CN100375323C - 改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的方法，平板式直接甲醇燃料电池的双极板/质子交换膜组件结构，包含一基板，覆盖于该基板上下表面的金属层以及一质子交换膜件。本发明利用双极板的上下表面金属层的厚度的变化以及提供导电凸起结构等方法，来解决双极板与质子交换膜件压合时产生接触不良的情形。

Description

改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的方法
技术领域
本发明是关于一种平板式燃料电池，尤指一种改善平板式燃料电池的双极电极板(或称双电极板、双极板)与质子交换膜件接触的方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)是一种利用液态的稀释甲醇水溶液或纯甲醇作为燃料，通过电化学程序将化学能转换成电力的发电装置。与传统的发电方式相较，直接甲醇燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及较高的能量转换效率等优点，乃具有前瞻性的干净能源，可应用的领域包括家用发电系统、电子产品、运输工具、军用设备、太空工业等。
直接甲醇燃料电池的运作原理乃以甲醇水溶液在阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)以及二氧化碳(CO2)，其中氢离子经由电解质传递至阴极，而电子经由外部电路传递至负载作功后再传递至阴极，此时供给阴极端的氧气会与氢离子及电子在阴极触媒层进行还原反应，并产生水。
燃料电池一般皆由数个基本单元所组成。由于每个基本单元所能提供的电压较小，因此在应用时必须串联多的基本单元，以达到所需要的操作电压输出。
发明内容
本发明的主要目的在提供一种改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的方法，以解决习知技艺的缺点。
为达上述目的，本发明提供一种改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的方法，包含有下列步骤：
提供一第一双极板、一质子交换膜件、一第二双极板以及至少一接合片，其中质子交换膜件放置于第一双极板上，接合片具有一用以容置质子交换膜件的开口处，而第二双极板置于质子交换膜件上，其中第一双极板具有一与质子交换膜件接触的第一质子交换面以及一接触燃料的燃料面，第二双极板具有一与质子交换膜件接触的第二质子交换面以及一接触空气的空气面，其中燃料面上设有第一金属层、第一质子交换面上设有第二金属层、该第二质子交换面上设有第三金属层以及该空气面上设有第四金属层，其中该第二金属层的厚度大于该第一金属层的厚度，该第三金属层的厚度大于该第四金属层的厚度；
其中，该第一双极板包含有一第一基板，其上形成该第一金属层和该第二金属层；该第二双极板包含有一第二基板，其上形成该第三金属层和该第四金属层；该质子交换膜件中的质子交换膜为固态质子交换膜；
然后将第一双极板、质子交换膜件、第二双极板以及该接合片压合，成双极板/质子交换膜组件。
本发明提供另一种改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的方法，包含有下列步骤，提供一双极板以及一质子交换膜件，其中双极板包含有至少一电极区域，质子交换膜件欲置于双极板的电极区域上，于电极区域上提供多个导电凸起结构，以及将质子交换膜件与多个导电凸起结构接触。
附图说明
图1显示习知技艺的平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件示意图；
图2显示习知技艺的平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件压合后示意图；
图3显示本发明较佳实施例的平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件示意图；
图4显示本发明较佳实施例的平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件压合后示意图；
图5显示本发明另一较佳实施例的平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件示意图；
图6显示本发明另一较佳实施例的平板式料电池的双极板/质子交换膜组件压合后示意图。
符号说明：
300双极板/质子交换膜组件        320第一个双极板
322第一基板                     324第一金属层
326第二金属层                   330接合片
340质子交换膜件                 350第二个双极板
352第二基板                     354第三金属层
356第四金属层                   400双极板/质子交换膜组件
420第一双极板                   422第一基板
424第一金属层                   426第二金属层
430接合片                       440质子交换膜件
450第二双极板                   452第二基板
454第三金属层                   456第四金属层
500双极板/质子交换膜组件        520第一双极板
522第一基板                     524电极区域
526下表面                       528导电凸起结构
530接合片                       540质子交换膜件
550第二双极板                   552第二基板
554电极区域                     556上表面
558导电凸起结构
具体实施方式
请参考图1以及图2，图1以及图2分别显示平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件压合前、后的示意图。如图1所示，平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件300包含有第一个双极板(Bipolar Plate)320、至少一接合片(Bonding sheet)330、一质子交换膜件(膜电极组件，Membrane Electrode Assembly，MEA)340以及第二个双极板(BipolarPlate)350。其中，第一双极板320包括一第一基板322，以及覆盖于第一基板322的上表面的第一金属层324以及下表面的第二金属层326，而第二双极板350包括一第二基板352以及覆盖于第二基板的上表面的第三金属层354以及下表面的第四金属层356，其中上述的金属层厚度均相等。前述的第一金属层324、第二金属层326、第三金属层354与第四金属层356可以是由金属铜层所构成。
然后进行压合制程，如图2所示，其中第二金属层326以及第三金属层354与质子交换膜件340接触，但由于金属层应力的影响，使第二金属层326以及第三金属层354与质子交换膜件340之间产生间距且附着力差等现象，甚至于质子交换膜件340因受压程度不同，造成厚度不一致、表面产生波纹以及因加热或冷却造成膨胀或收缩而与双极板分离等情形产生。由于前述双极板/质子交换膜组件300压合后所产生的现象，造成制程成本提高、良率降低等现象。
因此本发明提供一种改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的制造方法，以解决前述的问题。
请参阅图3与图4，图3与图4显示本发明较佳实施例的改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的制造方法。如图3所示，平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件400包含有第一双极板(BipolarPlate)420、至少一接合片(Bonding sheet)430、一质子交换膜件(膜电极组件，Membrane Electrode Assembly，MEA)440以及第二双极板(Bipolar Plate)450。其中，第一双极板420包括一第一基板422，其上表面设有第一金属层424以及下表面设有第二金属层426，而第二双极板450包括一第二基板452，其上表面设有第三金属层454以及下表面设有第四金属层456。前述的第一金属层424、第二金属层426、第三金属层454与第四金属层456可以是由金属铜层所构成。其中，第二金属层426的厚度大于第一金属层424的厚度，第三金属层454的厚度大于第四金属层456的厚度，另外第一基板422以及第二基板452可以为玻纤强化高分子材料(Glass Fiber Reinforced Polymeric Material)所构成，如ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3等等所构成，而质子交换膜件中的质子交换膜可采用如杜邦公司Nafion质子交换膜，或具有相同功能的其它固态质子交换膜，另外接合片可以为因双电路板制程中所用的部分聚合阶段(B-stage)的“PREPREG”树脂胶片等材质。
然后进行压合制程，如图4所示，将第一双极板420、质子交换膜件440、第二双极板450以及接合片430压合，构成双极板/质子交换膜组件400。
请参阅图5与图6，图5与图6显示本发明另一较佳实施例的改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的制造方法。如图5所示，平板式燃料电池的双极板/质子交换膜组件500包含有第一双极板(Bipolar Plate)520、至少一接合片(Bonding sheet)530、一质子交换膜件(膜电极组件，Membrane Electrode Assembly，MEA)540以及第二双极板(Bipolar Plate)550。第一双极板520包含有第一基板522以及至少一电极区域524，接着于电极区域524的下表面526上提供多个导电凸起(bump)结构528，而第二双极板550包含有第二基板552以及至少一电极区域554，随后于电极区域554的上表面556上提供多个导电凸起结构558。其中，导电凸起结构528、558可以为锡、铅、锡铅或铜所构成，最外层则覆盖以镀金层，且导电凸起结构528、558的高度可大于0.1mm。而质子交换膜件540欲置于第一双极板520的电极区域524以及第二双极板550的电极区域554之间。其中第一基板522以及第二基板552可以为玻纤强化高分子材料(Glass Fiber Reinforced PolymericMaterial)所构成，如ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3等等所构成，另外质子交换膜件中的质子交换膜可采用如杜邦公司Nafion质子交换膜，或具有相同功能的其它固态质子交换膜，而接合片可以为因双电路板制程中所用的部分聚合阶段(B-stage)的“PREPREG”树脂胶片等材质。
接着进行压合制程，如图6所示，将第一双极板520、质子交换膜件540、第二双极板550以及接合片530压合，构成双极板/质子交换膜组件500。
综上所述，本发明改善平板式燃料电池的双极板与质子交换膜件接触的方法相较于习知技艺至少包括以下的优点：
平板式燃料电池的双极板采用不同厚度的上下金属层或是于面对质子交换膜件单元的电极区域表面采用导电凸起结构，不但可降低因为质子交换膜件单元本身厚度不均匀，而且压合后厚度会减少，因而使得双极板与质子交换膜件单元二者间无法完全接触的缺点，还可特别对质子交换膜件单元施以适当的压力，以提高发电量。

