專利名稱：燃料電池模塊結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于燃料電池，特別是有關(guān)于一種平板式直接甲醇燃料電池模 塊結(jié)構(gòu)，可確實(shí)防止甲醇漏液?jiǎn)栴}。
背景技術(shù)：
如熟習(xí)該領(lǐng)域者所知，直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,簡(jiǎn)稱 為DMFC)是一種利用甲醇作為燃料，通過(guò)電化學(xué)程序?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換成電力的 發(fā)電裝置。與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相較，直接甲醇燃料電池具有低污染、低噪音、 高能量密度以及較高的能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)，乃具有前瞻性的干凈能源，可 應(yīng)用的領(lǐng)域包括家用發(fā)電系統(tǒng)、不斷電系統(tǒng)、電子產(chǎn)品、運(yùn)輸工具、軍用設(shè) 備、太空工業(yè)等。直接甲醇燃料電池的運(yùn)作原理乃以甲醇水溶液在陽(yáng)極觸媒層進(jìn)行氧化反 應(yīng)，產(chǎn)生氫離子(H")、電子(O以及二氧化碳(C02)，其中氫離子經(jīng)由電解質(zhì)傳 遞至陰極，電子則經(jīng)由外部電路傳遞至陰極，此時(shí)供給陰極端的氧氣會(huì)與氫 離子及電子在陰極觸媒層進(jìn)行還原反應(yīng)，并產(chǎn)生水。燃料電池一般皆由數(shù)個(gè) 基本單元所組成。由于每個(gè)基本單元所能提供的電壓很小，因此在應(yīng)用時(shí)必須串聯(lián)多個(gè)基本單元，以達(dá)到所需要的操作電壓輸出。在直接甲醇燃料電池組件的模塊結(jié)構(gòu)中，通常包括有集電片以及流道板， 分別扮演著不同重要的角色，其中集電片負(fù)責(zé)收集電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電子， 而流道板則是負(fù)責(zé)燃料流動(dòng)的分布與控制。流道板的部分主要著重在流道的 設(shè)計(jì)，使燃料能夠順利通過(guò)流道，而流入膜電極組(membrane electrode assembly, MEA)。目前的平板式直接甲醇燃料電池已發(fā)展至成熟實(shí)用階段，相較于過(guò)去燃 料電池具有更高的操作效能以及較佳的可靠度。然而，平板式直接甲醇燃料 電池模塊仍存有一些缺點(diǎn)需要進(jìn)一步克服及改良。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在提供一種改良的燃料電池模塊，可確實(shí)防止甲醇漏 液?jiǎn)栴}，以提升電池模塊的安全性。本發(fā)明提供一種燃料電池模塊，包含有一陽(yáng)極流道板，包含至少一陽(yáng)極 板，其中該陽(yáng)極板包括一陽(yáng)極支撐基板，其具有使用印刷電路板工藝所形成 的導(dǎo)線線路；及至少一陽(yáng)極集電片，其中該陽(yáng)極集電片固定于該陽(yáng)極支撐基 板上，并與該導(dǎo)線線路電鏈接； 一流道板，用以供給燃料及生成物流通；以 及至少一黏著材，其兩面分別與該陽(yáng)極板與該流道板相接觸；至少一陰極板， 包含一基材、至少一陰極集電區(qū)域及復(fù)數(shù)個(gè)穿孔，其中該陰極集電區(qū)域覆蓋 于該基材的正反兩面，其內(nèi)密布有復(fù)數(shù)個(gè)穿孔； 一膜電極組，包含有至少一 質(zhì)子交換膜； 一中間黏著材，如prepreg黏著材或者環(huán)氧樹(shù)脂，其具有一對(duì)應(yīng) 的開(kāi)口，用以容置該膜電極組；及至少一防漏黏著層，如包括PU系黏著材料 及硅膠(silicone)系樹(shù)脂，貼覆在該質(zhì)子交換膜上，介于該陽(yáng)極流道板與該質(zhì)子 交換膜之間，避免該中間黏著材與該質(zhì)子交換膜接觸，其中，該中間黏著材、 該膜電極組以及該防漏黏著層層迭壓合夾設(shè)在該陽(yáng)極流道板與該陰極板之 間，且該中間黏著材具有一對(duì)應(yīng)的開(kāi)口，用來(lái)容置該膜電極組，并使該膜電 極組的兩面分別與該陽(yáng)極流道板與該陰極板上的陰極集電區(qū)域相接觸。