CN1684297A - 平板式直接甲醇燃料电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种平板式直接甲醇燃料电池，其包含：整合式阴极电极板，包括第一基材、以电镀形成于第一基材的正反两面且其内密布复数穿孔的复数个阴极电极区域、设于阴极电极区域外并以导线电连接至阴极电极区域的复数个第一导电通孔；质子交换膜件单元，包括复数质子交换膜件，相对于复数阴极电极区域而配置；中间接合层，由至少一层接合片构成，包含有复数开孔，用以分别容纳复数质子交换膜件，以及复数第二导电通孔，相对于复数第一导电通孔而配置；整合式阳极电极板，包括第二基材、相对于复数阴极电极区域而配置的复数个阳极电极区域，以及相对于复数第一导电通孔而配置的复数第三导电接点；以及流道底板。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其是指一种薄型化的平板式直接甲醇燃料电池的结构及其制造方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)是一种利用液态或气态的稀释甲醇水溶液作为燃料，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比较，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，是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是以甲醇水溶液在阳极触媒(催化剂)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。
燃料电池一般都是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很小，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。
图1以及图2分别显示传统技艺的平板式直接甲醇燃料电池10的上视平面图以及沿着图1中切线I-I所示的剖面结构示意图。如图1与图2所示，传统的平板式直接甲醇燃料电池10包括有一双极板组件12以及一甲醇燃料储存槽14。双极板组件12包括上框架51、下框架52、阴极电极网121、复数个经过绕折处理的双极金属电极网122、123、124、125，以及阳极电极网126，以及夹设于两相对阴阳电极网之间的复数个质子交换膜件(Membrane Electrode Assembly，MEA)131、132、133、134、135。上框架51、下框架52、阴极电极网121、复数个经过绕折处理的双极金属电极网122、123、124、125，以及阳极电极网126以交互堆栈夹设的方式并以防漏胶或环氧树脂53将质子交换膜件131、132、133、134、135固设其中，从而构成串联的五个基本电池单元21、22、23、24及25。阴极电极网121、复数个经过绕折处理的双极金属电极网122、123、124、125，以及阳极电极网126是以钛金属网加上镀金处理。
传统的平板式直接甲醇燃料电池10包括串联的五个基本电池单元21、22、23、24及25，其中电池单元21由阴极电极网121、质子交换膜件131与双极金属电极网122所构成；电池单元22由双极金属电极网122(作为电池单元22的阴极)、质子交换膜件132与双极金属电极网123(作为电池单元22的阳极)所构成；电池单元23由双极金属电极网123(作为电池单元23的阴极)、质子交换膜件133与双极金属电极网124(作为电池单元23的阳极)所构成；电池单元24由双极金属电极网124(作为电池单元24的阴极)、质子交换膜件134与双极金属电极网125(作为电池单元24的阳极)所构成；电池单元25由双极金属电极网125(作为电池单元25的阴极)、质子交换膜件135与阳极电极网126所构成。以每个基本电池单元能提供0.6伏特电压计算，前述的五个串联的传统平板式直接甲醇燃料电池10即可供应0.6×5＝3.0伏特的电压。
前述的传统平板式直接甲醇燃料电池10的缺点在于其双极板组件12的上、下框架51、52，由FR4等玻璃强化树脂材料所构成，其厚度显然过厚而显得笨重，并无法达到进一步可携式电子产品日益薄型化的要求。而前述双极板组件12的电极网121、122、123、124、125以及126都是以钛金属网加上镀金处理，成本十分昂贵。再者，传统平板式直接甲醇燃料电池10的复数个经过绕折处理的双极金属电极网122、123、124、125并非整合在上、下框架上，而需另外预先以人工处理凹折，十分麻烦费时，而不易达到量产规模。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种改良的薄型化的平板式直接甲醇燃料电池，以改善前述的缺点。
