堆疊型燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種燃料電池，且特別是一種堆疊型燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的進(jìn)步，傳統(tǒng)能源如煤、石油及天然氣的消耗量持續(xù)升高，由于天然能源的存量有限，因此必須研發(fā)新的替代能源以取代傳統(tǒng)能源，而燃料電池便是一種重要且具實(shí)用價(jià)值的選擇。
[0003]簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，燃料電池基本上是一種利用水電解的逆反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池來(lái)說(shuō)，其主要是由膜電極組(membrane electrodeassembly,簡(jiǎn)稱MEA)及二個(gè)電極板所構(gòu)成。膜電極組通常是由質(zhì)子傳導(dǎo)膜(protonexchange membrane)、陽(yáng)極觸媒層、陰極觸媒層、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(gas diffus1n layer,GDL)以及陰極氣體擴(kuò)散層所構(gòu)成。其中，上述的陽(yáng)極觸媒層與陰極觸媒層分別配置于質(zhì)子傳導(dǎo)膜的兩側(cè)，陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層與陰極氣體擴(kuò)散層分別設(shè)置在陽(yáng)極觸媒層與陰極觸媒層之上。另外，二個(gè)電極板包括陽(yáng)極與陰極，其分別配置于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層與陰極氣體擴(kuò)散層之上。
[0004]目前業(yè)界常見(jiàn)的質(zhì)子交換膜燃料電池是直接甲醇燃料電池(Direct MethanolFuel Cell，簡(jiǎn)稱DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液當(dāng)作燃料供給來(lái)源，并經(jīng)由甲醇與氧的相關(guān)電極反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電流。直接甲醇燃料電池的反應(yīng)式如下:
[0005]陽(yáng)極:CH30H+H20— C02+6H++6e-
[0006]陰極:3/ 202+6H++6e- — 3H20
[0007]反應(yīng)時(shí)，陽(yáng)極的甲醇與水必須維持適當(dāng)濃度，理論上是I摩爾:I摩爾，但因受限于膜電極組(MEA)無(wú)法阻擋如此高濃度的甲醇水溶液擴(kuò)散(crossover)至陰極，因此在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，會(huì)使用冷凝器于陰極端收集陰極水，再將所收集到的陰極水送回陽(yáng)極端的燃料混合槽，并且搭配燃料濃度檢測(cè)器、燃料循環(huán)泵浦與高濃度甲醇補(bǔ)充泵浦等元件，將陽(yáng)極端的甲醇水溶液控制在2?6%的濃度范圍。此類型的燃料電池系統(tǒng)稱為主動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)。
[0008]近年來(lái)，已逐漸發(fā)展出被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)，主要是通過(guò)控制陰極濕度，營(yíng)造陰、陽(yáng)極水濃度梯度的差異，使陰極水經(jīng)由膜電極組(MEA)滲回陽(yáng)極再利用的方式，此技術(shù)已被證實(shí)為可行。在被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)中，陰極端不需要冷凝器等回收水元件，陽(yáng)極端也不需燃料混合槽等復(fù)雜元件，僅需使用微量泵浦，適時(shí)適量的供應(yīng)陽(yáng)極端高濃度甲醇，以較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)配置達(dá)成燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作的目的。然而，被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)所需供應(yīng)的陽(yáng)極燃料濃度極高，一般均大于50%以上，而且提供至陽(yáng)極的燃料并不循環(huán)再使用，因此燃料的供應(yīng)流量很低，大約每平方公分的反應(yīng)面積僅有0.5μ L / min左右的流量，如此少量的燃料必須均勻的分布至所有反應(yīng)面積，特別是在較大輸出功率的多模塊系統(tǒng)中更顯得困難。另外，在被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)中，為了使陽(yáng)極燃料分布均勻與陰極回水順利，增設(shè)了許多層不同特性的材料，多層材料的組合使得被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)在增加發(fā)電模塊時(shí)，組裝過(guò)程過(guò)于繁瑣，空間無(wú)法有效利用，也妨礙了被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)在較大輸出功率方面的應(yīng)用。
