TW200411974A - Fuel cell assembly and reactant distribution structure and method of making the same - Google Patents

Description

200411974 玫、發明說明： 【發明戶斤屬之技術領域】 發明背景 發明領域 5 本發明係與燃料電池和燃料電池反應物分佈結構 有關。 【先前技術】 相關技藝說明 燃料電池係將反應物（也就是燃料和氧化劑）轉 10換成電和產物，其因為不像充電電池般受制於冗長的 再充電週期，並且其等係相對較小、較輕同時幾乎不 造成裱境影響，而係較優異的。然而，本案發明者在 此已確疋傳統燃料電池需要加以改良。舉例來說，發 明人在此已確疋提供用於將反應物分佈於燃料電池電 15 極的改良裝置將會有需要的。 【明内^^ 3 圖式簡要說明 本發明之具體例將參照隨附的圖式而詳細說明。 第1圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池總 20 成的側視圖。 第2圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池的 平面圖。 圖的 3A-3A線段的剖面 第3A圖是沿著第2 圖。 200411974 第3B圖是沿著第2圖的3B-3B線段的剖面圖。 第4圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池總 成的平面圖。 第5A圖是沿著第4圖5A-5A線段的剖面圖。 5 第5B圖是沿著第4圖5B-5B線段的剖面圖。 第5C圖是沿著第4圖5 C-5C線段的剖面圖。 第5D圖是沿著第4圖5D-5D線段的剖面圖。 第6A-6D圖是例示在依據本發明的較佳具體例 馨 中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的—步驟之 10 舉例剖面圖。 第7A-7D圖是例示在依據本發明的較佳具體例 中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步驟之 舉例剖面圖。 第8A-8D圖是例示在依據本發明的較佳具體例 15中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步驟之 舉例剖面圖。 _ 第9A-9D圖是例示在依據本發明的較佳具體例 中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步驟之 舉例剖面圖。 20 第10Α_10Ε)圖是是例示在依據本發明的較佳具 體例中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步 驟之舉例剖面圖。 第11圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池 系統的概略圖。 6 200411974 【 較佳具體例的詳細說明 ,、,以下為實行本發明的目前之最佳已知態樣。此等描 述亚不疋要用於限制而僅是為了例示說明本發明的一 5般原理的目的。要注意的是與本發明無關的燃料電池 之詳細結構，P7 w U , 已為了早純化的目的而被省略。本發明 也可以應用包括那些目前在發展或仍然未發展之廣泛 的燃料電池技術和燃料電池系統中。舉例來說，雖然 各種不同典型的燃料電池系統係在下述中參照固㈣ 10化物燃料電池（，，S0FCs")來描述，例如質子交換膜 ΓΡΕΜ”）燃料電池之其他類型的燃料電池，也可以同 樣地可以應用在本發明中。 如在第1圖中做為具體例來例示說明者，一依據 本發明的具體例之燃料電池總成1〇〇包含有一燃料電 15池1〇2 (典型具體例為S0FC)以及在其之上形成並被 該燃料電池所承載的反應物分佈結構104。該反應物 分佈結構104界定燃料（舉例來說h2或例如cH4、 C2H6、C3H8等等之烴燃）以及被供給到燃料電池1〇2 的氧化劑（舉例來說〇2或周圍空氣）的路徑。雖然本 2 〇 义 發明並不限於任何特殊的燃料電池結構，但是在第 2-3B圖中所例示說明的典型燃料電池丨〇2中，一個 陽極106和一個陰極108係被支持在一電解質基材 11 〇上，而這個結構係在下述中簡短描述。在現在正提 出申請之發明名稱為"Method for Making a Solid 7 200411974 號 ，其係在