該防 漏黏著層與該質(zhì)子交換膜的黏著能力，較該中間黏著材為佳。為了使貴審查委員能更進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征及技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)參閱以 下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明與附圖。然而附圖僅供參考與輔助說(shuō)明用，并非用 來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制者。


圖1繪示的是本發(fā)明較佳實(shí)施例燃料電池模塊的爆炸示意圖, 圖2繪示的是圖1中燃料電池模塊的組立圖。 圖3為圖1中陽(yáng)極流道板的正面示意圖。 圖4為圖1中陽(yáng)極流道板的爆炸圖。圖5為本發(fā)明集電片的剖面示意圖。附圖標(biāo)號(hào)10陽(yáng)極流道板14a、 b 中間黏著材 18a、 b 防漏黏著層 101陽(yáng)極板110a、 b 陽(yáng)極集電片 114a、 b 導(dǎo)電線路 120a、 b 陰極集電區(qū)域 202導(dǎo)電層1燃料電池模塊 12陰極板 16膜電極組 100陽(yáng)極支撐基板 102 流道板 112a、 b金屬導(dǎo)片 116質(zhì)子交換膜 201 集電片底材 240 黏著材具體實(shí)施方式
,目前的平板式直接甲醇燃料電池已發(fā)展至成熟實(shí)用階段，且相較于過(guò)去 燃料電池具有更高的操作效能以及較佳的可靠度。然而，平板式直接甲醇燃 料電池模塊仍存有一些缺點(diǎn)需要進(jìn)一步克服及改良，例如，prepreg中間黏著 材與膜電極組(MEA)之間的接合力不佳，導(dǎo)致脫層(delamination)現(xiàn)象，并造 成惱人的甲醇漏液現(xiàn)象，這種甲醇漏液現(xiàn)主要發(fā)生在靠近MEA端。另外，在實(shí)際應(yīng)用上發(fā)現(xiàn)，甲醇漏液也可能發(fā)生在靠近陽(yáng)極集電片端， 其經(jīng)由集電片與其周圍黏著材之間的界面漏出，這主要是由于集電片耳部拗 折所造成的應(yīng)力，導(dǎo)致黏著效果不良，加上熱沖擊實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，金屬的熱漲冷縮造成黏著材與集電片間的界面損毀所致。上述的熱沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)耸歉鶕?jù)國(guó)際電器委員會(huì)(IEC)針對(duì)燃料電池模塊的安 全和性能所發(fā)布的安規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)所進(jìn)行者。請(qǐng)參閱圖1及圖2，其中圖1繪示的是本發(fā)明較佳實(shí)施例燃料電池模塊1 的爆炸示意圖，圖2繪示的是圖1中燃料電池模塊1的組立圖(以2W的燃料 電池為例)。如圖1及圖2所示，本發(fā)明較佳實(shí)施例燃料電池模塊1主要包含 有陽(yáng)極流道板10、陰極板(接觸空氣)12、中間黏著材14a及14b、膜電極組 (MEA)16以及防漏黏著層18a及18b，堆棧組裝而成，其中，陽(yáng)極流道板10 整合陽(yáng)極板101與流道板102而成(詳細(xì)結(jié)構(gòu)后面有清楚的描述)。中間黏著材14a及14b、膜電極組(MEA)16以及防漏黏著層18a及18b層 迭壓合夾設(shè)在陽(yáng)極流道板10與陰極板12之間，且中間黏著材14a及14b分 別具有對(duì)應(yīng)的開(kāi)口，用來(lái)容置膜電極組16，并使膜電極組16的兩面分別與陽(yáng) 極流道板IO上的陽(yáng)極集電片110a、 b以及陰極板12上的陰極集電區(qū)域120a、 b相接觸。陽(yáng)極集電片110a、 b負(fù)責(zé)收集燃料電池的甲醇氧化所產(chǎn)生的電子，且通過(guò) 集電片與陽(yáng)極支撐基板100的電路相連接，而將電子傳導(dǎo)出去。此外，其上 具有許多小孔洞，用途是提供電池反應(yīng)物與生成物流通的管道。