[0009]傳統(tǒng)的燃料電池本體多采用雙極板堆疊式設(shè)計(jì)，即流道板本身除了擔(dān)任陰、陽(yáng)極燃料的流道以外，尚擔(dān)負(fù)導(dǎo)電串聯(lián)的工作，這樣的設(shè)計(jì)方式可以用極小的空間完成多片膜電極組(MEA)的組裝。但是，在被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)里，設(shè)計(jì)有許多不導(dǎo)電的材料層，使膜電極組(MEA)無(wú)法在堆疊方向直接串聯(lián)，并且在堆疊方向上的多個(gè)陽(yáng)極燃料流道，還存在著極低流量的陽(yáng)極液態(tài)燃料無(wú)法順利分流的問(wèn)題，因此被動(dòng)式回水的燃料電池系統(tǒng)無(wú)法采用傳統(tǒng)的雙極板堆疊方式設(shè)計(jì)。
[0010]被動(dòng)式回水的直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)多是以平面式排列多片膜電極組(MEA)的方式設(shè)計(jì)(如W02008105272以及TW201228085所揭露的)，通過(guò)流道設(shè)計(jì)將陽(yáng)極燃料均勻分布在反應(yīng)平面，這樣的做法僅解決了單一反應(yīng)平面的燃料電池設(shè)計(jì)，對(duì)于較大輸出功率需求的燃料電池系統(tǒng)而言，除了必須耗費(fèi)更大空間來(lái)容納多組單一反應(yīng)平面的結(jié)構(gòu)之外，如何將流量甚低的燃料均勻傳送至多組陽(yáng)極燃料流道中，仍未有所解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供一種具有陽(yáng)極共用流道板的堆疊型燃料電池。
[0012]本發(fā)明提供一種堆疊型燃料電池，其包括至少兩個(gè)發(fā)電模塊、至少二陰極流道板以及至少一陽(yáng)極共用流道板。各發(fā)電模塊包括陽(yáng)極集電層、陰極集電層、位于陽(yáng)極集電層與陰極集電層之間的膜電極組、燃料均勻?qū)右约瓣帢O保濕層。燃料均勻?qū)优c陰極保濕層分別位于膜電極組兩側(cè)，而陽(yáng)極集電層位于燃料均勻?qū)优c膜電極組之間，且陰極集電層位于陰極保濕層與膜電極組之間。此外，陽(yáng)極共用流道板位于相鄰二發(fā)電模塊中的二燃料均勻?qū)又g，陽(yáng)極共用流道板以及位于陽(yáng)極共用流道板兩側(cè)的發(fā)電模塊夾于陰極流道板之間。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的堆疊型燃料電池的剖面示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的堆疊型燃料電池的爆炸示意圖；
[0015]圖3為本本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的堆疊型燃料電池的立體示意圖；
[0016]圖4A至圖4C為本發(fā)明的各種陽(yáng)極共用流道板的剖面示意圖。
[0017]【附圖標(biāo)記說(shuō)明】
[0018]100:堆疊型燃料電池
[0019]110:發(fā)電模塊
[0020]111:膜電極組
[0021]112:陽(yáng)極集電層
[0022]113:陰極集電層
[0023]114:燃料均勻?qū)?br>[0024]115:陰極保濕層
[0025]120:陰極流道板
[0026]130:陽(yáng)極共用流道板
[0027]132:第一材料層
[0028]134:第二材料層
[0029]136:填充材料
[0030]140:燃料供應(yīng)單元
[0031]142:燃料儲(chǔ)存槽
[0032]144:泵浦
[0033]146:主流道
[0034]148:填充材料
[0035]150:鎖固構(gòu)件
[0036]160:散熱器
[0037]CH:圖案化流道
