专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，且特别涉及可排放其内反应生成气体的 一种燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池(Fuel Cell, FC)是一种利用化学能直接转化为电能的发电装置， 与传统发电方式比较之下，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及 较高的能量转换效率等优点，是极具未来前瞻性的干净能源，可应用的范围 包括携带式电子产品、家用发电系统、运输工具、军用设备、太空工业以及 大型发电系统等各种领域。常见的燃料电池依照所使用的电解质的种类可大体区分为以下五种1. 碱性燃料电池(AFC):以氢氧化钾为电解质；2. 碳酸燃料电池(PAFC):以磷酸溶液为电解质；3. 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC):将碳酸物熔解后作为电解质；4. 固态电解质燃料电池(SOFC):主要以二氧化锆作为电解质；以及5. 质子交换膜燃料电池(PEMFC):包含所谓直接曱醇燃料电池(DMFC)， 直接以曱醇为燃料，而不需先行组成氢气。料供给来源，且无须重组器以重组曱醇、汽油及天然气等其他材料以生成氢 供发电的用，其具有低温生电、燃料成分危险性低与生电结构简单等特性， 因此使得直接曱醇燃料电池逐渐成为可携带式电子产品应用的主流。已知的直接曱醇燃料电池主要是由薄膜电极组(Membrane Electrode Assembly,简称MEA)、阳极集电板及阴极集电板所构成。薄膜电极组是由 质子传导膜(Proton Exchange Membrance)、阳极触媒层、阴极触媒层、阳极 气体扩散层(Gas Diffusion Layer, GDL)以及阴极气体扩散层所构成。其中， 上述的阳极触媒层与阴极触媒层分别配置于质子传导膜的两侧，阳极气体扩 散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极触媒层与阴极触媒层之上。阳极集电板及阴极集电板是分别设置于阳极气体扩散层及阴极气体扩散层之上。直接曱醇燃料电池的反应式如下阳极CH3OH+H20—C02十6H"+6e- (1) 阴极(3/2)02+6H++6e-—3H20 (2) 全反应CH3OH+(3/2)02—C02+2H20 (3)由反应式(l)可理解，在直接曱醇燃料电池操作时，其阳极部份会有C02 产生，为了避免阳极累积过大的气体压力，必须适时地将C02从燃料电池系 统中排除，当阳极使用液态燃料时，C02很容易与液体分离而排除，但是当 使用气态燃料的电池系统中，气态燃料与C02将无法轻易分离而可能使得气 态燃料随着C02—起排放到系统之外，造成燃料损失，影响燃料电池的燃料气体扩散层，但同样的阳极的水气也会穿过阳极保湿层而扩散至燃料储存 槽，造成燃料储存槽内的燃料浓度被稀释，并且会导致膜电极阻的内阻值上升，例如WO2005/112172A1号专利申请案所揭示。此外，可更进一步设置 C02排放口于气化燃料收容室的侧壁，例如WO2006/040961A1号专利申请 案所揭示，而该气化燃料收容室的气化曱醇浓度仅次于燃料储存槽，但却因此造成较多的气化曱醇随着C02排出，不但污染周围环境，也会使燃料效率下降。发明内容有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池系统，可以减少阳极水气的逸散， 维持膜电极组的内阻值，并且可以有效地排放其阳极侧所形成的生成气体， 降低气态燃料排出系统外的损失，进而改善燃料效率。