Oxide Fuel電池”的美國專利申請序號第 中&供了典型燃料電池1 0 2的較詳細描述 此並併入以供參考。 如在第2-3B圖中作為具體例來例示說明者，電解 5質基材11()包含具有數個縱向地延伸凹槽ι14 (參照 第3A圖）之燃料凹槽系統112、一出口凹槽ιΐ6和 將該等縱向地延伸凹槽連接至該出口凹槽的連接凹槽 118。該等縱向延伸凹槽114界定入口區域12〇，其係 以在下述的方法藉著該反應物分佈結構1〇4的方式來 ίο接收燃料。該陽極1〇6係主要位在燃料凹槽系統112 内。更明確地說，陽極106包含覆蓋該縱向延伸凹槽 114的表面（參照第3A圖）之數個縱向延伸部分 122，以及位在該連接器凹槽丨丨8内的連接器部分 124。該連接器124的相對較小長度係在該連接器凹 15槽118末端之上延伸，以因應在製造時得微幅失準。 一包含數個縱向延伸部分128與一連接到一接觸點 132之連接器部分130的電流集極126，係被支持在 1%極 1 0 6上。 該電解質基材110也包含具有數個縱向延伸凹槽 20 136 (參照第3A圖）的氧化劑凹槽系統134 , —出口 凹槽1 3 8與一將該等縱向延伸凹槽連接至該出口凹槽 的連接器凹槽140。該縱向延伸凹槽136界定入口區 域142，其係以在下述的方法藉著該反應物分佈結構 的方式來接收氧化物。該陰極1〇8係主要位在氧 8 200411974 化物凹槽系統丨34内。更明確地說，該陰極丨〇8包 含覆蓋該縱向延伸凹槽1 3 6的表面（參照第3a圖） 之數個縱向延伸部分144，以及位在該連接器凹槽 140内的連接器部分ι46。該連接器部分146的相對 5車父小長度係在該連接器凹槽140末端之上延伸，以因 應在製造時得微幅失準。一包含數個縱向延伸部分 150與一連接到一接觸點154之連接器部分152的 電流集極14 8，係被支持在陰極丨〇 8上。 · 如上所述，藉著該反應物分佈結構丨〇4的方式， 10燃料係被供給至燃料電池102的燃料凹槽系統i 12 的入口區域120，而氧化劑係供給到氧化劑凹槽系統 134的入口區域142。該氧化劑係電化學地在陰極1〇8 離子化，藉此產生擴散通過該導電性電解質基材n〇， 並在陽極106與燃料反應產生副產物（典型的具體例 15為C〇2和水汽）的離子。電流集極126和148所收 集的電流，係藉著接觸點丨32與丨54的方式連接到 鲁 一負載。副產物和任何未使用的反應物也藉由反應物 分佈結構104的方式，移動經過該出口凹槽丨16和 138 ’而自燃料電池總成100排除。 Z〇 雖然典型的燃料電池102與基材132之材質、大 小和結構會仰據燃料電池的型態（例如SOFC、PEM 等）與其所欲的應用而不同，並且雖然本發明並未限制 於任何特定的材質、大小、結構或類型，但是典型的 燃料電池1 02可如下述來架構。在典型的燃料電池 9 中的陽極106係較佳地為多孔、陶究與金屬的，且 成物（也被稱為”金屬陶完”）薄膜，其係厚約0.5_10 10

Am。陽極的另—種選擇係為—種導電性與非導電性陶 竞和-催化劑的混合物。適當的陶莞包含有氧化釤-摻 雜的二氧化鈽（"SDC，m化I-摻雜的二氧化錦 (GDC )和適當的金屬含鎳和銅。典型的陰才亟1〇8係 較佳地為一厚、約〇.5_1〇…多孔的陶亮薄膜。適當 的陶资材料包含有釤㈣氧化物（„ss⑶„)。該電解質 基材11〇係係較佳地為_例如s〇c之相對較厚的無 孔陶竞薄膜，其厚肖400.…或者，一相對較 薄的電解質層（例如厚約1G_卿m)可被支持在一適 當的基材上。適當的電流集極材料包含有不銹鋼、銀、 金和翻。 15

