化學產電反應不會發生，同時避免兩正極或負極結構受到腐蝕或是表面解離等情況發生，並達到延長電池可擺放的年限以及電池壽命。

本發明次要目的在於，設計一種具有三極式電極的鋅空氣燃料電池，該三極式電極具有兩個正極以及一個負極，使得單一電池本身即可進行收集充電或放電的化學反應。

本發明之又一目的在於，同時使用鋅材料以及電解液，並透過輸送裝置輸送鋅材料以及電解液兩者或其中之一者輸入或輸出於本發明三極式鋅空氣燃料電池，方便鋅材料或者是電解液能夠進行替換更新作業流程。

為達上述目的，本發明三極式鋅空氣燃料電池，包含：一殼體，內部形成有一容置空間；一空氣電極層，作為一化學放電反應中的放電正極；一金屬層，作為一化學充電反應中的充電正極；一鋅材料，作為一配合上述空氣電極層進行化學放電的負極或是配合上述金屬層進行化學充電的負極；複數個隔膜層，分別設置於上述空氣電極層以及金屬層之間，使得上述空氣電極層、鋅材料以及金屬層三者間隔排設；以及一電解液，上述空氣電極層、金屬層、鋅材料、隔膜層以及上述電解液皆設置於上述容置空間中，並能穿過上述隔膜層流通，與上述空氣電極層、金屬層以及鋅材料相互接觸，讓上述空氣電極層、金屬層以及鋅材料相互電性連接。

其中，於一較佳可行實施例中，上述金屬層設為一由不銹鋼材料構成的不銹鋼層。

而且，上述三極式鋅空氣燃料電池進一步包含一導電層，上述導電層安裝於上述容置空間中，並與上述鋅材料相鄰接觸，，於至少一較佳可行實施例中，上述導電層設為由銅或鎳金屬材料其中之一製成。

上述鋅材料選自於可流動樣態的鋅泥、鋅砂或鋅板的其中一種，選用不同樣態的鋅材料時，所對應配合使用的導電層的樣態可能有所不同。

當上述鋅材料選用鋅泥時，上述導電層的導電層具有一中央區域以及周圍區域，上述中央區域的位置低於上述周圍區域形成一凹陷。

當上述鋅材料選用鋅砂時，上述導電層的導電層設為一平板片樣態。

當上述鋅材料選用鋅板時，則無須配合導電層使用，上述鋅板本身即能夠作為一將電流導出，替代其他實施例中的導電層結構。

再者，若以擺放平面為水平基準，上述空氣電極層、金屬層以及鋅材料三者的排列方向呈現一垂直排列，與習知直立式擺放的橫向排列不同。

此外，於一較佳可行實施例中，結構上排序方式為：上述空氣電極層位於最頂部，上述鋅材料位於最底部，而上述金屬層介於上述空氣電極層與鋅材料層之間，而上述導電層位於上述鋅材料之下。

上述殼體包含相互組接的一第一殼體以及一第二殼體，由上述第一殼體分別組接定位上述空氣電極層、金屬層以及隔膜層，而上述第二殼體組接定位上述導電層，上述第一殼體套設進入於上述第二殼體內。

上述三極式鋅空氣燃料電池進一步包含一輸送裝置，上述輸送裝置連接於上述容置空間，並能夠輸出或輸入上述電解液，進而改變上述容置空間中電解液的高度位置，透過改變電解液於上述容置空間內部的總量跟液體高度所能接觸到的內部結構，進而避免上述容置空間內位於特定高度跟設置位置的結構與液體接觸、並避免發生特定結構受到腐蝕或是表面解離。

由前述說明可知，本發明的特點在於：本發明鋅材料做為負極，而空氣電極層及金屬層分別做為正極，兩正極以及負極共同地構成鋅空氣燃料電池中的三極式電極。

此外，由連通於容置空間的輸送裝置改變電解液的總容量及液面高度，進而達到於本發明三極式空氣燃料電池未使用閒置擺放時，能夠將絕大部分的電解液抽出於容置空間，避免容置空間內部的結構與電解液接觸，即可避免本發明三極式鋅空氣燃料電池發生一放電或充電反應，同時避免發生容置寬間內結構受到腐蝕或是表面解離等情況，最終達到延長本發明三極式空氣燃料電池可擺放的年限以及使用壽命。

茲為便於更進一步對本發明之構造、使用及其特徵有更深一層明確、詳實的認識與瞭解，爰舉出較佳實施例，配合圖式詳細說明如下：

請參照圖1至圖6所示，為本發明三極式鋅空氣燃料電池1之第一較佳可能實施例，主要由一殼體2、一空氣電極層3、一金屬層4、一鋅材料5、一隔膜層6、一電解液7以及一導電層8共七大部分結構組成。

上述殼體2包含一第一殼體20以及一第二殼體21，由上述第一殼體20與第二殼體21共同地套設卡合形成一容置空間22，且上述空氣電極層3、金屬層4、鋅材料5、電解液7以及導電層8皆被設置於上述容置空間22當中，且依此順序地設置排列為一相對於擺放水平面的垂直方向，上述第一殼體20組接定位上述空氣電極層3、金屬層4以及隔膜層6，而上述第二殼體21組接定位上述導電層8。

