專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，且特別涉及可排放其內(nèi)反應生成氣體的 一種燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池(Fuel Cell, FC)是一種利用化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置， 與傳統(tǒng)發(fā)電方式比較之下，燃料電池具有低污染、低噪音、高能量密度以及 較高的能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點，是極具未來前瞻性的干凈能源，可應用的范圍 包括攜帶式電子產(chǎn)品、家用發(fā)電系統(tǒng)、運輸工具、軍用設備、太空工業(yè)以及 大型發(fā)電系統(tǒng)等各種領域。常見的燃料電池依照所使用的電解質(zhì)的種類可大體區(qū)分為以下五種1. 堿性燃料電池(AFC):以氫氧化鉀為電解質(zhì)；2. 碳酸燃料電池(PAFC):以磷酸溶液為電解質(zhì)；3. 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC):將碳酸物熔解后作為電解質(zhì)；4. 固態(tài)電解質(zhì)燃料電池(SOFC):主要以二氧化鋯作為電解質(zhì)；以及5. 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC):包含所謂直接曱醇燃料電池(DMFC)， 直接以曱醇為燃料，而不需先行組成氫氣。料供給來源，且無須重組器以重組曱醇、汽油及天然氣等其他材料以生成氫 供發(fā)電的用，其具有低溫生電、燃料成分危險性低與生電結(jié)構(gòu)簡單等特性， 因此使得直接曱醇燃料電池逐漸成為可攜帶式電子產(chǎn)品應用的主流。已知的直接曱醇燃料電池主要是由薄膜電極組(Membrane Electrode Assembly,簡稱MEA)、陽極集電板及陰極集電板所構(gòu)成。薄膜電極組是由 質(zhì)子傳導膜(Proton Exchange Membrance)、陽極觸媒層、陰極觸媒層、陽極 氣體擴散層(Gas Diffusion Layer, GDL)以及陰極氣體擴散層所構(gòu)成。其中， 上述的陽極觸媒層與陰極觸媒層分別配置于質(zhì)子傳導膜的兩側(cè)，陽極氣體擴 散層與陰極氣體擴散層分別設置在陽極觸媒層與陰極觸媒層之上。陽極集電板及陰極集電板是分別設置于陽極氣體擴散層及陰極氣體擴散層之上。直接曱醇燃料電池的反應式如下陽極CH3OH+H20—C02十6H"+6e- (1) 陰極(3/2)02+6H++6e-—3H20 (2) 全反應CH3OH+(3/2)02—C02+2H20 (3)由反應式(l)可理解，在直接曱醇燃料電池操作時，其陽極部份會有C02 產(chǎn)生，為了避免陽極累積過大的氣體壓力，必須適時地將C02從燃料電池系 統(tǒng)中排除，當陽極使用液態(tài)燃料時，C02很容易與液體分離而排除，但是當 使用氣態(tài)燃料的電池系統(tǒng)中，氣態(tài)燃料與C02將無法輕易分離而可能使得氣 態(tài)燃料隨著C02—起排放到系統(tǒng)之外，造成燃料損失，影響燃料電池的燃料氣體擴散層，但同樣的陽極的水氣也會穿過陽極保濕層而擴散至燃料儲存 槽，造成燃料儲存槽內(nèi)的燃料濃度被稀釋，并且會導致膜電極阻的內(nèi)阻值上升，例如WO2005/112172A1號專利申請案所揭示。此外，可更進一步設置 C02排放口于氣化燃料收容室的側(cè)壁，例如WO2006/040961A1號專利申請 案所揭示，而該氣化燃料收容室的氣化曱醇濃度僅次于燃料儲存槽，但卻因此造成較多的氣化曱醇隨著C02排出，不但污染周圍環(huán)境，也會使燃料效率下降。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，可以減少陽極水氣的逸散， 維持膜電極組的內(nèi)阻值，并且可以有效地排放其陽極側(cè)所形成的生成氣體， 降低氣態(tài)燃料排出系統(tǒng)外的損失，進而改善燃料效率。依據(jù)一個實施例，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，包括電池單元，其包括陽極集電層、陰極集電層、夾置于上述陽極集電層與 該陰極集電層間的薄膜電極組、圍繞上述薄膜電極組、陽極集電層與陰極集 電層的框架、設置于該陽極集電層下方的親水阻氣層、設置于該親水阻氣層 下方的疏水透氣層，以及埋置于該框架內(nèi)的至少一氣體排放溝道，該氣體排 放溝道露出該親水阻氣層的 一部并接觸鄰近該電池單元的環(huán)境，以排通由該 薄膜電極組所產(chǎn)生的生成氣體至該電池單元之外。