Claims (7)

1.一种改善平板式燃料电池的双电极板与质子交换膜件接触的方法，包含有：
提供一第一双极板、一质子交换膜件、一第二双极板以及至少一接合片，其中该质子交换膜件放置于第一双极板上，该接合片具有一用以容置该质子交换膜件的开口处，而该第二双极板置于该质子交换膜件上，其中该第一双极板具有一与该质子交换膜件接触的第一质子交换面以及一接触燃料的燃料面，该第二双极板具有一与该质子交换膜件接触的第二质子交换面以及一接触空气的空气面，其中该燃料面上设有第一金属层、该第一质子交换面上设有第二金属层、该第二质子交换面上设有第三金属层以及该空气面上设有第四金属层，其中该第二金属层的厚度大于该第一金属层的厚度，该第三金属层的厚度大于该第四金属层的厚度；
其中，该第一双极板包含有一第一基板，其上形成该第一金属层和该第二金属层；该第二双极板包含有一第二基板，其上形成该第三金属层和该第四金属层；该质子交换膜件中的质子交换膜为固态质子交换膜；
将该第一双极板、该质子交换膜件、该第二双极板以及该接合片压合，构成双极板/质子交换膜组件。
2.根据权利要求1所述的一种改善平板式燃料电池的双电极板与质子交换膜件接触的方法，其中该平板式燃料电池为一直接甲醇燃料电池。
3.根据权利要求1所述的一种改善平板式燃料电池的双电极板与质子交换膜件接触的方法，其中该接合片为印刷电路板制程中所用的部分聚合阶段的“PREPREG”树脂胶片。
4.根据权利要求1所述的一种改善平板式燃料电池的双电极板与质子交换膜件接触的方法，其中该第一基板为玻纤强化高分子材料所构成。
5.根据权利要求1所述的一种改善平板式燃料电池的双电极板与质子交换膜件接触的方法，其中该第一基板为ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3的玻纤强化高分子材料所构成。
6.根据权利要求1所述的一种改善平板式燃料电池的双电极板与质子交换膜件接触的方法，其中该第二基板为玻纤强化高分子材料所构成。
7.根据权利要求1所述的一种改善平板式燃料电池的双电极板与质子交换膜件接触的方法，其中该第二基板为ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3的玻纤强化高分子材料所构成。
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