TW201440306A - 燃料電池及操作方法 - Google Patents

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Abstract

一種液體電解質燃料電池，其具有手段(202)以界定一電解質室(208)，並包括兩個電極(10)，其中一陽極(10a)位於該電解質室(208)之一側上，一陰極(10b)位於另一側上。該陽極(10a)包括：一金屬薄板(11)，通過此金屬薄板(11)界定複數個貫通孔(14)；及一氣體可滲透層(16)，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板(11)並與之電接觸，且為疏水性；以及一第二流體可滲透層(18)，其包括纖維及/或微粒導電材料和催化材料，其係接合至該氣體可滲透層(16)的外部表面，且比該第一氣體可滲透層(16)更不具疏水性。該燃料電池(200)亦包括手段(26、50、44)，以調整該電解質室(208)內之電解質(20)與一暴露至遠離該電解質室(208)之該陽極(10a)表面的氣體之間的壓力差，以使該電極(10)與該氣體之間的界面係處於該第二流體可滲透層(18)內之一中間位置。已發現將該陽極氣體壓力升高至高於該電解質壓力改善該電池的長期性能。

Description

燃料電池及操作方法
本發明係關於液體電解質燃料電池，較佳但非專有的是鹼性燃料電池，且係關於這類燃料電池之一操作方法。
燃料電池已經認定為相對清潔且有效的電力來源。鹼性燃料電池特別受到關注，因為其操作於相對低的溫度之下，且為有效並具機械及電化學耐久性。酸性燃料電池及利用其他液體電解質的燃料電池亦受到關注。這類燃料電池典型包括一電解質室，其係與一燃料氣體室(含有燃料氣體，典型為氫)及另一氣體室(含有氧化劑氣體，通常是空氣)分開。該電解質室係使用電極與該氣體室分開。用於鹼性燃料電池之典型電極包括一導電金屬篩網，典型為鎳，其提供機械強度給電極。在該金屬篩網上沈積一作為微粒聚四氟乙烯(PTFE)之漿料或分散物的催化劑、活性碳及一催化劑金屬(典型為鉑)。這類電極昂貴、無電效率，並可遭受催化劑的不規則分布。WO2012/104599(AFC Energy plc)敘述一電極，其包括一穿孔金屬薄板及一氣體可滲透層，該氣體可滲透層 具有接合至該金屬薄板上之纖維或微粒導電材料，並在其外部表面處設有一催化材料。
在燃料為氫的燃料電池中，於氫電極(陽極)處形成水，而水在氧電極(陰極)處起反應。淨效果為水的產生。一些水在電極之一或其他電極處蒸發，而一些水與水性電解質結合。確保水的平衡對令人滿意的燃料電池操作來說是重要的。
本發因應或減輕先前技術的一或多個問題。
因此，本發明提供一液體電解質燃料電池，其具有手段，以界定一電解質室，並包括兩個電極，在該電解質室的任一側上均有一個電極，一個電極為一陽極，且另一個電極為一陰極，該陽極包括：一金屬薄板，通過該金屬薄板界定有複數個貫通孔；及至少一個流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，且至少部分為疏水性，且亦包括催化材料且其中該燃料電池亦包括：手段，其調整該電解質室內之一液體與暴露至遠離該電解質室的該陽極表面之一氣體間的壓力差，以使該液體及該氣體間之一介面係處於該流體可滲透層內之一中間位置，其中該催化材料存在。
在一第二實施態樣中，本發明提供一操作液體電解質燃料電池的方法，該液體電解質燃料電池具有 手段，以界定一電解質室，並包括兩個電極，在該電解質室的任一側上均有一個電極，一個電極為一陽極，且另一個電極為一陰極，該陽極包括：一金屬薄板，通過該金屬薄板界定有複數個貫通孔；及至少一個流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，且至少部分為疏水性，且亦包括催化材料，其中該方法包含調整該電解質室內之一液體與暴露至遠離該電解質室的該陽極表面之一氣體間的壓力差，以使該液體及該氣體間之一介面係處於該流體可滲透層內之一中間位置，其中該催化材料存在。