上述殼體2的表面構造有三個分別能夠將本發明三極式鋅空氣燃料電池1所產電能導出及導入的放電接頭A、充電接頭B以及負極接頭C，其中，上述空氣電極層3作為一化學放電反應中的放電正極，並具有一由自身延伸形成的第一接電區30，上述空氣電極層3透過第一接電區30導接於上述放電接頭A。

上述金屬層4作為一化學放電反應中的充電正極，並具有一由自身延伸形成的第二接電區41，上述金屬層4透過第二接電區41導接於上述充電接頭B。

上述鋅材料5能夠同時或分別做為一配合上述空氣電極層3進行化學放電的負極或是配合上述金屬層4進行化學充電的負極，上述導電層8具有一由自身延伸形成的第三接電區83，上述鋅材料5透過上述第三接電區83導接於上述負極接頭C；而且，上述負極接頭C的相對位置位於上述放電接頭A以及充電接頭B之間。

再者，上述殼體2的表面構造有一輸入接頭I (INPUT)以及一輸出接頭O (OUTPUT)，並能夠透過上述兩接頭I、O與一外部的輸送裝置9連通於上述容置空間22，上述輸送裝置9能夠將上述鋅材料5或電解液7輸入或輸出於本發明三極式空氣燃料電池1，由於上述電解液7能夠穿過流通於上述隔膜層6，並使得上述容置空間22內部的結構彼此之間達到相互電性連接之功效，故藉由上述輸送裝置9改變上述電解液7的總體積量及分布的液體高度，即能夠關閉本發明三極式鋅空氣燃料電池1形成一關閉狀態OFF，或者是調整液面高度使得指定結構之間能夠電性連接而達到一啟動狀態ON，而本發明說明書中所指稱啟動狀態ON具有三種情況，並將於其他圖式即實施例中分別詳述說明。

另外，請接續參照圖2及圖3所示，圖示顯示於上述容置空間22內，上述空氣電極層3位於最頂部，接續為兩隔膜層6將上述空氣電極層3、金屬層4以及導電層8彼此之間分隔開來，而上述鋅材料5的位置分布介於上述隔膜層6以及導電層8之間，於本發明一較佳可行實施例中，上述金屬層4設為一不鏽鋼層40，且上述導電層8由一呈現板片樣態的金屬件80構成，而上述鋅材料5於本發明圖1至圖6所示第一較佳可行實施例中，設為一可流動樣態的鋅泥50，如圖所示，上述金屬件80具有一中央區域81以及周圍區域82，上述中央區域81低於上述周圍區域82形成一凹陷，由上述凹陷處供上述鋅泥50留滯，而能夠避免上述輸送裝置9進行輸入或輸出上述電解液7之作業過程中，上述鋅泥50可能改動其分布位置或是連同上述電解液7被吸入上述輸送裝置9內。

請參照圖3所示，上述電解液7分布於上述鋅泥50之上，且上述電解液7的液面水平高度位置恰等同於或恰穿透於上述隔膜層6的位置，如此空氣電極層3及金屬層4皆未電性連接於上述鋅泥50，因此，圖3中本發明三極式鋅空氣燃料電池1呈現為一關閉狀態OFF。

請參照圖4所示，上述電解液7的液面水平高度位置僅覆蓋於上述鋅泥50之上，如此空氣電極層3及金屬層4皆未電性連接於上述鋅泥50，未能進行任何電化學反應，因此，圖4中本發明三極式鋅空氣燃料電池1呈現為一關閉狀態OFF。

請參照圖5所示，上述電解液7的液面水平高度位置覆蓋於上述金屬層4、隔膜層6以及鋅泥50之上，能夠進行充電的化學反應，因此，圖5中本發明三極式鋅空氣燃料電池1呈現為一啟動狀態ON；相對而言，若將上述空氣電極層3與金屬層4的設計位置互換，上述電解液7將覆蓋於上述空氣電極層3、隔膜層6以及鋅泥50之上，能夠進行放電的化學反應，同樣地能夠使得本發明三極式鋅空氣燃料電池1呈現為一啟動狀態ON(圖未示)。

請參照圖6所示，上述電解液7的液面水平高度位置覆蓋於上述容置空間22中所有結構，能夠同時進行充電以及放電的化學反應，因此，圖6中本發明三極式鋅空氣燃料電池1呈現為一啟動狀態ON。

此外，請接續參照圖7所示，為本發明三極式鋅空氣燃料電池1之第二較佳可行實施例，本實施例與前述第一較佳可行實施例不同之處在於，上述鋅材料5設為一鋅砂51樣態，且上述導電層8的金屬件80呈現為一平板片樣態，由於上述鋅砂51並不會隨著上述電解液7的抽送而改變位置，故本實施例中導電層8無須設置一凹陷形狀，其他與前述第一較佳可行實施例相同之技術特徵便不再加以贅述之。

