平面型燃料电池组转让专利
申请号 : CN200710103940.3
文献号 : CN100585932C
文献日 : 2010-01-27
发明人 : 康顾严 , 戴椿河 , 赖秋助 , 许盈盈 , 蔡英文
申请人 : 财团法人工业技术研究院
摘要 :
一种平面型燃料电池组，其包括薄膜电极组、阴极多孔集电层、阳极多孔集电层以及阻气材料层。其中，薄膜电极组具有质子交换膜、阳极催化剂层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层，其中阳极催化剂层与阴极催化剂层分别配置于质子交换膜的两侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极催化剂层与阴极催化剂层上。阴极多孔集电层配置于阴极气体扩散层一侧，阳极多孔集电层板配置于阳极气体扩散层一侧。另外，阻气材料层配置于阴极多孔集电层上，且阻气材料层中具有暴露出阴极多孔集电层表面的至少一个开孔。
权利要求 :
1.一种平面型燃料电池组，包括： 薄膜电极组，该薄膜电极组具有质子交换膜、阳极催化剂层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层，其中该阳极催化剂层与该阴极催化剂层分别配置于该质子交换膜的两侧，该阳极气体扩散层与该阴极气体扩散层分别设置在该阳极催化剂层与该阴极催化剂层上； 阴极多孔集电层，配置于该薄膜电极组的该阴极气体扩散层一侧； 阳极多孔集电层，配置于该薄膜电极组的该阳极气体扩散层一侧；以及 阻气材料层，配置于该阴极多孔集电层上，且该阻气材料层中具有暴露出阴极多孔集电层表面的至少一个开孔。
2. 如权利要求l所述的平面型燃料电池组，其中该阻气材料层的开孔率 介于0.5%~60%之间。
3. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该阻气材料层的材质包 括聚酯类高分子或聚烯烃类高分子。
4. 如权利要求3所述的平面型燃料电池组，其中该聚酯类高分子包括聚 对笨二曱酸乙二酯或聚丙烯腈。
5. 如权利要求3所述的平面型燃料电池组，其中该聚烯烃类高分子包括 聚乙烯或聚丙烯。
6. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该阻气材料层的厚度介 于10 jam ~ 5 mm之间。
7. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该阻气材料层与该阴极 多孔集电层之间存在间隙。
8. 如权利要求7所述的平面型燃料电池组，其中该间隙的宽度为大于0 且小于1.5 cm。
9. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该阻气材料层与该阴极 多孔集电层相接触。
10. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，进一步包括配置在该 阴极多孔集电层与该阻气材料层之间的疏水性多孔材料层。
11. 如权利要求10所述的平面型燃料电池组，其中该疏水性多孔材料层全面覆盖在该阴极多孔集电层上。
12. 如权利要求10所述的平面型燃料电池组，其中该疏水性多孔材 料层位于该阻气材料层的开孔所暴露出的阴极多孔集电层上。
13. 如权利要求10所述的平面型燃料电池组，其中该疏水性多孔材料层的材质包括聚四氟乙烯、聚丙烯或聚醚砜。
14. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该质子交换膜的材质 包括高分子膜。
15. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该阳极催化剂层的材 质包括铂/钌合金、外镀钧/钌合金的碳材微粒或外镀铂的碳材微粒。
16. 如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该阴极催化剂层的材 质包括铂合金、外镀铂合金的碳材微粒或外镀铂的碳材微粒。
说明书 :
平面型燃料电池组
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的结构，且特别是涉及一种平面型燃料电池组。
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，其主要是由薄膜电极
组(membrane electrode assembly,简称MEA)及二电极板所构成。薄膜电极 组是由质子交换膜(proton exchange membrance)、阳极催化剂层、阴极催化 剂层、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，上述阳极催化剂层与阴极催化剂层分别配置于质子交换膜的两 侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极催化剂层与阴极催 化剂层之上。另外，二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曱醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用曱醇水溶液当作燃料供给 源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接曱醇燃料电池的反 应式如下：