在本發明的兩個實施態樣中，該電池可包括一第一流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，並為疏水性；及一第二流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料與催化材料，其比該第一流體可滲透層更不具疏水性。
該第二流體可滲透層可在該金屬薄板之與該第一流體可滲透層相對的一面接合至該金屬薄板；或替代地，該第二流體可滲透層可接合至該第一流體可滲透層的外部表面。
該陰極可具有與該陽極相同的結構，雖然該催化材料可不相同。當了解「陽極」一詞指的是發生電化學氧化的電極，且為該燃料電池的負電極；「陰極」 一詞指的是發生電化學還原的電極，且為該燃料電池的正電極。
該電池亦可包括手段，以調整該電解質室內之一液體與暴露至遠離該電解質室之該陰極表面之一氣體間的壓力差。若該陰極室內的壓力小於該陽極室內的壓力，吾人發現此藉由改善水平衡來改善電池性能。
該第二流體可滲透層可具有至少50μm的厚度，而該第一流體可滲透層亦可具有至少50μm的厚度。該第二流體可滲透層可具有介於100μm與500μm之間的厚度，而該第一流體可滲透層可具有介於100μm與500μm之間的厚度。
該介面係處於一中間位置，且較佳的是遠離該第二流體可滲透層的任一表面至少10μm。
由於該介面係處於一中間位置，水蒸氣傾向於更佳地在該第二流體可滲透層內冷凝，並擴散回到該電解質中，而非擴散通過該第一流體可滲透層，因為該第二流體可滲透層較不具疏水性。
該第二流體可滲透層可藉由包含比該第一流體可滲透層內更小比例之一疏水性聚合物來使之較不具疏水性。舉例來說，該第一流體可滲透層可包括佔該層的重量百分比之介於40%與80%(例如，55%或60%)之例如PTFE、PVdF或聚烯烴的疏水性聚合物，而該第二流體可滲透層可含有較小比例，例如，介於該第一流體可滲透層內之百分比的5%與70%之間。
該電極係經過配置，以致該第二流體可滲透 層面對該電解質室。
在另一變形中，該電極可包括一第三流體可滲透層，其係親水性，並接合至該第二流體可滲透層的外部表面。該第三流體可滲透層可具有碳紙或薄碳氈，其係多孔親水性材料，且典型具有至少75%的多孔性。一替代例為一多孔親水性聚合物薄膜，例如，非織物聚合物薄膜。對該第三流體可滲透層導電不具有任何需求。提供該第三流體可滲透層在生產期間具有優點，因其防止來自該含催化劑的層之材料黏附至沖壓設備；且在使用期間具有優點，因其穩定該含催化劑的層之外部表面，改善該電極的壽命。
該電極中的該催化材料致能該電化學反應在氣相及液相之間發生。在一些情況下，該第二流體可滲透層的材料可針對此目的而具足夠的催化性，但更常是該第二流體可滲透層亦包含一單獨的催化材料。該電極至少部分地為氣體可滲透，以便在該氣體/液體介面與該催化材料接觸的情況下，致能該液體電解質、該催化材料及該氣相之間的緊密接觸。
該等貫通孔可藉由經蝕刻或鑽孔的孔來界定，以便存在有分離的孔。一適當結構係藉由雷射鑽孔來形成。該等孔亦可藉由化學蝕刻製程來形成。該金屬薄板的厚度可介於0.1mm與3mm之間，更佳的是介於0.15mm與0.5mm之間，例如，0.3mm(300μm)或0.2mm(200μm)；且該等孔可具有介於5μm與2mm之間，例如若藉由雷射鑽孔形成則典型約20μm或50μm，或 者若藉由化學蝕刻形成則約150μm或300μm的寬度或直徑，並隔開介於50μm與10mm之間的距離。作為一替代例，可支撐在一聚合物基板上之例如一具有小於20μm或小於5μm之厚度的薄膜之一更薄的金屬層可藉由雷射削磨或藉由化學蝕刻的任一個來穿孔；之後藉由電鍍將金屬沈積至該穿孔金屬薄膜上，以便達成所需的金屬厚度。在一些情況下，該孔的直徑通過該薄板的厚度逐漸縮小，因此該等孔稍微變細，而在其他情況下，該等孔從兩個表面逐漸變細並具有縱向彎曲的壁，因此最小直徑係接近該金屬薄板的中心平面，而在尚有其他情況下，該等孔具有本質上均勻的直徑。在橫剖面中，該等孔可例如為圓形、卵形或橢圓形。亦可使用稍微較大的孔，例如，高達2mm或3mm的跨度，且其可為圓形、卵形或狹縫形。
