粉末燃料电池的制作方法

专利名称：粉末燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种粉末燃料电池，特别是指一种具有低成本、能 量密度高、高效率，可以减少重量及能源使用量的粉末燃料电池。
背景技术：
为将化学能转换为电能及再转换回去的能力，已为人熟知，然而 一些应用如电动车，则对高能量密度、高能量变换效率、低成本、长 周期生命安全性、方便性及环境效应，都是生产时，对于许多应用的 电池需加入考量的因素，在一般情况下，则会增加一般电池组成重量 及体积，因此构建可操作、安全方便的商业化实用电池时是很难达到 的。
燃料电池是电化学装置，其中化学反应的部分能量，则会直接转 化成直流电能量。能量的直接转化成直流电能量消除了转化能量至热 的需求，因而避免产生卡诺循环效应限制，如没有卡诺循环效应的限
制，理论上燃料电池效率比传统能源产生装置(如内燃机)高至2倍至 3倍。
而燃料电池是依燃料分类为
(a) 气体燃料电池(氢、 一氧化碳、气休碳化氢)。
(b) 液体燃料电池(醇、醛、bydhazine、碳化氢、化学化合物)。
(c) 固体燃料电池(煤碳、木碳、焦碳、金属片)。 因近年来能源短缺和温室效应，以及对干净能源高效能需求，或
用于运输或电力负荷，独立电源急切的需求，促使了对新的电化学电 池的显著研究，典型的燃料电池是聚合物的电解质离子隔膜 (PEM，FC)，其以离子交换聚合物膜为主，作为一种电解质的离子交 换膜。离子隔膜是夹在阳极与阴极这两个气体扩散电极之间，气体扩 散电极是暴露于个自的反应还原剂与氧化剂气体。
故当电化学反应发生时，则于两个接点(三相界面)间的每一个 接点，均为电极的电解质聚化物与反应物气体的界面，例如当氧气为 氧化剂气体，而氢气为还原剂气体时，则氢气是供应给阳极，而氧气 供应给阴极。
这个总化学反应为2H2+02—〉2H20，在贵金属催化剂位置上发
生的电化学反应是如下所示
阳极反应2H2—4H++4e— E1/2 = 0.828V; 阴极反应02 + 4H++4e_—2H20 E1/2 = 0.401V. 这是目前市面上所熟悉的各种氢氧燃料电池，技术上也已臻成 熟，但仍然无法取代现今的内燃机，因有以下的缺点
1. 价格高因需使用高价位离子隔膜。电极触媒必须使用到高 价的贵金属，如钼、钉。
2. 能量密度低理论上一公斤的储氢材料，只约1.5WT7。，价 格昂贵或采用高压氢或液态氢，能源密度更低。
3. 安全性很危险，氢气燃烧速度快，易燃易爆。
4. 能源效率低只有30% 60%的效率。
5. 方便性不管是高压氢或液态氢或金属储氢材料，于储氢与 释氢过程中都要适当的热管理。因此没有汽油快、方便、用多少补多 少的优点。
以上5项是燃料电池实用化最大困难。况且高纯度的氢气制造也
困难(不纯的氢气会毒化电极)，所以氢气的价格会比石油贵上好几倍。
为改善这些问题，近年来有科学家提出液态燃料电池为一种化学
化合物如氢硼化钠为其反应为
阳极反应BH4—+ 80H——B02— + 6H20 + 8e— E1/2= 1.24V; 阴极反应202+4H20 + 8e_—80H— E1/2 = 0.401V; 加起来为BH4— + 202—B02—+ 2H20 E0-1.64V.
此化合物正极溶于强碱，负极溶于强酸，虽可解决储存及能源密 度的问题，但能源无法完全消耗，跟一般电池一样会残留10% 20 %无法转换。因其化合物很容易受到空气影响而氧化污染释出氢气， 故为避免自我放电必须使用昂贵离子隔斷PEM)及稀有金属，在安全
上于重新添加燃料其间，化合物可能漏出及污染环境，或因强碱、强 酸补充时易造成使用者伤害，如有泄漏则易造成危险，在其技术上也 尚未成熟。
另有金属空气燃料电池，是以电池可以藉由在电池中以适当的电 解液，以将反应金属电极电化学耦合到空气电极，如同在该技术领域 中所熟知的，该电解液为一般苛性液体或氯化钠，其是离子导性但非
导电性；所以，空气阴极都是片状的形成，并且具有相反的表面以各 别去暴露在电池的电解液及大气之中，在其中(电池运作期间)大气中 的氧气会分解，同时阳极的金属会进行氧化，因而提供适当的电流流 经连接阳极以及阴极的外部电路。并且一定与用于外部电路的导电组 件合并。
而锌金属空气燃料电池其反应式如下
% 02+H20+2e——20H—O—0.401V阴极起电反应； Zn+20H—ZnO+H20 + 2e——1.245V阳极起电反应； '/2 02+Zn=ZnO—1.645V理论起电力.