除此之外，請參照圖8所示，為本發明三極式鋅空氣燃料電池1之第三較佳可行實施例，本實施例與前述第一、第二較佳可行實施例不同之處在於，上述鋅材料5設為一鋅板52樣態，如此一來本實施例中便無需上述導電層8之結構，其他與前述第一、第二較佳可行實施例相同之技術特徵便不再加以贅述之。

最後，請參照圖9所示，為將複數個本發明三極式鋅空氣燃料電池1彼此之間相互重疊組合形成一較大型的三極式鋅空氣燃料電池裝置之可能樣態。

上述所舉實施例，僅用為方便說明本發明並非加以限制，在不離本發明精神範疇，熟悉此一行業技藝人士依本發明申請專利範圍及創作說明所作之各種簡易變形與修飾，均仍應含括於以下申請專利範圍中。

1---三極式鋅空氣燃料電池 2---殼體 20---第一殼體 21---第二殼體 22---容置空間 3---空氣電極層 30---第一接電區 4---金屬層 40---不鏽鋼層 41---第二接電區 5---鋅材料 50---鋅泥 51---鋅砂 52---鋅板 6---隔膜層 7---電解液 8---導電層 80---金屬件 81---中央區域 82---周圍區域 83---第三接電區 9---輸送裝置 A---放電接頭 B---充電接頭 C---負極接頭 I---輸入接頭 O---輸出接頭

圖1為三極式鋅空氣燃料電池的第一較佳實施例之立體圖； 圖2為圖1之分解圖； 圖3為圖1之剖面示意圖； 圖4為電解液的液面高度的第一較佳實施例之剖面示意圖； 圖5為電解液的液面高度的第二較佳實施例之剖面示意圖； 圖6為電解液的液面高度的第三較佳實施例之示意圖； 圖7為三極式鋅空氣燃料電池的第二較佳實施例之剖面示意圖； 圖8為三極式鋅空氣燃料電池的第三較佳實施例之剖面示意圖； 圖9為複數個三極式鋅空氣燃料電池組成的電池裝置之立體圖。

Claims (8)

1. 一種三極式鋅空氣燃料電池，包含：一殼體，內部形成有一容置空間；一空氣電極層，安裝於上述容置空間中，作為一化學放電反應中的放電正極；一金屬層，安裝於上述容置空間中，作為一化學充電反應中的充電正極；一鋅材料，設置於上述容置空間中，作為一配合上述空氣電極層進行化學放電的負極或是配合上述金屬層進行化學充電的負極；複數個隔膜層，分別設置於上述空氣電極層以及金屬層之間，使得上述空氣電極層、鋅材料以及金屬層三者間隔排設；一電解液，設置於上述容置空間中，並能穿過上述隔膜層流通，與上述空氣電極層、金屬層以及鋅材料相互接觸，讓上述空氣電極層、金屬層以及鋅材料相互電性連接；以及一輸送裝置，連接於上述容置空間，並能夠輸出或輸入上述電解液，進而改變上述容置空間中電解液的高度位置；其中，上述電解液的高度位置在同時接觸上述空氣電極層、金屬層與鋅材料三者時，上述鋅空氣燃料電池呈現一能夠進行放電反應或充電反應的啟動狀態；上述電解液的高度位置在同時接觸上述空氣電極層與鋅材料兩者時，上述鋅空氣燃料電池呈現一能夠進行放電反應的啟動狀態；上述電解液的高度位置在同時接觸上述金屬層與鋅材料兩者時，上述鋅空氣燃料電池呈現一能夠進行充電反應的啟動狀態；而在上述電解液單獨接觸上述空氣電極層、金屬層以及鋅材料其中之一者時，上述鋅空氣燃料電池將呈現一無法進行化學反應的關閉狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三極式鋅空氣燃料電池，其中，上述三極式鋅空氣燃料電池進一步包含一導電層，上述導電層安裝於上述容置空間中，並與上述鋅材料相鄰接觸。
3. 如申請專利範圍第2項所述之三極式鋅空氣燃料電池，其中，上述導電層具有一中央區域以及周圍區域，上述中央區域低於上述周圍區域形成一凹陷。
4. 如申請專利範圍第3項所述之三極式鋅空氣燃料電池，其中，上述鋅材料選自於可流動樣態的鋅泥、鋅砂或鋅板的其中一種。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三極式鋅空氣燃料電池，其中，上述空氣電極層、金屬層以及鋅材料三者的排列方向呈現一垂直排列。
6. 如申請專利範圍第5項所述之三極式鋅空氣燃料電池，其中，上述空氣電極層位於最頂部，上述鋅材料位於最底部，而上述金屬層介於上述空氣電極層與鋅材料層之間。
7. 如申請專利範圍第2項所述之三極式鋅空氣燃料電池，其中，上述殼體包含相互組接的一第一殼體以及一第二殼體，上述第一殼體組接定位上述空氣電極層、金屬層以及隔膜層，而上述第二殼體組接定位上述導電層。
8. 如申請專利範圍第1項所述之三極式鋅空氣燃料電池，其中，上述放電正極、充電正極以及負極三者於上述殼體的表面分別形成一放電接頭、一充電接頭以及一負極接頭，上述負極接頭位於上述放電接頭以及充電接頭之間。