依据一个实施例，本发明的燃料电池系统，包括电池单元，其包括阳极集电层、阴极集电层、夹置于上述阳极集电层与 该阴极集电层间的薄膜电极组、围绕上述薄膜电极组、阳极集电层与阴极集 电层的框架、设置于该阳极集电层下方的亲水阻气层、设置于该亲水阻气层 下方的疏水透气层，以及埋置于该框架内的至少一气体排放沟道，该气体排 放沟道露出该亲水阻气层的 一部并接触邻近该电池单元的环境，以排通由该 薄膜电极组所产生的生成气体至该电池单元之外。依据另一个实施例，本发明的燃料电池系统，包括电池单元、燃料供应单元，以供应气态燃料至该电池单元；以及空气供 应单元以供应含氧气体至该电池单元，其中该电池单元包括阳极集电层、阴极集电层、夹置于上述阳极集电层与该阴极集电层间的 薄膜电极组、围绕上述薄膜电极组、阳极集电层与阴极集电层的框架、设置 于该阳极集电层下方的亲水阻气层、设置于该亲水阻气层下方的疏水透气 层，以及埋置于该框架内的至少一气体排放沟道，其中该气体排放沟道露出 该亲水阻气层的一部并接触邻近该电池单元的环境，以排通由该薄膜电极组 所产生的生成气体至该电池单元之外，该燃料供应单元连结于邻近该电池单 元中该疏水透气层的 一侧，该空气供应单元连结于远离该电池单元中该疏水 透气层的一侧。为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特 举一个优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1为一示意图，图示；图2为一示意图， 面图示；图3为一示意图， 面图示；以及图4为一示意图， 面图示。附图标记说明100、 100，、 100"12槽体14液态燃津牛18汽化气体22阳才及集电层26阳才及触々某30阴极触媒层34阴极集电层显示了依据本发明 一个实施例的燃料电池系统的剖面 显示了依据本发明另 一 个实施例的燃料电池系统的剖 显示了依据本发明又一个实施例的燃料电池系统的剖 显示了依据本发明又一个实施例的燃料电池系统的剖、100"，燃料电池系统 10燃料供应单元12a、 12b槽体的一部16液气分离层20电池单元24阳极气体扩散层28电解质薄膜32阴极气体扩散层36框架40薄膜电极组
60疏水透气层
70、 70，气体排放沟道
82保湿板
90储水槽
50亲水阻气层 65多孔板 80空气供应单元 86空气导入口 92集水层
具体实施例方式
请参照图1的示意图，其显示了依据本发明一个实施例的燃料电池系统 100的剖面情形。如图所示，燃料电池系统100主要包括电池单元20、燃料 供应单元10与空气供应单元80。
如图l所示，电池单元20包括阳极集电层22、阴极集电层34、夹置于 阳极集电层22与该阴极集电层34之间的薄膜电极组(MEA)40、以及围绕上 述薄膜电极组、阳极集电层22与阴极集电层34的框架36。此外，电池单元 20还包括设置于阳极集电层22下方的亲水阻气层50,以及设置于该亲水阻 气层50下方的疏水透气层60。其中，薄膜电极组40则包括依序堆叠形成于 阳极集电层22上的阳极气体扩散层24、阳极触媒层26、电解质薄膜28、阴 极触媒层30与阴极气体扩散层32。再者，在框架36中则埋置有气体排放沟 道70，其露出亲水阻气层50的一部并接触邻近电池单元20的环境，其设置 数量、孔径与形状并不以图1的情形为限，可视实际状况改变其设置数量、 其外形与其孔径。另外，电池单元20中的亲水阻气层50的材质包括如织布、 不织布、纸类、泡绵、发泡聚氨酯等亲水多孔材质，其具有吸附液体的特性， 并在经过如水的液体湿润后具有阻气效果，其孔径必须小至可以形成水膜， 一般而言，孔径尺寸至少必须小于其厚度的两倍才有机会形成水膜，进而能 够阻挡阳极产生的二氧化碳气体穿透，因此孔径必须足够小或是非直通孔的 结构，例如本实施例使用的亲水阻气层厚度为lOOpm,孔径为0.1pm。而疏 水透气层的材质则包括聚四氟乙烯(PTFE， poly-tetrafluoroethylene)等耐热、耐 蚀且不与燃料电池起化学反应的材料，必须具备10kPa以上的阻水压力 (Waterproof Pressure),本实施例疏水透气层的材津+4吏用SUMITOMO ELECTRIC FINE POLYMER INC.产制的产品 "Poreflon Membrane I'，P-010-60"，其孔径为0.1pm，并且具有220kPa的阻水压力。