本发明的另一目的在于提供一种改良的薄型化的平板式直接甲醇燃料电池的制造方法，以达到可批量生产的规模。
为达上述目的，根据本发明的优选实施例，本发明提供了一种平板式直接甲醇燃料电池，其结构包含有：
整合式阴极电极板，包括第一基材、复数个阴极电极区域、复数个第一导电通孔，其中所述阴极电极区域是以电镀形成于所述第一基材的正反两面，其内密布有复数个穿孔，而所述第一导电通孔设于所述阴极电极区域外并以导线电连接至所述阴极电极区域；
质子交换膜件单元，包括复数个质子交换膜件，相对于所述复数个阴极电极区域而配置；
中间接合层，由至少一层接合片(Bonding Sheet)所构成，包含有复数个开孔，用以分别容纳所述复数个质子交换膜件，以及复数个第二导电通孔，相对于所述复数个第一导电通孔而配置；
整合式阳极电极板，包括有第二基材、相对于所述复数个阴极电极区域而配置的复数个阳极电极区域，以及相对于复数个第一导电通孔而配置的复数个第三导电接点；以及
流道底板。
同时，本发明还提供了一种制作平板式直接甲醇燃料电池的整合式阴极电极板的方法，包含有下列步骤：
提供一铜箔基板(CCL)，包括一基板、覆于该基板上表面的第一铜层以及覆于该基板下表面的第二铜层；
于所述铜箔基板上的预定电极区域进行钻孔制程，以于该铜箔基板上形成贯穿所述第一铜层、基板以及第二铜层的复数个穿孔；
于所述铜箔基板上以及所述复数个穿孔内沉积一化学铜层；
在所述铜箔基板上以光阻定义出预定电极区域；
进行电镀制程，以所述光阻为电镀阻剂，在未被光阻覆盖的区域，包括所述预定电极区域内，电镀一层电镀铜层以及在该电镀铜层上镀上一层锡铅层；
剥除所述光阻；
进行一铜蚀刻制程，将未被锡铅层覆盖的区域内的化学铜层以及所述铜箔基板上的第一、第二铜层蚀除；
蚀除所述锡铅层，暴露出所述电镀铜层；
在所述预定电极区域以外的区域涂布一防焊阻剂；以及
在所述电镀铜层上电镀一导电保护层。
为使阅读者能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。然而所附图式仅供参考与辅助说明之用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1显示传统技艺的平板式直接甲醇燃料电池的上视平面示意图。
图2显示传统技艺的平板式直接甲醇燃料电池沿着图1中切线I-I所示的剖面结构示意图。
图3显示本发明优选实施例的平板式薄型化的直接甲醇燃料电池结构的各部分分解示意图。
图4至图12为说明本发明的平板式薄型化的直接甲醇燃料电池结构中的整合式薄型化阴极电极板以及整合式薄型化阳极电极板的制造方法示意图。
图中的符号说明：
10平板式直接甲醇燃料电池 12双极板组件 14甲醇燃料储存槽
21基本电池单元 22基本电池单元 23基本电池单元
24基本电池单元 25基本电池单元 30铜箔基板 32基板
34铜层 36铜层 42穿孔 46化学铜层
48光阻 49预定电极区域 51上框架 52下框架
53环氧树脂 62铜层 64锡铅层 72防焊阻剂
74镍金保护层 121阴极电极网 122双极金属电极网
123双极金属电极网 124双极金属电极网 125双极金属电极网
126阳极电极网 131质子交换膜件 132质子交换膜件
133质子交换膜件 134质子交换膜件 135质子交换膜件
20平板式薄型化的直接甲醇燃料电池
200整合式薄型化阴极电极板 201阴极电极区域
202阴极电极区域 203阴极电极区域 204阴极电极区域
205阴极电极区域 210基材 211导电通孔 212导电通孔
213导电通孔 214导电通孔 215导电通孔 221固接穿孔
222固接穿孔 223固接穿孔 224固接穿孔 250导线
251导线 252导线 253导线 254导线 261正极接点
300质子交换膜件单元 301第一质子交换膜件
302第二质子交换膜件 303第三质子交换膜件
304第四质子交换膜件 305第五质子交换膜件
400中间接合层 401开孔 402开孔 403开孔
404开孔 405开孔 411导电通孔 412导电通孔
413导电通孔 414导电通孔 415导电通孔 421固接穿孔
422固接穿孔 423固接穿孔 424固接穿孔
500整合式薄型化阳极电极板 501阳极电极区域
502阳极电极区域 503阳极电极区域 504阳极电极区域
505阳极电极区域 511导电接点 512导电接点 513导电接点
514导电接点 515导电接点 521固接穿孔 522固接穿孔
523固接穿孔 524固接穿孔 600流道底板 601燃料流道
621固接穿孔 622固接穿孔 623固接穿孔 624固接穿孔