实际开路电压约1.5V，其可氧化的金属材料包括锌、铁、镁、 钙、锡、铝、锂及合金，且可以为金属或其氧化物存在。
在现今所使用的商业金属空气电池中，虽然价格低，但体积庞大， 能源密度小，补充电力需更换整颗电池或充电，每次使用无法完全消 耗，都会剩下10% 20%未氧化，浪费电力，影响效率极为不方便， 况且金属空气燃料电池的另一障碍为空气(氧化剂)及热的管理与金 属的固有体积膨胀，锌电极的膨胀为金属锌氧化成为氧化锌与氢氧化 锌的体积差异而发生，因锌粉比重为7.14，氧化锌比重为5.06，因比 重不同，因此锌粉在进行氧化后体积会膨胀，产生电解液溢流及阳极 的弯曲是由金属锌氧化的体积变化而造成；金属空气燃料电池的再一 障碍为阳极变质产生的电池失效，不均匀放电会降低电池的输出动 力，所以要取代汽油很难。
如图1与图2所示，为习知典型金属片燃料电池或颗粒燃料电池 串联组装后所会面临，如风流管理、热管理、金属澎涨、电解液溢
流泄漏的问题因而衍生众多专利，如美国专利申请号60/340,592、
60/380,048 、60/387,355 、60/285,850 、60/384,547 、60/384,550 、
60/391,860 、60/340,592 、60/389,821 、60/386,121 、60/326,432 、
60/346,128 、09/805,419 、09/621,836 、09/893,163 、60/288,675 、
60/292,237 、09/258,573 、09/584,875 、60/301,558 、60/312,659 、
09/695,698 、09/695,699 、60/290,945 、60/286,199 、09/594,649 、
09/414,874 、60/275,786 、09/695,697 、60/358,229 、60/274,337 、
09/827,982 、60/344,546 、60/324,867 、60/340,697 、60/298,537 、
60/295,634 、60/267,819 、60/286,198 、60/263,174 、60/270,952 、
60/267,933、60/261,126在这些都有提到上述的问题，在本发明中可
一并解决这些问题，相当实用化。

发明内容
本发明的目的即在于提供一种可有效解决燃料电池风流管理、热 管理、金属膨胀、电解液溢流与泄漏的粉末燃料电池。
本发明的另一 目的是在于提供一种可直接利用粉粒状燃料补充 进入燃料室，其粉粒状燃料混合电解液，接触电流收集器以提供电力， 其金属氧化物溶入电解液后，可以回收再生的粉末燃料电池系统。
本发明的另一目的是在于提供一种操作更简单，电池常温及大气 压即可运作，且高能量密度、高效率、低成本、耐长久性、方便性、 高环保及容易维护、电力转换储存且具移动性电源，永久性独立电源 的粉末燃料电池。
可达成上述发明目的的粉末燃料电池，包括有 电流收集器，由导电材料构成，供收集电子传导； 燃料室，提供粉粒状燃料储存空间，以进行电池氧化反应； 多孔性隔膜，其提供燃料经反应后的氧化物通过，并阻隔未经反
应的燃料，其开设有复数个孔洞，而氧化物则由此孔洞进行通过至后
述的电解液室；
电解液室，提供电解液储存空间得以传导离子，以及提供经反应 后氧化物收集空间；
气体扩散电极，其至少一侧面形成供氧化剂的进出催化，以取得 电子及离子传导。


图1为已知金属片燃料电池组装示意图2为已知颗粒燃料电池示意图3为本发明的粉末燃料电池其组合示意图4为本发明的粉末燃料电池储存粉粒状燃料与电解液的上视
图5为本发明粉末燃料电池的立体分解示意图； 图6为本发明粉末燃料电池另一侧面的立体分解示意图； 图7为该气体扩散电极以导电凸柱依间隔距离设置形成气体流 道的示意图8为气体扩散电极以凸柱与导电凸柱依间隔距离设置形成气体 流道的示意图9为本发明人工补充的粉末燃料电池的剖面组合示意图； 图10为本发明人工补充的粉末燃料电池另一实施例剖面组合示 意图ll为本发明人工补充的粉末燃料电池再一实施例剖面组合示 意图12为人工补充的粉末燃料电池其气体扩散电极另一侧面(反面) 的示意图13为人工补充的粉末燃料电池其多孔性隔膜另一侧面(反面) 的示意图14为人工补充的粉末燃料电池其排气组件的局部放大示意
