CN1303711C - 一种积层整合式燃料电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种积层整合式燃料电池的制造方法，包括有下列步骤：步骤(A)是提供电解质层，其至少包含一个以上的燃料电池单元；步骤(B)是利用印刷电路板(PCB)制程制作阳极线路层，以及在阳极线路层利用PCB制程形成分别对应于每个燃料电池单元的阳极端的电池第一接点；步骤(C)是利用PCB制程制作阴极线路层，以及在阴极线路层利用PCB制程形成分别对应于每个燃料电池单元的阴极端的电池第二接点；步骤(D)是将电解质层置于阳极线路与阴极线路层之间后叠合一起，以及在叠合时，决定电池第一接点与电池第二接点是否形成电气性导通，使得各个燃料电池单元依据设计需求连接成对应的串并联线路。

Description

一种积层整合式燃料电池及其制造方法

技术领域

本发明是关于一种积层整合式燃料电池的制造方法及其积层整合式燃料电池，特别是关于利用印刷电路板制程制造燃料电池，并且透过导通孔电镀的方式将各个燃料电池单元依所需的供应电压以及供应电流，进行线路的串并联，以达成积层整合式燃料电池的设计需求。

背景技术

台湾发明专利公告编号第531933号「包含一整合甲醇传感器之直接甲醇燃料电池系统及制法」，虽已教示直接甲醇燃料电池系统及制法，然而仍存在有下列所指陈的缺点：(a)、燃料电池本身不包含机电设计，未能一体成型设计。(b)、导线线路内阻值太高，使得产生的输出功率降低。(c)、无法确实甲醇水溶液在反应前与反应后的浓度，无校正机制。

台湾发明专利公告编号第424944号「平板型燃料电池及其电池基板结构」，虽已教示关于平板型燃料电池的结构技术，然而仍存在有下列所指陈的缺点：(a)、燃料电池本身不包含机电设计，未能一体成型设计。(b)、导线线路内阻值太高，使得产生的输出功率降低。(c)、不含对甲醇的温度、压力、浓度的控制系统，无法确实掌控实际反应状况。

以上关于燃料电池的公知技术内容，皆未有对于本身所具有的复数个燃料电池单元能够弹性设计出不同的供应电压以及供应电流，据此，本发明的发明人乃亟思改良，而发明出一种积层整合式燃料电池的制造方法及其积层整合式燃料电池，其能够很有弹性地与容易地制造出符合各种不同供应电压与供应电流的燃料电池。

发明内容

本发明主要目的是提供一种积层整合式燃料电池的制造方法，利用印刷电路板制程技术，将能够符合各种不同供应电压与供应电流的积层整合式燃料电池予以制作出来。

本发明另一个目的是藉由利用印刷电路板制程技术，制造一种低阻抗，高效率的积层整合式直接甲醇燃料电池，同时所制造出来的燃料电池，在制造时能够很容易实现符合各种不同供应电压与供应电流的规格需求。

为达成本发明上述目的，本发明提供一种积层整合式燃料电池的制造方法包括：提供一电解质层，其至少包含一个以上的燃料电池单元；利用印刷电路板制程制作阳极线路层，以及在阳极线路层利用印刷电路板制程形成分别对应于每个燃料电池单元的阳极端的电池第一接点；利用印刷电路板制程制作阴极线路层，以及在阴极线路层利用印刷电路板制程形成分别对应于每个燃料电池单元的阴极端的电池第二接点；将电解质层置于阳极线路与阴极线路层之间后叠合一起，以及在叠合时，决定电池第一接点与电池第二接点是否形成电气性导通，使得各个燃料电池单元依据设计需求连接成对应的串并联线路。

再者，为达成本发明上述目的，本发明提供一种积层整合式燃料电池包括：电解质层其至少包含一个以上的燃料电池单元；利用印刷电路板制程制作的阳极线路层，其包含电池第一接点，该电池第一接点是利用印刷电路板制程而形成并且对应于每个燃料电池单元的阳极端；利用印刷电路板制程制作的阴极线路层，其包含电池第二接点，该电池第二接点是利用印刷电路板制程而形成并且对应于每个燃料电池单元的阴极端；其中电解质层是置于阳极线路与阴极线路层之间后叠合一起，以及在叠合时根据电池第一接点与电池第二接点是否是为电气性导通，藉此使得各个燃料电池单元依据设计需求连接成对应的串并联线路。

