流動(dòng)式鋅空氣燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明有關(guān)于一種鋅材料與空氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的燃料電池，尤指一種將負(fù)極(陽(yáng)極)鋅材料設(shè)計(jì)為可流動(dòng)泥狀樣態(tài)與空氣進(jìn)行反應(yīng)的鋅空氣燃料電池，讓燃料電池在毋須補(bǔ)充或替換負(fù)極(陽(yáng)極)材料或清除廢料的情況下能夠持續(xù)性地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力，也是衡量綜合國(guó)力，國(guó)家文明發(fā)展程度和人民生活水平的重要指標(biāo)，社會(huì)進(jìn)步的歷史表明，每一次能源技術(shù)的創(chuàng)新突破都給生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步帶來(lái)了重大而深遠(yuǎn)的變革，證明能源科技非常的重要，對(duì)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)有重要影響力。
[0003]對(duì)于二十一世紀(jì)來(lái)說(shuō)，環(huán)境保護(hù)已成為人類(lèi)社會(huì)永續(xù)發(fā)展為前提之下須即刻關(guān)心的世界公共課題，是持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心，是影響當(dāng)前世界各國(guó)的能源決策和科技導(dǎo)向的關(guān)鍵因素，同時(shí)，它也是促進(jìn)能源科技發(fā)展的巨大推動(dòng)力，20世紀(jì)所建立起來(lái)的龐大能源系統(tǒng)已無(wú)法適應(yīng)未來(lái)社會(huì)對(duì)高效、清潔、經(jīng)濟(jì)、安全的能源體系的要求，能源發(fā)展正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
[0004]隨著高分子電池的發(fā)及，新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使得不同種類(lèi)的高分子電池增加。同時(shí)也由于應(yīng)用3C產(chǎn)品領(lǐng)域的擴(kuò)及，使得更薄、更輕、更小的電池也將成為市場(chǎng)的主流。以固態(tài)高分子為固態(tài)電解質(zhì)的電池，其在安全性、加工性以及在高溫使用下都有非常好的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)椴挥脫?dān)心電解液因?yàn)榉庋b不完備，或是因?yàn)殡姵胤胖脮r(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致隔離膜內(nèi)電解液的減少影響電池性能，以及在高溫下使用能夠擁有較好的性能，這也就是固態(tài)高分子電池將會(huì)是將來(lái)電池發(fā)及很重要的突破。
[0005]電池的種類(lèi)能夠概分為化學(xué)電池及物理電池兩大類(lèi)，而化學(xué)電池又能夠再細(xì)分為一次電池、二次電池及燃料電池三種，其中，燃料電池又稱(chēng)作連續(xù)電池，其特色在于正、負(fù)極并無(wú)活性物質(zhì)的存在，而須通過(guò)外部持續(xù)地提供便能持續(xù)不斷地放電，正極(陰極)的部分由空氣14或氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，據(jù)此，無(wú)毒害等環(huán)保問(wèn)題的燃料電池又稱(chēng)作高效率的綠色能源。
[0006]人類(lèi)文明發(fā)展直至1970年代末期，高效率的鋅空氣電池由工業(yè)大量生產(chǎn)并能夠廣泛應(yīng)用低功率的電子產(chǎn)品中，例如:助聽(tīng)器及計(jì)算器等。1980年代至今，大型的鋅空氣電池逐漸地成為主流應(yīng)用于汽車(chē)，1990年代更應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)中。
[0007]而在各類(lèi)型的電池型態(tài)中，其中鋅空氣電池是現(xiàn)令所有以電解液為基礎(chǔ)的電池系統(tǒng)中能量密度最高者，除了安全可靠之外，鋅空氣電池還具備了低材料成本與易回收、低污染等優(yōu)點(diǎn)。一般鋅空氣電池是以氫氧化鉀為電解液，為了提高氧化鋅在電解液中的溶解度以防止電池極化現(xiàn)象，一般鋅空氣電池使用的氫氧化鉀莫耳濃度可高達(dá)8莫耳(M)。