具体实施方式
请参阅图3，其显示本发明优选实施例的平板式薄型化的直接甲醇燃料电池20结构的各部分分解示意图。为简化说明，本发明的平板式薄型化的直接甲醇燃料电池20的结构以五个串联基本电池单元为例作说明，但本领域的技术人员应理解本发明并非仅限制在五个串联基本电池单元，其它数目的基本电池单元所组成的燃料电池也在本发明应用涵盖的范畴。如图3所示，本发明的平板式薄型化的直接甲醇燃料电池20的结构包括有整合式薄型化阴极电极板200、质子交换膜件(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)单元300、中间接合层400、整合式薄型化阳极电极板500以及流道底板600。
整合式薄型化阴极电极板200包括有基材210、阴极电极区域201、202、203、204及205、导电通孔211、212、213、214及215。在阴极电极区域201、202、203、204及205以及导电通孔211、212、213、214及215以外的基材210表面上涂布有防焊绿漆(Solder Resist)。在基材210四个角落另有固接穿孔221、222、223及224。整合式薄型化阴极电极板200是以与印刷电路板(PCB)制程兼容的方法所制成，其中基材210可以为聚合纤维材料所构成，如ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、CEM-1或CEM-3等等。各个阴极电极区域201、202、203、204及205都含有复数个开孔，其开孔率(定义为开孔面积与各个阴极电极区域面积的比值×100％)最好大于50％。基材210上的导电通孔212经由导线250与阴极电极区域201相导通，导电通孔213经由导线251与阴极电极区域202相导通，导电通孔214经由导线252与阴极电极区域203相导通，导电通孔215经由导线253与阴极电极区域204相导通。阴极电极区域205经由导线254连接至正极(阴极)接点261。导电通孔211，其作为负极(阳极)接点，与正极接点261与外部电路相连接，构成电池的回路。
质子交换膜件单元300包括有第一质子交换膜件301、第二质子交换膜件302、第三质子交换膜件303、第四质子交换膜件304以及第五质子交换膜件305。质子交换膜件单元300内的各质子交换膜件可采用如杜邦公司Nafion电解质膜，或具有相同功能的其它固态电解质膜。
中间接合层400由至少一层接合片(Bonding Sheet)所构成，该接合片可以为印刷电路板制程中常用的部分聚合阶段(B-stage)的PREPREG树脂胶片等材质，可以在120℃的温度下处理30分钟达到完全聚合熟化程度。中间接合层400包含有五个开孔401、402、403、404及405，用以分别容纳第一质子交换膜件301、第二质子交换膜件302、第三质子交换膜件303、第四质子交换膜件304及第五质子交换膜件305。在开孔401的一侧，相对于基材210的导电通孔211的位置，设有一导电通孔411。而在开孔402、403、404及405的相同各一侧，分别对应于基材210的导电通孔212、213、214及215的位置，设有导电通孔412、413、414及415。在本发明其它优选实施例中，中间接合层400可另包含有一支撑层，其为聚合纤维材料所构成，如FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、CEM-1或CEM-3等等。中间接合层400四个角落相对于基材210的固接穿孔221、222、223及224另设有固接穿孔421、422、423及424。
整合式薄型化阳极电极板500包括有基材510、阳极电极区域501、502、503、504及505、导电接点511、512、513、514及515。其中，导电接点511、512、513、514及515与阳极电极区域501、502、503、504及505同时定义完成。在基材510四个角落相对于基材210的固接穿孔221、222、223及224另设有固接穿孔521、522、523及524。整合式薄型化阳极电极板500同样以与印刷电路板(PCB)制程兼容的方法所制成，其中基材510可以为聚合纤维材料所构成，如ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、CEM-1或CEM-3等等。各个阳极电极区域501、502、503、504及505都含有复数个开孔，其开孔率最好大于50％。
流道底板600上有预设的燃料流道601，以及相对于基材210的固接穿孔221、222、223及224，另设有固接穿孔621、622、623及624。流道底板600可以为聚合材质所构成，如环氧树脂、聚亚醯膜(polyimide)或压克力(Acrylic)等，并以机械车刀洗出预定流道结构，或以射出成型方式制成。流道结构并非本发明的重点因此不加赘述。