附图说明

图1显示本发明的积层整合式燃料电池的制造方法。

图2显示阳极线路层的结构图。

图3显示阴极线路层的结构图。

图4显示本发明燃料电池的叠合结构的断面图。

图5显示将流道层积层整合于图4的燃料电池上端的断面图。

图中

10    制造方法

21    阳极线路层

23    阴极线路层

25    电解质层

30    燃料电池

40    流道层

40A   隔离部

40B   燃料容室

25A、25B    燃料电池单元

101、103、105、107    步骤

211    电池第一接点

211    导通孔

213    第一集电线路

215    控制线路

231    电池第二接点

231    导通孔

233    第二集电线路

235    控制线路

具体实施方式

为使熟悉该项技术人士了解本发明的目的、特征及功效，兹藉由下述具体实施例，并配合所附的附图，对本发明详加说明如后：

图1显示本发明的积层整合式燃料电池的制造方法，本发明的积层整合式燃料电池的制造方法10包括主要的步骤有步骤101、步骤103、步骤105以及步骤107，分述如下文。步骤101是提供电解质层25，而本发明实现步骤101的具体手段是电解质层25可以利用质子交换膜与高分子材料上于分别于涂布(coating)上的预定浓度的白金(Pt)及预定浓度的白金(Pt)/钌(Ru)后，利用胶合手段将质子交换膜、高分子触媒层以及碳纸/碳布形成质传电解质层25。质子交换膜的材料可以选用杜邦Nafion(DoPont Nafion)材料，而涂布(coating)的手段是可以采行高分子聚合物印刷(Polyimide Printing)的方式来进行。例如采用金属真空蒸镀方式，以蒸镀出预定浓度介于1~5mg/cm2之间的白金(Pt)，以及蒸镀出预定浓度介于1~10mg/cm2之间的白金(Pt)/钌(Ru)。再以采用网板印刷的手段，印刷上碳粉、铁弗龙(Teflon)、溶剂(Solvent)等混合物质，或者采用压板印刷手段，印刷上碳粉、铁弗龙(Teflon)、溶剂(Solvent)等混合物质，此即便完成质传电解质层25的制作。经上述所制造出来的质传电解质层25是包括有复数个燃料电池单元25A、25B。

步骤103是利用印刷电路板制程制作阳极线路层21，以及在阳极线路层21利用印刷电路板制程形成分别对应于每个燃料电池单元25A、25B的阳极端的电池第一接点211。请参见图2显示的阳极线路层的结构图，本发明实现步骤103的具体手段可以采用传统印刷电路板(PCB-PrintedCircuit Board)制程以冲压或钻孔方式将所需导通孔成型后，全板电镀上约5～50μ英寸的化学铜后，再电镀上厚度约为100～500μ英寸的铜(Cu)金属，再依据各个燃料电池单元25A、25B所布置位置来设计第一集电线路213。同时，依据燃料电池30的供应电压与供应电流的设计需求规格，将连接各个燃料电池单元25A、25B的阳极端所需串并联的电池第一接点211以及控制线路215等设计完成并且曝光制成底片，随后进行压膜、曝光、显影等等制程后，再电镀上厚度约为3～10μ英寸的金(Au)金属后，即蚀刻出所需之线路，最后再以印刷防焊绿漆，如此便完成制造阳极线路层21。

步骤105是利用印刷电路板制程制作阴极线路层23，以及在阴极线路层23利用印刷电路板制程形成分别对应于每个燃料电池单元25A、25B的阴极端的电池第二接点231。请参见图3显示的阴极线路层的结构图，本发明实现步骤105的具体手段可以采用相同于上述制造阳极线路层21的PCB制程。采以传统PCB制程中以冲压或钻孔方式将所需导通孔成型后，全板电镀上厚度约5～50μ英寸的化学铜后，再电镀上厚度约100～500μ英寸的铜(Cu)金属，再依据各个燃料电池单元25A、25B所布置位置来设计第二集电线路233。同时，配合在步骤所预定的燃料电池30的供应电压与供应电流的设计需求规格，将连接各个燃料电池单元25A、25B的阴极端所需串并联的电池第二接点231以及控制线路235等设计完成并且曝光制成底片，随后进行压膜、曝光、显影等等制程后，再电镀上厚度约为3～10μ英寸的金(Au)金属后，即蚀刻出所需之线路，最后再以印刷防焊绿漆，如此便完成制造阴极线路层23。