與一金屬篩網相比，當了解本發明的金屬薄板提供更佳的導電性，因為不牽涉到金屬線對金屬線的接觸；其亦提供更均勻的電流分布；且結構更具硬性，因為沒有可相對彼此移動的跨接金屬線。該等孔的大小及間距亦經過選擇，以確保該反應物物種(氣體)往返該氣體可滲透層且因此是該介面之令人滿意的擴散。較佳地，該等孔具有介於30μm與300μm之間的平均直徑，例如，50μm或200μm，且處於至少150μm的中心間距。無論如何，該等孔可佔據該金屬薄板之小於50%的面積，較佳的是小於25%，且可選擇地小於10%；實際上，該比例可小於1%。
該第一及第二流體可滲透層可包括奈米碳管、碳黑及例如PTFE的疏水性黏合劑。其他適當形式的碳為石墨、石墨烯及活性炭；且可能有巴克球(buckball)及奈米角(nanohorn)。這些類型的碳提供良好的導電性，而該疏水性黏合劑抑制水性電解質直接通過該流體可滲透層。該流體可滲透層可包括其他導電微粒材料，例如，鎳鬚晶。
在該燃料電池中，該電極可藉由墊圈來對鄰接的結構部件(例如，界定該電解質室的框)密封。該流體可滲透層的邊緣亦可由該墊圈覆蓋。該墊圈可為階梯形，以封閉該流體可滲透層的邊緣區域。無論如何，除了該流體可滲透層係接合在該金屬薄板上之外，該流體可滲透層的邊緣區域係需要例如藉由一密封件或墊圈來支承在該金屬薄板上。
該金屬薄板的金屬可為鎳或可為不鏽鋼；亦可使用其他不會顯著受到該電解質影響的金屬。在一些情況下，其可較佳地使用例如銀、金或鈦的金屬，以形成該薄板或在該薄板上提供一塗層。若金屬為含有鉻及錳兩者的鋼，鋼的熱處理可在表面上產生鉻錳氧化物尖晶石塗層，其本身導電並保護下方金屬。類似的保護塗層可形成在其他金屬的電極上，或可使用已知的沈積技術(例如，電沈積)形成。在表面上提供保護塗層可增強該金屬薄板的化學耐受性；在不存在這類保護層之處，該金屬薄板的耐受性將降低。較佳的材料為鎳，因為在與例如氫氧化鉀溶液之鹼性電解質接觸時，此係為抗腐 蝕的。
該流體可滲透層可藉由聚合物或藉由陶瓷(例如，非晶陶瓷)來接合至該金屬薄板。
一燃料電池系統典型將包括多個這類燃料電池，該等係配置為一燃料電池堆疊，以提供較大的輸出電壓。
在另一實施態樣中，本發明提供一液體電解質燃料電池，其具有手段，以界定一電解質室，並包括兩個電極，在該電解質室的任一側上均有一個電極，每一電極包括：一金屬薄板，通過該金屬薄板界定有複數個貫通孔；一第一流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，並為疏水性；一第二流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料及催化材料，其係接合至該第一流體可滲透層的外部表面，且其為疏水性；及一第三流體可滲透層，其係親水性，且其係接合至該第二流體可滲透層的外部表面。
10‧‧‧電極
10a‧‧‧陽極
10b‧‧‧陰極
11‧‧‧金屬薄板
12‧‧‧中心區域
14‧‧‧貫通孔
15‧‧‧邊界
16‧‧‧氣體可滲透層
18‧‧‧含催化劑的層
20‧‧‧電解質
22‧‧‧氫儲存筒
24‧‧‧調節器
26‧‧‧控制閥
28‧‧‧第一氣體出口導管
30‧‧‧鼓風機
32‧‧‧洗氣器
34‧‧‧濾器
35‧‧‧控制閥
36‧‧‧導管
37‧‧‧增濕室
38‧‧‧第二氣體出口導管
39‧‧‧冷凝器
40‧‧‧電解質貯槽
41‧‧‧排氣孔
42‧‧‧泵
44‧‧‧上水箱
45‧‧‧排氣孔
46‧‧‧溢流管
47‧‧‧導管
48‧‧‧返回導管
49‧‧‧熱交換器
50‧‧‧壓力感測器
52‧‧‧壓力感測器
100‧‧‧燃料電池系統
200‧‧‧燃料電池堆疊
202‧‧‧塑膠板
204‧‧‧框
205‧‧‧上升部分
206‧‧‧雙極板
207‧‧‧氣體室
208‧‧‧電解質室
209‧‧‧氣體室
210‧‧‧框
211‧‧‧淺凹槽
215‧‧‧密封劑
216‧‧‧孔洞
218‧‧‧孔洞
220‧‧‧窄橫向導管
230‧‧‧端板
232‧‧‧內文無
235‧‧‧帶子
240‧‧‧端板
242‧‧‧孔洞
244‧‧‧埠
