專利名稱：平面燃料電池組、燃料電池單體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池的電性連結(jié)方式，特別有涉及一種利用熱固性材料固著網(wǎng)狀導(dǎo)體與碳導(dǎo)電材料或觸媒電極的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池(Fuel Cell，F(xiàn)C)是一種利用化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，與傳統(tǒng)發(fā)電方式比較之下，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，是極具未來前瞻性的干凈能源，可應(yīng)用的范圍包括攜帶式電子產(chǎn)品、家用發(fā)電系統(tǒng)、運輸工具、軍用設(shè)備、太空工業(yè)以及大型發(fā)電系統(tǒng)等各種領(lǐng)域。
燃料電池的運作原理依其種類的不同會有些許差異，以直接甲醇型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)為例，甲醇水溶液在陽極觸媒層進行氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氫離子(H+)、電子(e-)以及二氧化碳(CO2)，其中氫離子可以經(jīng)由電解質(zhì)傳遞至陰極，而電子則經(jīng)由外部電路傳輸至負(fù)載做功之后再傳遞至陰極，此時供給陰極端的氧氣會與氫離子及電子于陰極觸媒層進行還原反應(yīng)并產(chǎn)生水。
因為燃料電池每個基本單元所能提供的電壓很小，所以在應(yīng)用時必須串聯(lián)多個單一電池，形成一個燃料電池組，才能達(dá)到所需求的操作電壓，而串聯(lián)時必須考慮如何將一個燃料電池單體的電荷，導(dǎo)引到下一個燃料電池單體，尤其是如何將一個燃料電池的陽極所產(chǎn)生的電子如何傳導(dǎo)到下一個電池的陰極。
如圖1所示，已知的燃料電池10包含由陽極觸媒電極12、質(zhì)子交換膜11加上陰極觸媒電極13，加上由碳布或碳紙作為氣體擴散層14所組合而成。此外，已知的燃料電池主要以鎖螺絲16的方式，使觸媒、氣體擴散層14與雙極板15(Bipolar plate)或端板17(End Plate)緊密接觸，以提供適當(dāng)?shù)碾娦越佑|與電性連結(jié)。
但是已知的電性連結(jié)方式存在一些問題，因為當(dāng)燃料電池以鎖螺絲的壓力提供電性連結(jié)時，壓力極易不均勻，因此會造成燃料電池內(nèi)電阻過大或是燃料傳遞困難。此外，已知的方法必須預(yù)留鎖螺絲的空間，因此組裝密度較低，尤其是對于小型攜帶式電源的平面式燃料電池組而言，因為在一個平面中必須組裝數(shù)個燃料電池單體，其組裝密度將大幅下降到30％-50％，無法滿足較高功率密度的需求。
在美國專利US6,127,058中有提出一種以絕緣框搭配金屬扣環(huán)固定電流集結(jié)材料與觸媒層的結(jié)構(gòu)，可作為另一平面式燃料電池電性接觸固定的方法。但是僅以邊框處金屬扣環(huán)所提供的機械壓力，不易達(dá)到完全的電性接觸，且以絕緣框壓住反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的碳布，在被壓住的區(qū)域內(nèi)，觸媒無法有效反應(yīng)，因此電池的效率較差。再者施加壓力的螺絲或扣環(huán)，除組裝費時外，亦需占據(jù)一些裝配面積，使得單位面積上的反應(yīng)面積比例縮小，因此功率密度將大為降低。
傳統(tǒng)兩燃料電池的單體串聯(lián)時，主要以雙極板(Bipolar plate)透過機械壓力使電池組串聯(lián)并分隔陰陽極的燃料，如圖1所示，但是在小型化的應(yīng)用方面，需要平面型的平面燃料電池組設(shè)計。平面式燃料電池組的設(shè)計，一直以來已有相當(dāng)多的串聯(lián)方式被提出，如Rongzhong et.al.(J.ofPower Source，93，2001，25-31)，A.Heinzel et.al.(ElectrochemicaActa，43，1998，3817-3820)，S.J.Lee et.al.(J.of power Source，112，2002，410-418)等所提出的方式，這其中最簡單的做法即以一導(dǎo)電材料，直接穿過質(zhì)子交換膜，將前一電池的陰極與下一相鄰電池的陽極串聯(lián)。實際做法可以是如美國專利US6,410,180所公開的，在一網(wǎng)狀導(dǎo)體不同區(qū)域的兩面，分別涂上以不導(dǎo)電膠材如PTFE，加上導(dǎo)電的碳布或切碎的碳纖維均勻混合，涂布在網(wǎng)狀導(dǎo)體上以形成具氣體擴散功能的導(dǎo)電層，再將此氣體擴散層與陰陽極觸媒層熱壓合成膜電極組串聯(lián)的部分。
此方法采用已知的涂布方式，但是因為在一多孔材質(zhì)上的涂布通常較為困難，而且必須面對一多孔導(dǎo)體的兩面的不同區(qū)域都需要涂布，而且可能的涂布材料比例也不相同，所以整體制程并不容易控制。再者，氣體擴散層以涂布的方式制作，所產(chǎn)生的孔洞較傳統(tǒng)用碳布所產(chǎn)生的孔洞還小，必須有效降低涂層以及多孔導(dǎo)體基材的厚度，使得導(dǎo)電度以及相關(guān)制程穩(wěn)定度不易維持。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的第一個目的是提供一種取代已知用螺絲機械壓力固定的電性連結(jié)方式，以增加平面式燃料電池的組裝密度及單位面積上有效的反應(yīng)面積比例。