[0008]由傳統(tǒng)舊式的整塊鋅塊作為負(fù)極(陽(yáng)極)發(fā)展至現(xiàn)有技術(shù)較常用的種類(lèi)主要可分為鋅板型電極I及鋅粒子型電極2，皆為不可充電式的原電池，請(qǐng)參閱圖1所示，鋅板型是將鋅金屬作成板狀11，其主要是包括有一板狀11的鋅陽(yáng)極板12、以及陰極板13，其中該鋅陽(yáng)極板12作為負(fù)極(陽(yáng)極)同時(shí)作為鋅空氣電池的燃料。該鋅空氣電池是以空氣14中的氧為氫原子的去極劑，空氣14是由陰極板13的側(cè)面擴(kuò)散進(jìn)入該鋅空氣電池結(jié)構(gòu)中。該鋅陽(yáng)極板12 —般是容置在一充滿(mǎn)電解液的電池容器中。此型式電池可以借著交換卡匣式的鋅電極配合電解液而再生。該鋅陽(yáng)極板12及陰極板13分別凸伸出有一連接凸片，以供連接引線(xiàn)。
[0009]其中，鋅板型電極I除了能夠由一密實(shí)的鋅金屬板所制成之外，還能夠由一多孔性的鋅金屬板所制成(圖未示)。前述多孔性的鋅金屬板的制造可以藉由燒結(jié)、涂布、混合一高分子黏結(jié)劑、黏合或電鍍等方式，將鋅顆粒固定于一網(wǎng)狀的惰性金屬基板上來(lái)完成，前述多孔性的鋅金屬板所構(gòu)成的陽(yáng)極的孔洞大小及分布狀態(tài)會(huì)影響該陽(yáng)極的性能及其的電容量的流失。
[0010]相對(duì)而言，請(qǐng)參閱圖2所示，鋅粒子型電極2為應(yīng)用于鋅空氣電池單體中，以填注的鋅顆粒21或鋅粉末(圖未示)作為陽(yáng)極以作為燃料，其工作原理與前述鋅陽(yáng)極板12的工作原理相似，空氣14同樣地是由陰極板13的側(cè)面擴(kuò)散進(jìn)入該鋅空氣電池結(jié)構(gòu)中，當(dāng)該鋅顆粒21或鋅粉末反應(yīng)完之后，只要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶畛浼从挚墒乖撾姵貑误w繼續(xù)供應(yīng)所需的電力。
[0011]鋅粒子型電極2的鋅空氣電池通常應(yīng)用于小型鈕扣電池，其具有作為電子助聽(tīng)器用的電池組的特定用途，該助聽(tīng)器包括可程序化型助聽(tīng)器。此種小型電池通常為碟狀圓筒形。
[0012]然而，現(xiàn)有的鋅粒子型電極2的運(yùn)用是直接使多個(gè)鋅金屬粒子分散于一電解液22 (electrolyte)中，再加上一電流收集器作為電極，以構(gòu)成一鋅空氣電池，且為避免該等鋅金屬粒子沉淀至該電解液22的底部，而影響放電的穩(wěn)定度，通常會(huì)加入一可使該電解液22形成膠狀的添加劑,例如:羧酸甲基纖維素(carboxymethyl cellulose),以使該等鋅金屬粒子可均勻分散于該電解液22中。
[0013]總結(jié)前述現(xiàn)有技術(shù)鋅空氣電池皆具備的缺失為:(I)燃料經(jīng)過(guò)反應(yīng)完畢后將產(chǎn)生完全氧化必須替換或補(bǔ)充的燃料及可能產(chǎn)生污染環(huán)境的廢料，須再加以額外填充或替換之；(II)陽(yáng)極的燃料為固態(tài)或半固態(tài)的型式，接觸空氣反應(yīng)的面積有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的主要目的在于提供一種將鋅空氣燃料電池的鋅電極設(shè)計(jì)為一可流動(dòng)樣態(tài)，使鋅電極在封閉式管路中的放電管路與充電管路之間循環(huán)流動(dòng)，并持續(xù)性地進(jìn)行氧化放電與還原充電的化學(xué)能轉(zhuǎn)電能的反應(yīng)，藉此毋須補(bǔ)充或更換其電池內(nèi)部的材料，亦不會(huì)產(chǎn)生多余廢料，既經(jīng)濟(jì)環(huán)保且零污染。
[0015]本發(fā)明的次要目的在于鋅空氣燃料電池采用管狀設(shè)計(jì)配合可流動(dòng)式鋅電極，當(dāng)鋅電極受到驅(qū)動(dòng)裝置作用產(chǎn)生流動(dòng)變化，尚未反應(yīng)的鋅電極將大幅增加與氧氣接觸的總面積比進(jìn)而提升燃料電池的放電功率。
[0016]本發(fā)明的又一目的在于驅(qū)動(dòng)裝置與充電管路分別設(shè)計(jì)為一對(duì)氧化鋅進(jìn)行還原反應(yīng)的正、負(fù)電極，藉以簡(jiǎn)化鋅空氣燃料電池的管路設(shè)計(jì)。