本發明現將僅經由範例及參照伴隨圖式進一步且更具體地敘述，其中：第1圖顯示通過一電極的橫剖面圖；第2圖顯示包括如第1圖所示的電極之一燃料電池堆疊的橫剖面圖； 第3圖顯示包括第2圖的燃料電池堆疊之一燃料堆疊系統的流程圖。
電極結構
參照第1圖，電極10包括例如鎳或肥粒鐵不鏽鋼之金屬薄板11。薄板11具有0.3mm的厚度。薄板的大部分-中心區域12-係藉由例如雷射鑽孔穿孔，以產生非常大量的貫通孔14，該等孔各自具有50μm的平均直徑，並隔開150μm與200μm之間；由於雷射鑽孔製程，每一孔14實際上係沿著其長度逐漸變細，典型從雷射入射的前表面處之70μm變成相對表面處的30μm。環繞薄板11周圍之具有5mm寬度的邊界15則未穿孔。在此處經由範例給定尺寸及間距(separations)。作為一替代例，孔14可具有300μm的平均直徑，並在200μm與800μm之間被隔開；這類較大的孔14可藉由化學蝕刻來製成。
在形成貫通孔14之後，接著以氣體可滲透層16覆蓋穿孔中心區域12之一表面，且氣體可滲透層16之暴露表面係覆蓋以含有催化活性材料的層18。這些層16及18的形成將在下列段落中敘述。在此範例中，氣體可滲透層16係具有350μm的厚度，而含催化劑的層18係具有250μm的厚度。
氣體可滲透層16係藉由首先混合碳與醇類來製造。較佳的混合物包括導電碳黑；多壁奈米碳管，以增強多孔性及導電性；及活性炭，以增強多孔性，較 佳的是碳黑的比例大於奈米管的比例。舉例來說，可包括60至90重量百分比的碳黑以及較小比例的奈米管及/或活性炭。一替代混合物可僅包括奈米碳管，但具有一系列不同的長度及大小。碳混合物係與大量過量的醇類結合，典型而言在碳質量的三及八倍之間(例如，碳質量的五倍)結合。此可為例如乙醇、異丙醇或較長鏈、分枝或多功能醇類，例如，丁醇、戊醇或乙二醇。混合物亦可含有小比例的醇類保留物種，例如，醋酸鈣或聚丙烯酸，例如，小於碳質量的五分之一，更典型為十分之一。此之後與60重量百分比之次微米大小的PTFE粒子之水性懸浮液結合，典型為碳質量的二及三倍之間，例如，碳質量的2.5倍。此可使用次微米大小之PTFE粒子的水性懸浮液，假定為60重量百分比的PTFE，其含有分枝的第二醇乙氧化物界面活性劑，例如，Tergitol TMN系列的界面活性劑(Tergitol為商標)。舉例來說，此懸浮液可為DuPont Zonyl(商標)PTFE TE-3887，其中的粒子具有介於0.05及0.5μm之間的大小，以及0.2μm的平均大小。當PTFE懸浮液接觸醇類時，其形成凝膠，因此混合物具有麵糰狀的稠度。
在一變形中，可添加將界面活性劑溶於水中之一溶液至碳混合物，以形成濕的碳(damp carbon)；之後將此與亦含有界面活性劑之PTFE粒子的水性懸浮液混合；之後混入例如異丙醇的醇類，且混合物形成凝膠，以形成麵糰狀的稠度。此可在碳粒子上產生更為均勻的PTFE塗層。
含催化劑的層18係以同等方式製成，結合碳與微粒形式之適當的活性催化材料以及PTFE。經由範例，用於陽極的電極可包括在存在的碳之總質量的介於50%及100%之間的活化碳上之10%的鈀或10%的鈀/鉑；且用於陰極的電極可包括與尖晶石MnxCoyO4結合之活化碳，其中尖晶石形成高達80%的質量。含催化劑的層18包括比例小於氣體可滲透層16的PTFE黏合劑。含催化劑的層因而較不具疏水性。
舉例來說，PTFE的比例可介於氣體可滲透層16中之比例的5%及10%之間，雖然也可更高。典型地，含催化劑的層18將以同樣為PTFE粒子之60重量百分比的水性懸浮液製成，但所使用的量要小得多：當製造陽極催化劑層時，水性PTFE懸浮液的質量僅為碳質量的10%及20%之間，例如15%；當製造陰極催化劑層時，水性PTFE懸浮液的質量典型為碳質量的7%及12%之間，例如10%。
在最終滾出例如0.3或0.7mm之所需的厚度前，兩層16及18可接著例如透過滾筒砑光在一起。之後將此沖壓至薄板11的表面之上，接著將其加熱至介於200℃及400℃之間或介於250℃及300℃之間，並持續保持在該溫度達典型介於30分及1.5小時之間的時間。加熱製程導致任何殘餘醇類的蒸發及界面活性劑的蒸發或分解；以及PTFE粒子之至少部分的燒結，以使氣體可滲透層16及含催化劑的層18形成接合至薄板11之黏著且可滲透的疏水性結構。
