TWI631761B - 燃料電池內部加濕構造 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種燃料電池內部加濕構造，其包含有一陽極電極板；一陰極電極板，係相對於陽極電極板設置；一質子交換膜，係設置於陽極電極板與陰極電極板之間；以及一氣體緩衝槽，係分別設置於鄰近陽極電極板與陰極電極板之化學反應的位置；使水氣可以在氣體緩衝槽內進行循環，提升燃料電池的工作效率。

Description

燃料電池內部加濕構造

本發明係有關於一種燃料電池加濕構造，尤其係指設置於燃料電池內部的加濕構造，使燃料電池內所生成的水氣可以直接在內部循環，不須排出至電池外面，再由外部加濕設備回送至燃料電池，使質量傳遞的路徑大幅縮短，因此能夠降低陽極內水貧乏現象的時間，以及陰極內水氾濫之堵塞現象的時間。

按，燃料電池為一種較環保的資源，其發電原理跟一般乾電池或鋰電池係完全不同，燃料電池需要穩定的氧、氫作為燃料，以確保其運作狀態，係藉著電化學反應將電池中的化學能轉換成電能；燃料電池又大致分為鹼性燃料電池、質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池等六種電池；其中質子交換膜燃料電池又稱固體高分子電解質燃料電池，係一種藉由氫燃料與空氣作用產生電力與熱的燃料電池，工作溫度係於低溫，無需加壓或減壓，以高分子質子交換膜為傳導媒介，沒有任何化學液體，啟動後會產生水，需由水帶著氫離子才能通過質子交換膜，以產生電力。

一般質子交換膜燃料電池由陽極板、陽極氣體擴散層、陽極觸媒、高分子質子交換膜(固態電解質)、陰極觸媒、陰極氣體擴散層以及陰極板所組成，在化學反應過程中質子交換膜要保持水分才能提供氫離子輸送能力，因此於現在的文獻或是作法中，係會在燃料電池系統中加入增濕器，將高濕度的水氣與未反應之氣體進行水氣交換達到增濕的效果，促進氫離子的傳輸，以產生電力。可參考中華民國專利公告號TW I323953「燃料電池之外部氣體加濕裝置」，其包含有筒體、預熱蛇管、氣體分散器、熱交換器與氣體檔板，反應氣體由預熱蛇管之出口端進入氣體腔體，因氣體分散器是多孔材料結構，所以反應氣體經過時可產生大量的微小氣泡而進入液體中，當此微小氣泡與液體接觸時，可大幅度增加反應氣體與液體的接觸面積及反應氣體在液體中的停留時間，以使反應氣體獲得充分且有效的加濕效果，再離開筒體提供給燃料電池使用。

又如中國專利公告號CN 103069222 B「燃料電池加濕器」亦提供一種外部的燃料電池加濕器，待供應到燃料電池的反應氣體流過空腔並且通過膜外殼的第一孔將高濕度的非反應氣體供應到膜外殼的內部空間時，讓高濕度的非反應氣體的水分能夠穿過中空纖維膜，以加濕流過中空纖維膜的反應氣體。然而，此種加濕方法係需要額外於燃料電池外部增設一組加濕設備，其物理路徑拉長許多，尤其前述中國專利還加裝了飽和水單元，也顯示出該設計於水分補充的反應時間會有過慢之問題。

再者，中國專利公開號CN 101017905 A「一種通過雙極板保持質子交換膜燃料電池中水的平衡方法」與公告號CN 103956511 B「一種具有自加濕功能的燃料電池結構」提供一種改變電極板本身之結構為主的加濕方法，係以多孔材質製成電極板，使其具有透水能力，讓冷卻水可以從冷卻水流道通過該孔隙滲入燃料電池中達成燃料電池內部加濕之效果；然而，此方法勢必增加了雙極版表面的粗糙度、進而增加燃料電池的內部電阻，降低了燃料電池的功率。