本發(fā)明的第二目的是提出一種簡單的方法，利用一熱固化特性的材料，作為網(wǎng)狀導(dǎo)體與碳布材料的電接觸固著物，透過熱壓方式固化之后，確保燃料電池具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性，且同時可降低組裝的困難度。
本發(fā)明的第三目的是提供一種可以大量組裝的平面燃料電池組的制作方法，提供簡易的電性串聯(lián)方式，透過一網(wǎng)狀導(dǎo)體不同區(qū)域的兩面，同時透過熱壓固化的制程，將相鄰兩電極組的陰陽極串聯(lián)起來，具有制程簡便、穩(wěn)定度高的優(yōu)點，降低燃料電池組裝成本與提升其商業(yè)價值。
本發(fā)明的第四目的，還提供一種可以大量組裝的平面燃料電池組的制作方法，透過熱壓固化的制程，將膜電極組的陰陽極分別與網(wǎng)狀導(dǎo)體固著，透過一個兩電池相鄰邊的部份，將兩電池串聯(lián)，此平面燃料電池組具有制程簡便、穩(wěn)定度高的優(yōu)點。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池單體的制造方法，包括下列步驟提供一質(zhì)子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電極，并將陽極觸媒電極與陰極觸媒電極以熱壓方式固定于質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，形成一膜電極組；接著提供二網(wǎng)狀導(dǎo)體，將具有熱固化特性的一粘合膠涂布于網(wǎng)狀導(dǎo)體表面；最后將網(wǎng)狀導(dǎo)體以熱壓方式固定于膜電極組表面。
在一較佳實施例中，膜電極組的表面具有二多孔性導(dǎo)電材料，而多孔性導(dǎo)電材料可由碳布或碳紙所構(gòu)成。
在一較佳實施例中，網(wǎng)狀導(dǎo)體由鎳、鈦、銅、鋁等材料或其合金所構(gòu)成，且其表面鍍有金、鉑、銠或釕等貴金屬，以防止金屬網(wǎng)腐蝕。
在一較佳實施例中，粘合膠由環(huán)氧樹酯、PU(聚氨酯)或PI(聚酰亞胺)等材料所構(gòu)成，粘合膠為厚度介于1-100微米之間的固態(tài)膜狀物，透過加熱轉(zhuǎn)印的方式附著于網(wǎng)狀導(dǎo)體表面，而在粘合膠中亦可添加導(dǎo)電微粒，以增加導(dǎo)電度。
又，在上述轉(zhuǎn)印固態(tài)膜狀物的步驟中，操作溫度介于25℃至100℃之間。而熱壓網(wǎng)狀導(dǎo)體的步驟中，熱壓的溫度介于100℃至250℃之間，熱壓的壓力介于1Mpa至50Mpa之間。
本發(fā)明另提供一種燃料電池單體，包括一膜電極組及二網(wǎng)狀導(dǎo)體。其中膜電極組具有一質(zhì)子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電極，陽極觸媒電極與陰極觸媒電極分別設(shè)置于質(zhì)子交換膜的兩側(cè)；網(wǎng)狀導(dǎo)體是以具有熱固化特性的粘合膠固定于膜電極組表面。
在一較佳實施例中，燃料電池單體另具有二多孔性導(dǎo)電材料，多孔性導(dǎo)電材料可設(shè)置于膜電極組與網(wǎng)狀導(dǎo)體間，或是以粘合膠設(shè)置于網(wǎng)狀導(dǎo)體外側(cè)。又，多孔性導(dǎo)電材料可由碳布或碳紙所構(gòu)成。
此外，本發(fā)明另提供一種平面燃料電池組，包括一絕緣框架及多個燃料電池單體。上述絕緣框架具有多個開口，燃料電池單體即設(shè)置于絕緣框架上，覆蓋各個開口。其中燃料電池單體均包括一膜電極組；二網(wǎng)狀導(dǎo)體以具有二次固化特性的粘合膠粘合固定于膜電極組的表面，其中相鄰的燃料電池單體上的網(wǎng)狀導(dǎo)體相互電性連接，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃料電池單體的陰極。
在一較佳實施例中，膜電極組的表面具有二多孔性導(dǎo)電材料，而多孔性導(dǎo)電材料可由碳布或碳紙所構(gòu)成。
在另一實施例中，粘合膠具熱固性，亦可以液態(tài)膠涂布于網(wǎng)狀導(dǎo)體表面，經(jīng)烘干后再以熱壓方式固定于該膜電極組表面。其中，烘干步驟的操作溫度介于60℃至200℃之間。
在一較佳實施例中，網(wǎng)狀導(dǎo)體由鎳、鈦、銅、鋁等材料或其合金所構(gòu)成，且其表面鍍有金、鉑、銠或釕等貴金屬，以防止金屬網(wǎng)腐蝕。
在一較佳實施例中，粘合膠由環(huán)氧樹酯、PU或PI等材料所構(gòu)成，粘合膠為厚度介于1-100微米之間的固態(tài)膜狀物，透過加熱轉(zhuǎn)印的方式附著于網(wǎng)狀導(dǎo)體表面，而在粘合膠中亦可添加導(dǎo)電微粒，以增加導(dǎo)電度。
在一較佳實施例中，燃料電池單體是以一防水膠固定于絕緣框架上。
在一較佳實施例中，絕緣框架包括第一部份及第二部份，第一部份在開口周圍具有凸出部，第二部份在開口周圍具有與凸出部相配合的凹陷部，藉以固定各個燃料電池單體用于串聯(lián)的網(wǎng)狀導(dǎo)體。