仍请参照图1,燃料供应单元10设置于邻近电池单元20中疏水透气层60的一侧，藉以提供气态燃料至电池单元的阳极侧，而空气供应单元80设 置于远离该电池单元中该疏水透气层的一侧，藉以提供氧气或空气中的氧分 子至电池单元的阴极侧。在此，燃一十供应单元10包括槽体12，其内包含有 液态燃料14及汽化气体18,汽化气体18由液态燃料14直接汽化而成。另 外，空气供应单元80则包括保湿板82,此保湿板82设置有数个空气导入口 86。
图1的燃料电池系统IOO的操作则如下所述，位于燃料供应单元中的经 汽化的汽化气体18,例如为曱醇的汽化气体，在通过疏水透气层60后抵达 亲水阻气层50处，由于亲水阻气层50是由经湿润的薄膜所形成，例如是经 水湿润的薄膜，故前述的燃料气体18将再次溶于亲水阻气层50内，进而以 液态型态接触了阳极集电层22以及阳极气体扩散层24后与阳极触媒层26 进行反应，而氧气或空气中的氧分子则经由空气供应单元80内空气导入口 86进入，在通过阴极集电层34以及阴极气体扩散层32后与阴极触媒层30 反应。经由上述反应，燃料电池系统IOO将反应生电，其中阳极处所生成的 气体，例如采用曱醇燃料时所生成的二氧化碳气体，此时则可顺着阳极集电 层22与亲水阻气层50间的边界传输并抵达埋置于框架36内的气体排放沟 道70处，因而排放至燃料电池系统100的周遭环境中，而不会逸散至下方 汽化燃料浓度较高处，因此排出气体的汽化燃料比例将会较低。另外，由于 电池单元20内的亲水阻气层50下方设置有疏水透气层60,因此一旦亲水阻 气层50经湿润后，其内所含水分将为疏水透气层60所阻挡，因此可避免槽 体12内的液态燃料14遭到稀释。如此，经由上述操作，燃料电池系统IOO 经长时间操作后其内电阻值仍能保持在适当范围内(搡作时间约为6小时， 内电阻值提升量0%),因此燃料电池系统IOO极适用于非主动型燃料电池系 统的应用，例如非主动型直接曱醇燃料电池的应用，只要能持续供应液态燃 料M便可长时间地持续产生电力，而不会有电力中断或更换电池的考量。
图2与图3为 一 系列示意图，显示了依据本发明其他实施例的燃料电池 系统的剖面图，其中燃料电池系统100'与IOO"是经由改良如图1所示的燃 料电池系统所得到，在图2与图3所示的构件中，相同的标号显示了相同于 图1中的构件，于下文中仅描述系统间的差异处而不再次重复描述相同构件。
请参照图2,在燃料电池系统IOO，内的燃料供应系统10中可选择性地 设置气液分离薄膜16，以分隔液态燃料14与由液态燃料14所生成的汽化气体18。如图2所示，气液分离薄膜16是部份埋置于槽体12的中，并将槽体 分成两个部份12a与12b，其中12a部份所环绕形成的区域是用于设置液态 燃料14，而12b部份所环绕形成的区域则设置有汽化气体18。此外，在电 池单元12中的框架36埋置有另一型态的气体排放沟道70，，其形成于亲水 阻气层50与框架36的边缘，并沿水平方向延伸设置于框架36内。或者，
65，以控制燃料气体18的传输量并作为电池单元20与气体供应单元80的 支撑结构，其具有介于0.1 20%的开孔率，依膜电极组的放电电流来决定开 孔率大小，其材质则包括聚脂类或聚烯烃类材料，例如聚对苯二曱酸乙二 脂(PET, polyethylene terephthalate)、聚丙烯氰(PAN, Polyacrylonitrile)、聚乙烯 (PE, polyethylene)、聚丙烯(PP, polypropylene)等，具备不透气、耐蚀以及不 与燃料电池起化学反应与的特性。