阳极：CH3OH+H20 — C02+6HT+6e-
阴极：3/202+61^+66-— 3H20
反应时，阳极会消耗l摩尔的水，阴极会产生3摩尔的水，而反应所 产生的水要立即移除，不可滞留在催化剂层的表面上，如此才能够使燃料 电池持续进行反应，以产生电流。
关于燃料电池中的水管理，业界已提出多种处理方式。例如，题目为"FUEL CELL"的美国专利申请早期公开号2005/0079398A1 (U.S. Pub. No. 2005/0079398A1),其内容披露，可另外使用泵（pump)、散热片、风扇等装 置，将燃料电池中所产生的水移出。然而，这种做法会增加成本，且会造 成整个组件的体积过大，而无法小型化。另外，题目为"PASSIVE WATER MANAGEMENT TECHNIQUES IN DIRECT METHANOL FULE CELLS，，的 美国专利申请早期公开号2004/0209154A1 (U.S. Pub. No. 2004/0209154A1), 其内容披露，在阴极外侧配置具有微孔的疏水材料层，使阴极的水在其间 产生背压，接着利用质子交换膜两侧的压力差，可将水渗透至阳极，使其 可在燃料电池内部循环应用。但是，此方式容易造成水阻塞在微孔或无法 回收的问题。因此，这种方法的制作难度较高，且甚至会造成空气无法顺 利进入，进而使燃料电池的输出功率受到影响。
另一种关于燃料电池中的水管理为，日本专利WO 2006/101071号7> 报所记载的燃料电池。该专利的内容披露，燃料电池的阴极侧设置有 空气室（air chamber),且在空气室内充填有保湿薄膜（humidity-holding sheet)。保湿薄膜的作用主要是抑制阴极侧所产生的水产生蒸散，进而 使阴极催化剂层内的水分储藏量增加。通过渗透压现象，可促进在阴 极催化剂层中生成的水移动至阳极催化剂层。
另外，日本专利WO 2005/112172A1号公报所记载的将液体燃料气化 成分供应给催化剂层的方式的燃料电池，其内容披露，燃料电池的阳极结 构需要包括有燃料储存槽、燃料气化层以及气化燃料收容室等，以使液体 燃料可进行气化，而在阴极侧则设置有具有适当透湿度与透气度的保湿层， 但是该保湿层为具有均匀微小孔隙的多孔材料，实际使用时极易因水气凝 结而堵住保湿层上的孔隙，进而使得气体无法进入，影响燃料电池的输出 功率。
故从上可知，水管理是燃料电池的重要关键技术，因此已成为目前业 界极力发展的课题之一。
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，其主要是由薄膜电极
组(membrane electrode assembly,简称MEA)及二电极板所构成。薄膜电极 组是由质子交换膜(proton exchange membrance)、阳极催化剂层、阴极催化 剂层、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，上述阳极催化剂层与阴极催化剂层分别配置于质子交换膜的两 侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极催化剂层与阴极催 化剂层之上。另外，二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曱醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用曱醇水溶液当作燃料供给 源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接曱醇燃料电池的反 应式如下：
阳极：CH3OH+H20 — C02+6HT+6e-
阴极：3/202+61^+66-— 3H20
反应时，阳极会消耗l摩尔的水，阴极会产生3摩尔的水，而反应所 产生的水要立即移除，不可滞留在催化剂层的表面上，如此才能够使燃料 电池持续进行反应，以产生电流。
关于燃料电池中的水管理，业界已提出多种处理方式。例如，题目为"FUEL CELL"的美国专利申请早期公开号2005/0079398A1 (U.S. Pub. No. 2005/0079398A1),其内容披露，可另外使用泵（pump)、散热片、风扇等装 置，将燃料电池中所产生的水移出。然而，这种做法会增加成本，且会造 成整个组件的体积过大，而无法小型化。另外，题目为"PASSIVE WATER MANAGEMENT TECHNIQUES IN DIRECT METHANOL FULE CELLS，，的 美国专利申请早期公开号2004/0209154A1 (U.S. Pub. No. 2004/0209154A1), 其内容披露，在阴极外侧配置具有微孔的疏水材料层，使阴极的水在其间 产生背压，接着利用质子交换膜两侧的压力差，可将水渗透至阳极，使其 可在燃料电池内部循环应用。但是，此方式容易造成水阻塞在微孔或无法 回收的问题。因此，这种方法的制作难度较高，且甚至会造成空气无法顺 利进入，进而使燃料电池的输出功率受到影响。