關於在典型的成品中由電解質基材11〇所界定戈 燃料和氧化劑凹槽系統112和134，其之深度係大參 為1-100 vm。該縱向延伸凹槽114和136係寬乡 5-100 //m，出 口凹槽 116 和 138 係寬約 5_1〇〇 ^ 而連接器凹槽Π8和140係寬約5-100 “m。 20 參照第4-5D圖，該典型的反應物分佈結構1〇4 是單塊、一體成型結構，其係形成且承載於燃料電池 102上。更明確地說，在所例示說明的具體例中該反 應物分佈結構1 〇4係較佳地形成且承載於電解質基材 110上。該界定一頂部外表面l〇4a與側邊外表面 10朴之反應物分佈結構1〇4,具有一對應於下部的燃 10 200411974 料電池之％極和陰極的凹槽結構。如同在典型具體例 中所示一般’在該等陽極和陰極係與燃料凹槽系統和 氧化劑凹槽系統相通連的情況中，該反應物分佈結構 1 04中之凹槽系統，也會對應於燃料電池的燃料和氧 5 化劑凹槽系統。 在陽極側邊上，在第4巧D圖中所例示說明的典型 反應物分佈結構1 04提供一具有數個縱向延伸凹槽 1 5 8之燃料凹槽系統1 5 6，一出口凹槽1 6 0與一將縱 向延伸凹槽與出口凹槽連接的連接凹槽1 62。該等縱 10向延伸凹槽1 5 8界定入口區域164。數個燃料進入孔 166係延伸通過該反應物分佈結構丨〇4，也就是從該 反應物分佈結構的外表面通到入口區域1 6 4，同時一 排出孔16 8 (或數個排出孔）係延伸通過該反應物分佈 結構104通到該出口凹槽16〇。最後，一陽極側邊電 15流集極孔170也會延伸通過該反應物分佈結構1〇4 以與電流集極132連接。在電流集極丨32延伸至該 燃料電池102的縱向側邊並從該側邊與電流集極連接 的情況下’該電流集極孔17 0可以被省略。 典型反應物分佈結構1 04的陰極侧邊具有一類似 20 的結構。一氧化劑凹槽系統1 72包含數個縱向延伸凹 槽1 7 4、一出口凹槽1 7 ό和一將縱向延伸凹槽與出口 凹槽連接的連接器凹槽178。該縱向延伸凹槽1 74界 定入口區域1 80。數個氧化劑進入孔丨82係延伸通過 該反應物分佈結構1 04，也就是從該反應物分佈結構 11 的外表面通到入口區域1 80，同時一排出孔丨84 (或數 個排出孔）係延伸通過該反應物分佈結構丨〇4通到該 出口凹槽176。最後，一陰極側邊電流集極孔17〇也 會延伸通過該反應物分佈結構104以與電流集極154 連接。在此，當電流集極1 3 2延伸至該燃料電池i 〇2 的縱向側邊並從該側邊與電流集極連接的情況下，該 電流集極孔1 70同樣可以被省略。 本發明的反應物分佈結構具有許多種與其有關的 優點。舉例來說，本案之反應物分佈結構可以直接地 在相關的燃料電池上製造，其比起如果將反應物分佈 結構分別製作然後固定到燃料電池的方式，可以提供 更好的校準精確度。該校準性的改良使得即使陽極和 陰極是位在燃料電池的相同側邊下，仍可以減少燃料 和氧化劑混台的可能性，藉以改善燃料電池的效率。 本案的反應物分佈結構也因為只將反應物輸送到燃料 電池一側，而簡化燃料電池的封裝結構。 該反應物分佈結構104係較佳地由一不是導電性 且具有抗高溫能力的材料所形成。適當的材料包含有 Al2〇3、ZnO、Mg〇2、Ti〇2和其他金屬氧化物。反應物 分佈結構104的大小，主要地係依據將被封裝的燃料 電池總成100有關的大小/需求以及該燃料電池總成 1〇〇將進行封裝的方式而改變。在典型的具體例中， 那縱向延伸凹槽158和174是寬約1〇_14(^m、出 口凹槽160和176係寬約1(M4〇//m而連接器凹槽 200411974 162和178係寬約10-140 // m。凹槽的深度約為 1 〇 - 2 0 0 // m，而典型的反應物分佈結構1 〇 4的總厚度 係約為4-100 β m。 現在时論製作方式’在第4-5D圖中例示說明的燃 5 料電池反應物分佈結構104可以例如傳統的半導體製 造設備來加以製造。以這種設備施行的技術包含在第 6A-10 D圖中所例示說明的典型單側加工程序。[在第 6A-10 D圖中所顯示的剖面圖係對應於在第5A — 5D 圖中所示的的剖面圖]。首先參照第6A-6d圖，燃料 10電池1〇2 (包括反應物凹槽）的頂部表面係以一層犧牲 材料188覆蓋。該犧牲材料188最後地將會被移除， 藉以再次開放在燃料電池102上的反應物凹槽，並形 成在反應物分佈結構1 〇4中之反應物凹槽。適當的犧 牲材料包含有鋁（藉由化學性或物理性的汽相沈積）、 15光阻（藉由’’旋轉塗敷"技術沈積）和其他對於燃料電 池和反應物分佈結構材料具有適當的蝕刻選擇性之材 料。如其所示，雖然這不是必需的，犧牲材料層188然 後可以被平坦化而產生一光滑表面。 