经由步骤103以及步骤105所分别制造出来的阳极线路层21与阴极线路层23，在阳极线路层21形成有分别对应于各个燃料电池单元25A、25B的阳极端的电池第一接点211以及第一集电路213，在阴极线路层23形成有分别对应于各个燃料电池单元25A、25B的阴极端的电池第二接点231以及第二集电电路233，本发明即是藉由电气性连接各个电池第一接点211以及电池第二接点231的不同变化型态，而让各个燃料电池单元25A、25B彼此形成串联或者是并联的连接状态。再者，为了方便在步骤107的叠合，电池第一接点211与电池第二电接点231所设置的位置是彼此对应的，如此便能够很容易地将燃料电池单元25A、25B其所属的电池第一接点211与电池第二电接点231，电气性连通其它料电池单元25A、25B其所属的电池第一接点211与电池第二电接点231，藉此让各个燃料电池单元25A、25B彼此形成串联或者是并联的连接状态。

步骤107是将电解质层25置于阳极线路层21与阴极线路层23之间后叠合一起，以及在叠合时，决定电池第一接点211与电池第二接点231是否形成电气性导通，使得各个燃料电池单元25A、25B依据设计需求连接成对应的串并联线路。请参见图4显示的本发明燃料电池的叠合结构图，本发明的叠合手段为由上而下分别是阳极线路层21、电解质层25、阴极线路层23，而电解质层25是夹合在阳极线路层21与阴极线路层23中间。在叠合时，针对第一颗燃料电池单元25A在阳极端的导通孔211(电池第一接点211的具体实施例)，对准位置于第二颗燃料电池单元25B在阴极端的导通孔231(电池第二接点231的具体实施例)，将导通孔211与导通孔231灌注导电材料而呈电气性导通，则会形成第一颗燃料电池单元25A与第二颗燃料电池单元25B串联连接。以此类推于其它的燃料电池单元，即可将图2与图3所显示的五颗燃料电池单元将其串联连接。

在步骤107中，决定电池第一接点211与电池第二接点231是否形成电气性导通的步骤，主要是改变各个燃料电池单元25A、25B的串并联状态，以完成不同各种不同供应电压规格以及不同供应电流的燃料电池30。本发明在图2以及图3所显示的电池第一接点211与电池第二接点231的位置，其主要目的是为了公开本发明，因此在了解本发明的精神与原理后，凡熟悉该项技术人士可以改变各个燃料电池单元25A、25B在阳极端以及阴极端的导通孔211、231的位置，如此在叠合时灌注导电材料而呈电气性导通，即可依供应电压或供应电流规格需求，制造出能够满足不同电池功率输出的燃料电池。

进行步骤107的线路叠合的具体手段可以运用树脂(Epoxy)为黏着介质，以印刷或胶片叠合方式，将阳极线路层21、电解质层25、阴极线路层23叠合，再送至温度约80℃～180℃、压力约2～50kg/cm²的热压机中进行压合。再者，阳极线路层21以及与阴极线路层23的导通孔211、231的导通方式，可以采以灌注银胶、卯合导电金属铆钉、填入焊锡等导电材料实施于导通孔211、231中，如此使得各个燃料电池单元25A、25B达成串并联的设计。

本发明上述的燃料电池单元25A、25B可以是直接甲醇燃料电池单元，因此本发明的燃料电池30可以是直接甲醇燃料电池。

图5显示将流道层积层整合于图4的燃料电池上端的断面图。本发明进一步地将流道层40积层整合到燃料电池30的上侧面，而流道层40的结构主要包括有隔离部40A以及燃料容室40B。燃料容室40B是用来储放燃料电池单元25A、25B所需要的燃料，例如甲醇燃料。隔离部40A主要是用来防止燃料容室40B的燃料的流入。以依据本发明所制造出来的直接甲醇燃料电池作范例说明，燃料容室40B内的甲醇燃料可以通过阳极线路层21的第一集电线路213，而流至燃料电池单元25A、25B的阳极端，同时，外界的空气可以经由阴极线路层23的第二集电线路233，而流通至燃料电池单元25A、25B的阴极端，如此燃料电池单元25A、25B发生反应而产生电力。同样地，流道层40的具体实施手段可以利用印刷电路板制程形成。

本发明所使用的印刷电路板的材料材质是以铜箔基板(CCL)作为公开说明，本发明并不以铜箔基板(CCL)为限。

本发明上述在阳极线路层21的控制线路215以及在阴极线路层23的控制线路235，主要功能用来焊接各种电路组件，例如传感器、微控制器等等，而这些焊接上的电路组件能够构成具有功能性作用的电路。

