CN102142572B

CN102142572B - 直接甲醇燃料电池结构及其制造方法

Info

Publication number: CN102142572B
Application number: CN2010101055111A
Authority: CN
Inventors: 陈竣明; 赖俊邑; 林昱志
Original assignee: NANYA CIRCUIT BOARD CO Ltd
Current assignee: NANYA CIRCUIT BOARD CO Ltd; Nan Ya Printed Circuit Board Corp
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: CN102142572A

Abstract

本发明提供一种直接甲醇燃料电池结构及其制造方法，直接甲醇燃料电池结构包括一质子交换膜，其具有第一表面和相对的第二表面，质子交换膜夹设于一对电极之间，其中质子交换膜的两末端和邻近末端的部分第一和第二表面从电极暴露出来；一对气体扩散层设置于电极上；多个封装层物理嵌合至暴露的第一和第二表面上，其中封装层具有多个孔洞；多个黏着材料固定于封装层上，且穿过封装层的孔洞与质子交换膜的第一和第二表面接触。本发明可使甲醇燃料电池的工艺大为简化，且避免因为组装对位不准所造成可靠度的下降。

Description

直接甲醇燃料电池结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种直接甲醇燃料电池结构及其制造方法，特别涉及一种直接甲醇燃料电池结构的七层膜电极组(MEA7)及其制造方法。

背景技术

由于3C电子产品发展日新月异，功能的提升使得对电力的需求也愈来愈大。对于电池要求除了需要轻、薄外，还需要更高的安全与方便性。电池的大小轻重直接影响到电子产品使用时间的长短，以及体积、重量的大小，因此燃料电池逐渐扮演3C电子产品中的重要角色。

使用甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，以下简称DMFC)其液态燃料能量高达5000Whr/L，其以甲醇取代氢气为燃料，在阳极发生化学反应产生的质子和电子，分别通过质子交换薄膜和外部电路到达阴极。质子交换薄膜因长期和甲醇水溶液接触，甲醇燃料会由阳极渗透至阴极，导致阴极触媒毒化及性能下降。所以公知技术多半使用厚度较厚(例如5密尔(mil)及7密尔)的质子交换膜，以减少此现象发生。

公知的DMFC堆叠结构(Stack)由至少10片至20片以上的膜电极(membrane-electrode-assembly，以下简称MEA)以及相应的气体扩散层(GDL)及流道板(Flow board)等元件堆叠组成，为减少DMFC堆叠结构在组装工艺发生错位导致堆叠结构漏液，会希望先制作由MEA及气体扩散层(GDL)组成的五层膜电极组(MEA5)以便于组装。然而，厚度较厚的质子交换膜虽可减少触媒毒化的问题，但本身材料易吸水膨润(尺寸变化大)，导致五层膜电极组(MEA5)无法与流道板(Flow board)完整密封。且碳氟系列的质子交换膜本身具有化学安定的特性，一般常见的环氧树脂、硅胶、压克力胶等都无法与其黏着。使得公知技术无法先将MEA、气体扩散层(GDL)及流道板(Flowboard)或封装材固定制成模块而简化工艺。

在此技术领域中，有需要一种直接甲醇燃料电池结构及其制造方法，以改善上述缺点。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的一实施例提供一种直接甲醇燃料电池结构，上述直接甲醇燃料电池结构包括一质子交换膜，其具有一第一表面和相对的一第二表面，该质子交换膜夹设于一对电极之间，其中该质子交换膜的两末端和邻近所述末端的部分该第一表面和该第二表面从该对电极暴露出来；一对气体扩散层，分别设置于该对电极上；多个第一封装层，分别物理嵌合至暴露的该第一表面和该第二表面上，其中所述第一封装层具有多个孔洞；多个黏着材料，分别固定于所述第一封装层上，且穿过所述封装层的所述孔洞与该质子交换膜的该第一表面和该第二表面接触。

本发明的另一实施例提供一种直接甲醇燃料电池结构的制造方法，上述直接甲醇燃料电池结构的制造方法包括提供一膜电极组，其包括一对电极及夹设于该对电极之间的一质子交换膜，其中该质子交换膜的两末端和邻近所述末端的第一表面和相对的一第二表面从该对电极暴露出来；进行一第一固定步骤，将一对气体扩散层固定于该对电极上；进行一第二固定步骤，将多个第一封装层，分别物理嵌合至暴露的该第一表面和该第二表面上，其中所述第一封装层具有多个孔洞，其中所述第一封装层还包括固定于其上的多个黏着材料，其中所述黏着材料穿过所述封装层的所述孔洞与该质子交换膜的该第一表面和该第二表面接触。