接著，如在第7A-7D圖中所例示說明，犧牲材料 20層1 88係被圖案化以移除部分的該層次。殘留的該犧 牲材料係位於最後在燃料電池1〇2和反應物分佈結構 104中係為空腔之區域，也就是反應物凹槽和電流集 極孔。用於圖案化該犧牲材料丨88的適當方法包含有 13 200411974 化予蚀刻（叙為犧牲材料）和光蝕刻石版術（光阻為 犧牲材料）。 -V 本 ^ —預先圖案化的犧牲材料可藉由使用網版印 刷或其他印刷技術，在不需一移除步驟下形成，而不 5疋藉由上述的沈積與圖案化技術。典型地，此種技術 會用於見度比50# m更大的結構中。 在典型的加工程序中接下來的步驟係被例示說明 在第8A 8 D圖中。在此，一層反應物分佈結構材料 1 9〇 (也就是最後會形成反應物分佈結構的材料丨〇4) 1〇係被沈積在該燃料電池1〇2和犧牲材料188之現已 圖案化層次。適合用於沈積該反應物分佈結構材料 190的技術，包含有物理汽相沈積c，pvD”），化學汽相 沈積（"CVD”）和電漿增強化學汽相沈積 (PECVD )。5亥反應物分佈結構材料19〇將會與電解 15質基材110的暴露部分結合，藉此將反應物分佈結構 材料與燃料電池1 02固定。 參照第9A-9D圖，反應物分佈結構材料層19〇然 後被圖案化以移除該層次的一部分。此種圖案化作用 會形成燃料進入孔166、排出孔168、陽極側邊的電 2〇流集極孔170、氧化劑進入孔182、排出孔184和陰 極側邊電流集極孔186。為移除部分的反應物分佈結 構材料190的適當技術，包含有化學蝕刻法、反應性 離子蝕刻（"RIE”）、濺散蝕刻作用和離子銑削作用。 14 或者，一預先圖案化的反應物分佈結構材料層丨9〇 可藉由使用網版印刷或其他印刷技術，在不需一移除 步驟下形成，而不是藉由上述的沈積與圖案化技術。 在典型的反應物分佈結構104形成方法的最後步 5驟中，係將犧牲材料188移除。[第1〇A_1〇D圖。] 此種移除作用，再次開放在燃料電池丨〇2上的反應物 和氧化劑凹槽系統112和134，並產生在該反應物分 佈、，’口構材料190中之反應物和氧化劑凹槽系統丨56 _ 和172。用於移除該犧牲材料188的適當技術包含有 1〇化學蝕刻（鋁為犧牲材料）和氧灰化作用（光阻為犧 牲材料）。在任何一種情況下，犧牲材料188都會由於 先前之步驟中在反應物分佈結構材料190中所形成的 反應物孔移除，也就是從燃料和氧化劑進入孔166和 182以及排出孔168和184移除。 15 如第1〇A圖所例示說明，完整的典型反應物分佈 、’Ό構104包含數個從頂部外壁丨94延伸到電解質基 春 材110的支撐壁192。該支撐壁192界定該反應物凹 槽與電流集極孔，同時支持在燃料電A HM上的反應 物分佈結構1〇4。 20 該典型的燃料電池總成100可以許多種方式來封 衷與使用。燃料電池總成可以被個別地封裝與使用。 或者’如同在f 11圖中所例示說明的，數個燃料電池 、〜成100可被組合成包含—電池堆的燃料電池 系統…燃料供給2〇4係以-進料岐管（未顯示） 15 方式’將燃料供給到每個燃料電池總成的進料孔 6且^匕物供給204係以一進料岐管（未顯示） 、式冑氧化劑供給到每個燃料電池總成的進料孔 82陰極。在使用用 隹便用周圍空氣的具體财，氧化劑供給 可此只是一通風口或9 次疋通風口與風扇的結構。副產物 係以一排出岐管（夫_ t (未員不）與副產物出口 2〇8和21〇 10 的方式排出電池堆。可以提供-控制ϋ 212以監測並 控制典型燃料電池系統·的操作。或者，該燃料 電池系統的操作可以由主裝置（也就是電能消耗裝置） 來控制。應該要注意的是，典型的燃料電池系，统2〇〇的 實施例包含燃料供，給204是可再補充的或可替換的系 統，以及在系統中最初就存在之將會消耗所有燃料的 系統。 雖然本發明已經以上述之較佳具體例的形式來描 15述，但是對上述的具體例進行許多種修改及/或增減， 對於習於此藝者而言將會可以輕易了解的。藉由例示 但並非是限制的方式，雖然典型具體例的反應物凹槽 是通常是直線的，他們也可以是彎曲的。此外，雖然 典型的燃料電池係被架構成具有自己本身的反應物凹 2 0 槽’本發明的反應物分佈結構也可以用來與燃料電池 結合，以使得陽極和陰極只是平置於一電解質基材 上。本發明的範圍係要擴展到所有的此種修改及/或增 減中。 【圖式簡單說明】 16 200411974 第1圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池總 成的側視圖。 第2圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池的 平面圖。 5 第3A圖疋沿著第2圖的3A-3A線段的剖面 圖。 第3B圖是沿著第2圖的3B-3B線段的剖面圖。