在對上述結構之一變形中，電極10可包括親水性的第三流體可滲透層(未顯示)，例如碳紙薄板，其係在此熱壓步驟期間接合至含催化劑的層18之外部表面。第三流體可滲透層的提供在生產期間具有優點，因其可防止來自含催化劑的層18之材料黏附至沖壓設備；且在使用期間具有優點，因其穩定含催化劑的層18之外部表面，改善電極10的壽命。
在對上述組成物之一變形中，取代PTFE或除PTFE之外，混合物可包括不同的疏水性聚合物，例如，聚偏二氟乙烯(PVdF)或聚烯烴。
在對上述程序之一變形中，特別是在孔14具有約0.2mm或更大寬度之處，在形成孔14及將表面粗糙化之後，該表面可例如藉由噴塗來塗以疏水性聚合物懸浮液，例如上述的PTFE懸浮液。在此已乾燥之後，該表面接著進行機械研磨，以便暴露出金屬的上升部分，但金屬的插入區域則覆以聚合物。接著如上述般施加氣體擴散層16及含催化劑的層18。金屬薄板11之表面上的聚合物塗層增強氣體擴散層16對金屬薄板11的黏附力，而暴露出來的金屬確保與氣體擴散層16之導電粒子的電接觸。
電極10可用作陽極10a或陰極10b的任一個；主要差別將在於含催化劑的層18內所提供之催化劑的組成物，且實際上，一些催化劑材料可適用於陽極與陰極兩者之中。兩個這類的催化劑材料係在上文提及。
接合製程
如上文所解釋的，氣體可滲透層16係接合至薄板11。它們之間的黏合可藉由在氣體可滲透層16就定位之前於金屬上提供薄聚合物塗層，並留下部分的金屬使之暴露來確保電接觸而增強；就如上文所述般地，聚合物使它們接合在一起。黏合亦可藉由將薄板11的表面粗糙化來增強，且此可使用雷射或者藉由例如使用晶粒邊界特異性蝕刻劑的蝕刻製程來達成。黏合亦可藉由控制孔14的形狀，以使孔14沿著其部分長度逐漸變細的方式來增強，因為氣體可滲透層16之後可牢固地沖壓至薄板11上，以使部分的氣體可滲透層16會通過孔14之逐漸變細的部分而被擠出，以便稍微突出超過最窄的部分，並提供於薄板11上之鉚釘狀的機械接合。在化學蝕刻孔的情況下，該等孔可從兩個表面至接近薄板中央的最窄部分逐漸變細。
當薄板11具有聚合物塗層時，在組合薄板11及層16之前，薄板11的表面或層16的表面可覆以與聚合物交互作用的界面活性劑(例如，Tergitol)或覆以少量的聚合物/界面活性劑懸浮液。此可協助形成薄板11上的聚合物以及氣體可滲透層16中的聚合物之間的化學接合。
電池堆疊結構
現參照第2圖，其顯示通過電池堆疊200之結構部件的剖面圖，為了清楚表示而將部件分開。堆疊200係由交替配置的模製塑膠板202及206的堆疊所構成。每一板202界定由框204所環繞之大體上為矩形的 貫通孔洞208；孔洞208提供電解質室，且直接環繞孔洞208的是框之5mm寬的部分205，其比剩餘部分之框204的表面突出0.5mm。板206為雙極板；各自在相對面上界定矩形盲凹槽207與209，每一凹槽約3mm深，受到大體上類似框204的框210環繞，但其中有深度1.0mm之5mm寬的淺凹槽211環繞每一凹槽。盲凹槽207與209提供氣體室。
當因此了解在一雙極板206與堆疊200中的下一個之間(或在最後一個雙極板206與端板230之間)有電解質室208，其中陽極10a位於一側之上，且陰極10b位於相對側上；而在陽極10a及陰極10b的相對面處分別有氣體室207及209。這些部件構成單一燃料電池。
電極10a及10b在每一雙極板206的相對側上位於淺凹槽211中，其中電極10a或10b之載有催化劑的面面對鄰接的電解質室208。在組合堆疊部件之前，每一框204的相對表面(包括上升部分205的相對表面)可覆以墊圈密封劑215；此黏合至框204並乾燥，以提供非黏性的外部表面，同時保持回彈性。接著如所述般地組合部件，以便上升部分205位於淺凹槽211中，將電極10a及10b固定在適當的位置。密封劑215確保繞著電極10a及10b的邊緣室208中的電解質不會漏出且氣體無法洩入，且亦確保在鄰接的框204及210之間氣體無法漏出。每一電極10之穿孔的中央段12相當於電解質室208及氣體室207或209的區域；無穿孔的周邊 邊界15係密封在周邊淺凹槽211之中；且氣體可滲透層16與催化塗層18係位於電極10最接近鄰接電解質室208的面上。
