專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于 一種電池系統(tǒng)，且特別是有關(guān)于 一種燃料電池系統(tǒng)(fUel cell system》背景技術(shù)請參考圖1，已知直接曱醇燃料電池系統(tǒng)(direct methanol Aid cell system) 100主要是由循環(huán)裝置(circulatory system" 10、直接曱醇燃料電池模 塊120、及甲醇供應(yīng)裝置(methanol supply device)130所構(gòu)成。直接曱醇燃料 電池模塊120包括膜電極組件(membrane electrode assembly, MEA)122、陽極 流道板(anode flow field plate) 124a、陰極流道板124b 、陽極導(dǎo)電板126a及陰 極導(dǎo)電板126b,其中膜電極組件122位于陽極流道板124a與陰極流道板124b 之間，陽極流道板124a位于陽極導(dǎo)電板126a與膜電極組件122之間，而陰 極流道板124b位于陰極導(dǎo)電板124a與膜電極組件122之間。膜電極組件122 包括由靠近陽極流道板124a的一側(cè)往靠近陰極流道板124b的一側(cè)依序排列 的陽極碳布122a、陽極催化劑層(anode catalyst layer)122b、質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane) 122c、陰極催化劑層122d及陰極碳布122e。陽極流道板 124a具有注入口 II與輸出口 01。循環(huán)裝置110適于將曱醇溶液經(jīng)由注入口 II注入至陽極流道板124a中，且曱醇溶液(methanol solution)會由陽^f及流道 板124a滲透陽極碳布122a而擴散至陽極催化劑層122b,并在陽極催化劑層 122b產(chǎn)生如下的陽極半反應(yīng)CH3OH + H20 — C02 + 6H+ + 6e_反應(yīng)后所剩余的甲醇溶液會經(jīng)由輸出口 Ol流入循環(huán)裝置110中。 陰極流道板124b亦具有注入口 12與輸出口 02。注入口 12適于讓氧氣 經(jīng)過并通入陰極流道板124b中。氧氣會由陰極流道板124b滲透陰極碳布 122e而擴散至陰極催化劑層122d，并在陰極催化劑層122d產(chǎn)生如下的陰極 半反應(yīng)<formula>formula see original document page 5</formula>其中，陽極半反應(yīng)所產(chǎn)生的電子會由陽極導(dǎo)電板126a傳遞至外界，并 傳回陰極導(dǎo)電板126b形成回路，以提供陰極半反應(yīng)所需的電子。氫離子則 受到電滲透力驅(qū)策，以一個氫離子伴隨數(shù)個水分子的方式，經(jīng)由質(zhì)子交換膜 122c輸送至陰極催化劑層122d，以提供陰極半反應(yīng)所需的氫離子。陽極半 反應(yīng)與陰極半反應(yīng)合起來的總反應(yīng)式為<formula>formula see original document page 5</formula>陰極半反應(yīng)所生成的水會經(jīng)由輸出口 02導(dǎo)入循環(huán)裝置110。陽極半反應(yīng)所剩余的曱醇溶液、陰極半反應(yīng)所生成的水及甲醇供應(yīng)裝置130所供應(yīng)的 曱醇會在循環(huán)裝置110中混合成曱醇溶液后，再經(jīng)由注入口 II注入陽極流道 板124a中。直接曱醇燃料電池系統(tǒng)100的電能輸出功率(output electrical power)與由 注入口 11注入陽極流道板124a中的曱醇溶液的溫度有關(guān)， 一般而言，此甲 醇溶液的溫度越高，電能輸出功率越大。陽極半反應(yīng)會產(chǎn)生熱能以使反應(yīng)后 所剩余的曱醇溶液的溫度升高。然而，所剩余的甲醇溶液在與陰極半反應(yīng)所 生成的水及曱醇供應(yīng)裝置130所供應(yīng)的曱醇混合成陽極半反應(yīng)所需的曱醇溶 液，并經(jīng)過整個循環(huán)裝置110的流體傳送路徑后，陽極半反應(yīng)所需的甲醇溶 液在導(dǎo)入陽極流道板124a時的溫度已大幅降低了。因此，已知直接曱醇燃 料電池系統(tǒng)IOO會因注入陽極流道板124a中的曱醇溶液的溫度太低，而導(dǎo) 致直接甲醇燃料電池系統(tǒng)100的電能輸出功率降低。為了增加注入陽極流道板124a中的曱醇溶液的溫度，有些已知直接曱 醇燃料電池通過電熱絲或電熱器來提升曱醇溶液的溫度。然而，電熱絲或電 熱器會耗費額外的電能，同樣會造成直接甲醇燃料電池的電能輸出功率下 降。