组装时，将整合式薄型化阴极电极板200、质子交换膜件单元300、中间接合层400以及整合式薄型化阴极电极板500依序堆栈黏合固接。其中，整合式薄型化阴极电极板200的导电通孔211、212、213、214及215分别与中间接合层400的导电通孔411、412、413、414及415对准，同时与整合式薄型化阳极电极板500的导电接点511、512、513、514及515对准，并分别焊接固着。这样，使得整合式薄型化阴极电极板200的阴极电极区域201经由导线250、导电通孔212及412、整合式薄型化阳极电极板500的导电接点512，电连接至整合式薄型化阳极电极板500的阳极电极区域502；而使得整合式薄型化阴极电极板200的阴极电极区域202经由导线251、导电通孔213及413、整合式薄型化阳极电极板500的导电接点513，电连接至整合式薄型化阳极电极板500的阳极电极区域503，以此类推，而构成五个串联的基本电池单元的燃料电池。整合式薄型化阴极电极板200的导电通孔211(作为燃料电池的负极)，则通过中间接合层400的导电通孔411，电连接至整合式薄型化阳极电极板500的导电接点511以及阳极电极区域501。
由上述可知，本发明利用成熟的印刷电路板技术所构成的平板式薄型化的直接甲醇燃料电池20结构中的整合式薄型化阴极电极板200以及整合式薄型化阳极电极板500具有轻薄、方便制造的优点。藉由布局于基材上的导线布局，更可以进一步将控制燃料电池以及外部电路整合。
以下，继续以图4至图12说明本发明平板式薄型化的直接甲醇燃料电池20结构中的整合式薄型化阴极电极板200以及整合式薄型化阳极电极板500的制造方法。
首先，请参阅图4，提供一铜箔基板(Copper Clad Laminate，简称CCL)30，其厚度仅数厘米，包括一基板32、覆于基板32上表面的铜层34以及覆于基板32下表面的铜层36。
如图5所示，在将铜箔基板30裁制切割成所需尺寸大小后，于铜箔基板30上的预定电极区域进行钻孔制程，以于铜箔基板30上形成复数个贯穿铜层34、基板32以及铜层36的穿孔42。根据本发明的优选实施例，所有穿孔42的总面积(开孔率)需占该预定电极区域50％以上。
接着，如图6所示，于铜箔基板30上以及穿孔42内沉积一化学铜层46。化学铜层46是以化学方式而非电镀方式沉积，因此会非选择性地均匀沉积在铜箔基板30上以及穿孔42内壁。
如图7所示，在铜箔基板30上以光阻(干膜)48定义出预定电极区域49。以制作图3中的整合式薄型化阴极电极板200为例，光阻48定义的预定电极区域49即为阴极电极区域201～205，且光阻48同时定义出导线250～254以及正极接点261(图7未示)。图3中的整合式薄型化阴极电极板200，导电通孔211～215是与预定电极区域内的穿孔42同时制作完成。若以制作图3中的整合式薄型化阳极电极板500为例，则光阻48定义的预定电极区域49即为阳极电极区域501～505，且光阻48同时定义出接点511～515以及该接点与阳极电极区域之间的连接区域(图7未示)。
如图8所示，接着进行电镀制程，以光阻48为电镀阻剂，在未被光阻48覆盖的区域，包括预定电极区域49内，电镀一层铜层62以及在铜层62上镀上一层锡铅层64。
如图9所示，接着将光阻48剥除。
如图10所示，进行一铜蚀刻制程，将未被锡铅层64覆盖的区域内的化学铜层46以及铜箔基板30上的铜层34与36蚀除。然后，再进行另一蚀刻制程，蚀除锡铅层64，暴露出铜层62，这样即初步完成如图3中整合式薄型化阳极电极板500的制造。
而若是制造图3中的整合式薄型化阴极电极板200，则需继续进行图11以及图12的步骤。如图11所示，为避免后续焊锡过程中对基板损伤或造成短路，需再涂布一防焊阻剂(俗称为绿漆)72。该防焊阻剂为印刷电路板工业常用的，其是以光感材料构成，可用传统黄光微影定义出电极板200上需要被保护的区域。
接着，如图12所示，为避免整合式薄型化阴极电极板200在长期接触空气时被氧化，可再进行一电镀制程，于电极上进一步镀上一层镍金保护层74。
综上所述，本发明的改良的平板式薄型化的直接甲醇燃料电池结构与传统技艺相比较，至少包括以下优点：
(1)燃料电池结构的关键组件包括整合式薄型化阴极电极板200以及整合式薄型化阳极电极板500皆以印刷电路板技术制成，而采用铜箔基板作为起始基材更可以降低燃料电池的制造成本。
(2)以成熟的印刷电路板技术制作燃料电池结构的关键组件包括整合式薄型化阴极电极板200以及整合式薄型化阳极电极板500，以双面制程可达到批量生产规模。