本发明的制造方法10以及燃料电池30具备有下列的优点：

1.整合性生产制造成本与材料成本低，符合经济效应。

2.可适用于量产制程，具有标准化。

3.对于外围是统一的配合要求度低。

4.具较低的线路阻抗。

5.轻薄小的空间特性。

6.符合各种不同供应电压与供应电流的规格需求。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，所作更动与润饰仍属于本发明后附的权利要求的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种积层整合式燃料电池的制造方法，包括步骤：

(A).提供一电解质层，其中该电解质层至少包含一个以上的燃料电池单元；

(B).利用印刷电路板制程制作一阳极线路层，以及在该阳极线路层利用该印刷电路板制程形成分别对应于每个该燃料电池单元的阳极端的电池第一接点，并且在该阳极线路层利用该印刷电路板制程形成对应于以及电气性连接每个该燃料电池单元的阳极端的第一集电电路，其中该第一集电电路与该电池第一接点呈电气性导通；

(C).利用印刷电路板制程制作一阴极线路层，以及在该阴极线路层利用该印刷电路板制程形成分别对应于每个该燃料电池单元的阴极端的电池第二接点，并且在该阴极线路层利用该印刷电路板制程形成对应于以及电气性连接每个该燃料电池单元的阴极端的第二集电电路，其中该第二集电电路与该电池第二接点呈电气性导通；

(D).将该电解质层置于该阳极线路层与该阴极线路层之间后叠合一起，以及在叠合时，决定该电池第一接点与该电池第二接点是否形成电气性导通，使得各个该燃料电池单元依据设计需求连接成对应的串并联线路。

2.如权利要求1所述的制造方法，其中该步骤(B)进一步包括：在该阳极线路层利用该印刷电路板制程形成一控制线路，其中该控制线路是与该燃料电池单元呈电气性导通。

3.如权利要求1所述的制造方法，其中该步骤(C)进一步包括：在该阴极线路层利用该印刷电路板制程形成一控制线路，其中该控制线路是与该燃料电池单元呈电气性导通。

4.如权利要求1所述的制造方法，其中该燃料电池单元为一直接甲醇燃料电池单元。

5.如权利要求1所述的制造方法，其中该电池第一接点为一导通孔。

6.如权利要求1所述的制造方法，其中该电池第二接点为一导通孔。

7.一种积层整合式燃料电池，包括：

一电解质层，其中该电解质层至少包含一个以上的燃料电池单元；

一利用印刷电路板制程制作的阳极线路层，其中该阳极线路层包含一电池第一接点，该电池第一接点是利用该印刷电路板制程而形成并且对应于每个该燃料电池单元的阳极端；

一利用印刷电路板制程制作的阴极线路层，其中该阴极线路层包含一电池第二接点，该电池第二接点是利用该印刷电路板制程而形成并且对应于每个该燃料电池单元的阴极端；

一与该电池第一接点是呈电气性导通的第一集电电路，其中该第一集电电路是在该阳极线路层利用该印刷电路板制程而形成并且对应于每个该燃料电池单元的阳极端；

一与该电池第二接点是呈电气性导通的第二集电电路，其中该第二集电电路是在该阴极线路层利用该印刷电路板制程而形成并且对应于每个该燃料电池单元的阴极端；

其中该电解质层是置于该阳极线路层与该阴极线路层之间后叠合一起，以及在叠合时根据该电池第一接点与该电池第二接点是否是为电气性导通，藉此使得各个该燃料电池单元依据设计需求连接成对应的串并联线路。

8.如权利要求7所述的积层整合式燃料电池，进一步包括：一与该燃料电池单元是呈电气性导通的控制线路，其中该控制线路是在该阳极线路层利用该印刷电路板制程而形成。

9.如权利要求7所述的积层整合式燃料电池，进一步包括：一与该燃料电池单元是呈电气性导通的控制线路，其中该控制线路是在该阴极线路层利用该印刷电路板制程而形成。

10.如权利要求7所述的积层整合式燃料电池，其中该燃料电池单元是为一直接甲醇燃料电池单元。

11.如权利要求7所述的积层整合式燃料电池，其中该电池第一接点是为一导通孔。

12.如权利要求7所述的积层整合式燃料电池，其中该电池第二接点是为一导通孔。

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