另一种关于燃料电池中的水管理为，日本专利WO 2006/101071号7> 报所记载的燃料电池。该专利的内容披露，燃料电池的阴极侧设置有 空气室（air chamber),且在空气室内充填有保湿薄膜（humidity-holding sheet)。保湿薄膜的作用主要是抑制阴极侧所产生的水产生蒸散，进而 使阴极催化剂层内的水分储藏量增加。通过渗透压现象，可促进在阴 极催化剂层中生成的水移动至阳极催化剂层。
另外，日本专利WO 2005/112172A1号公报所记载的将液体燃料气化 成分供应给催化剂层的方式的燃料电池，其内容披露，燃料电池的阳极结 构需要包括有燃料储存槽、燃料气化层以及气化燃料收容室等，以使液体 燃料可进行气化，而在阴极侧则设置有具有适当透湿度与透气度的保湿层， 但是该保湿层为具有均匀微小孔隙的多孔材料，实际使用时极易因水气凝 结而堵住保湿层上的孔隙，进而使得气体无法进入，影响燃料电池的输出 功率。
故从上可知，水管理是燃料电池的重要关键技术，因此已成为目前业 界极力发展的课题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种平面型燃料电池组，能够使阴 极部分的水扩散至阳极部分再使用，且制造方法简单，以及可提高燃料的 能量转换效率。为达到上述或其它目的，本发明提出一种平面型燃料电池组，该平面 型燃料电池组包括薄膜电极组、阴极多孔集电层、阳极多孔集电层以及阻 气材料层。其中，薄膜电极组具有质子交换膜、阳极催化剂层、阴极催化 剂层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层，而阳极催化剂层与阴极催化 剂层分别配置于质子交换膜的两侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分 别设置在阳极催化剂层与阴极催化剂层上。阴极多孔集电层配置于薄膜电 极组的阴极气体扩散层一侧。阳极多孔集电层配置于薄膜电极组的阳极气 体扩散层一侧。另外，阻气材料层配置于阴极多孔集电层上，且阻气材料 层中具有暴露出阴极多孔集电层表面的至少一个开孔。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层的开孔
率介于0.5% ~ 60%之间。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层的材质 包括聚酯类高分子或聚烯烃类高分子。其中，聚酯类高分子例如是聚对苯 二曱酸乙二酯(polyethylene terephthalate， PET)或聚丙歸腈(polyacrylonitrile, PAN)。聚烯烃类高分子例如是聚乙烯（polyethylene , PE)、聚丙烯 (polypropylene, PP)或其它可用于开孔加工的阻气材料。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层的厚度 介于10 pm ~ 5 mm之间。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层与阴极 多孔集电层之间存在间隙。如上所述，间隙的宽度介于0~ 1 cm之间。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层与阴极 多孔集电层相接触。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，进一步包括疏水性 多孔材料层，其配置在阴极多孔集电层与阻气材料层之间。该疏水性 多孔材料层的材质例如是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)、 聚丙烯(polypropylene， PP)或聚醚砜(polyethersulfone, PES)或是表面与孔洞 披覆有疏水处理的相关材质。在一实施例中，疏水性多孔材料层全面覆 盖在阴极多孔集电层上。在另一实施例中，疏水性多孔材料层位于阻 气材料层的开孔所暴露出的阴极多孔集电层上。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述质子交换膜的材质 例如是高分子膜。依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阳极催化剂层的材 质例如是铂/钌合金、外镀铂/钌合金的碳材微粒或外镀铂的碳材微粒。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阴极催化剂层的材 质例如是锅合金、外镀柏合金的碳材微粒或外镀柏的碳材微粒。