在一較佳實施例中，絕緣框架具有介于開口之間的多個間隔部，且間隔部中埋設(shè)有多個串聯(lián)電極，而相鄰的燃料電池單體上的網(wǎng)狀導(dǎo)體分別與串聯(lián)電極電性連接，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃料電池單體的陰極。
在上一實施例中，絕緣框架還包括第一部份及第二部份，利用一粘合膠將膜電極組固定在絕緣框架的第一部份與第二部份間。
在一較佳實施例中，燃料電池單體是交替設(shè)置于該框架的外側(cè)及內(nèi)側(cè)，以簡化串聯(lián)電極與個別網(wǎng)狀導(dǎo)體間的電接觸。
在一較佳實施例中，兩組平面式燃料電池組，可以透過絕緣框架內(nèi)埋的導(dǎo)體，與絕緣框架共同形成一圍封空間。又內(nèi)埋導(dǎo)體也可以利用一內(nèi)埋導(dǎo)體的軟性基板來完成。
在一較佳實施例中，絕緣框架由樹酯強化纖維板或是陶瓷基板所構(gòu)成，且絕緣框架具有多個燃料通孔，燃料電池的燃料可由燃料通孔注入圍封空間中。
由以上可知，本發(fā)明的電性連結(jié)方式，可大幅增加平面式燃料電池的組裝密度及單位面積上有效的反應(yīng)面積比例，且利用一具有二次固化特性的熱固化材料，作為網(wǎng)狀導(dǎo)體與碳布材料的電接觸固著物，亦可確保燃料電池具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性，同時又可降低組裝的困難度，因此，可降低平面燃料電池組的制造成本，并大幅提升其商業(yè)價值。
圖1為傳統(tǒng)堆棧型燃料電池的剖面圖。
圖2A為本發(fā)明制造方法中，將具有二次固化特性的粘合膠轉(zhuǎn)印至金屬網(wǎng)的示意圖。
圖2B為圖2A中，粘合膠轉(zhuǎn)印后，金屬網(wǎng)的剖面圖。
圖3A為本發(fā)明燃料電池單體的剖面圖。
圖3B為圖3A中區(qū)域a的放大示意圖。
圖3C為本發(fā)明另一燃料電池單體的剖面圖。
圖4A為本發(fā)明第一實施例平面燃料電池組的剖面圖。
圖4B至圖4D為本發(fā)明第一實施例平面燃料電池組的其它實施樣態(tài)。
圖5A為本發(fā)明第二實施例平面燃料電池組的組合圖。
圖5B為本發(fā)明第二實施例平面燃料電池組的剖面圖。
圖6為本發(fā)明第三實施例平面燃料電池組的剖面圖。
具體實施例方式
為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖示，作詳細(xì)說明如下圖2A為本發(fā)明燃料電池的制造方法中，將具有二次固化特性的粘合膠轉(zhuǎn)印至網(wǎng)狀導(dǎo)體的示意圖。如圖2A所示，本發(fā)明所提供的燃料電池電性連結(jié)方法主要是利用具有二次固化特性的熱固性粘合膠，如環(huán)氧樹酯、PU或PI等材料，形成一固態(tài)膜狀物22，以加壓的方式將粘合膠轉(zhuǎn)印至網(wǎng)狀導(dǎo)體21上，其中環(huán)氧數(shù)酯可參考美國US6,627,684號發(fā)明專利，而上述轉(zhuǎn)印制程的操作溫度介于25℃至100℃之間，且固態(tài)膜狀物22的厚度介于1-100微米之間。
又上述熱固性粘合膠，亦可以液態(tài)膠刷涂、噴涂等方法涂布于網(wǎng)狀導(dǎo)體表面，經(jīng)烘干后再以熱壓方式固定于該膜電極組表面。其中，烘干步驟的操作溫度介于60℃至200℃之間。
圖2B為圖2A中粘合膠轉(zhuǎn)印后，網(wǎng)狀導(dǎo)體的剖面圖。如圖2B所示，網(wǎng)狀導(dǎo)體21為鎳、鈦、銅、鋁等材料或其合金所構(gòu)成的金屬網(wǎng)，且其表面鍍有金、鉑、銠或釕等貴金屬所構(gòu)成的抗蝕層211，可防止金屬網(wǎng)被氧化腐蝕。此外，粘合膠22透過加熱轉(zhuǎn)印的方式附著于網(wǎng)狀導(dǎo)體21表面，而在粘合膠22中亦可添加導(dǎo)電微粒221，如金、鈦或碳微粒，以增加導(dǎo)電度。
圖3A為本發(fā)明燃料電池單體的剖面圖，圖3B為圖3A中區(qū)域a的放大示意圖。如圖3A所示，燃料電池單體30包括一膜電極組31及二網(wǎng)狀導(dǎo)體33。膜電極組31具有一質(zhì)子交換膜311、一陽極觸媒電極312與一陰極觸媒電極314，陽極觸媒電極312與陰極觸媒電極314分別設(shè)置于質(zhì)子交換膜311的兩側(cè)。而膜電極組31是以已知熱壓或涂布的方式而成。
本發(fā)明的膜電極組31的表面另具有兩層以多孔的碳布或碳紙所組成的氣體擴散層32，此二氣體擴散層32可在制作膜電極組31時，與陽極觸媒電極312、質(zhì)子交換膜311及陰極觸媒電極314一起熱壓成形，作為膜電極組31的一部份，可使本發(fā)明的燃料電池單體30具有較佳的氣體擴散特性及導(dǎo)電度。
請參考圖2B及圖3A-3B，當(dāng)膜電極組31熱壓完成，且金屬網(wǎng)完成粘合膠的轉(zhuǎn)印制程后，即可以將金屬網(wǎng)33以熱壓方式固定于膜電極組表面，在熱壓的過程中，粘合膠22會因外加的壓力而流動，形成如圖3B所示的狀態(tài)，最后因為外加的高溫而使金屬網(wǎng)33固定于氣體擴散層32表面。其中上述熱壓制程的的操作溫度介于100℃至250℃之間，操作壓力介于1Mpa至50Mpa之間，熱壓時間約1-5分鐘。