陽(yáng)極集電片110a、 b的底材與陰極板12的基材可為金屬材料或非金屬材 料所構(gòu)成的復(fù)合材料，金屬材料可以是金、白金、銀、鋁、鉻、鈦、鎘等各 種金屬、金屬氧化物、金屬合金、不銹鋼等材質(zhì)，而非金屬材料可為碳、石 墨、FR4或FR5等材質(zhì)。并且陽(yáng)極集電片110a、 b的底材可利用電鍍、無(wú)電 電鍍、濺射或其它化學(xué)、物理沉積方法，將導(dǎo)電層附著于集電片底材上，而 該集電片底材的表面須完全覆蓋至少一層導(dǎo)電層；陰極板12可由印刷電路板 (PCB)、塑料板、石墨板或金屬板制作而成，較佳的陰極板12為利用印刷電 路板(PCB)制作而成，而印刷電路板中所指的基材一般指的是銅箔基板，在該 銅箔基板的底材可由玻纖強(qiáng)化高分子材料所構(gòu)成，但不限于此。該陰極板12包含一基材、至少一陰極集電區(qū)域120a、 b及復(fù)數(shù)個(gè)穿孔， 而該陰極板12利用曝光顯影工藝于其正反面定義出至少一個(gè)陰極區(qū)域，并于 該陰極區(qū)域進(jìn)行鉆孔工藝，以形成貫穿陰極板12與陰極區(qū)域的復(fù)數(shù)個(gè)穿孔， 在該陰極區(qū)域表面進(jìn)行電鍍、無(wú)電電鍍、濺射或其它化學(xué)、物理沉積工藝， 使該陰極區(qū)域的表面及其穿孔孔壁上覆蓋上至少一層導(dǎo)電層(圖未示)，以形成 一陰極集電區(qū)域120a、 b，該導(dǎo)電層材質(zhì)為導(dǎo)電金屬，例如銅、金、銀或鉑等。中間黏著材14a及14b其特性是要能夠與陽(yáng)極流道板10以及陰極板12 有良好穩(wěn)定的黏著能力， 一般的中間黏著材14a及14b的材質(zhì)為高分子黏著 材料，較合適的高分子黏著材料包括prepreg黏著材、環(huán)氧樹(shù)脂(epoxy)或者其 它高分子黏著材，高溫時(shí)會(huì)熱熔膠化固著，使陽(yáng)極流道板10與陰極板12黏 固。根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，質(zhì)子交換膜116為一碳氟系質(zhì)子交換膜，例 如杜邦公司的Nafion膜電極，但不限于此，其也可以為碳?xì)湎蒂|(zhì)子交換膜。本發(fā)明的第一個(gè)特征在于燃料電池模塊1中增設(shè)防漏黏著層18a及18b， 其沿著膜電極組16的外圍配置，并且配合膜電極組16的形狀成一框型，四 個(gè)邊具有適當(dāng)?shù)膶挾龋蛊淠軌蛏?、下各自黏住膜電極組16的質(zhì)子交換膜116 的外露邊緣，用意在避免膜電極組16的質(zhì)子交換膜116的外露邊緣直接與中 間黏著材14a及14b接觸。本發(fā)明防漏黏著層18a及18b與膜電極組16的質(zhì)子交換膜116及中間黏 著材14a及14b之間均有良好及穩(wěn)定的黏著能力，例如，PU(Polyurethane)系 黏著材料或者硅膠(silicone)系樹(shù)脂等等。由于防漏黏著層18a及18b能上、下各自黏住膜電極組16的質(zhì)子交換膜 116的外露邊緣，避免質(zhì)子交換膜116的外露邊緣直接與中間黏著材14a及14b 接觸，因此改善了原本膜電極組16的質(zhì)子交換膜116與中間黏著材14a及14b 黏著力不佳的問(wèn)題，故本發(fā)明可以確實(shí)阻斷甲醇漏液路徑。值得注意的是，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，也可以僅在膜電極組16與陽(yáng) 極流道板10之間設(shè)置防漏黏著層18a，而取消膜電極組16與陰極板12之間 的防漏黏著層18b，以節(jié)省材料與工藝，但同樣可達(dá)到改善黏著性并阻斷甲醇 漏液路徑的目的。本發(fā)明燃料電池模塊1的第二個(gè)重要特征在于其陽(yáng)極流道板IO的設(shè)計(jì)與 以往不同。請(qǐng)參閱圖3以及圖4，其中圖3為圖1中陽(yáng)極流道板10的正面示 意圖，而圖4為圖1中陽(yáng)極流道板10的爆炸圖。如圖3及圖4所示，陽(yáng)極流道板10包括一陽(yáng)極支撐基板100，其上有以 印刷電路板工藝形成的導(dǎo)電線路114a及114b，陽(yáng)極集電片110a及110b分別 壓合焊固在陽(yáng)極支撐基板100的相對(duì)應(yīng)開(kāi)口處，其中，陽(yáng)極集電片110a與導(dǎo) 電線路114a的一端電連接，而該集電片110b與導(dǎo)電線路114b的一端電連接。