今，發明人即是鑑於上述現有之燃料電池加濕設備於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供燃料電池內部加濕構造，其在燃料電池鄰近反應區域的地方設置氣體緩衝槽，當反應氣體進入燃料電池時會在緩衝區滯留，並與質子交換膜另一側之飽和水氣反應，讓反應氣體能夠交換水氣，達到增濕效果。

為了達到上述實施目的，本發明一種燃料電池加濕構造，其包含有一陽極電極板；一陰極電極板，係相對於陽極電極板設置；一質子交換膜，係設置於陽極電極板與陰極電極板之間；以及一氣體緩衝槽，係分別設置於鄰近陽極電極板與陰極電極板之化學反應的位置。

於本發明之一實施例中，陽極電極板具有一氫氣進氣流道、一氫氣排氣流道、一陽極氣體擴散層以及一陽極觸媒反應層。

於本發明之一實施例中，陰極電極板具有一氧氣進氣流道、一氧氣排氣流道、一陰極氣體擴散層以及一陰極觸媒反應層。

於本發明之一實施例中，陽極電極板與陰極電極板之氣體流道係以一密封件區隔開。

於本發明之一實施例中，氣體緩衝槽具有一緩衝槽流道，係提供循環輸送水氣並提供氫氣及氧氣流通。

據此，本發明燃料電池內部加濕構造可以有效地於燃料電池內部直接為氫離子進行加濕的動作，其優勢在於物理路徑得以有效縮短，水氣之交換係在燃料電池內完成；陽極與陰極之觸媒反應層與冷卻水流道隔離、不須依賴冷卻水進行加濕，因此可應用在氣冷式燃料電池或是液冷式燃料電池；並非針對電極板本身結構進行改良，因此使用材料係不受限於石墨、或是不鏽鋼、鈦等，且加工方法不受限於鑄造、銃铣或是沖壓等。

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

請參閱第一圖與第二圖，本發明一種燃料電池加濕構造，其包含有一陽極電極板(1)，係具有一氫氣進氣流道(11)、一氫氣排氣流道(12)、一陽極氣體擴散層(13)以及一陽極觸媒反應層(14)；一陰極電極板(2)，係相對於陽極電極板(1)設置，並具有一氧氣進氣流道(21)、一氧氣排氣流道(22)、一陰極氣體擴散層(23)以及一陰極觸媒反應層(24)，其中陽極電極板(1)與陰極電極板(2)之氣體流道係以一密封件(3)區隔開；一質子交換膜(4)，係設置於陽極電極板(1)與陰極電極板(2)之間；以及一氣體緩衝槽(5)，係具有一緩衝槽流道(圖中未標示)，係提供循環輸送水氣並提供氫氣及氧氣流通，且氣體緩衝槽(5)分別設置於鄰近陽極電極板(1)與陰極電極板(2)之化學反應的位置，燃料電池中化學反應會分別發生在陽極觸媒反應層(14)與陰極觸媒反應層(24)，其中此氣體緩衝槽(5)係有覆蓋至質子交換膜(4)以及氣體擴散層。

此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。

燃料電池使用時，會由多個燃料電池組合成燃料電池堆，再連接氫氣供應單元、氧氣供應單元以及冷卻單元，以形成一個燃料電池系統，係提供給每一個燃料電池有氫氣及氧氣作為燃料來源，再由冷卻單元以冷卻水進行冷卻。

請參閱第一圖與第二圖，本發明實際作動時，氫氣會從陽極電極板(1)的氫氣進氣流道(11)進入，先停留在陽極電極板(1)側的氣體緩衝槽(5)；而氧氣則會從陰極電極板(2)的氧氣進氣流道(21)進入，透過陰極氣體擴散層(23)與陰極觸媒反應層(24)，會變為高濕度的氧離子，此高濕度的氧離子會停留於陰極電極板(2)側的氣體緩衝槽(5)，再經由質子交換膜(4)直接傳送到陽極側的氣體緩衝槽(5)，與氫氣進行濕氣交換，使氫氣帶有水氣，並在陽極電極板(1)之陽極觸媒反應層(14)進行反應，與水形成離子團，以順利地通過質子交換膜(4)至陰極電極板(2)反應，燃料電池即能產生電力。