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一目的，在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，其具有較高的電能輸出 功率。本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點可以從本發(fā)明所披露的技術(shù)特征中得到進一為達上述的一個或部分或全部目的或是其他目的，本發(fā)明提出一種燃料 電池系統(tǒng)，其包括循環(huán)裝置及燃料電池模塊。燃料電池模塊包括膜電極組件、陽極流道板及熱交換模塊(heat exchange module)。陽極流道板配置于膜電極 組件的一側(cè)，且陽極流道板具有注入口與輸出口 。熱交換模塊包括流體傳輸 裝置(fluid transporting unit)及熱交換單元(heat exchange unit)。至少部分熱交 換單元是設(shè)置于流體傳輸裝置內(nèi)，以于流體傳輸裝置內(nèi)隔離出第一流道與第 二流道。第一流道與循環(huán)裝置及注入口相通，第二流道與循環(huán)裝置及輸出口 相通。循環(huán)裝置適于透過第一'流道將反應(yīng)液體(reaction solution)通入陽極流 道板中，而反應(yīng)剩余液體(reaction surplus fluid)是經(jīng)由第二流道流入循環(huán)裝置 中。由于本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)利用熱交換模塊來使由輸出口輸出的溫度 較高的反應(yīng)剩余液體將其熱量經(jīng)由熱交換單元傳遞給溫度較低的反應(yīng)液體， 因此反應(yīng)液體在流經(jīng)熱交換模塊后其溫度可以被提升。如此，從熱交換模塊 經(jīng)由注入口注入陽極流道板中的反應(yīng)液體的溫度便可以較高，進而提升本發(fā) 明的燃料電池系統(tǒng)的電能輸出功率。為讓本發(fā)明之上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例，并 配合所附圖示，作詳細說明如下。


圖為已知一種直接曱醇燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 A為本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2B為圖2A中所繪示的熱交換模塊的細部結(jié)構(gòu)示意圖。圖2C為圖2B所繪示的熱交換模塊沿剖面線A-A的剖面圖。圖3繪示本發(fā)明另一實施例中第一流道與第二流道的配置方式。圖4繪示圖2C中所繪示的熱交換單元的一種變化形態(tài)。圖5A為本發(fā)明又一實施例的燃料電池系統(tǒng)中的熱交換模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5B為圖5A中所繪示的熱交換模塊沿剖面線B-B的剖面圖。 圖6繪示圖5B中所繪示的熱交換單元的一種變化形態(tài)。 圖7繪示液體混合單元與流體傳輸裝置整合為一體。附圖標記說明100:直接曱醇燃料電池系統(tǒng) 120:直接曱醇燃料電池模塊 122a:陽極碳布 122c:質(zhì)子交換膜 122d、 222d:陰極催化劑層 124a、 224a:陽才及流道4反 126a、 228a:陽極導(dǎo)電板 130:曱醇供應(yīng)裝置212、 212，液體混合單元212b:反應(yīng)剩余液體回收槽214:泵浦222:膜電極組件222c:電解質(zhì)層226、 226，熱交換模塊226a":透氣不透液膜230:燃料供應(yīng)裝置F2:第二流道14:第一注入口16:第三注入口04:第一輸出口110、 210:循環(huán)裝置122:膜電極組件122b、 222b:陽極催化劑層122e:陰極碳布124b、 224b:陰極流道板126b、 228b:陰極導(dǎo)電板200:燃料電池系統(tǒng)212a:反應(yīng)生成液體收集槽212c:溶液混合槽220:燃料電池模塊222a:陽極擴散層222e:陰極擴散層226a、 226a，、 226c:流體傳輸裝置226b、 226b，、 226d、 226d，熱交換單元Fl:第一流道II、 12、 13:注入口15:第二注入口01、 02、 03:輸出口具體實施方式