本发明的又另一实施例提供一种直接甲醇燃料电池结构的制造方法，上述直接甲醇燃料电池结构的制造方法包括提供一膜电极组，其包括一对电极及夹设于该对电极之间的一质子交换膜，其中该质子交换膜的两末端和邻近所述末端的第一表面和相对的一第二表面从该对电极暴露出来；进行一第一固定步骤，将多个第一封装层，分别物理嵌合至暴露的该第一表面和该第二表面上，且将一对气体扩散层固定于该对电极上，其中所述第一封装层具有多个孔洞，其中所述第一封装层还包括固定于其上的多个黏着材料，其中所述黏着材料穿过所述封装层的所述孔洞与该质子交换膜的该第一表面和该第二表面接触。

本发明实施例提供直接甲醇燃料电池结构及其制造方法，其中邻接质子交换膜的第一封装层具有孔洞，利用其表面粗糙度以便于与质子交换膜紧密的嵌合，使两者的接合强度大为增加，因而可以用常用的固定工艺制作出七层膜电极组(MEA7)，可使甲醇燃料电池的工艺大为简化，且避免因为组装对位不准所造成可靠度的下降。在一些实施例中，可再于第一封装层上设置具有钢性的第二封装层，可使制成的七层膜电极组(MEA7)易于取放及减少应力所造成的形变，或是使其与流道板紧密贴合避免燃料泄漏。或是再于第二封装层上设置缓冲层，以增加与流道板的密封度。

附图说明

图1a～图1d为本发明不同实施例的直接甲醇燃料电池结构的剖面示意图。

图2～图6为本发明一实施例的直接甲醇燃料电池结构的工艺剖面图。

图7～图9为本发明又另一实施例的直接甲醇燃料电池结构的工艺剖面图。

图10显示本发明一实施例的黏着材料和第一封装层前处理的方式。

上述附图中的附图标记说明如下：

200～质子交换膜；

202～第一表面；

204～第二表面；

206、208～电极；

210、212～气体扩散层；

214、214a～214d～第一封装层；

218、218a～218d、218a1～218d1～黏着材料；

222a、222b～末端；

226a～226d～第二封装层；

230a～230d～缓冲层；

250～孔洞；

260～三层膜电极组；

264～五层膜电极组；

270～流道板；

500a～500d～直接甲醇燃料电池结构。

具体实施方式

以下以各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例，作为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各元件的部分将以分别描述说明，值得注意的是，图中未示出或描述的元件，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。

图1a-图1d为本发明不同实施例的直接甲醇燃料电池结构的剖面示意图。本发明不同实施例的直接甲醇燃料电池结构500a～500d。如图1a所示，本发明一实施例的直接甲醇燃料电池结构500a的主要元件可包括一质子交换膜200，其具有一第一表面202和相对的一第二表面204，质子交换膜200夹设于一对电极206和208之间，其中质子交换膜200的两末端222a和222b以及邻近末端222a和222b的部分第一表面202和第二表面204从电极206和208暴露出来。一对气体扩散层210和212，分别设置于电极206和208上。多个第一封装层(Border Material)214a～214d，通过例如热压方式分别物理嵌合至质子交换膜200暴露的第一表面202和第二表面204上，其中第一封装层214a～214d具有多个孔洞250，且上述第一封装层214a～214d物理嵌合至质子交换膜200是指质子交换膜200的部分挤入第一封装层214a～214d的孔洞250中而彼此固定。直接甲醇燃料电池结构500a还包括多个黏着材料218a～218d，分别固定于第一封装层214a～214d上，且穿过第一封装层214a～214d的孔洞250与质子交换膜200的第一表面202和第二表面204接触。另外，直接甲醇燃料电池结构500a的第一封装层214a～214d和黏着材料218a～218d未与气体扩散层210和212接触。

如图1b所示，本发明另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500b，其与直接甲醇燃料电池结构500a的不同处为部分第一封装层214a～214d和部分黏着材料218a1～218d1夹设于气体扩散层210和212之间，且黏着材料218a1～218d1同时与第一封装层214a～214d和气体扩散层210和212黏合。