如第1圖所示，氣體可滲透層16及含催化劑的層18部分延伸至無穿孔的邊界15之上；且如第2圖所示，此邊界15係藉由密封劑215密封在淺凹槽211之中。在此範例中，邊界15及凹槽211兩者均為5mm寬，因此氣體可滲透層16及含催化劑的層18之邊緣係由密封劑215所封閉，且因此未直接暴露至電解質，並藉由密封劑215固緊至無穿孔的邊界15之上。
當了解此電池堆疊(cell stack)200係僅經由範例顯示，作為可如何使用本發明之電極10的說明，且是示意圖。舉例來說，密封劑215可以與所示之稍微不同的方式配置。不管電池堆疊200的詳細配置為何，在各種情況下，單一燃料電池係可由在任一側上具有電極10a及10b的電解質室208構成，該等電極將電解質室208與鄰接的氣體室207及209分開。在堆疊200內，若干個燃料電池係經過配置，以便進行電串聯，以提供比可從單一電池得到的更大的電壓。
流體係沿著個別的流體流導管流動至燃料電池，至少一些流導管係藉由通過板202及206之經對準的孔洞來界定。僅顯示一組這類的孔洞216及218，其將適用於經由窄橫向導管220運送電解質往返電解質室208。氣體往返氣體室(凹槽207及209)的流動可類似地沿著藉由通過板202及206之經對準的孔洞所界定的導 管(duct)。在一變形中，電池堆疊係經過配置，因此經對準的孔洞216及218係位於電池堆疊的底部，以用於供應電解質；且電解質通過類似導管220但通往電池堆疊之外部表面的導管(未顯示)離開電解質室208。雖然橫向導管220係顯示為位於板202之內，該等可替代地藉由位於板202之表面處的溝槽來界定。
在堆疊200的一端為雙極板230，其在一面上界定盲凹槽209，但在外面上則為空白。此外側為端板240，其亦由聚合物材料模製而成，且其界定與板202及206中之孔洞216及218對準的孔洞242；在外側面處，端板240亦界定埠244，其與該等孔洞相連通，且因此與氣體及電解質通過而流動往返堆疊200的流體流道相連通，每一埠244在外面上包括圓柱形凹槽。在堆疊200的另一端為另一雙極板(未顯示)，其界定盲凹槽207。接著有另一端板(未顯示)，其在外面上可為空白，且未界定貫通孔洞；或者，其可界定用於一或多個氧化劑氣體、燃料氣體及電解質的貫通孔洞。
在組合堆疊200之後，可例如使用圍繞整個堆疊200的帶子(strap)235(顯示為部分斷開)將部件固定在一起。其他手段亦可用於固定部件，例如，螺栓。
流體流動系統
現參照第3圖，此顯示在燃料電池系統100內往返電池堆疊200的流體流動。燃料電池系統100包括燃料電池堆疊200(概略地繪示)，其使用例如6莫耳/公升之濃度的水性氫氧化鉀作為電解質20。燃料電池堆 疊200係被供以作為燃料的氫氣、作為氧化劑的空氣以及電解質20，並在約65°或70℃的電解質溫度下操作。氫氣係從氫儲存筒22通過調節器24及控制閥26供應給燃料電池堆疊200，且廢氣流係通過第一氣體出口導管28排出。空氣係藉由鼓風機30供應，且任何CO2係藉由在空氣流過控制閥35及導管36至燃料電池堆疊200之前使空氣通過洗氣器(scrubber)32及濾器34來移除，而用過的空氣係通過第二氣體出口導管38排出。導管36包括增濕室37，以確保空氣在供應給燃料電池堆疊200時是濕潤的；舉例來說，此可使空氣與電解質20接觸。
電解質20係儲存在設有排氣孔41的電解質貯槽40之中。泵42使電解質從貯槽40循環進入設有排氣孔45的上水箱44，上水箱44具有溢流管46，以便電解質返回貯槽40。此確保電解質在上水箱44中的位準恆定。電解質20係以恆定壓力通過導管47供應給燃料電池堆疊200；且用過的電解質係通過返回導管48返回貯槽40。貯槽40包括熱交換器49，以移除過量的熱。電解質20在燃料電池堆疊200內可具有自由表面，自由表面係暴露至大氣；舉例來說，這一類自由表面可位在距離電池的出口附近，舉例來說，在第2圖所示的孔洞216及218之中。這一類之自由及暴露表面的提供是用來確保在電解質內一致的壓力。