(3)本发明的整合式薄型化阴极电极板200以及整合式薄型化阳极电极板500不需要如传统技艺以人工绕折电极网，因此可大量生产，而且直接堆栈组装更为精密而方便。
(4)以印刷电路板技术制造，更可将控制锂电池与燃料电池的积体控制电路同时整合在基板上，提高燃料电池的利用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明的内容所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的保护范围内。
Claims (13)
1、一种平板式直接甲醇燃料电池，其特征在于，包含有：
整合式阴极电极板，包括第一基材、复数个阴极电极区域、复数个第一导电通孔，其中所述阴极电极区域是以电镀形成于所述第一基材的正反两面，其内密布有复数个穿孔，而所述第一导电通孔设于所述阴极电极区域外并以导线电连接至所述阴极电极区域；
质子交换膜件单元，包括复数个质子交换膜件，相对于所述复数个阴极电极区域而配置；
中间接合层，由至少一层接合片所构成，包含有复数个开孔，用以分别容纳所述复数个质子交换膜件，以及复数个第二导电通孔，相对于所述复数个第一导电通孔而配置；
整合式阳极电极板，包括有第二基材、相对于所述复数个阴极电极区域而配置的复数个阳极电极区域，以及相对于复数个第一导电通孔而配置的复数个第三导电接点；以及
流道底板。
2、如权利要求1所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中所述阴极电极区域包含有一底层铜、设于该底层铜上的一化学铜层、设于该化学铜层上的一电镀铜层，以及设于该电镀铜层上的一导电保护层。
3、如权利要求2所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中所述导电保护层为镍金电镀层。
4、如权利要求1所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中所述质子交换膜件为固态电解质膜。
5、如权利要求1所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中所述接合片为印刷电路板制程中常用的部分聚合阶段的PREPREG树脂胶片。
6、如权利要求5所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中所述接合片是在120℃的温度下处理30分钟达到完全聚合熟化程度的接合片。
7、如权利要求1所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中所述第一基材为聚合纤维材料所构成。
8、如权利要求7所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中所述第一基材为ANSI级的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、CEM-1或CEM-3的聚合纤维材料所构成。
9、如权利要求1所述的平板式直接甲醇燃料电池，其中组装时，是将所述整合式阴极电极板、所述质子交换膜件单元、所述中间接合层以及所述整合式阳极电极板依序堆栈黏合固接；其中，所述整合式阴极电极板的第一导电通孔分别与中间接合层的第二导电通孔对准，同时与所述整合式阳极电极板的第三导电接点对准，并分别焊接固着。
10、一种制作平板式直接甲醇燃料电池的整合式阴极电极板的方法，包含有：
提供一铜箔基板，包括一基板、覆于该基板上表面的第一铜层以及覆于该基板下表面的第二铜层；
于所述铜箔基板上的预定电极区域进行钻孔制程，以于该铜箔基板上形成贯穿所述第一铜层、基板以及第二铜层的复数个穿孔；
于所述铜箔基板上以及所述复数个穿孔内沉积一化学铜层；
在所述铜箔基板上以光阻定义出预定电极区域；
进行电镀制程，以所述光阻为电镀阻剂，在未被光阻覆盖的区域，包括所述预定电极区域内，电镀一层电镀铜层以及在该电镀铜层上镀上一层锡铅层；
剥除所述光阻；
进行一铜蚀刻制程，将未被锡铅层覆盖的区域内的化学铜层以及所述铜箔基板上的第一、第二铜层蚀除；以及
蚀除所述锡铅层，暴露出所述电镀铜层。
11、如权利要求10所述的方法，其中蚀除所述锡铅层之后，该方法尚包含有下列步骤：
在所述预定电极区域以外的区域涂布一防焊阻剂；以及
在所述电镀铜层上电镀一导电保护层。
12、如权利要求11所述的方法，其中所述导电保护层为镍金层。
13、如权利要求10所述的方法，其中所述复数个穿孔所占面积大于所述预定电极区域的面积的50％。
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