一般習知的燃料電池中，由於質子交換膜(4)將氫離子從陽極電極板(1)輸送至陰極電極板(2)時，必須要使氫離子與水分子耦合才可以在質子交換膜(4)中輸送，但其中並沒有設計有水循環的結構，因此時常造成陽極有水貧乏，陰極有水氾濫的情況發生，水貧乏時會造成氫離子無法與水形成離子團而傳輸，水氾濫時會因為氧氣進氣流道(21)被液態的水堵塞，使氧氣無法進入陰極觸媒反應層(24)反應，造成發電能力降低；而本發明之水氣亦能夠透過氣體緩衝槽(5)作來回的傳輸，讓水氣得以循環，以解決習知陽極具有水貧乏現象、陰極有水氾濫堵塞現象的情形。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點:

1. 本發明燃料電池內部加濕構造具有氣體緩衝槽，當燃料氫氣進入燃料電池時會在氣體緩衝槽滯留，質子交換膜另一側之高濕度的氧離子會輸送至氫氣這邊進行濕氣交換，達到加濕效果，氫氣反應後即形成氫離子，使水分子能帶著氫離子通過質子交換膜；相較於先前必須改變電極板本身結構，或是額外增設加濕設備，本發明係以更便利、低成本的方式達到加濕的效果，且不須依賴會汙染環境的冷卻水加濕。

2. 本發明燃料電池內部加濕構造之氣體緩衝槽讓水氣能在燃料電池內部就進行循環，減少了水氣的輸送路徑，能解決先前因輸送路徑太長造成陽極內水貧乏、以及陰極內水氾濫的現象，有效地降低水貧乏現象的時間，以及水氾濫堵塞現象的時間，有效提升電池的發電能力及效率。

綜上所述，本發明之燃料電池內部加濕構造，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧陽極電極板
(11)‧‧‧氫氣進氣流道

(12)‧‧‧氫氣排氣流道
(13)‧‧‧陽極氣體擴散層

(14)‧‧‧陽極觸媒反應層
(2)‧‧‧陰極電極板

(21)‧‧‧氧氣進氣流道
(22)‧‧‧氧氣排氣流道

(23)‧‧‧陰極氣體擴散層
(24)‧‧‧陰極觸媒反應層

(3)‧‧‧密封件
(4)‧‧‧質子交換膜

(5)‧‧‧氣體緩衝槽

第一圖：本發明其較佳實施例之整體結構示意圖。

第二圖：本發明其較佳實施例之部分放大圖。

Claims (5)

1. 一種燃料電池內部加濕構造，其包含有： 一陽極電極板； 一陰極電極板，係相對於該陽極電極板設置； 一質子交換膜，係設置於該陽極電極板與該陰極電極板之間；以及 一氣體緩衝槽，係分別設置於鄰近該陽極電極板與該陰極電極板之化學反應的位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述燃料電池內部加濕構造，其中該陽極電極板具有一氫氣進氣流道、一氫氣排氣流道、一陽極氣體擴散層以及一陽極觸媒反應層。
3. 如申請專利範圍第1項所述燃料電池內部加濕構造，其中該陰極電極板具有一氧氣進氣流道、一氧氣排氣流道、一陰極氣體擴散層以及一陰極觸媒反應層。
4. 如申請專利範圍第1項所述燃料電池內部加濕構造，其中該陽極電極板與該陰極電極板之氣體流道係以一密封件區隔開。
5. 如申請專利範圍第1項所述燃料電池內部加濕構造，其中該氣體緩衝槽具有一緩衝槽流道，係提供循環輸送水氣並提供氫氣及氧氣流通。