在一較佳的實施例中，操作溫度為160℃，操作壓力為30Mpa，而熱壓時間為3分鐘時，金屬網(wǎng)33與氣體擴散層32之間的導(dǎo)電性會較佳。
此外，本發(fā)明的燃料電池單體30亦可以省略氣體擴散層32，直接以粘合膠22將金屬網(wǎng)33固定于陽極觸媒電極312與陰極觸媒電極314上；或是金屬網(wǎng)33先以粘合膠22熱壓固定于陽極觸媒電極312與陰極觸媒電極314上，再以粘合膠22壓熱固定氣體擴散層32，形成如圖3C所示30′的結(jié)構(gòu)。
第一實施例圖4A為本發(fā)明第一實施例平面燃料電池組的剖面圖，為了簡化圖示，圖4A僅以兩個燃料電池單體串聯(lián)成一平面型平面燃料電池組，但本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)并不限定于兩個燃料電池單體。
如圖4A所示，平面燃料電池組40具有二個如前所述的燃料電池單體30a、30b，一承載燃料電池單體的絕緣框架42以及二流道板43a、43b。一金屬網(wǎng)41的兩面分別以粘合膠固定于燃料電池單體30a的陰極觸媒電極上以及燃料電池單體30b的陽極觸媒電極上，作為二燃料電池單體30a、30b的串聯(lián)電極，接著再以PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)、樹酯強化纖維等高分子化合物、或陶瓷基板等以制成絕緣框架42，以固定燃料電池單體30a、30b，而此絕緣框架42中央的間隔部亦可保護串聯(lián)金屬網(wǎng)41的彎折部411不會斷裂。
如圖4B所示，平面燃料電池組40的串聯(lián)電極可分別以二金屬網(wǎng)，于絕緣框架之間隔部中相互連接。
圖4C為第一實施例燃料電池組的另一實施樣態(tài)，如圖4C所示，平面燃料電池組40′亦可以埋設(shè)于絕緣框架中央的間隔部內(nèi)的串聯(lián)電極與金屬網(wǎng)41a，41b電性連接，其連接方式可用二次固化膠粘合，或是直接以熱壓方式固定，或是錫焊以串聯(lián)二燃料電池單體30a、30b，形成平面配置的燃料電池組。
請再參閱圖4D，圖4D中的絕緣框架可與傳統(tǒng)的流道板相結(jié)合，其包括可相互對應(yīng)結(jié)合的一第一部份42a及一第二部份42b，其中第一部份42a在開口周圍的間隔部處具有凸出部421，第二部份42b在開口周圍的間隔部處具有與凸出部421相配合的凹陷部422。當(dāng)要組裝平面燃料電池組40″時，可先將燃料電池單體30a，30b放置在第一部份42a上，再將第二部份42b壓合于第一部份上，此時，利用凸出部421及凹陷部422的外形，可輕易使網(wǎng)狀導(dǎo)體411a，411b串聯(lián)固接在一起，以進一步增加固著度。
由于本發(fā)明第一實施例圖4A至圖4D的平面燃料電池組40，40′是以粘合固定的金屬網(wǎng)作為引出電荷的電極，因此，在平面燃料電池組40及40′中，流道板43a，43b的材質(zhì)可以不需要是具有導(dǎo)電特性的石墨板，而可以采用PC、PE等高分子化合物以制成二片具有多個燃料通道431a，431b的流道板43a，43b，再以防水膠44粘合固定于絕緣框架42上即可。故第一實施例的平面燃料電池組40的組裝方式較傳統(tǒng)的平面燃料電池組簡單，而且可適用于傳統(tǒng)的氫氧燃料電池(PEMFC)或是直接甲醇燃料電池(DMFC)。
此外，第一實施例中所使用的燃料電池單體亦可以省略氣體擴散層，直接以粘合膠將金屬網(wǎng)固定于陽極觸媒電極與陰極觸媒電極上；或是金屬網(wǎng)先以粘合膠熱壓固定于陽極觸媒電極與陰極觸媒電極上，再以粘合膠壓熱固定氣體擴散層，形成如圖3C所示的結(jié)構(gòu)。
第二實施例圖5A為本發(fā)明第二實施例平面燃料電池組的組合圖，圖5B為第二實施例平面燃料電池組的剖面圖。為了簡化圖示，圖5A、5B僅以四個燃料電池單體串聯(lián)成一平面燃料電池組，但本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)并不限定于四個燃料電池單體。
如圖5A所示，平面燃料電池組50包括一絕緣框架及多個燃料電池單體30a-30d。上述絕緣框架包括一圍封部51及二支承部52a、52b，圍封部51為一方形絕緣框體，用于卡合固定支承部52a、52b，在圍封部51的一側(cè)則埋設(shè)一串聯(lián)電極511；支承部52a、52b為一具有二矩形開口521的絕緣框，燃料電池單體30a-30d即分別設(shè)置于支承部52a，52b上，覆蓋各個開口521。其中，絕緣框架的二支承部52a、52b亦可以如圖4D所示的方式制作，再將二支承部52a，52b與圍封部51結(jié)合，而絕緣框架的圍封部51及支承部52a、52b是以PC、PE、樹酯強化纖維等高分子化合物、或陶瓷基板等所制成的。
燃料電池單體30a-30d的結(jié)構(gòu)如圖3A所示，各具有一由質(zhì)子交換膜、陽極觸媒電極與陰極觸媒電極熱壓而成的膜電極組，并另具有以碳布或碳紙所構(gòu)成的氣體擴散層。