陽(yáng)極流道板10另包括可拗折的金屬導(dǎo)片112a及112b，其中，金屬導(dǎo)片 112a與導(dǎo)電線路114a的另一端電連接，金屬導(dǎo)片112b與導(dǎo)電線路114b的另 一端電連接，如此，在組裝后，通過(guò)金屬導(dǎo)片112a及112b的拗折，使得燃料 電池模塊1中的各個(gè)電池單元胞(cdlimit)可以構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)組態(tài)。需注意的是，本發(fā)明陽(yáng)極流道板10的金屬導(dǎo)片112a及112b與陽(yáng)極支撐 基板100以點(diǎn)焊或錫焊等方法連接，而陽(yáng)極集電片110a及110b與陽(yáng)極支撐基 板100的連接同樣以點(diǎn)焊或錫焊等方法完成。如圖4所示，陽(yáng)極支撐基板100、金屬導(dǎo)片112a及112b與陽(yáng)極集電片110a 及110b在分別焊接壓合后，即構(gòu)成一陽(yáng)極板101。而前述的陽(yáng)極板101、黏 著材240以及流道板102壓合后，即構(gòu)成陽(yáng)極流道板10。前述的黏著材240 包括prepreg黏著材或者環(huán)氧樹(shù)脂。由于金屬導(dǎo)片112a及112b與相對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極集電片110a及110b并無(wú)直接 接觸，而是分別通過(guò)預(yù)先以印刷電路板工藝在陽(yáng)極支撐基板100表面上所形 成的導(dǎo)電線路114a及114b構(gòu)成電連接，而金屬導(dǎo)片112a及112b與相對(duì)應(yīng)的 陽(yáng)極集電片110a及110b之間即形成凹陷處，其可在后續(xù)的組裝過(guò)程中被中間黏著材14a所填滿，因此，可以有效阻斷甲醇液體經(jīng)由金屬導(dǎo)片112a及112b 外漏的路徑。先前技藝中，由于集電片串并時(shí)拗折所造成的應(yīng)力，導(dǎo)致黏著效果不良， 加上熱沖擊實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，金屬的熱漲冷縮造成黏著材與集電片間的界面損 毀所致的甲醇漏液?jiǎn)栴}也因此能獲得改善。本發(fā)明的第三個(gè)重要特征在于陽(yáng)極集電片110a及110b的制作以不銹鋼做 為集電片底材201，例如SS316L，外襯以抗甲醇腐蝕的導(dǎo)電層202,例如 銅、金、銀或鉑等，其中又以銀的成本較為便宜，如圖5所示。導(dǎo)電層202 完全覆蓋不銹鋼集電片底材201，使其與甲醇溶液完全隔離。此外，集電片底 材201也可以由非金屬所構(gòu)成。在陽(yáng)極集電片110a及110b表面沉積銀的好處是其導(dǎo)電性較佳，且抗甲醇 腐蝕能力強(qiáng)，可以提高燃料電池模塊1的效能與耐用度。此外，金屬導(dǎo)片112a 及112b由于不會(huì)與甲醇接觸，因此可以使用銅作為其材料，但并不限于此。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變 化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池模塊，包含有一陽(yáng)極流道板，包含至少一陽(yáng)極板，其中該陽(yáng)極板包括一陽(yáng)極支撐基板，其具有使用印刷電路板工藝所形成的導(dǎo)線線路；及至少一陽(yáng)極集電片，其中該陽(yáng)極集電片是固定于所述的陽(yáng)極支撐基板上，并與所述的導(dǎo)線線路電鏈接；一流道板，用以供給燃料及生成物流通；以及一黏著材，其兩面分別與所述的陽(yáng)極板與流道板相接觸；至少一陰極板，包含一基材、至少一陰極集電區(qū)域及復(fù)數(shù)個(gè)穿孔，其中所述的陰極集電區(qū)域是覆蓋于所述的基材的正反兩面，其內(nèi)密布有復(fù)數(shù)個(gè)穿孔；一膜電極組，包含至少一質(zhì)子交換膜；一中間黏著材，其具有一對(duì)應(yīng)的開(kāi)口，用以容置所述的膜電極組；及一防漏黏著層，介于所述的陽(yáng)極流道板與所述的膜電極組之間，用來(lái)避免所述的中間黏著材與所述的質(zhì)子交換膜接觸，且所述的防漏黏著層與所述的質(zhì)子交換膜的黏著能力，較所述的中間黏著材為佳，其中，該中間黏著材、該膜電極組以及該防漏黏著層是層迭在所述的陽(yáng)極流道板與所述的陰極板之間，且所述的膜電極組的兩面分別與所述的陽(yáng)極流道板與所述的陰極集電區(qū)域相接觸。