图15为复数粉末燃料电池所构成的人工补充粉末燃料电池其剖 面示意图16为本发明又一种实施例的人工补充粉末燃料电池实施例示 意图17为本发明又一种实施例的应用于复数粉末燃料电池所构成
的其剖面示意图18为本发明又一实施例的粉末燃料电池其立体分解示意图； 图19为图18的粉末燃料电池其另一侧面(反面)的立体分解示意
图20为图18的该气体扩散电极以导电凸柱依间隔距离设置形成 气体流道的示意图21为图18的气体扩散电极以凸柱与导电凸柱依间隔距离设置 形成气体流道的示意图22为本发明粉末燃料电池其补充循环系统的示意图。
具体实施例方式
请参阅图3，本发明所提供的粉末燃料电池其组合上视图，主要 包括有该电流收集器l，由导电材料构成，供收集电子传导；该燃 料室2，提供粉粒状燃料A储存空间，以进行电池氧化反应；该多孔 性隔膜3，其提供粉粒状燃料A经反应后的氧化物B通过，并阻隔未 经反应的供粉粒状燃料A，其多孔性隔膜3设置有复数个孔洞，而氧 化物B则由此孔洞进行通过至后述的电解液室4;该电解液室4，提 供电解液C储存空间得以传导离子，以及提供经反应后氧化物B收 集空间；以及该气体扩散电极5，其至少一侧面形成供氧化剂的进出 催化，以取得电子及离子传导。
为更详尽说明本发明，请再参阅图4、图5与图6，该电流收集 器1可为板材，并由导电材料构成，供收集电子传导，该导电材料包 含铜、亚铁金属、不锈钢、镍、碳、电导性聚合物(导电橡胶)、电导 性材质、石墨、玻璃、金属，但不限于此；而熟习此项技艺者能决定 其它材料，均可被使用。
该燃料室2，提供粉粒状燃料A储存空间，以进行电池氧化反应， 该燃料室2为绝缘材料所成型第一框体，其顶端部分或一端面是被架 构成允许粉粒状燃料A通过，且在该燃料室2顶端或一端面至少开
设一开口21而相连，该燃料室2的第一框体，可硬件也为弹性体的 软性材料，可通过超音波熔接、雷射熔接、或经涂布粘着剂、或经压 縮成为密封第一框体，其能防止电解液C泄漏，此为可熟习此项技 艺者能明了技术，但并非用以限制。
该多孔性隔膜3，其形成有复数个孔洞，提供粉粒状燃料A经反 应后的氧化物B通过多孔性隔膜3，并阻隔未经反应的粉粒状燃料A， 该孔洞的孔径最好为3 200micron间，但并非用以限制，视粉粒状燃 料A大小而定(一般金属粉末体积为3 5micron以上)也可以经加工为 5micron以上，该粉粒状燃料A—但经过反应氧化后，其氧化物B的粉 末粒径为0.8micron以下，因此经电解液C流通或振动多孔性隔膜3时， 可使氧化物B通过孔洞，而粉粒状燃料A会被多孔性隔膜3阻止未通 过，因此能使新的粉粒状燃料A得以由燃料室2顶端开口21继续进行 补充放电，本发明无此上述缺点。其粉粒状燃料A的生成物为奈米级 氧化物B易溶于电解液C而通过多孔性隔膜3，随着电解液C抽出，然 后再补送新的粉粒状燃料A，不仅可以继续放电也无残留燃料，也不 会转换为氧化物B而体积膨胀，造成阳极与阴极间的间隙不平均而使 效率降低，或电解液C溢流与电池结构的损伤的问题发生；
其中，该多孔性隔膜3其可为编织网、冲孔网、拉伸网、多孔性 陶瓷单独构成，可涂布粘着剂披覆固定在塑类、矿物类、陶瓷的绝缘 硬件所成形的第一框架31上，或在模具内与第一框架31浇注成型，或 经压出/射出与第一框架31—体成型，此为可熟习此项技艺者能明了 技术，但并非用以限制；而本发明的多孔性隔膜3在大型化构件中亦 可再增加强度，其可采取二层不同孔洞材料，第一层为上述 3 200micron的孔洞，另一层为200micron以上的大孔洞，为熟习此项 技艺者能决定的孔洞尺寸，均可被使用，并非用以限制。
电解液室4，提供电解液C储存空间得以传导离子，以及提供经 反应后氧化物B收集空间，该电解液室4为一绝缘材料所成型第二 框体，该第二框体可硬件也为弹性体的软性材料，可通过超音波熔接、 雷射熔接、或经涂布粘着剂、或经压縮成为密封而成，其能防止电解液C泄漏，此为可熟习此项技艺者能明了技术，但并非用以限制；