電解質20因此在供應給燃料電池堆疊200時處於恆定壓力，以致電解質在燃料電池堆疊200內處 於恆定壓力。若在燃料電池堆疊200內有電解質的自由表面，如上文所提及的，此進一步確保燃料電池堆疊200內的電解質具有恆定壓力，因為在此情況下，電解質壓力必須接近大氣壓力，僅遭受在每一燃料電池內隨高度的壓力變化。
供應給燃料電池堆疊200之氫的壓力係藉由壓力感測器50來監控。如虛線所指示，壓力感測器50可提供控制訊號給控制閥26，以將氫壓力維持在所需的值。此壓力係經過選擇，以便確保在每一陽極10a內之氫及液體電解質之間的介面係位於含催化劑的層18之厚度內。
此外，供應給燃料電池堆疊200之空氣的壓力係藉由壓力感測器52來監控，且如虛線所指示，壓力感測器52可提供控制訊號給控制閥35，以將空氣壓力維持在所需的值。此壓力稍微小於供應氫的壓力。
燃料電池堆疊200的操作產生電力，且藉由發生在電極處的化學反應的效力亦會產生水：氫與氫氧根離子起反應，以在陽極10a處形成水(及電子)，且氧和水(及電子)起反應，以在陰極10b處形成氫氧根離子。此外，水在陽極及陰極氣體室207、209兩者中蒸發，因此出口導管28中的廢氣流及出口導管38中之用過的空氣兩者均含有水蒸氣。蒸發速率取決於電極暴露至反應氣體的表面積、反應氣體的流量率及操作溫度。亦取決於水蒸氣在陽極及陰極氣體室207、209中的分壓。最重要的參數為反應氣體的流量率及操作溫度。總體結果將 是從電解質20穩定地損耗水；水的損耗可藉由從出口導管38中之用過的空氣(或從廢氣)冷凝水蒸氣來防止，例如，藉由設置冷凝器39。
如上文提及的，控制水平衡可藉由調整流量率及反應氣體的壓力來協助。舉例來說，氫壓力增加至比電解質室中的壓力高出0.5及1kPa(5及10毫巴)之間能確保水蒸氣再流回電解質流中。此能確保在陽極處產生的至少一些水會被擷取並返回電解質流中。氫的壓力可稍微較高，例如，比電解質室中的壓力高出高達1.5kPa或2kPa(15或20毫巴)。用以保存形成在陽極處之部分水的另一方式，為減少氫的流量率，其降低在廢氣流中被帶走的水蒸氣的速率。
經實驗發現，在電解質室處於大氣壓力且氫的壓力處於比大氣壓力高出1.5kPa的情況下操作燃料電池堆疊200在電池的長期性能上具有顯著效應，並改善其性能。
此外，需要使供應給燃料電池堆疊200的空氣壓力維持在比氫的壓力稍微低的壓力，例如，比電解質室中的壓力高出0及0.5kPa(0及5毫巴)之間。陽極室207中的氫以及陰極室209中的空氣之間的差壓因此介於0.5及1.0kPa之間，其中氫係處於較高壓力，且已發現這會增強水至陰極側的輸送，其中水係在製造氫氧根離子的過程中消耗。
以此方式控制氣體壓力之另一優點在於對陽極及陰極兩者而言，氣體可滲透層16不會變成被水或電 解質淹沒或阻塞，因而確保氣體有效地轉移至氣體/電解質介面。
控制陽極室207內之氫的壓力來確保氣體/液體介面係位於含催化劑的層18之厚度內所帶來的結果是，藉由化學反應形成或由電解質蒸發之至少部分的水蒸氣將在含催化劑的層18內冷凝，並擴散回到電解質20之中，因為含催化劑的層18比鄰接的氣體可滲透層16更不具疏水性。
20‧‧‧電解質
22‧‧‧氫儲存筒
24‧‧‧調節器
26‧‧‧控制閥
28‧‧‧第一氣體出口導管
30‧‧‧鼓風機
32‧‧‧洗氣器
34‧‧‧濾器
35‧‧‧控制閥
36‧‧‧導管
37‧‧‧增濕室
38‧‧‧第二氣體出口導管
39‧‧‧冷凝器
40‧‧‧電解質貯槽
41‧‧‧排氣孔
42‧‧‧泵
44‧‧‧上水箱
45‧‧‧排氣孔
46‧‧‧溢流管
47‧‧‧導管
48‧‧‧返回導管
49‧‧‧熱交換器
50‧‧‧壓力感測器
52‧‧‧壓力感測器
100‧‧‧燃料電池系統
200‧‧‧燃料電池堆疊

Claims (17)