請參照圖2A至圖2C,本實施例的燃料電池系統(tǒng)200包括循環(huán)裝置210 及燃料電池模塊220。燃料電池模塊220包括膜電極組件222、陽極流道板 224a及熱交換模塊226。陽極流道板224a配置于膜電極組件222的一側(cè)， 且陽極流道板224a具有注入口 13與輸出口 03。熱交換才莫塊226包括流體傳 輸裝置226a及熱交換單元226b。至少部分熱交換單元226b是設(shè)置于流體傳 輸裝置226a內(nèi)，以于流體傳輸裝置226a內(nèi)隔離出第一流道Fl與第二流道 F2。在本實施例中，膜電極組件222可包括依序排列的陽極擴散層222a、陽 極催化劑層222b、電解質(zhì)層(electrolyte layer) 222c、陰極催化劑層222d、陰 極擴散層222e，而陽極擴散層222a配置于陽極流道板224a與陽極催化劑層 222b之間。其中，陽極擴散層222a與陰極擴散層222e例如為碳布或其他具 有擴散功能的膜層，陽極催化劑層222b與陰極催化劑層222d的材料可包括 鉑(platinum)或其他種類的催化劑，而電解質(zhì)層222c例如為質(zhì)子交換膜。此 外，燃料電池才莫塊220可還包括陰極流道板224b、陽極導(dǎo)電板228a及陰極 導(dǎo)電板228b。陰極擴散層222e位于陰極催化劑層222d與陰極流道板224b 之間，而陰極流道板224b位于陰極擴散層222e與陰極導(dǎo)電板228b之間。 陽極流道板224a則位于陽極導(dǎo)電板228a與陽極擴散層222a之間。然而， 本發(fā)明并不限定陽極導(dǎo)電板228a與陰極導(dǎo)電板228b是位于燃料電池模塊 220的最外面兩側(cè)。在其他實施例中，陽極導(dǎo)電板228a亦可以是位于陽極流 道板224a與陽極擴散層222a之間，而陰極導(dǎo)電板228b亦可以是位于陰極 流道板224b與陰極擴散層222e之間。在本實施例中，熱交換單元226b可為熱交換管，其穿過流體傳輸裝置 226a,且熱交換單元226b的熱導(dǎo)率大于流體傳輸裝置226a的熱導(dǎo)率，且熱 交換單元226b可為高導(dǎo)熱率且耐腐蝕的材料，例如銅及鋁。此外，在本實 施例中，第一流道F1與第二流道F2可分別位于熱交換單元226b的內(nèi)側(cè)與 外側(cè)，且第一流道Fl與循環(huán)裝置210及注入口 13相通，而第二流道F2與 循環(huán)裝置210及輸出口 03相通。然而，在另一實施例中，如圖3所繪示， 與注入口 13相通的第一流道F1及與輸出口 03相通的第二流道F2亦可分別 位于熱交換單元226b的外側(cè)與內(nèi)側(cè)。請再參照圖2A至圖2C，在本實施例 中，循環(huán)裝置210適于透過第一流道Fl將反應(yīng)液體通入陽極流道板224a中， 而陽極流道板224a中的反應(yīng)剩余液體是依序經(jīng)由輸出口 03與第二流道F2 而流入循環(huán)裝置210中。燃料電池系統(tǒng)200可還包括燃料供應(yīng)裝置230,且循環(huán)裝置210可具有 液體混合單元212。液體混合單元212用以收集來自第二流道F2的反應(yīng)剩 余液體以及來自陰極流道板224b的反應(yīng)生成液體。燃料供應(yīng)裝置230適于 將一燃料通入液體混合單元212,以與反應(yīng)剩余液體及反應(yīng)生成液體混合成 反應(yīng)液體，并可通過泵浦(pump)214將混合成的反應(yīng)液體打入第一流道Fl 中，進而使反應(yīng)液體流入陽極流道板224a中。在本實施例中，液體混合單元212可包括反應(yīng)生成液收集槽212a、反應(yīng) 剩余液體回收槽212b及溶液混合槽212c。其中，反應(yīng)生成液收集槽212a與 陰極流道板224b相通，反應(yīng)剩余液體回收槽212b與反應(yīng)生成液收集槽212a 及第二流道F2相通，而溶液混合槽212c與反應(yīng)剩余液體回收槽212b、燃料 供應(yīng)裝置230及第一流道F1相通。反應(yīng)生成液收集槽212a用以收集來自陰極流道板224b的反應(yīng)生成液。 隨后，反應(yīng)生成液會被導(dǎo)入反應(yīng)剩余液體回收槽212b中，以與來自第二流 道F2的反應(yīng)剩余液體混合，接著，再一起流入溶液混合槽212c中，與來自 燃料供應(yīng)裝置230的燃料混合成適當濃度的反應(yīng)液體。之后，再通過泵浦214 將混合成的反應(yīng)液體打入第一流道Fl中。液，以下舉曱醇溶液為例。在此實施例中，通入陰極流道板224b以參與陰 極半反應(yīng)的反應(yīng)氣體為氧氣，反應(yīng)生成液為水，而燃料可為純曱醇。由于陽極半反應(yīng)會產(chǎn)生熱量，所以反應(yīng)剩余液體的溫度會比反應(yīng)液體的 溫度高，本實施例即利用反應(yīng)剩余液體的溫度來提高反應(yīng)液體的溫度，以下 將詳述之。反應(yīng)剩余液體從輸出口 03流入第二流道F2時，由于反應(yīng)剩余液體的溫 度較高，因此其熱量會經(jīng)由熱交換單元226b傳遞至位于第一流道Fl中溫度 較低的反應(yīng)液體，以使其溫度升高。