依據(jù)另一個實施例，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，包括電池單元、燃料供應單元，以供應氣態(tài)燃料至該電池單元；以及空氣供 應單元以供應含氧氣體至該電池單元，其中該電池單元包括陽極集電層、陰極集電層、夾置于上述陽極集電層與該陰極集電層間的 薄膜電極組、圍繞上述薄膜電極組、陽極集電層與陰極集電層的框架、設置 于該陽極集電層下方的親水阻氣層、設置于該親水阻氣層下方的疏水透氣 層，以及埋置于該框架內(nèi)的至少一氣體排放溝道，其中該氣體排放溝道露出 該親水阻氣層的一部并接觸鄰近該電池單元的環(huán)境，以排通由該薄膜電極組 所產(chǎn)生的生成氣體至該電池單元之外，該燃料供應單元連結(jié)于鄰近該電池單 元中該疏水透氣層的 一側(cè)，該空氣供應單元連結(jié)于遠離該電池單元中該疏水 透氣層的一側(cè)。為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特 舉一個優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1為一示意圖，圖示；圖2為一示意圖， 面圖示；圖3為一示意圖， 面圖示；以及圖4為一示意圖， 面圖示。附圖標記說明100、 100，、 100"12槽體14液態(tài)燃津牛18汽化氣體22陽才及集電層26陽才及觸々某30陰極觸媒層34陰極集電層顯示了依據(jù)本發(fā)明 一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的剖面 顯示了依據(jù)本發(fā)明另 一 個實施例的燃料電池系統(tǒng)的剖 顯示了依據(jù)本發(fā)明又一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的剖 顯示了依據(jù)本發(fā)明又一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的剖、100"，燃料電池系統(tǒng) 10燃料供應單元12a、 12b槽體的一部16液氣分離層20電池單元24陽極氣體擴散層28電解質(zhì)薄膜32陰極氣體擴散層36框架40薄膜電極組
60疏水透氣層
70、 70，氣體排放溝道
82保濕板
90儲水槽
50親水阻氣層 65多孔板 80空氣供應單元 86空氣導入口 92集水層
具體實施例方式
請參照圖1的示意圖，其顯示了依據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料電池系統(tǒng) 100的剖面情形。如圖所示，燃料電池系統(tǒng)100主要包括電池單元20、燃料 供應單元10與空氣供應單元80。
如圖l所示，電池單元20包括陽極集電層22、陰極集電層34、夾置于 陽極集電層22與該陰極集電層34之間的薄膜電極組(MEA)40、以及圍繞上 述薄膜電極組、陽極集電層22與陰極集電層34的框架36。此外，電池單元 20還包括設置于陽極集電層22下方的親水阻氣層50,以及設置于該親水阻 氣層50下方的疏水透氣層60。其中，薄膜電極組40則包括依序堆疊形成于 陽極集電層22上的陽極氣體擴散層24、陽極觸媒層26、電解質(zhì)薄膜28、陰 極觸媒層30與陰極氣體擴散層32。再者，在框架36中則埋置有氣體排放溝 道70，其露出親水阻氣層50的一部并接觸鄰近電池單元20的環(huán)境，其設置 數(shù)量、孔徑與形狀并不以圖1的情形為限，可視實際狀況改變其設置數(shù)量、 其外形與其孔徑。另外，電池單元20中的親水阻氣層50的材質(zhì)包括如織布、 不織布、紙類、泡綿、發(fā)泡聚氨酯等親水多孔材質(zhì)，其具有吸附液體的特性， 并在經(jīng)過如水的液體濕潤后具有阻氣效果，其孔徑必須小至可以形成水膜， 一般而言，孔徑尺寸至少必須小于其厚度的兩倍才有機會形成水膜，進而能 夠阻擋陽極產(chǎn)生的二氧化碳氣體穿透，因此孔徑必須足夠小或是非直通孔的 結(jié)構(gòu)，例如本實施例使用的親水阻氣層厚度為lOOpm,孔徑為0.1pm。而疏 水透氣層的材質(zhì)則包括聚四氟乙烯(PTFE， poly-tetrafluoroethylene)等耐熱、耐 蝕且不與燃料電池起化學反應的材料，必須具備10kPa以上的阻水壓力 (Waterproof Pressure),本實施例疏水透氣層的材津+4吏用SUMITOMO ELECTRIC FINE POLYMER INC.產(chǎn)制的產(chǎn)品 "Poreflon Membrane I'，P-010-60"，其孔徑為0.1pm，并且具有220kPa的阻水壓力。