第4圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池總 成的平面圖。 10 第5A圖是沿著第4圖5A-5A線段的剖面圖。 第5B圖是沿著第4圖5B-5B線段的剖面圖。 第5C圖是沿著第4圖5 C-5C線段的剖面圖。 第5D圖是沿著第4圖5D-5D線段的剖面圖。 第6A-6D圖是例示在依據本發明的較佳具體例

15 中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步驟之 舉例剖面圖。 第7A-7D圖是例示在依據本發明的較佳具體例 中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步驟之 舉例剖面圖。 20 第8A-8D圖是例示在依據本發明的較佳具體例 中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步驟之 舉例剖面圖。 17 200411974 第 9A-9D圖是例示在依據本發明的較佳具體例 中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步驟之 舉例剖面圖。 第10A-10D圖是是例示在依據本發明的較佳具 5 體例中所例示說明的反應物分佈結構製造方法的一步 驟之舉例剖面圖。

第11圖是依據本發明的較佳具體例之燃料電池 系統的概略圖。 【圖式之主要元件代表符號表】

100 燃料電池總成 126 電流集極 102 燃料電池 128 縱向延伸部分 104 反應物分佈結構 130 連接器部分 104a 頂部外表面 132 接觸點 104b 側邊外表面 134 氧化劑凹槽系統 106 陽極 136 縱向延伸凹槽 108 陰極 138 出口凹槽 110 電解質基材 140 連接器凹槽 112 燃料凹槽系統 142 入口區域 114 縱向地延伸凹槽 144 縱向延伸部分 116 出口凹槽 146 連接器部分 118 連接凹槽 148 電流集極 120 入口區域 150 縱向延伸部分 122 縱向延伸部分 152 連接器部分 124 連接器部分 154 接觸點 18 200411974 156 燃料凹槽系統 158 縱向延伸凹槽 160 出口凹槽 162 連接凹槽 164 入口區域 166 燃料進入孔 168 排出孔 170 電流集極孔 172 氧化劑凹槽系統 174 縱向延伸凹槽 176 出口凹槽 178 連接器凹槽 入口區域 氧化劑進入孔 排出孔 電流集極孔 犧牲材料 反應物分佈結構材料 支撐壁 燃料電池系統 電池堆 燃料供給 210副產物出口 控制器 19