此外，由于反應(yīng)剩余液體在第二流道 F2流動的過程中會逐漸將熱量傳遞給位于第一流道F1中的反應(yīng)液體，因此 第二流道F2中的反應(yīng)剩余液體的溫度會從靠近陽極流道板224a的一側(cè)往靠 近循環(huán)裝置210的一側(cè)遞減，而第一流道Fl中的反應(yīng)液體的溫度會從靠近 循環(huán)裝置210的一側(cè)往靠近陽極流道板224a的一側(cè)遞增。如此一來，經(jīng)由 注入口 13注入陽極流道板224a中的反應(yīng)液體的溫度便可以較高，進而提升 本實施例的燃料電池系統(tǒng)200的電能輸出功率。另外，由于本實施例利用熱交換模塊226來提升注入陽極流道板224a 中的反應(yīng)液體的溫度的方式，并不會像已知技術(shù)采用電熱絲或電熱器那樣需 消耗額外的電能，因此本實施例的燃料電池系統(tǒng)200的電能輸出功率確實可 被有效地提升。為了提升反應(yīng)剩余液體與反應(yīng)液體的熱交換速率，熱交換單元226b，(如 圖4所示)可為管壁有至少一皺褶的熱交換管，以提高熱交換單元226b，與反應(yīng)剩余液體及反應(yīng)液體的接觸面積。請參照圖5A與圖5B，本實施例的燃料電池系統(tǒng)與上述實施例的燃料電 池系統(tǒng)200(請參照圖2A)的差異處僅在于熱交換模塊。在本實施例中，熱交 換模塊226，的熱交換單元226d為熱交換片，其設(shè)置于流體傳輸裝置226c內(nèi)。 其中，第一流道F1位于熱交換單元226d的一側(cè)，而第二流道F2位于熱交 換單元226d的另一側(cè)。此外，熱交換單元226d，(如圖6所繪示)亦可為有至 少一皺褶的熱交換片，以提升反應(yīng)剩余液體與反應(yīng)液體的熱交換速率。在上述實施例中，請參照圖2A與圖2B,液體混合單元212與熱交換模 塊226的流體傳輸裝置226a之間是透過管線來連接。然而，在本發(fā)明再一 實施例中，請參照圖7,液體混合單元212，與流體傳輸裝置226a，整合為一 體的液體混合槽。液體混合槽具有第一注入口 14,第二注入口 15、第三注入 口 16及第一輸出口 04,第一注入口 14連接于輸出口 03以收集陽極流道板 224a中的反應(yīng)剩余液體，第二注入口 15用以收集來自陰極流道板224b的反 應(yīng)生成液體，第三注入口 16用以收集由燃料供應(yīng)裝置230通入的燃料，第 一輸出口 04與第一流道F1相通。此外，反應(yīng)液體在經(jīng)過陽極半反應(yīng)后，會 產(chǎn)生反應(yīng)生成氣體。舉例而言，當反應(yīng)液體為曱醇溶液時，反應(yīng)生成氣體即 為二氧化碳。反應(yīng)生成氣體會伴隨反應(yīng)剩余液體經(jīng)由輸出口 03流入第二流 道F2中。由于氣體的熱傳導(dǎo)能力較差，因此反應(yīng)生成氣體會阻礙反應(yīng)剩余 液體將其熱量經(jīng)由熱交換單元226b傳遞給反應(yīng)液體的過程。為了改善此一 缺點，本實施例的流體傳輸裝置226a，的頂部可為透氣不透液膜226a",以讓 反應(yīng)生成氣體通過而排出流體傳輸裝置226a，外。綜上所述，由于本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)利用熱交換模塊來使由輸出口輸 出的溫度較高的反應(yīng)剩余液體將其熱量經(jīng)由熱交換單元傳遞給溫度較低的 反應(yīng)液體，因此反應(yīng)液體在流經(jīng)熱交換模塊后其溫度可以被提升。如此，從 熱交換模塊經(jīng)由注入口注入陽極流道板中的反應(yīng)液體的溫度便可以較高，進 而提升本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的電能輸出功率。另外，由于本發(fā)明利用熱交 換模塊來提升注入陽極流道板中的反應(yīng)液體的溫度的方式，并不會像已知技 術(shù)采用電熱絲或電熱器那樣需消耗額外的電能，因此本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng) 的電能輸出功率確實可被有效地提升。雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求所界定者為準，另外 本發(fā)明的任一實施例或權(quán)利要求的技術(shù)方案不須達成本發(fā)明所披露的全部 目的或優(yōu)點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用， 并非用來限制本發(fā)明的權(quán)利范圍。