图4为一示意图，显示了依据本发明另一个实施例的燃料电池系统的剖 面图，其中燃料电池系统IOO"，是经由改良如图2所示的燃料电池系统所得 到，在图4所示的构件中，相同的标号显示了相同于图2中的构件，在下文 中仅描述系统间的差异处而不再次重复描述相同的构件。
请参照图4，在燃料电池系统IOO，，，中可更设置储水槽90,其是独立于 燃料供应系统10与电池单元20。而在空气供应单元80的保湿板82可更埋 设有集水层92。集水层92的材质为多孔亲水材质，例如织布、不织布、纸 类、泡绵、发泡聚氨酯等多孔材质，且其是实体地连结于储水槽90。另夕卜， 如图4所示，此亲水阻气层50突出于框架36的一侧外且部份埋设于储水槽 90中。经由如此设置，可采用人工供给方式以在储水槽90添加适当量的水， 或通过设置于保湿板82内的集水层92吸附凝结于其内侧的水气并流入至储 水槽90中以补充的，并通过部份埋设于储水槽卯中的亲水阻气层50将水 分补充至设置于疏水透气层60与薄膜电极組40间的亲水阻气层50部份处。 如此，将可避免回水量受到环境条件影响而导致亲水阻气层50缺水的情况 发生，进而提升其操作时间与表现。上述的补水系统可施行于如图1与图3 所示的燃料电池系统中而并非以图4的实施方式而加以限定其发明。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领 域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰， 因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括电池单元，包括阳极集电层；阴极集电层；薄膜电极组，夹置于该阳极集电层与该阴极集电层间；框架，围绕该薄膜电极组、该阳极集电层与该阴极集电层；亲水阻气层，设置于该薄膜电极组与该框架的下方；疏水透气层，设置于该亲水阻气层的下方；以及至少一气体排放沟道，埋置于该框架内，露出该亲水阻气层的一部并接触邻近该电池单元的环境，以排通由该薄膜电极组所产生的生成气体至该电池单元之外。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括燃料供应单元，连结于 邻近该电池单元中该疏水透气层的 一侧。
3. 如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括空气供应单元，连结于 远离该电池单元中该疏水透气层的 一侧。
4. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中该薄膜电极组包括依序堆 叠形成的阳极气体扩散层、阳极触媒层、电解质薄膜、阴极触媒层与阴极气 体扩散层。
5. 如权利要求2所述的燃料电池系统，其中该燃料供应单元包含液态 燃料及该液态燃料的汽化气体。
6. 如权利要求5所述的燃料电池系统，其中该汽化气体是由该液态燃 料直接汽化而成。
7. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中该亲水阻气层为湿润薄膜， 以阻绝由该薄膜电极组所产生的生成气体通过该亲水阻气层。
8. 如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该亲水阻气层的材质包括 如织布、不织布、纸类、泡绵、发泡聚氨酯等亲水多孔材质。
9. 如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该亲水阻气层的孔径必须 小于厚度的两倍。
10. 如权利要求6所述的燃料电池系统，其中该疏水透气层阻挡该电池
11. 如权利要求10所述的燃料电池系统，其中该疏水透气层的材质包 括聚四氟乙烯。
12. 如权利要求11所述的燃料电池系统，其中该疏水透气层具有10kPa 以上的阻水压力。
