[实用新型]堆叠型燃料电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池，且特别是一种堆叠型燃料电池。

背景技术

随着工业的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高，由于天然能源的存量有限，因此必须研发新的替代能源以取代传统能源，而燃料电池便是一种重要且具实用价值的选择。

简单来说，燃料电池基本上是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由膜电极组(membrane electrode assembly，简称MEA)及二个电极板所构成。膜电极组通常是由质子传导膜(proton exchange membrane)、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。另外，二个电极板包括阳极与阴极，其分别配置于阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之上。

目前业界常见的质子交换膜燃料电池是直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液当作燃料供给来源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接甲醇燃料电池的反应式如下：

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极：3／2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

反应时，阳极的甲醇与水必须维持适当浓度，理论上是1摩尔：1摩尔，但因受限于膜电极组(MEA)无法阻挡如此高浓度的甲醇水溶液扩散(crossover)至阴极，因此在传统的燃料电池系统中，会使用冷凝器于阴极端收集阴极水，再将所收集到的阴极水送回阳极端的燃料混合槽，并且搭配燃料浓度检测器、燃料循环泵浦与高浓度甲醇补充泵浦等元件，将阳极端的甲醇水溶液控制在2～6％的浓度范围。此类型的燃料电池系统称为主动式回水的燃料电池系统。

近年来，已逐渐发展出被动式回水的燃料电池系统，主要是通过控制阴极湿度，营造阴、阳极水浓度梯度的差异，使阴极水经由膜电极组(MEA)渗回阳极再利用的方式，此技术已被证实为可行。在被动式回水的燃料电池系统中，阴极端不需要冷凝器等回收水元件，阳极端也不需燃料混合槽等复杂元件，仅需使用微量泵浦，适时适量的供应阳极端高浓度甲醇，以较简单的结构配置达成燃料电池系统稳定运作的目的。然而，被动式回水的燃料电池系统所需供应的阳极燃料浓度极高，一般均大于50％以上，而且提供至阳极的燃料并不循环再使用，因此燃料的供应流量很低，大约每平方公分的反应面积仅有0.5μL／min左右的流量，如此少量的燃料必须均匀的分布至所有反应面积，特别是在较大输出功率的多模块系统中更显得困难。另外，在被动式回水的燃料电池系统中，为了使阳极燃料分布均匀与阴极回水顺利，增设了许多层不同特性的材料，多层材料的组合使得被动式回水的燃料电池系统在增加发电模块时，组装过程过于繁琐，空间无法有效利用，也妨碍了被动式回水的燃料电池系统在较大输出功率方面的应用。

传统的燃料电池本体多采用双极板堆叠式设计，即流道板本身除了担任阴、阳极燃料的流道以外，尚担负导电串联的工作，这样的设计方式可以用极小的空间完成多片膜电极组(MEA)的组装。但是，在被动式回水的燃料电池系统里，设计有许多不导电的材料层，使膜电极组(MEA)无法在堆叠方向直接串联，并且在堆叠方向上的多个阳极燃料流道，还存在着极低流量的阳极液态燃料无法顺利分流的问题，因此被动式回水的燃料电池系统无法采用传统的双极板堆叠方式设计。

被动式回水的直接甲醇燃料电池结构多是以平面式排列多片膜电极组(MEA)的方式设计(如WO2008105272以及TW201228085所揭露的)，通过流道设计将阳极燃料均匀分布在反应平面，这样的做法仅解决了单一反应平面的燃料电池设计，对于较大输出功率需求的燃料电池系统而言，除了必须耗费更大空间来容纳多组单一反应平面的结构之外，如何将流量甚低的燃料均匀传送至多组阳极燃料流道中，仍未有所解决。

实用新型内容

本实用新型提供一种具有阳极共用流道板的堆叠型燃料电池。