  1. 一種液體電解質燃料電池，其具有手段，以界定一電解質室，並包括兩個電極，在該電解質室的任一側上均有一個電極，一個電極為一陽極，且另一個電極為一陰極，該陽極包括：一金屬薄板，通過該金屬薄板界定有複數個貫通孔；及至少一個流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，且至少部分為疏水性，且亦包括催化材料且其中該燃料電池亦包括：手段，其調整該電解質室內之一液體與暴露至遠離該電解質室的該陽極表面之一氣體間的壓力差，以使該液體及該氣體間之一介面係處於該流體可滲透層內之一中間位置，其中該催化材料存在。
  2. 如請求項1之燃料電池，其中該陽極包括一第一流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，並為疏水性；及一第二流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料與催化材料，其比該第一流體可滲透層更不具疏水性。
  3. 如請求項2之燃料電池，其中該第二流體可滲透層係接合至該第一流體可滲透層的外部表面。
  4. 如請求項1至3中任一項之燃料電池，其中該陰極亦包括： 一金屬薄板，通過該金屬薄板界定有複數個貫通孔；及至少一個流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，且至少部分為疏水性，且亦包括一催化材料。
  5. 如請求項4之燃料電池，其中該陰極包括一第一流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料，其係接合至該金屬薄板，與該金屬薄板電接觸，並為疏水性；及一第二流體可滲透層，其包括纖維及/或微粒導電材料與催化材料，其比該第一流體可滲透層更不具疏水性。
  6. 如請求項5之燃料電池，其中該陰極的該第二流體可滲透層係接合至該陰極的該第一流體可滲透層的外部表面。
  7. 如請求項1至6中任一項之燃料電池在依附於請求項2時，其中，在該陽極內，該第二流體可滲透層係具有至少50μm的厚度。
  8. 如請求項1至7中任一項之燃料電池在依附於請求項2時，其中，在該陽極內，該第一流體可滲透層係具有至少50μm的厚度。
  9. 如請求項1至8中任一項之燃料電池在依附於請求項2時，其中，在該陽極內，該第二流體可滲透層係具有介於100μm與300μm之間的厚度，而該第一流體可滲透層係具有介於100μm與500μm之間的厚度。
  10. 如請求項1至9中任一項之燃料電池在依附於請求項2時，其中，在該陽極內，該介面係處於一中間位置，其遠離該第二流體可滲透層的任一表面至少10μm。
  11. 如請求項1至10中任一項之燃料電池在依附於請求項2時，其中在該陽極中，該第一流體可滲透層包括一疏水性聚合物，且該第二流體可滲透層包括比該第一流體可滲透層內的疏水性聚合物更小比例的疏水性聚合物。
  12. 如請求項11之燃料電池，其中在該陽極中，該第一流體可滲透層包括佔該層的重量百分比之介於40%與80%之間的一疏水性聚合物，而該第二流體可滲透層含有介於該第一流體可滲透層內之百分比的5%與70%之間。
  13. 如請求項1至12中任一項在依附於請求項2時之燃料電池，其中在該陽極中，該第一流體可滲透層及該第二流體可滲透層各自包括一疏水性聚合物，該聚合物為PTFE、PVdF或聚烯烴。
  14. 一種燃料電池系統，其包括複數個如請求項1至13中任一項之燃料電池，其包括手段，以測量並調節鄰接該等陽極及該等陰極兩者的氣體壓力。
  15. 一種操作如請求項1至13中任一項之液體電解質燃料電池的方法，其中該方法包含調整該電解質室內之一液體與暴露至遠離該電解質室的該陽極表面之一氣體間的壓力差，以便該液體及該氣體間之一介面係 處於該流體可滲透層內之一中間位置，其中該催化材料存在。
  16. 如請求項15之方法，其中暴露至遠離該電解質室之該陽極表面的該氣體係處於比該電解質室內之該液體的壓力高出0.5及2.0kPa之間的壓力。
  17. 如請求項15或16之方法，其中暴露至遠離該電解質室之該陽極表面的該氣體係處於比暴露至遠離該電解質室之該陰極表面之一氣體更高的壓力，兩氣體壓力均高於該電解質室內之該液體的壓力。
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