本发明的平面型燃料电池组是在阴极多孔集电层上配置具有至少 一个 开孔的阻气材料层，使阴极催化剂层的水可扩散至阳极催化剂层，以回收 阴极催化剂层的水再利用，因此制造方式较为简单，且所需的组件较少， 所以可节省制造成本。而且，本发明不需更改现行燃料电池中的薄膜电极 组的内部结构。另一方面，本发明的平面型燃料电池组可使用高浓度的燃 料来进行反应，如此可提高燃料的能量转换效率。此外，本发明的平面型 燃料电池组还包括在阴极多孔集电层与阻气材料层之间配置疏水性多 孔材料层，其可使阻气材料层上存在极高且均匀的湿度，以便能更好 地提高回水效果。
为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特 举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层的开孔
率介于0.5% ~ 60%之间。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层的材质 包括聚酯类高分子或聚烯烃类高分子。其中，聚酯类高分子例如是聚对苯 二曱酸乙二酯(polyethylene terephthalate， PET)或聚丙歸腈(polyacrylonitrile, PAN)。聚烯烃类高分子例如是聚乙烯（polyethylene , PE)、聚丙烯 (polypropylene, PP)或其它可用于开孔加工的阻气材料。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层的厚度 介于10 pm ~ 5 mm之间。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层与阴极 多孔集电层之间存在间隙。如上所述，间隙的宽度介于0~ 1 cm之间。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阻气材料层与阴极 多孔集电层相接触。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，进一步包括疏水性 多孔材料层，其配置在阴极多孔集电层与阻气材料层之间。该疏水性 多孔材料层的材质例如是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)、 聚丙烯(polypropylene， PP)或聚醚砜(polyethersulfone, PES)或是表面与孔洞 披覆有疏水处理的相关材质。在一实施例中，疏水性多孔材料层全面覆 盖在阴极多孔集电层上。在另一实施例中，疏水性多孔材料层位于阻 气材料层的开孔所暴露出的阴极多孔集电层上。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述质子交换膜的材质 例如是高分子膜。依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阳极催化剂层的材 质例如是铂/钌合金、外镀铂/钌合金的碳材微粒或外镀铂的碳材微粒。
依照本发明实施例所述的平面型燃料电池组，上述阴极催化剂层的材 质例如是锅合金、外镀柏合金的碳材微粒或外镀柏的碳材微粒。
本发明的平面型燃料电池组是在阴极多孔集电层上配置具有至少 一个 开孔的阻气材料层，使阴极催化剂层的水可扩散至阳极催化剂层，以回收 阴极催化剂层的水再利用，因此制造方式较为简单，且所需的组件较少， 所以可节省制造成本。而且，本发明不需更改现行燃料电池中的薄膜电极 组的内部结构。另一方面，本发明的平面型燃料电池组可使用高浓度的燃 料来进行反应，如此可提高燃料的能量转换效率。此外，本发明的平面型 燃料电池组还包括在阴极多孔集电层与阻气材料层之间配置疏水性多 孔材料层，其可使阻气材料层上存在极高且均匀的湿度，以便能更好 地提高回水效果。
为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特 举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图l为依照本发明一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构示意图。
图2为依照本发明另一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构示意图。
水的蒸发机制。
图4为依照本^J月又一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构 示意图。
图5为依照本发明再一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构 示意图。
附图标记说明
100、 100，、 200、 200，：平面型 126:开孔的周围区域
燃料电池组
102:薄膜电极组 202、 202，：疏水性多孔材料层104: 阴极多孔集电层 111: 阳极催化剂层
106: 阳极多孔集电层 112: 阳极气体扩散层
108、 108，、 122:阻气材料层 113: 阴极催化剂层
