TW200423461A - Fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
200423461 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 一、 技術領域 本發明係關於一種燃料電池及其製造方法，詳言之， 係關於一種微型燃料電池及其製造方法。 二、 先前技術 目前之習用之燃料電池，可參考美國專利第6541144B2 號「FUEL CELL SYSTEM」、中華民國專利公告號第480762 號「質子交換膜燃料電池之模組化電池單體及模組化電 池單元」及中華民國專利公告號第507395號「燃料電池」 等專利。參考圖1，一習用之燃料電池10包括一質子 交換層11、一第一流道板12、一第二流道板13、一第 一電流收集板14、一第二電流收集板15、一第一襯墊 16、一第二襯墊17、一第一電池外板18及一第二電池 外板19。該質子交換層1 1包括一質子交換膜1 1 1、二 催化層 112、113。質子交換膜111通常為Nafion 1 17 (ElectroChem，Inc 生產），催化層112、113為舶層。目 前之催化層112、113之厚度參數控制不佳，常造成表 面沈積不均勾；並且若該催化層之厚度太薄或太厚，將 會影響反應功率輸出或浪費材料。 該第一流道板12及第二流道板1 3分別具有一流道 121、131以作為反應氣體之渠道，由於該第一及第二 流道板12、13之材質通常為石墨，且因受限於加工設 備機台，該流道未能被微細加工，使得陽極有效面積較 小〇 200423461
(2) 該第一電流收集板1 4及第二電流收集板1 5之材質通 常為銅。該第一襯墊16及第二襯墊17以橡膠為材料， 故可用以作為襯墊及絕緣體。該習用之燃料電池1 0所 需之層數相當多，因此組合後之燃料電池體積相當大。 因此，實有必要提供一種創新且富進步性之燃料電 池，以解決上述問題。 三、發明内容 本發明之目的在於提供一種燃料電池之製造方法，包 括以下步騾：（a)分別形成一催化層於一質子交換膜之 一第一表面及一第二表面；（b)形成複數個流道於一第 一流道板之一第一反應面及一第二流道板之一第二反 應面，該等流道之侧壁係呈斜面；（c)分別形成一電流 收集層於該第一流道板及該第二流道板之流道面上；及 (d)結合該第一流道板於該質子交換膜之第一表面，及 結合該第二流道板於該質子交換膜之第二表面。 依據本發明之方法，係以濺鍍方式沈積該催化層，以 有效地控制該催化層之厚度，在相當薄之情況下，發揮 催化之作用，以節省該催化層之材料。並且，該第一流 道板及第二流道板之該等流道可利用光刻技術或微影 製程製作，使該等流道之寬度為數微米，以提高單位面 積之儲氫量。另外，該電流收集層以濺鍍方式形成於第 一流道板及第二流道板之流道面上，可有效達到薄膜化 及易於收集電流。因此，本發明之燃料電池可微型化。 四、實施方式 200423461
(3) 請參閱圖2，其顯示本發明燃料電池20之立體分解 圖。燃料電池20包括一質子交換層21' —第一流道板 22、一第二流道板23、一第一電池外板24及一第二電 池外板25。該質子交換層21包括一質子交換膜211、 二催化層212、213。質子交換膜211通常為Nafion 11 7， 催化層2 1 2、2 1 3為鉑層。二催化層2 1 2、2 1 3係分別形 成於該質子交換膜211之第一表面及第二表面，該第二 表面係相對於該第一表面之背面。 二催化層2 1 2、2 1 3係以濺鍍方式沈積於該質子交換 膜2 1 1之第一表面及第二表面，以便有效地控制該催化 層之厚度，使該催化層212、213之厚度控制在25至 80奈米（nm)之間，故在該催化層212、213之厚度相 當薄之情況下，能完全發揮催化之作用，並可檢省該催 化層之材料。另外，本發明利用濺鍍方式之製程較習知 之熱壓塗佈法簡單，且能有效控制該催化層之厚度。
第一流道板22具有一第一反應面，該第一反應面係 面對該質子交換膜211之第一表面及催化層212。第二 流道板2 3具有一第二反應面，該第二反應面係面對該 質子交換膜2 1 1之第二表面及催化層2 1 3。該第一流道 板及第二流道板之材質較佳為聚甲基丙婦酸甲醋 (PMMA，polymethylmetharylate )材質，其厚度較佳為 250 至5 00微米（// m)之間。 參考圖3，其顯示本發明之第二流道板2 3，兹以該流 道板2 3為例說明，本發明利用光刻技術或微景）製程（例 -10- 200423461
(4) 如：準分子雷射加工方式）於該第二流道板23之第二 反應面上形成複數個流道 231、232、233、234，該等
流道之寬度約為50至400微米（// m)之間，二相鄰 流道間具有一流道肋，例如流道23 1及232之間具有一 流道肋2 3 5，用以區隔二相鄰流道。流道肋2 3 5之寬度 約為10至5 0微米（/z m )之間。因此，本發明第一流 道板及第二流道板之複數個流道之寬度可以控制得很 小，以提高單位面積之儲氫量。
參考圖4,其顯示第二流道板23之局部剖面示意圖， 該第二流道板之流道23 1、23 2之侧壁係呈斜面，俾便 於利用濺鍍方式沈積一電流收集層 2 3 8於該等流道 23 1、23 2及流道肋235上，亦即，該電流收集層238 以濺鍍方式沈積於該第二流道板2 3之第二反應面上。 因此，.利用本發明之方法，不必如習知之燃料電池需另 行設置電流收集板，故本發明之燃料電池可有效達到薄 膜化，以節省該習用之電流收集板之空間。 該電流收集層 2 3 8以濺鍍方式沈積於該第二流道板 23之第二反應面上可使電流收集更容易。該電流收集 層238較佳者為使用銅、金或銀之材質，且其厚度約為 0 · 1至1微米（# m )之間。 第一流道板22之第一反應面須與該質子交換膜2 1 1 之第一表面及催化層212結合。第二流道板23之第二 反應面須與該質子交換膜211之第二表面及催化層213 結合。再參考圖3，以第二流道板2 3說明，於該第二 -11 - 200423461