其电解液室4顶端部分或一端面是被架构成允许水电解液C或
非水电解液通过，且在该电解液室4顶端或一端面至少开设一补充口 41而相连，而该电解液室4底端或一端面部分另被架构成允许电解 液C循环出口及氧化物B排出口的循环排出口 42。
该气体扩散电极5,是形成固定于第二框架51，具有气体入口 52及气体出口 53，且其至少一侧面形成供氧化剂进出催化的复数气 体流道54，使其气体流道54之间形成扩散区域，该气体流道54并 以预定的间隔距离设置或依固定间隔距离排列，而该气体流道54则 与该气体入口 52及该气体出口 53连接，其中该气体入口 52及该气 体出口 53以不相邻的两顶点对角线设置，使氧化剂从该气体入口 52 经由任一气体流道54至气体出口 53时，均能等距从气体入口 52流 动至气体出口 53，以使氧化剂均匀扩散面积，因流体的氧化剂于流 动时是走最近的路，故为使氧化剂扩散需做设计管理，进而使氧化剂 及气体扩散电极增加接触面积；
本发明气体扩散电极面对电解液面其操作上，扩散电极可使用任 何习知或未知气体扩散电极5，通常包含活性构件及碳基板与合适连 接电流收集器l，该气体扩散电极5亦可具双功能性，例如多孔性镍 极或石墨或在碳基板表面披覆一层多孔性镍孔基板，其能在放电与在 充电之间运转，基板典型的气体扩散电极5揭示在美国专利号 6，368,751中发表，名称燃料电池用的电化学电极，此为可熟习此 项技艺者能明了技术，但并非用以限制；
如图6所示，气体扩散电极5面对电解液C操作上不必披覆绝 缘隔膜56，为防止补充系统故障，防止氧化物B囤积于气体扩散电 极5而直接接触发生短路，亦能继续放电直到维修站，或成为不动态 因而降低效率，或小型3C电子产品或电动脚踏车，其设计不采用自 动循环补充系统，而采用人工进行补充，也需要披覆至少一层绝缘隔 膜56以防止短路，此绝缘隔膜56可为此为塑类、玻璃纤维类、矿物 类的织物、不织布、拉伸膜、固体电解质隔膜、固体离子隔膜、离子
隔膜、高分子隔膜均可使用，此为可熟习此项技艺者能明了技术，但 并非用以限制。
如图7与图8所示，为本发明次一实施例的示意图，其中该气体流
道54另可自由选择以凸柱55(或导电凸柱55")依间隔距离所设置形成 的气体流道54，该凸柱55(或导电凸柱55")可为单数可为复数，可以为 导电体或不导电体，但至少有一凸柱55为导电材料，以免去外部导线 连接，同时具有氧化剂风流管理的功能，其气体流道54被设计成等宽、 等深以及等距，使氧化剂更均匀分布在气体扩散电极5每一地方，以 提升气体扩散电极5使用效率。
本发明的气体扩散电极5构件更如图5与图6所示，其于气体入 口 52及该气体出口 53以不相邻的两顶点对角线设置，使氧化剂从该 气体入口 52经由任一气体流道54至气体出口 53时，均能等距(相等 的距离)从气体入口 52流动至气体出口 53，且该气体流道54的反面， 其另可披覆一层绝缘隔膜56以防止短路，此隔膜可为塑类、玻璃纤 维类、纸、织物、不织布，拉伸膜，此为熟习此项技艺者能明了技术， 但并非用以限制。
请再参阅图9至图10，为本发明另一种实施例的人工补充粉末 燃料电池实施例的示意图，主要包括有该电流收集器l;该燃料室 2，为固定于绝缘材料所成型的框体7，设有开口21;该多孔性隔膜 3;该电解液室4，为固定于绝缘材料所成型的框体7，设有补充口 4K排出口 43与排气组件44，该排气组件44其内贯穿有通气孔441， 而该通气孔441中更设置有通气滤网442，该通气滤网442为透气疏 水性但不透水的拉伸膜或奈米级不织布透气膜；以及该气体扩散电极
该人工补充粉末燃料电池，又如图11至图14所示，其与上述构 件的差异在于该气体扩散电极5形成于第二框架51上，其至少一侧 面形成供氧化剂进出催化的复数气体流道54，该侧面并于第二框架 51上构成气体入口 52及气体出口 53，而于气体流道54的反面披覆 有一层绝缘隔膜56。
请再参阅图15所示，其为复数粉末燃料电池所构成的人工补充 粉末燃料电池，如图所示该燃料电池的侧边可显现有气体入口 52或