如圖5A及圖5B所示，當(dāng)制作本發(fā)明第二實施例所述的平面燃料電池組50時，先將一金屬網(wǎng)55a-55d以具有二次固化特性的粘合膠熱壓固定在各燃料電池單體30a-30d的一面上，再將一串聯(lián)金屬網(wǎng)54a、54b分別連結(jié)一燃料電池單體的陽極觸媒電極及另一燃料電池單體的陰極觸媒電極，形成二串聯(lián)的燃料電池模塊。接著，以防水膠將燃料電池單體30a-30d固定于支承部52a、52b上，并使燃料電池單體30a-30d完全覆蓋各個開口521。接著，再以防水膠將二支承部固定于圍封部51上，使燃料電池單體30a-30d與絕緣框架51，52a、52b共同形成一可容置液態(tài)燃料的圍封空間53，最后再以導(dǎo)電膠或是焊接的方式連接金屬網(wǎng)55b、串聯(lián)電極511及金屬網(wǎng)55c，使燃料電池單體30a-30d構(gòu)成一完整的串聯(lián)回路。其中，金屬網(wǎng)55a，55b可分別作為整個平面燃料電池組50的正、負(fù)極，而上述金屬網(wǎng)54a、54b，55a-55d的材質(zhì)可以是鈦、表面鍍金的銅、表面鍍金的鎳或表面鍍金的其它金屬。
此外，第二實施例的平面燃料電池組可適用于直接甲醇燃料電池(DMFC)，各燃料電池單體30a-30d的陽極觸媒層緊鄰于圍封空間53，因此，甲醇水溶液可由圍封部51的燃料通孔512導(dǎo)入圍封空間53中，以提供平面燃料電池組50反應(yīng)所需的燃料。而平面燃料電池組反應(yīng)所需的氧氣，則可直接由外界大氣獲得，或是另以一空氣由絕緣框架的外側(cè)提供。
第三實施例圖6為本發(fā)明第三實施例平面燃料電池組的剖面圖。為了簡化圖示，圖6僅以六個燃料電池單體串聯(lián)成一平面燃料電池組，但本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)并不限定于六個燃料電池單體。
在制作如圖5A所示的平面燃料電池模塊時(二個串聯(lián)的燃料電池單體)，由于作為串聯(lián)電極的金屬網(wǎng)54a不易彎折，平面燃料電池模塊會有翹曲的現(xiàn)象，且在熱壓串聯(lián)電極的金屬網(wǎng)時，也較為困難，因此，本發(fā)明提供另一種模塊化平面燃料電池組的實施方式。如圖6所示，平面燃料電池組60包括一絕緣框架及多個燃料電池單體30a-30f。上述絕緣框架包括一圍封部61及二支承部62a、62b，圍封部61與第二實施例相同，為一方形絕緣框體，用于卡合固定支承部62a、62b，在圍封部61的一側(cè)則埋設(shè)一串聯(lián)電極61c；二支承部62a、62b為具有三個方形開口的絕緣框，燃料電池單體30a-30f即分別設(shè)置于支承部62a、62b上，覆蓋各個開口。其中，絕緣框架的圍封部61及支承部62a、62b是以PC、PE、樹酯強化纖維等高分子化合物、或陶瓷基板等所制成的，二支承部各具有多個串聯(lián)電極61a、61b、61d、61e，分別埋設(shè)于矩形開口之間的間隔部64a-64d內(nèi)，用于連結(jié)相鄰燃料電池單體上的金屬網(wǎng)，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極觸媒電極與下一級燃料電池單體的陰極觸媒電極。
燃料電池單體30a-30f的結(jié)構(gòu)如圖3A所示，各具有一由質(zhì)子交換膜、陽極觸媒電極與陰極觸媒電極熱壓而成的膜電極組，并另具有以碳布或碳紙所構(gòu)成的氣體擴散層。
如圖6所示，為了使平面燃料電池組60不會發(fā)生翹曲的情形，燃料電池單體30b、30e分別設(shè)置于絕緣框架的內(nèi)側(cè)，使燃料電池單體30a-30f交替設(shè)置于絕緣框架的外側(cè)與內(nèi)側(cè)。當(dāng)制作本發(fā)明第三實施例所述的平面燃料電池組60時，可先將金屬網(wǎng)33a-33l以具有二次固化特性的粘合膠熱壓固定在各燃料電池單體30a-30f上，再以防水膠將燃料電池單體30a-30f交替固定于支承部62a、62b上的內(nèi)、外兩側(cè)，并使燃料電池單體30a-30f完全覆蓋各個開口，防止圍封空間63內(nèi)的液態(tài)燃料泄漏。接著，以導(dǎo)電膠或是焊接的方式分別連接金屬網(wǎng)33b-33e，33g-33l與串聯(lián)電極61a、61b、61d、61e，形成二串聯(lián)的平面燃料電池模塊，再將此二模塊以防水膠固定于圍封部61上，使燃料電池單體30a-30f與絕緣框架61、62a、62b共同形成一可容置液態(tài)燃料的圍封空間63。最后，再以導(dǎo)電膠或是焊接的方式連接串聯(lián)電極61c及金屬網(wǎng)33f、33g，使燃料電池單體30a-30f構(gòu)成一完整的串聯(lián)回路。其中，金屬網(wǎng)33a、33l可分別作為整個平面燃料電池組60的正、負(fù)極，而上述金屬網(wǎng)33a-33l的材質(zhì)可以是鈦、表面鍍金的銅、表面鍍金的鎳或表面鍍金的其它金屬。
此外，第三實施例的平面燃料電池組60可適用于直接甲醇燃料電池(DMFC)，各燃料電池單體30a-30f的陽極觸媒層緊鄰于圍封空間63，因此，甲醇水溶液可由圍封部61的燃料通孔(未顯示)導(dǎo)入圍封空間63中，以提供平面燃料電池組60反應(yīng)所需的燃料。而平面燃料電池組反應(yīng)所需的氧氣，則可直接由外界大氣獲得，或是另以一空氣由絕緣框架的外側(cè)提供。