(5) 反應面之四邊框塗佈黏膠239，俾使第二流道板23之 第二反應面須與該質子交換膜211之第二表面及催化 層2 1 3結合。 利用本發明之燃料電池製造方法及結構配置，可以有 效地控制各沈積層之厚度，並可有效地降低各層之厚 度，以降低整體之體積，因而獲致可微型化之燃料電 池。並且可達到在0.6伏特之功率密度25mW/cm2。 惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非 φ 限制本發明。因此，習於此技術之人士可在不達背本發 明之精神對上述實施例進行修改及變化。本發明之權利 範圍應如後述之申請專利範圍所列。 五、圖式簡單說明 圖1為習知之燃料電池之立體分解示意圖； 圖2為本發明之燃料電池之立體分解示意圖；
圖3為本發明之第二流道板之示意圖；及 圖4為本發明之第二流道板之局部剖面示意圖。 圖式元件符號說明 I 0 :習知之燃料電池 II :質子交換層 III :質子交換膜 11 2、1 1 3 :催化層 1 2 :第一流道板 1 3 :第二流道板 1 4 :第一電流收集板 -12 - 200423461
⑻ 1 5 :第二電流收集板 16 :第一槪塾 17 :第二襯墊 1 8 :第一電池外板 1 9 :第二電池外板 20:本發明之燃料電池 2 1 :質子交換層
2 1 1 :質子交換膜 2 1 2、2 1 3 :催化層 22 :第一流道板 2 3 :第二流道板 231、 232、 233、 234:流道 2 3 5 :流道肋 23 8：電流收集層 23 9 :黏膠
24 :第一電池外板 25 :第二電池外板 -13 -
Claims (1)
- 200423461 拾、申請專利範園 1. 一種燃料電池之製造方法，包括以下步騾： (a) 分別形成一催化層於一質子交換膜之一第一表面 及一第二表面； (b) 形成複數個流道於一第一流道板之一第一反應面 及一第二流道板之一第二反應面，該等流道之侧壁 係呈斜面； (c) 分別形成一電流收集層於該第一反應面及該第二 反應面上；及 (d) 結合該第一流道板於該質子交換膜之第一表面，及 結合該第二流道板於該質子交換膜之第二表面。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步騾（a )中係以 濺鍍方式形成該催化層。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟（a )中該催 化層為鉑層，且其厚度為25至80奈米。 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中步騾（b )中係以 光刻技術或微影製程形成該等流道。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其中步騾（b )中之該 第一流道板及該第二流道板係為聚甲基丙烯酸甲酯 材質。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步騾（b )中二相 鄰流道間具有一流道肋，用以區隔二相鄰流道。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步騾（c )中係以 濺鍍方式形成該電流收集層。 2004234618. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟（c )中該電 流收集層之材質為銅、銀或金。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步騾（d )中係以 黏膠塗佈於該第一反應面及該第二反應面之四邊框， 俾與該質子交換膜結合。 10. —種燃料電池，包括： 一質子交換膜，具有一第一表面及一第二表面，該 第一表面及第二表面上分別具有一催化層； 一第一流道板，具有一第一反應面、複數個流道及 一第一電流收集層，該等流道形成於該第一反應面， 該等流道之侧壁係呈斜面，該第一電流收集層形成於 該第一反應面上，該第一流道板之第一反應面係與該 質子交換膜之第一表面結合；及 一第二流道板，具有一第二反應面、複數個流道及 一第二電流收集層，該等流道形成於該第二反應面， 該等流道之侧壁係呈斜面，該第二電流收集層形成於 該第二反應面上，該第二流道板之第二反應面係與該 質子交換膜之第二表面結合。 11. 如申請專利範圍第1 0項之燃料電池，其中該催化層為 鉑層，且其厚度為25至80奈米。 12. 如申請專利範圍第1 0項之燃料電池，其中該第一流道 板及該第二流道板係聚甲基丙烯酸甲酯材質。 13. 如申請專利範圍第1 0項之燃料電池，其中該第一流道 板及第二流道板另具有複數個流道肋，設置於二相鄰 200423461流道間，用以區隔二相鄰流道。 14.如申請專利範圍第1 0項之燃料電池，其中該第一電流 收集層及第二電流收集層之材質為銅、銀或金。
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