如图1c所示，本发明另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500c，其与直接甲醇燃料电池结构500a的不同处为直接甲醇燃料电池结构500c还包括多个第二封装层226a～226d，分别设置于黏着材料218a～218d上。如图1c所示，直接甲醇燃料电池结构500c的黏着材料218a～218d同时与第一封装层214a～214d和第二封装层226a～226d黏合。另外，直接甲醇燃料电池结构500c的第一封装层214a～214d、黏着材料218a～218d和第二封装层226a～226d未与气体扩散层210和212接触。

如图1d所示，本发明另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500d，其与直接甲醇燃料电池结构500c的不同处为直接甲醇燃料电池结构500d还包括多个缓冲层230a～230d，分别设置于第二封装层226a～226d上。如图1d所示，缓冲层230a～230d用以增加与外侧流道板(Flow board)密封的效果。另外，直接甲醇燃料电池结构500d的黏着材料218a～218d、第二封装层226a～226d和缓冲层230a～230d未与气体扩散层210和212接触。

在本发明实施例的直接甲醇燃料电池结构500a～500d，其中电极206和208可为阳极电化学催化触媒和阴极电化学催化触媒形成的阳极电极和阴极电极。质子交换膜200和电极206和208形成三层膜电极组(MEA3)，其负责电化学反应及质子传导。气体扩散层210和212可供燃料及反应生成物扩散，及负责将电子传导出去，其材料可为编织或不编织的碳布或碳纸。第一封装层214a～214d的特征为具有孔洞以增加表面粗糙度，以便与质子交换膜200嵌合固定，其材料可为玻璃纤维布、化学纤维布或粗化金属片。黏着材料218a～218d或218a1～218d1的材料可为热熔性或热固性的高分子薄膜或液态胶，例如环氧树脂或线性低密度聚乙烯(LLPDE)等，其可具有填充第一封装层214a～214d的孔洞250的功能，以避免燃料泄漏，或可协助黏着固定第二封装层226a～226d。在本发明一些实施例中，第二封装层226a～226d可具有钢性以便使压合的成品易于取放及减少应力所造成的形变，其材料可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、FR5玻璃纤维高分子材料、热塑性聚胺基甲酸酯(TPU)、聚乙烯(PE)、双向拉伸聚丙烯(BOPP)或聚丙烯(PP)。第一封装层214a～214d和第二封装层226a～226d具有抗燃料腐蚀的特性。缓冲层230a～230d的材料可包括硅胶(silicon rubber)或聚全氟乙丙烯(FEP)等热熔性塑胶。

图2～图6为本发明实施例的直接甲醇燃料电池结构500a的工艺剖面图。请参考图2，首先，提供一组合完成的三层膜电极组260(3-layersmembrane-electrode-assembly，MEA3)。在本发明实施例中，三层膜电极组260可包括一对电极206和208及夹设于电极206和208之间的一质子交换膜200，其中质子交换膜200的两末端222a、222b和邻近末端222a、222b的第一表面202和相对的一第二表面204从电极206和208暴露出来。在本发明一实施例中，可利用对位及热压合工艺形成三层膜电极组260。

接着，请参考图3，可将三层膜电极组260和一对气体扩散层置于压合机台中，其中三层膜电极组260位于一对气体扩散层210和212之间，以进行包括压合或贴膜步骤的一第一固定步骤，将一对气体扩散层210和212分别固定于电极206和208上，以形成五层膜电极组(5-layersmembrane-electrode-assembly，MEA5)264。

图10显示本发明一实施例的黏着材料和第一封装层前处理的方式，因为黏着材料和第一封装层本身的厚度较薄不易取放，所以可通过压合、贴合、涂布、网印或喷涂等固定方式，先将多个黏着材料218a～218d固定在具有孔洞250的多个第一封装层214a～214d上，以减少对位的困难度，其中黏着材料218a～218d会填入第一封装层214a～214d的孔洞250中。之后，请参考图4，再将五层膜电极组264和固着有黏着材料218a～218d的多个第一封装层214a～214d置于压合机台中，其中固着有黏着材料218a～218d的多个第一封装层214a～214d位于暴露的第一表面202和第二表面204上。