其次，封圍空間63也可以作為空氣或氧氣的流道，此時改以陰極面對封圍空間63的內(nèi)部，而甲醇燃料改為由外部供應(yīng)，而此設(shè)計也可以應(yīng)用在氫氣燃料電池，以氫氣及氧氣分別由外部流道及內(nèi)部封圍空間63通過各燃料電池單體表面，以進行反應(yīng)。由以上可知，本發(fā)明的電性連結(jié)方式，可大幅增加平面式燃料電池的組裝密度及單位面積上有效的反應(yīng)面積比例，且利用一具有二次固化特性的熱固化材料，作為網(wǎng)狀導(dǎo)體與碳布材料的電接觸固著物，亦可確保燃料電池具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性，同時又可降低組裝的困難度，因此，可降低平面燃料電池組的制造成本，并大幅提升其商業(yè)價值。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
符號說明10傳統(tǒng)燃料電池11質(zhì)子傳導(dǎo)膜12陽極觸媒電極13陰極觸媒電極14氣體擴散層15雙極板151，152流道16螺絲21金屬網(wǎng)22固態(tài)膜狀物221導(dǎo)電粒子30，30′，30a-30f燃料電池單體31膜電極組311質(zhì)子交換膜312陽極觸媒電極313陽極觸媒314陰極觸媒電極315陰極觸媒
32氣體擴散層33，33a-33l；金屬網(wǎng)40，40′，40″平面燃料電池組41串聯(lián)金屬網(wǎng)411彎折部42絕緣框架42a第一部份42b第二部份421凸出部422凹陷部43a，43b流道板431a，431b流道44防水膠45串聯(lián)電極50，60平面燃料電池組51，61絕緣框架511，61a-61e串聯(lián)電極512燃料通孔52a，52b，62a，62b支承部521開口53，63圍封空間54a，54b串聯(lián)金屬網(wǎng)55a-55d金屬網(wǎng)64a-64d間隔部
權(quán)利要求
1.一種燃料電池單體的制造方法，其特征在于包括下列步驟提供一質(zhì)子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電極；將該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極結(jié)合于該質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，形成一膜電極組；提供二網(wǎng)狀導(dǎo)體；將具有二次固化特性的一粘合膠轉(zhuǎn)印至該網(wǎng)狀導(dǎo)體表面；以及將該網(wǎng)狀導(dǎo)體以熱壓方式固定于該膜電極組表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述膜電極組表面另具有二多孔性導(dǎo)電材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述多孔性導(dǎo)電材料由碳布或碳紙所構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述網(wǎng)狀導(dǎo)體由鎳、鈦、銅、鋁等材料或其合金所構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述網(wǎng)狀導(dǎo)體的表面鍍有金、鉑、銠或釕等貴金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述粘合膠由環(huán)氧樹酯、PU或PI等材料所構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述粘合膠形成一固態(tài)膜狀物，透過加熱轉(zhuǎn)印的方式附著于該網(wǎng)狀導(dǎo)體表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述固態(tài)膜狀物中具有多個導(dǎo)電微粒，以增加導(dǎo)電度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述固態(tài)膜狀物的厚度介于1-100微米之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于轉(zhuǎn)印固態(tài)膜狀物的步驟中，操作溫度介于25℃至100℃之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于在熱壓該網(wǎng)狀導(dǎo)體的步驟中，熱壓的溫度介于100℃至250℃之間，熱壓的壓力介于1Mpa至50Mpa之間。
12.一種燃料電池單體，其特征在于包括一膜電極組，具有一質(zhì)子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電極，其中該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極分別設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩側(cè)；二網(wǎng)狀導(dǎo)體，以具有二次固化特性的一粘合膠粘合固定于該膜電極組表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池單體，其特征在于該膜電極組另具有二多孔性導(dǎo)電材料，分別設(shè)置于該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池單體，其特征在于上述多孔性導(dǎo)電材料由碳布或碳紙所構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池單體，其特征在于上述網(wǎng)狀導(dǎo)體由鎳、鈦、銅、鋁等材料或其合金所構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池單體，其特征在于上述網(wǎng)狀導(dǎo)體的表面鍍有金、鉑、銠或釕等貴金屬。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池單體，其特征在于上述粘合膠由環(huán)氧樹酯、PU或PI等材料所構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池單體，其特征在于上述粘合膠內(nèi)含多個導(dǎo)電微粒，以增加導(dǎo)電度。