Claims (1)

1. 200411974 拾、申請專利範圍： 1 · 一種製造燃料電池總成的方法，其包含以下步驟： 提供一燃料電池（1 〇2)，其包括的一支持至 少一電極（106，108)的表面；與 5 在該燃料電池的表面上形成反應物分佈結構 (104) 〇 2 ·如申请專利範圍第1項的方法， 其中提供一燃料電池（丨〇2)的步驟包含提 泰 供一燃料電池，該燃料電池包括一支持一陽極 10 (106)和一陰極（108)的表面；與 其中形成一反應物分佈結構（104)的步驟 包含形成一反應物分佈結構，該反應物分佈結構 具有一與該陽極相連通之燃料凹槽（1 5 8)，以及一 與該陰極相連通之氧化劑凹槽（174)。 15 3 ·如申明專利範圍帛丨項的方法，其中形成一個反 應物分佈結構（104)的步驟，包含以下步驟： · 在該燃料.電池（1〇2)的表面上產生一犧牲 材料層（1 8 8)’以使得部分的該表面係被該犧牲材 料所覆蓋而部分的該表面係未被覆蓋； 2〇 在该犧牲材料與該燃料電池的該表面之未覆 盍部分上沈積—層反應物分佈結構材料（190);且 移除該犧牲材料。 4.如申請專利範圍第3項的方法， 材料層㈣的步驟，包含以下步驟： 20 在該燃料電池（102)的該表面上沈積一犧 牲材料層；且 將部分的該犧牲材料層從該燃料電池的該表 面移除。 如申請專利範圍第3項的方法，其進一步包含以 下步驟： 移除部分的反應物分佈結構材料層（1 88) 以形成反應物孔（166,168,182,184)。 如申請專利範圍第5項的方法，其中移除該犧牲 材料（1 88)的步驟包含經由該反應物孔移除犧牲 材料（166，168，182，184)。 一種燃料電池總成，其包含： 一燃料電池（102)，其界定一表面並在該表 面上包含一陽極（1〇 6)，並且在該表面上包含一與 该陽成分離關係的一陰極（1 〇8);與 一反應物分佈結構（104)，其係被承載在該 燃料電池之該表面上，該燃料電池包含數個内表 面，其界定一與該陽極相通連的一燃料凹槽（1 5 8) 以及一與該陰極相通連且與該燃料凹槽相分離的 一氧化劑凹槽（174)、一外表面（丨〇4a，i〇4b)、燃 料凹槽進入孔與排出孔（166，168)，其等係延伸通 過该外表面至該燃料凹槽，以及氧化劑凹槽進入 孔與排出孔（182，184)，其等係延伸通過該外表面 至該氧化劑凹槽。 柳411974 8 ·如申請專利範圍第7項的燃料電池總成，其中該 ·“、：料電池包含一界定一電解質表面之電解質詹 (1 iO)，且该陽極（106)和該陰極（1〇8)係位在該 電解質表面上。 9.如申請專利範圍第8項的燃料電池總成，其中反 應物分佈結構（丨04)被承載且固定於電解質表 面。 I 〇.如申明專利範圍第7項的燃料電池總成，其中該 反應物分佈結構外表面包含一頂部外表面（104a) 與數個側邊外表面（丨〇4b)，該燃料凹槽進入孔和 排出孔（166，168)係延伸通過該頂部外表面，而 氧化劑凹槽進入孔和排出孔（182，184)係延伸通 過該頂部外表面。 II ·如申明專利|已圍帛7工員的燃料電池總成，其中該 燃料電池表面包含一與該陽極（丨06)相通連的燃 料凹槽（114),以及一與該陰極（1〇8)相通連的 氧化劑凹槽（136)。 22