仍請參照圖1,燃料供應單元10設置于鄰近電池單元20中疏水透氣層60的一側(cè)，藉以提供氣態(tài)燃料至電池單元的陽極側(cè)，而空氣供應單元80設 置于遠離該電池單元中該疏水透氣層的一側(cè)，藉以提供氧氣或空氣中的氧分 子至電池單元的陰極側(cè)。在此，燃一十供應單元10包括槽體12，其內(nèi)包含有 液態(tài)燃料14及汽化氣體18,汽化氣體18由液態(tài)燃料14直接汽化而成。另 外，空氣供應單元80則包括保濕板82,此保濕板82設置有數(shù)個空氣導入口 86。
圖1的燃料電池系統(tǒng)IOO的操作則如下所述，位于燃料供應單元中的經(jīng) 汽化的汽化氣體18,例如為曱醇的汽化氣體，在通過疏水透氣層60后抵達 親水阻氣層50處，由于親水阻氣層50是由經(jīng)濕潤的薄膜所形成，例如是經(jīng) 水濕潤的薄膜，故前述的燃料氣體18將再次溶于親水阻氣層50內(nèi)，進而以 液態(tài)型態(tài)接觸了陽極集電層22以及陽極氣體擴散層24后與陽極觸媒層26 進行反應，而氧氣或空氣中的氧分子則經(jīng)由空氣供應單元80內(nèi)空氣導入口 86進入，在通過陰極集電層34以及陰極氣體擴散層32后與陰極觸媒層30 反應。經(jīng)由上述反應，燃料電池系統(tǒng)IOO將反應生電，其中陽極處所生成的 氣體，例如采用曱醇燃料時所生成的二氧化碳氣體，此時則可順著陽極集電 層22與親水阻氣層50間的邊界傳輸并抵達埋置于框架36內(nèi)的氣體排放溝 道70處，因而排放至燃料電池系統(tǒng)100的周遭環(huán)境中，而不會逸散至下方 汽化燃料濃度較高處，因此排出氣體的汽化燃料比例將會較低。另外，由于 電池單元20內(nèi)的親水阻氣層50下方設置有疏水透氣層60,因此一旦親水阻 氣層50經(jīng)濕潤后，其內(nèi)所含水分將為疏水透氣層60所阻擋，因此可避免槽 體12內(nèi)的液態(tài)燃料14遭到稀釋。如此，經(jīng)由上述操作，燃料電池系統(tǒng)IOO 經(jīng)長時間操作后其內(nèi)電阻值仍能保持在適當范圍內(nèi)(搡作時間約為6小時， 內(nèi)電阻值提升量0%),因此燃料電池系統(tǒng)IOO極適用于非主動型燃料電池系 統(tǒng)的應用，例如非主動型直接曱醇燃料電池的應用，只要能持續(xù)供應液態(tài)燃 料M便可長時間地持續(xù)產(chǎn)生電力，而不會有電力中斷或更換電池的考量。
圖2與圖3為 一 系列示意圖，顯示了依據(jù)本發(fā)明其他實施例的燃料電池 系統(tǒng)的剖面圖，其中燃料電池系統(tǒng)100'與IOO"是經(jīng)由改良如圖1所示的燃 料電池系統(tǒng)所得到，在圖2與圖3所示的構(gòu)件中，相同的標號顯示了相同于 圖1中的構(gòu)件，于下文中僅描述系統(tǒng)間的差異處而不再次重復描述相同構(gòu)件。
請參照圖2,在燃料電池系統(tǒng)IOO，內(nèi)的燃料供應系統(tǒng)10中可選擇性地 設置氣液分離薄膜16，以分隔液態(tài)燃料14與由液態(tài)燃料14所生成的汽化氣體18。如圖2所示，氣液分離薄膜16是部份埋置于槽體12的中，并將槽體 分成兩個部份12a與12b，其中12a部份所環(huán)繞形成的區(qū)域是用于設置液態(tài) 燃料14，而12b部份所環(huán)繞形成的區(qū)域則設置有汽化氣體18。此外，在電 池單元12中的框架36埋置有另一型態(tài)的氣體排放溝道70，，其形成于親水 阻氣層50與框架36的邊緣，并沿水平方向延伸設置于框架36內(nèi)?；蛘?，
65，以控制燃料氣體18的傳輸量并作為電池單元20與氣體供應單元80的 支撐結(jié)構(gòu)，其具有介于0.1 20%的開孔率，依膜電極組的放電電流來決定開 孔率大小，其材質(zhì)則包括聚脂類或聚烯烴類材料，例如聚對苯二曱酸乙二 脂(PET, polyethylene terephthalate)、聚丙烯氰(PAN, Polyacrylonitrile)、聚乙烯 (PE, polyethylene)、聚丙烯(PP, polypropylene)等，具備不透氣、耐蝕以及不 與燃料電池起化學反應與的特性。
圖4為一示意圖，顯示了依據(jù)本發(fā)明另一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的剖 面圖，其中燃料電池系統(tǒng)IOO"，是經(jīng)由改良如圖2所示的燃料電池系統(tǒng)所得 到，在圖4所示的構(gòu)件中，相同的標號顯示了相同于圖2中的構(gòu)件，在下文 中僅描述系統(tǒng)間的差異處而不再次重復描述相同的構(gòu)件。