之后，请参考图5，进行例如包括压合或贴膜步骤的一第二固定步骤，将多个第一封装层214a～214d分别嵌合至质子交换膜200的暴露的第一表面202和第二表面204上，其中黏着材料218a～218d穿过第一封装层214a～214d的孔洞250与质子交换膜200的暴露的第一表面202和第二表面204接触。经过上述工艺之后，形成本发明一实施例的直接甲醇燃料电池结构500a，又可称为七层膜电极组(7-layers membrane-electrode-assembly，MEA7)500a。

接着，请参考图6，将直接甲醇燃料电池结构500a固定于两层流道板(Flow board)270之间，以形成一直接甲醇燃料电池堆叠结构。

本发明一实施例的直接甲醇燃料电池结构500a，其增加具有孔洞250的第一封装层(Border Material)214a～214d，利用表面粗糙的物理原理与质子交换膜200嵌合固定，使两者之间的接合强度大为增加，且形成的七层膜电极组(MEA7)500a有助于后续工艺中与流道板的堆叠或是将许多膜电极组堆叠等堆叠工艺的简化。另一方面，由于质子交换膜200上已嵌合第一封装层214a～214d，可使得质子交换膜200不易变形，因而可减少公知技术中因为质子交换膜膨润收缩造成的电池漏液问题。

或者，在本发明另一实施例中，也可利用一道固定步骤，将固着有黏着材料的多个第一封装层214a～214d分别嵌合至质子交换膜200的暴露的第一表面202和第二表面204上，并同时将一对气体扩散层210和212固定于三层膜电极组260的电极206和208上，以形成如图1b所示的本发明另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500b，又可称为七层膜电极组(MEA7)500b。如图1b所示，直接甲醇燃料电池结构500b的部分第一封装层214a～214d和黏着材料218a1～218d1夹设于气体扩散层210和212之间，其中黏着材料218a1～218d1在固定步骤期间与气体扩散层210和212黏合。所以，在直接甲醇燃料电池结构500b中，三层膜电极组260的质子交换膜200通过黏着材料218a～218d与气体扩散层210和212黏合。相较于直接甲醇燃料电池结构500a，本发明另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500b可以仅使用一道固定步骤即可形成七层膜电极组(MEA7)。

图7～图9为本发明又另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500c的工艺剖面图，上述附图中的各元件如有与图2～图6所示相同或相似的部分，则可参考前面的相关叙述，在此不做重复说明。

请参考图7，形成五层膜电极组(MEA5)264之后，将五层膜电极组264利用如图5所示的工艺形成的固着有黏着材料218a～218d的多个第一封装层214a～214d和多个第二封装层226a～226d置于压合机台中，其中固着有黏着材料218a～218d的第一封装层214a～214d位于暴露的第一表面202和第二表面204上方。另外，第二封装层226a～226d分别位于第一封装层214a～214d上方。

之后，请参考图8，进行例如包括压合或贴膜步骤的一第二固定步骤，将多个第一封装层214a～214d分别嵌合至质子交换膜200的暴露的第一表面202和第二表面204上，且将第二封装层226a～226d分别固定于黏着材料218a～218d上。如图7所示，黏着材料218a～218d穿过第一封装层214a～214d的孔洞250与质子交换膜200暴露的第一表面202和第二表面204接触。经过上述工艺之后，形成如图1c所示的本发明又另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500c，又可称为七层膜电极组(MEA7)500c，其于第一封装层214a～214d上还设置具有钢性或可挠性的第二封装层226a～226d，可使制成的七层膜电极组(MEA7)易于取放及减少应力所造成的形变，或是使其与流道板紧密贴合避免燃料泄漏。

接着，请参考图9，将直接甲醇燃料电池结构500c固定于两层流道板(Flow board)270之间，以形成另一直接甲醇燃料电池堆叠结构。

或者，在本发明又另一实施例中，也可在进行第二固定步骤时，还将多个缓冲层230a～230d分别设置于第二封装层226a～226d上。经过上述工艺之后，形成如图1d所示的本发明又另一实施例的直接甲醇燃料电池结构500d，又可称为七层膜电极组(MEA7)500d。直接甲醇燃料电池结构500d的缓冲层230a～230d可以大为增加与外侧流道板的密封度。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种直接甲醇燃料电池结构，包括：