[0017]為達(dá)所述目的，本發(fā)明流動(dòng)式鋅空氣燃料電池，由一封閉式管路構(gòu)成，所述封閉式管路具有一放電管路及一連接于所述放電管路的充電管路，所述封閉式管路設(shè)有一可流動(dòng)并呈現(xiàn)為泥狀樣態(tài)的鋅電極，所述放電管路及充電管路之間設(shè)有至少一驅(qū)動(dòng)裝置，由所述驅(qū)動(dòng)裝置池續(xù)性地推動(dòng)所述鋅電極于所述放電管路及充電管路中流動(dòng)，且所述放電管路進(jìn)一步設(shè)有一加速所述鋅電極流動(dòng)位移的加壓裝置。
[0018]其中，所述鋅電極設(shè)為一包含有鋅金屬的化合物或混合物所構(gòu)成，所述鋅金屬可設(shè)為鋅顆粒或鋅粉末的其中之一或其混合。
[0019]而且，所述驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)有一驅(qū)動(dòng)源及一被所述驅(qū)動(dòng)源以單一方向驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行來(lái)回位移動(dòng)作的螺桿。
[0020]當(dāng)所述鋅電極于所述放電管路中氧化后，由所述驅(qū)動(dòng)裝置將所述鋅電極推動(dòng)至所述充電管路中，所述鋅電極于所述充電管路中逐漸被還原，再由所述驅(qū)動(dòng)裝置將所述鋅電極推動(dòng)至所述放電管路中形成一持續(xù)性循環(huán)產(chǎn)生電能的氧化還原反應(yīng)。
[0021]再者，由所述鋅電極的外圍包覆一金屬集電管，所述金屬集電管的材料設(shè)為由銅或鎳其中之一所制成，所述金屬集電管的外圍包覆一隔離膜，所述隔離膜的外圍包覆一空氣電極，于所述空氣電極的外圍包覆一具有多個(gè)供空氣進(jìn)入所述空氣電極的通孔的殼體，此由一層完整地包覆于另一層的特點(diǎn)配合本發(fā)明設(shè)計(jì)為管路的樣態(tài)使得空氣或氧氣能夠由本發(fā)明的外部的所有角度進(jìn)入與內(nèi)部的鋅電極接觸，再說(shuō)明之，由于本發(fā)明的鋅電極設(shè)為可流動(dòng)的材料并通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置及加壓裝置讓鋅電極能夠流動(dòng)替換實(shí)際上接觸到正極(陰極)的空氣或氧氣的機(jī)會(huì)，大幅地提升負(fù)極(陽(yáng)極)接觸正極(陰極)進(jìn)行氧化反應(yīng)的面積。
[0022]此外，本發(fā)明于一較佳實(shí)施例中，所述充電管路具有一與所述殼體連接的金屬網(wǎng)，由所述螺桿及所述金屬網(wǎng)設(shè)為一組能夠?qū)⑺龀潆姽苈分械难趸蟮匿\電極進(jìn)行還原反應(yīng)的正負(fù)電極。
[0023]相對(duì)而言，本發(fā)明于另一較佳實(shí)施例中，所述充電管路具有一與所述殼體連接的金屬管路，且所述金屬管路中進(jìn)一步設(shè)有一中空的金屬桿件，由所述金屬管路及所述金屬桿件設(shè)為一組能夠?qū)⑺龀潆姽苈分醒趸蟮牡匿\電極進(jìn)行還原反應(yīng)的正負(fù)電極，其中，所述金屬桿件表面具有多個(gè)氣孔，當(dāng)氧化后的鋅電極經(jīng)還原后產(chǎn)生的氧氣將進(jìn)入金屬桿件的氣孔導(dǎo)引排出。
[0024]由前述說(shuō)明可知，本發(fā)明的特點(diǎn)在于:當(dāng)鋅電極(負(fù)極)流經(jīng)放電管路氧化放電后，由驅(qū)動(dòng)裝置將鋅電極由放電管路推動(dòng)至充電管路中，鋅電極于充電管路流動(dòng)時(shí)逐漸被還原充電，再由驅(qū)動(dòng)裝置將還原后的鋅電極再推動(dòng)至放電管路中，由此路徑形成一持續(xù)性循環(huán)產(chǎn)生電能的氧化還原反應(yīng)，使本發(fā)明毋須再補(bǔ)充或手工更換其燃料電池內(nèi)部的負(fù)極材料，亦不會(huì)產(chǎn)生可能有害環(huán)境的廢料，既經(jīng)濟(jì)環(huán)保又能增加燃料電池的使用期限。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為現(xiàn)有帶有板狀鋅電極的鋅空氣電池的立體圖；
[0026]圖2為現(xiàn)有帶有鋅顆粒的鋅空氣電池單體的剖視圖；
[0027]圖3為本發(fā)明流動(dòng)式鋅空氣燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明充電管路局部區(qū)段的立體圖；
[0029]圖5