請參照圖4，在燃料電池系統(tǒng)IOO，，，中可更設置儲水槽90,其是獨立于 燃料供應系統(tǒng)10與電池單元20。而在空氣供應單元80的保濕板82可更埋 設有集水層92。集水層92的材質(zhì)為多孔親水材質(zhì)，例如織布、不織布、紙 類、泡綿、發(fā)泡聚氨酯等多孔材質(zhì)，且其是實體地連結(jié)于儲水槽90。另夕卜， 如圖4所示，此親水阻氣層50突出于框架36的一側(cè)外且部份埋設于儲水槽 90中。經(jīng)由如此設置，可采用人工供給方式以在儲水槽90添加適當量的水， 或通過設置于保濕板82內(nèi)的集水層92吸附凝結(jié)于其內(nèi)側(cè)的水氣并流入至儲 水槽90中以補充的，并通過部份埋設于儲水槽卯中的親水阻氣層50將水 分補充至設置于疏水透氣層60與薄膜電極組40間的親水阻氣層50部份處。 如此，將可避免回水量受到環(huán)境條件影響而導致親水阻氣層50缺水的情況 發(fā)生，進而提升其操作時間與表現(xiàn)。上述的補水系統(tǒng)可施行于如圖1與圖3 所示的燃料電池系統(tǒng)中而并非以圖4的實施方式而加以限定其發(fā)明。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領 域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾， 因此本發(fā)明的保護范圍當視后附的權(quán)利要求所界定的為準。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括電池單元，包括陽極集電層；陰極集電層；薄膜電極組，夾置于該陽極集電層與該陰極集電層間；框架，圍繞該薄膜電極組、該陽極集電層與該陰極集電層；親水阻氣層，設置于該薄膜電極組與該框架的下方；疏水透氣層，設置于該親水阻氣層的下方；以及至少一氣體排放溝道，埋置于該框架內(nèi)，露出該親水阻氣層的一部并接觸鄰近該電池單元的環(huán)境，以排通由該薄膜電極組所產(chǎn)生的生成氣體至該電池單元之外。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括燃料供應單元，連結(jié)于 鄰近該電池單元中該疏水透氣層的 一側(cè)。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括空氣供應單元，連結(jié)于 遠離該電池單元中該疏水透氣層的 一側(cè)。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該薄膜電極組包括依序堆 疊形成的陽極氣體擴散層、陽極觸媒層、電解質(zhì)薄膜、陰極觸媒層與陰極氣 體擴散層。
5. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料供應單元包含液態(tài) 燃料及該液態(tài)燃料的汽化氣體。
6. 如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該汽化氣體是由該液態(tài)燃 料直接汽化而成。
7. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該親水阻氣層為濕潤薄膜， 以阻絕由該薄膜電極組所產(chǎn)生的生成氣體通過該親水阻氣層。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該親水阻氣層的材質(zhì)包括 如織布、不織布、紙類、泡綿、發(fā)泡聚氨酯等親水多孔材質(zhì)。
9. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該親水阻氣層的孔徑必須 小于厚度的兩倍。
10. 如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該疏水透氣層阻擋該電池
11. 如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該疏水透氣層的材質(zhì)包 括聚四氟乙烯。
12. 如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該疏水透氣層具有10kPa 以上的阻水壓力。
13. 如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括氣液分離薄膜，設置于 該燃料供應單元中，以分隔該液態(tài)燃料及該液態(tài)燃料所生成的該汽化氣體。
14. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括多孔板，設置于該燃料 供應單元的頂面與該電池單元之間。
15. 如權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該多孔板具有介于0.1 20 %的開孔率。