13. 如权利要求5所述的燃料电池系统，还包括气液分离薄膜，设置于 该燃料供应单元中，以分隔该液态燃料及该液态燃料所生成的该汽化气体。
14. 如权利要求2所述的燃料电池系统，还包括多孔板，设置于该燃料 供应单元的顶面与该电池单元之间。
15. 如权利要求14所述的燃料电池系统，其中该多孔板具有介于0.1 20 %的开孔率。
16. —种燃料电池系统，包括 电池单元，包4舌阳极集电层； 阴极集电层；薄膜电极组，夹置于该阳极集电层与该阴极集电层间； 框架，围绕该薄膜电极組、该阳极集电层与该阴极集电层； 亲水阻气层，设置于该薄膜电极组与该框架的下方； 疏水透气层，设置于该亲水阻气层的下方；以及 至少一气体排放沟道，埋置于该框架内，露出该亲水阻气层的一部 并接触邻近该电池单元的环境，以排通由该薄膜电极组所产生的生 成气体至该电池单元之外； 燃料供应单元，连结于邻近该电池单元中该疏水透气层的一侧，以供应气态燃料至该电池单元；以及空气供应单元，连结于远离该电池单元中该疏水透气层的一侧，以供应含氧气体至该电池单元。
17. 如权利要求16所述的燃料电池系统，其中该薄膜电极组包括依序 堆叠形成的阳极气体扩散层、阳极触媒层、电解质薄膜、阴极触媒层与阴极 气体扩散层。
18. 如权利要求16所述的燃料电池系统，其中该燃料供应单元包括液 态燃料及该液态燃料的汽化气体。
19. 如权利要求18所述的燃料电池系统，其中该汽化气体是由该液态 燃料直接汽化而成。
20. 如权利要求16所述的燃料电池系统，其中该亲水阻气层为湿润薄 膜，以阻绝由该薄膜电极组所产生的生成气体通过该亲水阻气层。
21. 如权利要求20所述的燃料电池系统，其中该亲水阻气层的材质包 括如织布、不织布、纸类、泡绵、发泡聚氨酯等亲水多孔材质。
22. 如权利要求20所述的燃料电池系统，其中该亲水阻气层的孔径必 须小于厚度的两倍。
23. 如权利要求16所述的燃料电池系统，其中该疏水透气层阻挡该电 池单元中的水分离开该电池单元并控制了该汽化气体通入该电池单元的速
24. 如权利要求23所述的燃料电池系统，其中该疏水透气层的材质包 括聚四氟乙烯。
25. 如权利要求16所述的燃料电池系统，其中该疏水透气层具有10kPa 以上的阻水压力。
26. 如权利要求16所述的燃料电池系统，还包括气液分离薄膜，设置 于该燃料供应单元中，以分隔该液态燃料及该液态燃料所生成的该汽化气体。
27. 如权利要求16所述的燃料电池系统，还包括多孔板，设置于该燃 料供应单元的顶面与该电池单元之间。
28. 如权利要求27所述的燃料电池系统，其中该多孔板具有介于0.1 20 %的开孔率。
29. 如权利要求27所述的燃料电池系统，其中该多孔板的材质包括聚 脂类或聚烯烃类材料，例如聚对苯二曱酸乙二脂、聚丙烯氰、聚乙烯、聚 丙烯等。
30. 如权利要求27所述的燃料电池系统，还包括储水槽，用于储存水， 而该亲水阻气层突出于该框架的一侧并部份埋设于该储水槽中。
31. 如权利要求30所述的燃料电池系统，还包括集水层，设置于该空 气供应单元中，该集水层并连结于该储水槽中，以供应凝结水气至该储水槽 中。
全文摘要
本发明的燃料电池系统，包括电池单元，包括阳极集电层、阴极集电层、夹置于上述阳极集电层与该阴极集电层间的薄膜电极组、围绕上述薄膜电极组、阳极集电层与阴极集电层的框架、设置于该薄膜电极组与该框架下方的亲水阻气层、设置于该亲水阻气层下方的疏水透气层，以及埋置于该框架内的至少一气体排放沟道，该气体排放沟道露出该亲水阻气层的一部并接触邻近该电池单元的环境，以排通由该薄膜电极组所产生的生成气体至该电池单元之外。
文档编号H01M8/04GK101295796SQ200710101859
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月25日 优先权日2007年4月25日
发明者康顾严, 戴椿河, 蔡英文, 许盈盈, 赖秋助 申请人:财团法人工业技术研究院