气体出口 53，而且该粉末燃料电池的顶端可再加设置有燃料补充盒 8，该燃料补充盒8则设置有可活动掀开的上盖81、补充燃料区82 以及电解液溢流缓冲区83，该补充燃料区82是提供补充粉粒状燃料 A，或经由粉末燃料室2的开口 21，将粉粒状燃料A补充进入燃料 室2;该电解液溢流缓冲区83设置于电解液室4其上端，且在该电 解液室4顶端至少开设一补充口 41而相连于电解液溢流缓冲区83， 而电解液溢流缓冲区83则再设有排气组件44，或与该补充燃料区82 其间设有排气组件44，而该电解液室4底端部分则被架构成允许电 解液C及氧化物B排出的排出口 43;且该粉末燃料电池底部则可另 加设氧化物B与电解液C的收集盒9，该收集盒9可采用抽取式或活 动式的构造，方便氧化物B与电解液C回收用，而该粉粒状燃料A 与电解液C的补充，另可加设燃料感应侦测器606与该电解液感应 侦测器607判定。
请再参阅图16，为本发明又一种实施例的人工补充粉末燃料电 池实施例的示意图，主要包括有该电流收集器l;该燃料电解液室 2"，为供粉粒状燃料A与电解液C混合后的储存空间，其设有补充 口 21"、排出口 23"与排气组件44，该排气组件44其内贯穿有通气孔 441，而该通气孔441中更设置有通气滤网442，该通气滤网442为 透气疏水性，但不透水的拉伸膜或奈米级不织布透气膜；该气体扩散 电极5，是批覆一层绝缘隔膜56，以防短路；以及该框体7，其底部 披覆有一层多孔性隔膜71，该多孔性隔膜71可通过氧化物B以提供 至收集盒9储存氧化物B。请参阅图17所示，本粉末燃料电池也可 以设计与图15与图22的粉末燃料电池相同功效，于该粉末燃料电池 的顶端可加设有燃料补充盒8以及电解液溢流缓冲区83，而底部另 可加设收集盒9，以供粉粒状燃料A与氧化物B补充与回收。
如图18与图19所示，为本发明又一实施例的示意图，包括有电 流收集器l，；第一框体2'，设有气体入口21'、气体出口22';该气体
扩散电极3'，是形成固定于第一框架31'，设有气体流道34'，该气体 流道34'由气体入口32'、气体出口33'连接；该第二框体4'，设有补充 口41'及循环排出口42';该多孔性隔膜5'，是形成固定于第二框架51'; 该第三框体6，，设有开口61'。本发明利用电流收集器r、第一框体2，、 气体扩散电极3'、第二框体4，、多孔性隔膜5'、及第三框体6，组成一 个单元，如此可以串联组成数个单元形成所需的燃料电池。
本发明的电流收集器l'、第一框体2'、气体扩散电极3'、第二 框体4，、多孔性隔膜5，、第三框体6'及另一电流收集器l，依序组合 后，利用呈薄片状或扁平状的第一框体2，、第二框体4，、第三框体 6，可以使电流收集器l'、气体扩散电极3'、多孔性隔膜5'以及另一电 流收集器l，间形成一定的空间，分别作为气体流道34'、电解液室及 粉末燃料室；其电解液室的补充口4r，被架构成允许电解液C通过， 而该电解液室底端的循环排出口 42'，被架构成允许电解液C循环出 口及氧化物B排出口；而该粉末燃料室顶端所开设开口 61'，被架构 成允许粉粒状燃料A通过的补充流道。
另外，该电流收集器l'与气体扩散电极3'相对向的表面侧另设 有凸柱35'(或导电凸柱35")、该凸柱35'(或导电凸柱35")可以作紧密 接触于气体扩散电极3'后一体成型，或该凸柱35'可于电流收集器r 一体成型，以形成同一导体免去外部导线而直接连接阴极、阳极以形 成电路回路，而其二凸柱35'相间隔的空间形成气体流道34'，气体 流道34'并与气体入口 32'、气体出口 33'连接；该气体扩散电极3' 更如图18所示，以间隔距离设置气体流道34'，该气体流道34'并与 该气体入口 32'及该气体出口 33'连接；或如图19的次一实施例，于 该气体扩散电极3'其气体流道34'的反面，披覆有一层绝缘隔膜36' 以防止短路；或如图20与图21的另一实施例，该气体流道34'另可 自由选择以凸柱35'(或导电凸柱35")依间隔距离所设置形成的气体 流道34'，该凸柱35'(或导电凸柱35")可为单数可为复数，可以为导 电体或不导电体，但至少有一凸柱35'为导电材料。