110: 质子交换膜 114: 阴极气体扩散层
118、 120、 128:蒸发路径 116、 116，、 124:开孔
d:间隙宽度
图2为依照本发明另一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构示意图。
水的蒸发机制。
图4为依照本^J月又一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构 示意图。
图5为依照本发明再一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构 示意图。
附图标记说明
100、 100，、 200、 200，：平面型 126:开孔的周围区域
燃料电池组
102:薄膜电极组 202、 202，：疏水性多孔材料层104: 阴极多孔集电层 111: 阳极催化剂层
106: 阳极多孔集电层 112: 阳极气体扩散层
108、 108，、 122:阻气材料层 113: 阴极催化剂层
110: 质子交换膜 114: 阴极气体扩散层
118、 120、 128:蒸发路径 116、 116，、 124:开孔
d:间隙宽度
具体实施方式
图l为依照本发明一实施例所绘示的平面型燃料电池组的结构示意图。 请参照图1，平面型燃料电池组100包括薄膜电极组(MEA)102、阴极多孔 集电层104、阳极多孔集电层106以及阻气材料层108。其中，薄膜电极组 102具有质子交换膜110、阳极催化剂层111、阴极催化剂层113、阳极气 体扩散层112与阴极气体扩散层114，而阳极催化剂层111与阴极催化剂层 113分别配置于质子交换膜110的两侧，阳极气体扩散层112与阴极气体扩 散层114分别设置在阳极催化剂层111与阴极催化剂层113上。上述阳极 催化剂层111的材质例如是铂/钌合金(Pt/Ru)、外镀铂/钌合金的碳材微粒、 外镀锅的碳材微粒或其它合适的材料，阴极催化剂层113的材质例如是铂 合金、外镀铂合金的碳材微粒、外镀铂的碳材微粒或其它合适的材料。质 子交换膜110是用来当作传输质子的电解质膜，质子交换膜110的材质例 如是高分子膜，例如使用美国杜邦(DuPont)公司生产的Nafion膜(商品名）。
阳极多孔集电层106配置于薄膜电极组102的阳极气体扩散层112 — 侧。阳极多孔集电层106的材质例如是导电材料，其例如使用钛(Ti)及其合 金。阴极多孔集电层104配置于薄膜电极组102的阴极气体扩散层114 一 侧。在本发明一实施例中，阴极多孔集电层104的材质例如使用导电材料， 其例如是钛及其合金。
本实施例的平面型燃料电池组IOO还包括阻气材料层108,其配置于阴 极多孔集电层104上，且阻气材料层108与阴极多孔集电层104相接触。 阻气材料层108的材质包括聚酯类高分子或聚烯烃类高分子。其中，聚酯 类高分子例如是聚对苯二曱酸乙二酯或聚丙烯腈，聚烯烃类高分子例如是 聚乙烯、聚丙烯或其它可用于开孔加工的阻气材料。阻气材料层的厚度例 如介于10 pm~5 mm之间。在本发明一实施例中，阻气材料层108的厚度例如为约100 jam。阻气材料层108的作用是控制反应后阴极催化剂层113 所产生的水的蒸发速率，使阴极催化剂层113的水可经质子交换膜110扩 散至阳极催化剂层111，而使阴极催化剂层113的水可提供给阳极催化剂层 lll的反应使用。
阻气材料层108中具有暴露出阴极多孔集电层104表面的至少一个开 孔，在本实施例中是以绘示有多个开孔116为例进行说明。而且，在本发 明的实施例中，并不对开孔116的形状作特别地限定。由于，本发明的平 面型燃料电池组会在阴极催化剂层113进行反应而产生水，因此阻气材料 层108的开孔116的尺寸必须考虑要防止造成淹水，而经验上要避免水引 起开孔116堵塞，则开孔116的最短孔径必须大于阻气材料层108厚度的 两倍。亦即是，若开孔116为圆形开孔，则其直径需大于阻气材料层108 厚度的两倍，在本实施例中，开孔116的直径约大于200 若开孔116 为长方形开孔，则其短边的长度必须大于阻气材料层108厚度的两倍，在 本实施例中，开孔116的短边的长度约为大于200jam。
阻气材料层108中的整体开孔率介于0.5%~60%之间，在本发明一实 施例中，阻气材料层108的开孔率例如约为5%左右。以下将利用公式计算 来详细说明本发明阻气材料层的开孔率的适当性。 一般而言，当燃料电极 组产生1安培(A)电流时，阴极催化剂层需要3.5毫升/分钟(ml/min)的氧气(02) 参与反应，亦即是，大约需要17.4ml/min的空气量，实际应用上则至少必 须将此气体量增加1.1~4倍左右，以确保足够的氧气进入阴极催化剂层。 阻气材料层所具备的透气程度可以用下面的扩散公式来估算：
其中，/为单位面积产生的电流量，单位为(A/cm2》"为摩尔(mole)数， 在阴极催化剂层的反应中，l摩尔氧气对应于4摩尔的电子，因此"值为4; F为每摩尔电子的库仑(coul)量，其值约为96500库仑/摩尔；D为扩散系数 (diffusion coe迅cient),其单位为(cm々s), —般在空气中氧气的扩散系数约为 0,2 ~ 0.3 cmVs; JC为浓度差,单位为(mole/cm3)，在l大气压常温环境中， 1立方公分约有8.6xl0"摩尔的氧气；4y为扩散路径长度，单位为米。以阻 气材料层厚度为lxl(^米，阻气材料层的开孔率为1%为例，则用方程式(l)所计算出的电流值/为660 mA/cm2,此值还必须除以1.1 ~ 4，而其已足够 供应许多情况所需的发电量。