19.一種平面燃料電池組，其特征在于包括一絕緣框架，具有多個開口；多個燃料電池單體，設(shè)置于該絕緣框架上，覆蓋該開口，其特征在于該燃料電池單體均包括一膜電極組，具有一質(zhì)子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電極，其中該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極分別設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩側(cè)；二網(wǎng)狀導(dǎo)體，以具有二次固化特性的一粘合膠粘合固定于該膜電極組表面，其中相鄰的燃料電池單體的網(wǎng)狀導(dǎo)體相互電性連接，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃料電池單體的陰極。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的平面燃料電池組，其特征在于上述膜電極組還包括二多孔性導(dǎo)電材料，分別設(shè)置于該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的平面燃料電池組，其特征在于相鄰的燃料電池單體的網(wǎng)狀導(dǎo)體是以熱壓方式相互電性連接，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃料電池單體的陰極。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的平面燃料電池組，其特征在于該絕緣框架具有介于上述開口之間的多個間隔部，且該間隔部中埋設(shè)有多個串聯(lián)電極。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的平面燃料電池組，其特征在于相鄰的料電池單體的網(wǎng)狀導(dǎo)體分別與串聯(lián)電極電性連接，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃料電池單體的陰極。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的平面燃料電池組，其特征在于其還包括二流道板，以防水膠粘合于該絕緣框架上，其中該流道板具有多個流道，可導(dǎo)入該燃料電池單體反應(yīng)所需的燃料。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的平面燃料電池組，其特征在于上述絕緣框架由樹酯強化纖維板所構(gòu)成。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的平面燃料電池組，其特征在于上述絕緣框架由陶瓷基板所構(gòu)成。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的平面燃料電池組，其特征在于上述絕緣框架具有一第一部份及一第二部份，該第一部份在上述開口周圍具有多個凸出部，該第二部份在該開口周圍具有與該凸出部相配合的多個凹陷部，藉以固定串聯(lián)的網(wǎng)狀導(dǎo)體。
28.一種平面燃料電池組，其特征在于包括一絕緣框架，具有多個開口；多個燃料電池單體，設(shè)置于該絕緣框架上，覆蓋該開口，并與該絕緣框架共同形成一圍封空間，其中該燃料電池單體均包括一膜電極組，具有一質(zhì)子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電極，其中該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極分別以熱壓方式設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩側(cè)；二網(wǎng)狀導(dǎo)體，以具有二次固化特性的一粘合膠粘合固定于該膜電極組表面，其中相鄰的該燃料電池單體的該網(wǎng)狀導(dǎo)體相互電性連接，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃料電池單體的陰極。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述膜電極組還包括二多孔性導(dǎo)電材料，分別設(shè)置于該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極表面。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的平面燃料電池組，其特征在于上述多孔性導(dǎo)電材料由碳布或碳紙所構(gòu)成。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述網(wǎng)狀導(dǎo)體由鎳、鈦、銅、鋁等材料或其合金所構(gòu)成。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述網(wǎng)狀導(dǎo)體的表面鍍有金、鉑、銠或釕等貴金屬。