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0039]圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的堆疊型燃料電池的剖面示意圖，圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的堆疊型燃料電池的爆炸示意圖，而圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的堆疊型燃料電池的立體示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1至圖3，本實(shí)施例的堆疊型燃料電池100包括多個(gè)發(fā)電模塊110、至少二個(gè)陰極流道板120以及至少一個(gè)陽(yáng)極共用流道板130。堆疊型燃料電池100中的各個(gè)發(fā)電模塊110包括陽(yáng)極集電層112、陰極集電層113、位于陽(yáng)極集電層112與陰極集電層113之間的膜電極組111、燃料均勻?qū)?14以及陰極保濕層115。燃料均勻?qū)?14與陰極保濕層115分別位于膜電極組111兩側(cè)，而陽(yáng)極集電層112位于燃料均勻?qū)?14與膜電極組111之間，且陰極集電層113位于陰極保濕層115與膜電極組111之間。此外，陽(yáng)極共用流道板130位于相鄰二發(fā)電模塊110中的二燃料均勻?qū)?14之間，陽(yáng)極共用流道板130以及位于陽(yáng)極共用流道板130兩側(cè)的發(fā)電模塊110夾于二相鄰的陰極流道板120之間。燃料均勻?qū)?14的材質(zhì)例如是織布、不織布、紙類、泡綿、發(fā)泡PE、發(fā)泡PU等材質(zhì)，具有可吸附燃料且不導(dǎo)電的特性，其目的在于將陽(yáng)極共用流道板130出口的燃料進(jìn)一步擴(kuò)散均勻，可以解決陽(yáng)極共用流道板130出口過(guò)少的問(wèn)題。陰極保濕層115的主要作用是在于控制反應(yīng)后陰極側(cè)所產(chǎn)生水的蒸發(fā)速率，其材質(zhì)可為高分子聚合物或金屬等可作開(kāi)孔加工的阻氣材料。陰極保濕層115的厚度例如是介于ΙΟμπι?2mm之間。在其他實(shí)施例中，陰極保濕層115的厚度例如約為10 μ m?500 μ m之間。陰極保濕層115具有至少一個(gè)開(kāi)孔(未繪出)，以控制氣體透氣量，整體的開(kāi)孔率介于0.5%?30%之間。在其他實(shí)施例中，整體的開(kāi)孔率例如約為2%?10%左右。
[0040]在本實(shí)施例中，陽(yáng)極共用流道板130可以使堆疊型燃料電池100的空間利用率增力口。此外，由于各個(gè)陽(yáng)極共用流道板130可以將燃料同時(shí)供應(yīng)至位于其兩側(cè)的發(fā)電模塊110中，因此供應(yīng)至這些發(fā)電模塊110中的燃料供應(yīng)量便不會(huì)有不均勻的問(wèn)題。
[0041]除了前述的發(fā)電模塊110、陰極流道板120以及陽(yáng)極共用流道板130之外，本實(shí)施例的堆疊型燃料電池100可進(jìn)一步包括燃料供應(yīng)單元140，其中燃料供應(yīng)單元140包括燃料儲(chǔ)存槽142、泵浦144以及主流道146，其中燃料儲(chǔ)存槽142適于儲(chǔ)存燃料，而主流道146連接于兩個(gè)陽(yáng)極共用流道板130之間，且儲(chǔ)存于燃料儲(chǔ)存槽142中的燃料會(huì)通過(guò)泵浦144以及主流道146供應(yīng)至兩個(gè)陽(yáng)極共用流道板130中。值得注意的是，前述的主流道146內(nèi)填充有填充材料148，填充材料148所提供的毛細(xì)力量可用來(lái)降低重力對(duì)低流量燃料的流動(dòng)的影響，使主流道內(nèi)146的燃料盡可能的均勻供應(yīng)至兩個(gè)陽(yáng)極共用流道板130中。在本實(shí)施例中，填充材料148例如為織布、不織布、紙類、泡綿、發(fā)泡PE、發(fā)泡PU等毛細(xì)材料或是其他親燃料材質(zhì)。舉例而言，前述的填充材料148與燃料(例如甲醇)的接觸角小于90度，意即，填充材料148具有親燃料的特性。
[0042]在本發(fā)明中，由于主流道146內(nèi)填充有填充材料148，因此通過(guò)填充材料148能夠使得流入主流道146內(nèi)的燃料輕易地被導(dǎo)入陽(yáng)極共用流道板130中。
[0043]如圖1所示，泵浦144的數(shù)量會(huì)少于或等于陽(yáng)極共用流道板130的數(shù)量。詳言之，泵浦144的數(shù)量為NI，而陽(yáng)極共用流道板130的數(shù)量為N2，且N1、N2滿足下列的關(guān)系式:N1=N2 / n，其中(N2 / η)為正整數(shù)，且η為小于3的正整數(shù)。在本實(shí)施例中，通過(guò)主流道146的分支設(shè)計(jì)以及陽(yáng)極共用流道板130，單一個(gè)泵浦144可以將燃料提供至4個(gè)發(fā)電模塊110中，此時(shí)，泵浦144的使用數(shù)量為發(fā)電模塊110的數(shù)量的四分之一。當(dāng)然，若主流道146未采用分支設(shè)計(jì)，僅通過(guò)陽(yáng)極共用流道板130，單一