另外，请参照图2,其为依照本发明另一实施例所绘示的平面型燃料电 池组的结构示意图。如图2所示，本实施例的平面型燃料电池组IOO，与上 述实施例的平面型燃料电池组100类似，惟二者的主要差异在于：平面型 燃料电池组100，的阻气材料层108，配置于阴极多孔集电层104上，阻气材 料层108，中具有暴露出阴极多孔集电层104表面的多个开孔116，。而且， 阻气材料层108，与阴极多孔集电层104之间存在间隙(gap)。上述间隙的宽 度d介于0~ 1.5 cm之间。
本发明的平面型燃料电池组仅需在阴极多孔集电层上配置具有开孔的 阻气材料层，而且阻气材料层的开孔率在适当范围内，因此阴极催化剂层 能够得以减少水分蒸发，进而形成阴极催化剂层到阳极催化剂层的浓度梯 度差异，造成阴极催化剂层的水分向阳极催化剂层方向扩散，达到使阴极 催化剂层的水回收至阳极催化剂层再使用的目的，因此制造方式较为简单， 且整个燃料电池的所需的组件较少，所以可节省制造成本。另一方面，本 发明不需更改现行燃料电池中的薄膜电极组的内部结构，即可以简单且有 效的方式来进行阴极催化剂层的水回收。
值得注意的是，由于本发明的平面型燃料电池组可使阴极催化剂层的 水回收至阳极催化剂层再使用，因此可使用高浓度的燃料来进行反应，如 此一来可提高燃料的能量转换效率。
接着，将以图1的平面型燃料电池组100来详细说明平面型燃料电池
组的阴极催化剂层的水回收方法。
请再次参照图1，将燃料导入阳极多孔集电层106中，在此实施例中， 是使用曱醇(MeOH)水溶液当作燃料。当然，本发明的平面型燃料电池組的 燃料还例如是使用乙醇、丙醇或其它的合适燃料。另外，空气由阻气材料 层108的开孔116进入，经过阴极多孔集电层104与阴极气体扩散层114, 而传递至阴极催化剂层113。经由阳极催化剂层111的作用可使得甲醇水溶 液反应产生质子(H+)、电子(e-)与二氧化碳(C02)。上述所产生的质子会经由 质子交换膜110至阴极催化剂层113侧，电子则经由外电路到达阴极催化 剂层113侧，且经由阴极催化剂层113的作用可与空气所提供的氧形成水 (H20)。当阴极催化剂层113反应生成水之后，阻气材料层108可控制累积在阴极催化剂层113侧的水的蒸发速率，形成质子交换膜110左右两边的
水的浓度差，使阴极催化剂层113侧的水扩散至阳极催化剂层111侧，达
到回水的目标。
更详细而言，请参照图3,其绘示了本发明平面型燃料电池组的阴 极催化剂层侧所产生的水的蒸发机制。图3中仅绘示出阻气材料层， 而省略绘示出平面型燃料电池组的其它构件。如图3所示，在不同位 置产生的水蒸汽，其蒸发路径会不同。阴极催化剂层反应所生成的一 部份水蒸汽，会沿着蒸发路径118、 120穿过阻气材料层122的开孔124 而传送至大气中。另外，如蒸发路径128所示，其余的水蒸汽则会被 阻气材料层122所阻挡。由此可知，本发明的平面型燃料电池组的阻 气材料层可用以降低整体水蒸汽的蒸发速率，以提高湿度进而达到回 水的目的。
请再次参照图3，由蒸发路径118、 120、 128可明白，阻气材料层 122的开孔124的周围区域126是相对较干燥的区域。亦即是，开孔 124的周围区域126的湿度会比其余部分的阻气材料层122的湿度低。 因此，.为了更好地提高回水效果，在本发明的平面型燃料电池组中还 可配置有疏水性多孔材料层。以下，特举出多个实施例以进行详细说 明。
请参照图4,其为依照本发明的又一实施例所绘示的平面型燃料电 池组的结构示意图。如图4所示，本实施例的平面型燃料电池组200 与图1的平面型燃料电池组100类似，惟二者的主要差异在于：平面 型燃料电池组200还包括有疏水性多孔材料层202。疏水性多孔材料层 202配置在阴极多孔集电层104与阻气材料层108之间，且全面覆盖在 阴极多孔集电层104上。疏水性多孔材料层202的材质例如是聚四氟 乙烯、聚丙烯、聚醚砜或是表面与孔洞披覆有疏水处理的相关材质。疏水 性多孔材料层202的厚度例如约为100 nm~2mm。因为，此疏水性多 孔材料层202具有可保持水蒸汽的功能，所以可使阻气材料层108的 开孔116的正下方及周围区域的蒸发速率降低。换言之，在阻气材料 层108的开孔116周围区域不会存在相对干燥的区域，而阻气材料层 108上会存在有极高且均匀的湿度，如此一来可使回水效果更好地提高 且更加稳、定。请参照图5,其为依照本发明又一实施例所绘示的平面型燃料电池