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括循環(huán)裝置；以及燃料電池模塊，包括膜電極組件；陽極流道板，配置于該膜電極組件的一側(cè)，該陽極流道板具有注入口與輸出口；以及熱交換模塊，包括流體傳輸裝置；以及熱交換單元，至少部分該熱交換單元是設(shè)置于該流體傳輸裝置內(nèi)，以于該流體傳輸裝置內(nèi)隔離出第一流道與第二流道，其中該第一流道與該循環(huán)裝置及該注入口相通，該第二流道與該循環(huán)裝置及該輸出口相通，且該循環(huán)裝置適于透過該第一流道將一反應(yīng)液體由該注入口通入該陽極流道板中，而反應(yīng)剩余液體是由該輸出口經(jīng)由該第二流道流入該循環(huán)裝置中。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該熱交換單元為熱交換管， 穿過該流體傳輸裝置，且該第一流道位于該熱交換單元內(nèi)側(cè)，該第二流道位 于該熱交換單元外側(cè)。
3、 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該熱交換管的管壁有至少 一皺褶。
4、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該熱交換單元為熱交換管， 穿過該流體傳輸裝置，且該第二流道位于該熱交換單元內(nèi)側(cè)，該第一流道位 于該熱交換單元外側(cè)。
5、 如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該熱交換管的管壁有至少 一坡褶。
6、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括燃料供應(yīng)裝置，且該循 環(huán)裝置具有液體混合單元，用以收集反應(yīng)剩余液體及反應(yīng)生成液體，其中該 燃料供應(yīng)裝置適于將燃料通入該液體混合單元，以與該反應(yīng)剩余液體及該反 應(yīng)生成液體混合成該反應(yīng)液體。
7、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該熱交換單元為熱交換片， 設(shè)置于該流體傳輸裝置內(nèi)，且該第一流道位于該熱交換單元的一側(cè)，該第二流道位于該熱交換單元的另 一側(cè)。
8、 如權(quán)利要求7所迷的燃料電池系統(tǒng)，其中該熱交換片有至少一皺褶。
9、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括燃料供應(yīng)裝置及液體混合單元，且該液體混合單元與該流體傳輸裝置整合為一體的液體混合槽，該 液體混合槽用以收集反應(yīng)剩余液體及反應(yīng)生成液體，其中該燃料供應(yīng)裝置適 于將燃料通入該液體混合槽，以與該反應(yīng)剩余液體及該反應(yīng)生成液體混合成該反應(yīng)液體。
10、 如權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該液體混合槽具有第一注 入口、第二注入口、第三注入口及第一輸出口，該第一注入口連接于該陽極 流道板的該輸出口以收集該反應(yīng)剩余液體，該第二注入口用以收集該反應(yīng)生 成液體，該第三注入口用以收集該燃料，第一輸出口與該第一流道相通。
11、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該流體傳輸裝置的頂部為 透氣不透液膜。
12、 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該熱交換單元的熱導(dǎo)率大 于該流體傳輸裝置的熱導(dǎo)率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括循環(huán)裝置及燃料電池模塊。燃料電池模塊包括膜電極組件、陽極流道板及熱交換模塊。陽極流道板配置于膜電極組件的一側(cè)，且陽極流道板具有注入口與輸出口。熱交換模塊包括流體傳輸裝置及熱交換單元。至少部分熱交換單元是設(shè)置于流體傳輸裝置內(nèi)，以在流體傳輸裝置內(nèi)隔離出第一流道與第二流道。第一流道與循環(huán)裝置及注入口相通，第二流道與循環(huán)裝置及輸出口相通。循環(huán)裝置適于透過第一流道將一反應(yīng)液體通入陽極流道板中，而反應(yīng)剩余液體是經(jīng)由第二流道流入循環(huán)裝置中。此燃料電池系統(tǒng)具有較高電能輸出功率。
文檔編號H01M8/10GK101281979SQ20071009205
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者李璟柏, 正 王, 許年輝, 黃金樹 申請人:中強光電股份有限公司