气体扩散电极3'与多孔性隔膜5'利用第二框体4'于其间形成电 解液室，供电解液C储存及氧化物B收集，该第二框体4，设置的补
充口 41'可供置入电解液C，而循环排出口 42'作为电解液C循环出 口与氧化物B的排出口。
多孔性隔膜5'与另一电流收集器l，利用第三框体6，于其间形成 粉末燃料室，作为燃料储存空间，并利用第三框体6，的开口 61，，作 为粉粒状燃料A补充的入口。
该多孔性隔膜5'其能单独构成；或可将第二框架51'的隔膜52' 直接披覆在绝缘的第二框体4，上，或将隔膜52'在模具内浇注成型， 或将隔膜52'经压出/射出一体成型；或可披覆在绝缘的第二框体4' 上后，再与第三框体6，以压制、烧结或其它黏着剂黏结而成，此为可 熟习此项技艺者能明了技术，但并非用以限制。
如图22所示，为本发明粉末燃料电池其补充循环的示意图。本 发明的燃料电池，如上述金属空气燃料电池的起电公式，该金属粉末 燃料槽601内的粉粒状燃料A与电解液储存槽602内的电解液C可 由一混合器603控制分别以泵605经由混合管604补充进入粉末燃料 室2与电解液室4，而粉粒状燃料也可以选择使用螺旋管方式进料， 此为一般熟悉技术，为方便使用粉粒状燃料A输送及进料，粉粒状 燃料A可添加在去离子水(纯水)或非离子界面活性剂，如磷酸盐或聚 丙烯酸盐，以将粉粒状燃料A成为液态或胶态方式补充进料，此为 一般熟悉技术，其中粉粒状燃料A与电解液C的补充可由燃料感应 侦测器606与该电解液感应侦测器607判定。在电池运作期间，空气 由空气入口 608流经滤清器609，进入气体扩散电极5的气体流道54， 其中空气中的氧气会分解，同时阳极金属进行氧化，引起溶解反应， 成为电池反应，由气体流道54出来的空气则以鼓风机610，将空气 由空气出口 611抽出，溶解的氧化物B通过多孔性隔膜3的孔洞与电 解液C从电解液室4底端的循环排出口 42排出电池外，因而可连续 供给电流收集器1金属粉粒状燃料A，以达长时间放电。
本发明的粉末燃料电池在常温及大气压下即可运作，且其电流收 集器1与气体扩散电极5的凸柱55(或导电凸柱55")直接接触导电也
同时兼具散热，又因金属粉粒状燃料A很容易氧化。(因习用金属电 片空气电池，无法排出氧化物，容易在其表面形成氧化物薄膜，成为 不动态在大电流输出产生压降，影响放电效率)其粉粒状燃料A的生
成物又为奈米级氧化物B易溶于电解液C，随着电解液C抽出，粉 末燃料电池可再补送新的粉粒状燃料A，不仅可以连续放电，也无残 留未放电的粉粒状燃料A，其效率也高，每平方公分500mA以上， 也有1V的表现。
电解液电流效率为98%以上，总效率60%以上，同样的材质在 氢氧燃料电池每平方公分500mA只有0.4V的电压，原因是因为没有 氢电极反应的过电压损及离子隔膜(PEM)的阻抗(影响电流效率)因此
效率明显高出许多。高电压代表着电极数量可以减少，不仅可以节省 成本，其体积相对縮小。
一公升的汽油能源密度为33，000KJ焦耳，1KWH = 3600KJ = 9.16KW。
一公斤的金属储氢材料理论储存能量为320W，而一公斤的粉粒 状燃料A(如锌粉末)为820Ax 1.645V其能源密度是储氢材料4倍多； 而一公斤的锌粉末比重为7.14，因此一公升的锌粉能量密度为9.63 KW略高于汽油。
现有化学化合物液体燃料电池理论上饱和一公升的能源密度为 5.16 KWH，实际上充电时只能做到7成至8成的能量密度，放电时 会残留20%左右的能量，因而减低其能量密度。
而本发明的粉末燃料电池无此项缺点，如采用镁或锂金属粉末， 其能量密度更高于数倍，本发明的粉末燃料电池重量轻与汽车引擎整 体重量轻太多，其应用于电动车时，效率又高于汽车二倍至三倍，当 电动车于市区行驶时效率比汽车更高达四倍以上，如此可以减少车子 能源的使用量。
本发明的粉粒状燃料A(如锌粉末)其进一步包含一种选自铋、 钙、镁、铝、锂、铟、铅、汞、镓、锡、镉、锗、锑、硒、铊及包含 前述至少一种组成分的组合组成的组群的合金组成。