组的结构示意图。如图5所示，本实施例之平面型燃料电池组200，与 图1之平面型燃料电池组100类似，惟二者的主要差异在于：平面型 燃料电池组200，还包括疏水性多孔材料层202，。疏水性多孔材料层 202，配置在阴极多孔集电层104与阻气材料层108之间，且位于阻气材 料层104的开孔116所暴露出的阴极多孔集电层108上。疏水性多孔 材料层202，的材质例如是聚四氟乙晞、聚丙烯、聚醚砜或是表面与孔洞 披覆有疏水处理的相关材质。疏水性多孔材料层202，的厚度例如约为100 |um~2mm。此疏水性多孔材料层202，不仅可降低阻气材料层108的开 孔116正下方及周围区域的蒸发速率，以提高回水效果；而且，疏水 性多孔材料层202，还可使阻气材料层108下方的水蒸汽横向扩散，如 此同样有助于使阻气材料层108上存在极高且均匀的湿度。
另外，本发明的实际测试数据，可如表一所示。表一中包括比较例1~ 2以及实验例1 ~ 7的测试结果，其中比较例1 ~ 2是以未配置阻气材料层的 平面型燃料电池组所做的测试，而实-验例1~2、 3-4、 5-6是以分别配置 厚度为100pm、 200)im、 400pm的阻气材料层的平面型燃料电池组所做的测 试。实验例7则是平面型燃料电池组配置厚度100 pm的阻气材料层与 500 |im的疏水性多孔材料层所做的测试。
表一table see original document page 12table see original document page 13
阳极多孔集电层106配置于薄膜电极组102的阳极气体扩散层112 — 侧。阳极多孔集电层106的材质例如是导电材料，其例如使用钛(Ti)及其合 金。阴极多孔集电层104配置于薄膜电极组102的阴极气体扩散层114 一 侧。在本发明一实施例中，阴极多孔集电层104的材质例如使用导电材料， 其例如是钛及其合金。
本实施例的平面型燃料电池组IOO还包括阻气材料层108,其配置于阴 极多孔集电层104上，且阻气材料层108与阴极多孔集电层104相接触。 阻气材料层108的材质包括聚酯类高分子或聚烯烃类高分子。其中，聚酯 类高分子例如是聚对苯二曱酸乙二酯或聚丙烯腈，聚烯烃类高分子例如是 聚乙烯、聚丙烯或其它可用于开孔加工的阻气材料。阻气材料层的厚度例 如介于10 pm~5 mm之间。在本发明一实施例中，阻气材料层108的厚度例如为约100 jam。阻气材料层108的作用是控制反应后阴极催化剂层113 所产生的水的蒸发速率，使阴极催化剂层113的水可经质子交换膜110扩 散至阳极催化剂层111，而使阴极催化剂层113的水可提供给阳极催化剂层 lll的反应使用。
阻气材料层108中具有暴露出阴极多孔集电层104表面的至少一个开 孔，在本实施例中是以绘示有多个开孔116为例进行说明。而且，在本发 明的实施例中，并不对开孔116的形状作特别地限定。由于，本发明的平 面型燃料电池组会在阴极催化剂层113进行反应而产生水，因此阻气材料 层108的开孔116的尺寸必须考虑要防止造成淹水，而经验上要避免水引 起开孔116堵塞，则开孔116的最短孔径必须大于阻气材料层108厚度的 两倍。亦即是，若开孔116为圆形开孔，则其直径需大于阻气材料层108 厚度的两倍，在本实施例中，开孔116的直径约大于200 若开孔116 为长方形开孔，则其短边的长度必须大于阻气材料层108厚度的两倍，在 本实施例中，开孔116的短边的长度约为大于200jam。
阻气材料层108中的整体开孔率介于0.5%~60%之间，在本发明一实 施例中，阻气材料层108的开孔率例如约为5%左右。以下将利用公式计算 来详细说明本发明阻气材料层的开孔率的适当性。 一般而言，当燃料电极 组产生1安培(A)电流时，阴极催化剂层需要3.5毫升/分钟(ml/min)的氧气(02) 参与反应，亦即是，大约需要17.4ml/min的空气量，实际应用上则至少必 须将此气体量增加1.1~4倍左右，以确保足够的氧气进入阴极催化剂层。 阻气材料层所具备的透气程度可以用下面的扩散公式来估算：
其中，/为单位面积产生的电流量，单位为(A/cm2》"为摩尔(mole)数， 在阴极催化剂层的反应中，l摩尔氧气对应于4摩尔的电子，因此"值为4; F为每摩尔电子的库仑(coul)量，其值约为96500库仑/摩尔；D为扩散系数 (diffusion coe迅cient),其单位为(cm々s), —般在空气中氧气的扩散系数约为 0,2 ~ 0.3 cmVs; JC为浓度差,单位为(mole/cm3)，在l大气压常温环境中， 1立方公分约有8.6xl0"摩尔的氧气；4y为扩散路径长度，单位为米。以阻 气材料层厚度为lxl(^米，阻气材料层的开孔率为1%为例，则用方程式(l)所计算出的电流值/为660 mA/cm2,此值还必须除以1.1 ~ 4，而其已足够 供应许多情况所需的发电量。
另外，请参照图2,其为依照本发明另一实施例所绘示的平面型燃料电 池组的结构示意图。如图2所示，本实施例的平面型燃料电池组IOO，与上 述实施例的平面型燃料电池组100类似，惟二者的主要差异在于：平面型 燃料电池组100，的阻气材料层108，配置于阴极多孔集电层104上，阻气材 料层108，中具有暴露出阴极多孔集电层104表面的多个开孔116，。而且， 阻气材料层108，与阴极多孔集电层104之间存在间隙(gap)。上述间隙的宽 度d介于0~ 1.5 cm之间。