33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述粘合膠由環(huán)氧樹酯、PU或PI等材料所構(gòu)成。
34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述粘合膠內(nèi)含多個導(dǎo)電微粒，以增加導(dǎo)電度。
35.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述燃料電池單體是以一防水膠固定于該絕緣框架上。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的平面燃料電池組，其特征在于上述防水膠由具有二次固化特性的環(huán)氧樹酯、PU或PI等材料所構(gòu)成。
37.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述燃料電池單體交替設(shè)置于該框架的外側(cè)及內(nèi)側(cè)。
38.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述絕緣框架具有介于上述開口之間的多個間隔部，且該間隔部中埋設(shè)有多個串聯(lián)電極。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的平面燃料電池組，其特征在于相鄰的燃料電池單體的網(wǎng)狀導(dǎo)體分別與串聯(lián)電極電性連接，以串聯(lián)上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃料電池單體的陰極。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的平面燃料電池組，其特征在于上述絕緣框架具有多個燃料通孔，燃料電池的燃料可由該燃料通孔注入該圍封空間。
41.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述絕緣框架由樹酯強化纖維板所構(gòu)成。
42.根據(jù)權(quán)利要求28所述的平面燃料電池組，其特征在于上述絕緣框架由陶瓷基板所構(gòu)成。
43.一種燃料電池單體的制造方法，其特征在于包括下列步驟提供一質(zhì)子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電極；將該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極結(jié)合于該質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，形成一膜電極組；提供二網(wǎng)狀導(dǎo)體；提供一具有熱固特性的粘合膠；將該熱固化膠涂布于該網(wǎng)狀導(dǎo)體表面并烘干；以及將該網(wǎng)狀導(dǎo)體以熱壓方式固定于該膜電極組表面。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于上述粘合膠由環(huán)氧樹酯、PU或PI等材料所構(gòu)成。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的燃料電池單體的制造方法，其特征在于烘干步驟的操作溫度介于60℃至200℃之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種平面燃料電池組、燃料電池單體及其制造方法；特別是一種平面燃料電池組的電性連結(jié)，其包括一膜電極組；兩多孔網(wǎng)狀導(dǎo)體，利用一熱固性材料，將陽極觸媒電極、陰極觸媒電極分別與網(wǎng)狀或多孔導(dǎo)體做固定，作為燃料電池電荷引出的電極。燃料電池單體包括一個膜電極組，具有一個質(zhì)子交換膜、一個陽極觸媒電極與一個陰極觸媒電極；二個網(wǎng)狀導(dǎo)體；其制造方法為將該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極結(jié)合于該質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，形成膜電極組；將具有二次固化特性的一粘合膠轉(zhuǎn)印至該等網(wǎng)狀導(dǎo)體表面；以及將該等網(wǎng)狀導(dǎo)體以熱壓方式固定于該膜電極組表面。本發(fā)明可大幅增加平面式燃料電池的組裝密度及單位面積上有效的反應(yīng)面積比例。
文檔編號H01M4/88GK1734816SQ20041007037
公開日2006年2月15日 申請日期2004年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月3日
發(fā)明者顏宇欣, 賴秋助, 陳柱培, 黃淑禎, 康顧嚴(yán) 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院