一质子交换膜，其具有一第一表面和相对的一第二表面，该质子交换膜夹设于一对电极之间，其中该质子交换膜的两末端和邻近所述末端的部分该第一表面和该第二表面从该对电极暴露出来；

一对气体扩散层，分别设置于该对电极上；

多个第一封装层，分别物理嵌合至暴露的该第一表面和该第二表面上，其中所述第一封装层具有多个孔洞；以及

多个黏着材料，分别固定于所述第一封装层上，且穿过所述封装层的所述孔洞与该质子交换膜的该第一表面和该第二表面接触，其中所述黏着材料未与该对气体扩散层接触，或者其中所述质子交换膜通过所述黏着材料与该对气体扩散层黏合。

2.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池结构，其中所述第一封装层包括玻璃纤维布、化学纤维布、粗化金属片。

3.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池结构，其中该质子交换膜通过所述黏着材料与该对气体扩散层黏合时，部分所述黏着材料夹设于该对气体扩散层之间。

4.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池结构，其中所述黏着材料包括环氧树脂或线性低密度聚乙烯。

5.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池结构，还包括多个第二封装层，分别设置于所述黏着材料上。

6.如权利要求5所述的直接甲醇燃料电池结构，其中所述第二封装层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、FR5玻璃纤维高分子材料、热塑性聚胺基甲酸酯、聚乙烯、双向拉伸聚丙烯或聚丙烯。

7.如权利要求5所述的直接甲醇燃料电池结构，还包括多个缓冲层，分别设置于所述第二封装层上。

8.如权利要求7所述的直接甲醇燃料电池结构，其中所述缓冲层包括硅胶或聚全氟乙丙烯。

9.如权利要求7所述的直接甲醇燃料电池结构，其中所述黏着材料未与该对气体扩散层接触时，所述第二封装层和所述缓冲层未与该对气体扩散层接触。

10.一种直接甲醇燃料电池结构的制造方法，包括下列步骤：

提供一膜电极组，其包括一对电极及夹设于该对电极之间的一质子交换膜，其中该质子交换膜的两末端和邻近所述末端的第一表面和相对的一第二表面从该对电极暴露出来；

进行一第一固定步骤，将一对气体扩散层固定于该对电极上；以及

进行一第二固定步骤，将多个第一封装层，分别物理嵌合至暴露的该第一表面和该第二表面上，其中所述第一封装层具有多个孔洞，其中所述第一封装层还包括固定于其上的多个黏着材料，其中所述黏着材料穿过所述封装层的所述孔洞与该质子交换膜的该第一表面和该第二表面接触，且其中所述黏着材料未与该对气体扩散层接触。

11.如权利要求10所述的直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其中该第一固定步骤和该第二固定步骤包括压合或贴膜步骤。

12.如权利要求10所述的直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其中所述黏着材料通过压合、贴合、涂布、网印或喷涂方式固定于所述第一封装层上。

13.如权利要求10所述的直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其中该第二固定步骤还包括将多个第二封装层分别固定于所述黏着材料上。

14.如权利要求13所述的直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其中该第二固定步骤还包括将多个缓冲层分别固定于第二封装层上。

15.如权利要求14所述的直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其中所述第二封装层和所述缓冲层未与所述气体扩散层接触。

16.一种直接甲醇燃料电池结构的制造方法，包括下列步骤：

提供一膜电极组，其包括一对电极及夹设于该对电极之间的一质子交换膜，其中该质子交换膜的两末端和邻近所述末端的第一表面和相对的一第二表面从该对电极暴露出来；以及

进行一第一固定步骤，将多个第一封装层，分别物理嵌合至暴露的该第一表面和该第二表面上，且将一对气体扩散层固定于该对电极上，其中所述第一封装层具有多个孔洞，其中所述第一封装层还包括固定于其上的多个黏着材料，其中所述黏着材料穿过所述封装层的所述孔洞与该质子交换膜的该第一表面和该第二表面接触，其中该质子交换膜通过所述黏着材料与该对气体扩散层黏合。

17.如权利要求16所述的直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其中该第一固定步骤包括压合或贴膜步骤。

18.如权利要求16所述的直接甲醇燃料电池结构的制造方法，其中部分所述第一封装层和部分所述黏着材料介于该对气体扩散层之间。