本发明的平面型燃料电池组仅需在阴极多孔集电层上配置具有开孔的 阻气材料层，而且阻气材料层的开孔率在适当范围内，因此阴极催化剂层 能够得以减少水分蒸发，进而形成阴极催化剂层到阳极催化剂层的浓度梯 度差异，造成阴极催化剂层的水分向阳极催化剂层方向扩散，达到使阴极 催化剂层的水回收至阳极催化剂层再使用的目的，因此制造方式较为简单， 且整个燃料电池的所需的组件较少，所以可节省制造成本。另一方面，本 发明不需更改现行燃料电池中的薄膜电极组的内部结构，即可以简单且有 效的方式来进行阴极催化剂层的水回收。
值得注意的是，由于本发明的平面型燃料电池组可使阴极催化剂层的 水回收至阳极催化剂层再使用，因此可使用高浓度的燃料来进行反应，如 此一来可提高燃料的能量转换效率。
接着，将以图1的平面型燃料电池组100来详细说明平面型燃料电池
组的阴极催化剂层的水回收方法。
请再次参照图1，将燃料导入阳极多孔集电层106中，在此实施例中， 是使用曱醇(MeOH)水溶液当作燃料。当然，本发明的平面型燃料电池組的 燃料还例如是使用乙醇、丙醇或其它的合适燃料。另外，空气由阻气材料 层108的开孔116进入，经过阴极多孔集电层104与阴极气体扩散层114, 而传递至阴极催化剂层113。经由阳极催化剂层111的作用可使得甲醇水溶 液反应产生质子(H+)、电子(e-)与二氧化碳(C02)。上述所产生的质子会经由 质子交换膜110至阴极催化剂层113侧，电子则经由外电路到达阴极催化 剂层113侧，且经由阴极催化剂层113的作用可与空气所提供的氧形成水 (H20)。当阴极催化剂层113反应生成水之后，阻气材料层108可控制累积在阴极催化剂层113侧的水的蒸发速率，形成质子交换膜110左右两边的
水的浓度差，使阴极催化剂层113侧的水扩散至阳极催化剂层111侧，达
到回水的目标。
更详细而言，请参照图3,其绘示了本发明平面型燃料电池组的阴 极催化剂层侧所产生的水的蒸发机制。图3中仅绘示出阻气材料层， 而省略绘示出平面型燃料电池组的其它构件。如图3所示，在不同位 置产生的水蒸汽，其蒸发路径会不同。阴极催化剂层反应所生成的一 部份水蒸汽，会沿着蒸发路径118、 120穿过阻气材料层122的开孔124 而传送至大气中。另外，如蒸发路径128所示，其余的水蒸汽则会被 阻气材料层122所阻挡。由此可知，本发明的平面型燃料电池组的阻 气材料层可用以降低整体水蒸汽的蒸发速率，以提高湿度进而达到回 水的目的。
请再次参照图3，由蒸发路径118、 120、 128可明白，阻气材料层 122的开孔124的周围区域126是相对较干燥的区域。亦即是，开孔 124的周围区域126的湿度会比其余部分的阻气材料层122的湿度低。 因此，.为了更好地提高回水效果，在本发明的平面型燃料电池组中还 可配置有疏水性多孔材料层。以下，特举出多个实施例以进行详细说 明。
请参照图4,其为依照本发明的又一实施例所绘示的平面型燃料电 池组的结构示意图。如图4所示，本实施例的平面型燃料电池组200 与图1的平面型燃料电池组100类似，惟二者的主要差异在于：平面 型燃料电池组200还包括有疏水性多孔材料层202。疏水性多孔材料层 202配置在阴极多孔集电层104与阻气材料层108之间，且全面覆盖在 阴极多孔集电层104上。疏水性多孔材料层202的材质例如是聚四氟 乙烯、聚丙烯、聚醚砜或是表面与孔洞披覆有疏水处理的相关材质。疏水 性多孔材料层202的厚度例如约为100 nm~2mm。因为，此疏水性多 孔材料层202具有可保持水蒸汽的功能，所以可使阻气材料层108的 开孔116的正下方及周围区域的蒸发速率降低。换言之，在阻气材料 层108的开孔116周围区域不会存在相对干燥的区域，而阻气材料层 108上会存在有极高且均匀的湿度，如此一来可使回水效果更好地提高 且更加稳、定。请参照图5,其为依照本发明又一实施例所绘示的平面型燃料电池
组的结构示意图。如图5所示，本实施例之平面型燃料电池组200，与 图1之平面型燃料电池组100类似，惟二者的主要差异在于：平面型 燃料电池组200，还包括疏水性多孔材料层202，。疏水性多孔材料层 202，配置在阴极多孔集电层104与阻气材料层108之间，且位于阻气材 料层104的开孔116所暴露出的阴极多孔集电层108上。疏水性多孔 材料层202，的材质例如是聚四氟乙晞、聚丙烯、聚醚砜或是表面与孔洞 披覆有疏水处理的相关材质。疏水性多孔材料层202，的厚度例如约为100 |um~2mm。此疏水性多孔材料层202，不仅可降低阻气材料层108的开 孔116正下方及周围区域的蒸发速率，以提高回水效果；而且，疏水 性多孔材料层202，还可使阻气材料层108下方的水蒸汽横向扩散，如 此同样有助于使阻气材料层108上存在极高且均匀的湿度。
另外，本发明的实际测试数据，可如表一所示。表一中包括比较例1~ 2以及实验例1 ~ 7的测试结果，其中比较例1 ~ 2是以未配置阻气材料层的 平面型燃料电池组所做的测试，而实-验例1~2、 3-4、 5-6是以分别配置 厚度为100pm、 200)im、 400pm的阻气材料层的平面型燃料电池组所做的测 试。实验例7则是平面型燃料电池组配置厚度100 pm的阻气材料层与 500 |im的疏水性多孔材料层所做的测试。
表一