16. —種燃料電池系統(tǒng)，包括 電池單元，包4舌陽極集電層； 陰極集電層；薄膜電極組，夾置于該陽極集電層與該陰極集電層間； 框架，圍繞該薄膜電極組、該陽極集電層與該陰極集電層； 親水阻氣層，設置于該薄膜電極組與該框架的下方； 疏水透氣層，設置于該親水阻氣層的下方；以及 至少一氣體排放溝道，埋置于該框架內(nèi)，露出該親水阻氣層的一部 并接觸鄰近該電池單元的環(huán)境，以排通由該薄膜電極組所產(chǎn)生的生 成氣體至該電池單元之外； 燃料供應單元，連結(jié)于鄰近該電池單元中該疏水透氣層的一側(cè)，以供應氣態(tài)燃料至該電池單元；以及空氣供應單元，連結(jié)于遠離該電池單元中該疏水透氣層的一側(cè)，以供應含氧氣體至該電池單元。
17. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該薄膜電極組包括依序 堆疊形成的陽極氣體擴散層、陽極觸媒層、電解質(zhì)薄膜、陰極觸媒層與陰極 氣體擴散層。
18. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料供應單元包括液 態(tài)燃料及該液態(tài)燃料的汽化氣體。
19. 如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該汽化氣體是由該液態(tài) 燃料直接汽化而成。
20. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該親水阻氣層為濕潤薄 膜，以阻絕由該薄膜電極組所產(chǎn)生的生成氣體通過該親水阻氣層。
21. 如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該親水阻氣層的材質(zhì)包 括如織布、不織布、紙類、泡綿、發(fā)泡聚氨酯等親水多孔材質(zhì)。
22. 如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該親水阻氣層的孔徑必 須小于厚度的兩倍。
23. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該疏水透氣層阻擋該電 池單元中的水分離開該電池單元并控制了該汽化氣體通入該電池單元的速
24. 如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該疏水透氣層的材質(zhì)包 括聚四氟乙烯。
25. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該疏水透氣層具有10kPa 以上的阻水壓力。
26. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括氣液分離薄膜，設置 于該燃料供應單元中，以分隔該液態(tài)燃料及該液態(tài)燃料所生成的該汽化氣體。
27. 如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括多孔板，設置于該燃 料供應單元的頂面與該電池單元之間。
28. 如權(quán)利要求27所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該多孔板具有介于0.1 20 %的開孔率。
29. 如權(quán)利要求27所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該多孔板的材質(zhì)包括聚 脂類或聚烯烴類材料，例如聚對苯二曱酸乙二脂、聚丙烯氰、聚乙烯、聚 丙烯等。
30. 如權(quán)利要求27所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括儲水槽，用于儲存水， 而該親水阻氣層突出于該框架的一側(cè)并部份埋設于該儲水槽中。
31. 如權(quán)利要求30所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括集水層，設置于該空 氣供應單元中，該集水層并連結(jié)于該儲水槽中，以供應凝結(jié)水氣至該儲水槽 中。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，包括電池單元，包括陽極集電層、陰極集電層、夾置于上述陽極集電層與該陰極集電層間的薄膜電極組、圍繞上述薄膜電極組、陽極集電層與陰極集電層的框架、設置于該薄膜電極組與該框架下方的親水阻氣層、設置于該親水阻氣層下方的疏水透氣層，以及埋置于該框架內(nèi)的至少一氣體排放溝道，該氣體排放溝道露出該親水阻氣層的一部并接觸鄰近該電池單元的環(huán)境，以排通由該薄膜電極組所產(chǎn)生的生成氣體至該電池單元之外。
文檔編號H01M8/04GK101295796SQ200710101859
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者康顧嚴, 戴椿河, 蔡英文, 許盈盈, 賴秋助 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院