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的防漏黏著層材質(zhì)為 PU系黏著材料或硅膠系樹(shù)脂。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的中間黏著材為高分 子黏著材料。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃料電池模塊，其中，所述的高分子黏著材料為 prepreg黏著材或環(huán)氧樹(shù)脂。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的陽(yáng)極集電片為金屬底材或非金屬底材。
6. 如權(quán)利要求5所述的燃料電池模塊，其中，所述的金屬底材由金、白 金、銀、鋁、鉻、鈦、鎘、金屬氧化物、金屬合金或不銹鋼所構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求5所述的燃料電池模塊，其中，所述的非金屬底材為碳、 石墨、FR4或FR5。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的陰極集電區(qū)域由至 少一層導(dǎo)電層所構(gòu)成。
9. 如權(quán)利要求8所述的燃料電池模塊，其中，所述的導(dǎo)電層使用電鍍、 無(wú)電電鍍、濺射或化學(xué)或物理沉積方法形成。
10. 如權(quán)利要求9所述的燃料電池模塊，其中，所述的導(dǎo)電層由銅、金、 銀或鉑所構(gòu)成。
11. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的陽(yáng)極集電片以壓合、 點(diǎn)焊或錫焊固定在所述的陽(yáng)極支撐基板上。
12. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的陽(yáng)極集電片的底材 表面須完全覆蓋至少一層導(dǎo)電層。
13. 如權(quán)利要求12所述的燃料電池模塊，其中，所述的導(dǎo)電層利用電鍍、 無(wú)電電鍍、濺射或化學(xué)或物理沉積方法以覆蓋所述的陽(yáng)極集電片底材。
14. 如權(quán)利要求12所述的燃料電池模塊，其中，所述的導(dǎo)電層具有抗甲 醇腐蝕的特性。
15. 如權(quán)利要求12所述的燃料電池模塊，其中，所述的導(dǎo)電層由銅、金、 銀或鉑所構(gòu)成。
16. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的質(zhì)子交換膜為碳氟 系質(zhì)子交換膜或碳?xì)湎蒂|(zhì)子交換膜。
17. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的陰極板為印刷電路 板、塑料板、石墨板或金屬板所組成。
18. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池模塊，其中，所述的陽(yáng)極流道板另包括一可拗折的金屬導(dǎo)片，用以電連接陽(yáng)極支撐基板上的導(dǎo)電線路，以串聯(lián)或并 聯(lián)所述的燃料電池模塊中的各個(gè)電池單元胞。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料電池模塊，其中，所述的金屬導(dǎo)片與所述 的陽(yáng)極支撐基板以點(diǎn)焊或錫焊的方式相連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池模塊，包含有一陽(yáng)極流道板；一陰極板；一中間黏著材；一膜電極組，包含有一質(zhì)子交換膜；以及一防漏黏著層，貼覆在該質(zhì)子交換膜上，避免該中間黏著材與該質(zhì)子交換膜接觸；其中，該中間黏著材、該膜電極組以及該防漏黏著層是層迭壓合夾設(shè)在該陽(yáng)極流道板與該陰極板之間，且該防漏黏著層與該質(zhì)子交換膜的黏著能力，較該中間黏著材為佳。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101276926SQ200710149270
公開(kāi)日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者楊清森, 林志彥, 林昱志, 賴將文, 陳竣明 申請(qǐng)人:南亞電路板股份有限公司