本发明燃料电池与汽油车加油一样可到补充站补充，用多少加多 少，补充速度快又方便。唯一生成物金属氧化物B可一并回收电解 再生(一般电池回收再生成本太高，因而不环保)，因此补充站实际上 仅收电费加上利润而非金属粉末。
因冷空气直接接触电流收集器l，可以直接散热。也可以引进增 湿空气加强散热及活化电极，当氧化物B与电解液C从电解液室4
底端的循环排出口 42以泵612排出电池外后，会再以过滤分离装置 614将电解液C与氧化物B分离，回收的氧化物B会存放置氧化物 回收槽615，而回收的电解液C会再循环至电解液储存槽602，而该 电池内或电解液储存槽602可加一温度感侧器616与一风扇(图中未 示)，其中该电解液C另可以经过冷却后再进入电池，可以将电池降 温，将视电池内温度而设定。
燃料补充时电解液C经混合管将金属粉粒状燃料A(或粉末燃料) 流进电池内进行补充燃料，设燃料感应侦测器606可以监视电池内燃 料使用情况，进行补充或停止。过量补充会引起短路，过低会影响输 出电力，电解液感应侦测器607需与燃料感应侦测器606有高度差， 可做点滴时间差来侦测电解液C循环时间，而不必一直循环抽送， 也可增设一电解器(图中未示)将氧化物B直接还原，因此粉末燃料电 池有汽油车的方便也有电池的方便，适合任何地方使用。加上操作简 单几乎不用任何保养及消耗品而浪费地球资源。
在电化学理论上充放电分开，可使用效率高的不同电极，电池的 其耐久性超强，效率超高。其环保性又优于任何电池。因金属粉末不 直接燃烧氧化，不会产生爆炸，适合长久储存，储存方式简单不用特 殊容器，更适合于运输、电力储存、电力转换安全上百分百。 以上论述中可得知，粉末燃料电池在商业化中对于能量密度、变换效 率、低成本、长周期生命、环境效应、安全性、方便性及保养等都拥 有每一项优点，实属高度的发明及进步性，也是人类可以替代石化燃 料的开始。
权利要求
1.一种粉末燃料电池，包括电流收集器(1)，由导电材料构成，供收集电子传导；燃料室(2)，提供粉粒状燃料(A)储存空间进行电池氧化反应；多孔性隔膜(3)，其提供粉粒状燃料(A)经反应后的氧化物(B)通过，并阻隔未经反应的粉粒状燃料(A)；电解液室(4)，提供电解液(C)储存空间得以传导离子，以及提供经反应后氧化物(B)收集空间；气体扩散电极(5)，将氧化剂催化，以取得电子及离子传导。
2. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述燃料室(2)为绝缘材料所成型第一框体，其顶端部分是被架构成允许粉粒状燃料(A)通过。
3. 按权利要求2所述的粉末燃料电池，其特征在于所述燃料室(2) 顶端至少开设一个开口(21)与燃料室(2)相连。
4. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述多孔性隔膜(3)其形成有复数个孔洞，该孔洞的孔径为3 200micron。
5. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述多孔性 隔膜(3)涂布披覆固定在绝缘硬件的第一框架(31)上。
6. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述电解液 室(勺为绝缘材料所成型第二框体。
7. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述电解液室(4)顶端部分是被架构成允许电解液(C)通过的补充口(41)，而 该电解液室(4)底端部分另被架构成允许电解液(C)循环出口及 氧化物(B)排出口的循环排出口(42)。
8. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述电解液 室(4)一端面是被架构成允许电解液(C)通过的补充口(41)，而该 电解液室(4)一端面另被架构成允许电解液(C)循环出口及氧化 物(B)排出口的循环排出口(42)。
9. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述电解液室(4)的一端面是被架构成允许电解液(C)通过的补充口(41)，而 该电解液室(4)底端部分被架构成允许电解液(C)及氧化物(B)排 出的排出口(43)。
10. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述气体扩 散电极(5)固定形成于第二框架(51)。
11. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述气体入口(52)及该气体出口(53)以不相邻的两顶点对角线设置，使氧化 剂从该气体入口(52)经由任一气体流道(54)至气体出口(53)时， 均能等距从气体入口(52)流动至气体出口(53)。
12. 按权利要求ll所述的粉末燃料电池，其特征在于所述气体流 道(54)以凸柱(55)依间隔距离设置形成。
13. 按权利要求ll所述的粉末燃料电池，其特征在于所述气体流 道(54)以导电凸柱(55")依间隔距离设置形成。
14. 按权利要求ll所述的粉末燃料电池，其特征在于所述该气体 流道(54)以凸柱(55)与导电凸柱(55")依间隔距离设置形成。
15. 按权利要求11所述的粉末燃料电池，其特征在于所述气体扩 散电极(5)其气体流道(54)的反面，其另可披覆绝缘隔膜(56)以防 止短路。
16. 按权利要求1所述的粉末燃料电池，其特征在于所述电流收 集器(1)还包括有凸柱(55)。
17. —种粉末燃料电池，包括电流收集器(r);第一框体(2');气体扩散电极(3')，是形成固定于第一框架(31')，设有气体流道， 该气体流道(34，)由气体入口(32')、气体出口(33')连接； 第二框体(4')，设有补充口(41')及循环排出口(42');多孔性隔膜(5')，是形成固定于第二框架(51');第三框体(6')，设有开口(61')。
18. 按权利要求17所述的粉末燃料电池，其特征在于所述第一框体(2')，设有气体入口(21')、气体出口(22')。
19. 按权利要求17所述的粉末燃料电池，其特征在于所述电流收 集器(1')与气体扩散电极(3')间形成一定的空间，以作为气体流 道(34')。
20. 按权利要求17所述的粉末燃料电池，其特征在于所述气体扩 散电极(3')与多孔性隔膜(5')间形成一定的空间，以作为电解液 室。
21. 按权利要求17所述的粉末燃料电池，其特征在于所述多孔性 隔膜(5')与电流收集器(1')间形成一定的空间，以作为粉末燃料 室。
22. 按权利要求17所述的粉末燃料电池，其特征在于所述多孔性 隔膜(5，)能与第二框体(4，)一体构成。
23. 按权利要求17所述的粉末燃料电池，其特征在于所述多孔性 隔膜能(5，)与第二框体(4')、第三框体(6，)一体构成。
24. —种粉末燃料电池，包括电流收集器(l)，由导电材料构成，供收集电子传导； 框体(7),其底部披覆有一层多孔性隔膜(71); 燃料电解液室(2")，是设置于框体(7)内，其设有补充口(21")与排 出口(23")，该燃料电解液室(2")为提供粉粒状燃料(A)与电解液 (C)储存空间，以进行电池氧化反应；以及 气体扩散电极(5)，是批覆一层绝缘隔膜(56)以防止短路，提供将 氧化剂催化，以取得电子及离子传导。
全文摘要
一种粉末燃料电池，至少包含电流收集器、燃料室、多孔性隔膜、电解液室及气体扩散电极；多孔性隔膜，提供燃料经反应后的氧化物从孔洞通过至电解液室，并阻隔未经反应的燃料，而该电解液室提供电解液储存空间得以传导离子，以及提供反应后氧化物收集空间，该气体扩散电极一侧面形成供氧化剂的进出催化，以取得电子及离子传导，凸柱连接电流收集器与气体扩散电极，免去外部导线而直接连接阴极、阳极以形成电路回路，以成为一种电力转换储存且具移动性电源。
文档编号H01M8/00GK101188299SQ200710109628
公开日2008年5月28日 申请日期2007年6月4日 优先权日2006年11月23日
发明者林益泉 申请人:林益泉