TW200908427A - Fuel cell module - Google Patents

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200908427 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 …本發明係關於燃料電池技術，特別是有關於—種改良之燃料電 池模組結構，可確實防止燃料外洩的疑慮。 【先前技術】 如熟習該領域者所知，燃料電池(FuelCell，簡稱為fc)係一種 利用燃料(如：甲醇、氫氣），透過電化學程序將化學能_成電力 之發電裝置。與傳統的發電方式她，燃料電池具有低污染、低 噪音、高能量密度以及較高的能量轉換效轉優點，乃具有前瞻 性之乾淨能源，可躺之傾包括家用發電祕、不斷電系統、 電子產品、運輸工具、軍用設備、太空工業等。 /然料電池之運作原理乃輯:料在陽極觸進行氧化反應，產 生氫離子(H+)、f子⑹，其中氫離子經岭解f傳遞至陰極，電 貝!A由外。卩電路觸至陰極，此時供給陰極端的氧氣會與氣離 子及電子在陰極觸媒層進行反應，並產生水。燃料電池一般 料數個基本單摘組成。由於每個基本單元所能提供之電壓很 電壓=在應用時必_聯多個基本單元，以達到所需要的操作 200908427 在燃料電池元件之模組結構中，通常包括有集電片以及流道 板’分別扮演著不同重要的角色，其中集電片負責收集電化學反 應所產生的電子，碰道板則是負責燃料流動的分佈與控制:流 道^的部分主要著重在流道的設計’使燃料能夠順利通過流道^ 而流入膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)。 目前的燃料電池已發展至成熟實用階段，且較過去燃料電池呈 广妓高的操作效能以及較佳的可靠度。然而，燃料電池模組仍存 ' 有一些缺點需要進一步克服及改良。 【發明内容】 本發明之主要目的在提供一種改良之燃料電池模組，可確實提 昇電池模組之安全性。 〇 根據本發明之難實施例，本發明提供-麵料電池模組，包 含有-整合式陽極流道板，包含一流道板，其側邊上設有一凹槽， 用來容置一陽極集電片的導片；—陰極板，其包含至少-陰鋪 電區域’其巾該料係可崎並與該陰極板電路連接；—陣列膜 電極、、且’I㈣整合式陽極流道板與該陰極板之間，該陣列膜電 ::包t有一個或多個膜電極組、質子交換臈;以及-預固定黏 ，”於該整合式陽極流道板與該陣列膜電極組之間，以及介 於該陰極板與該陣列膜電極組之間，該預固定黏著材具有一對應 200908427 =開口’㈣容置膜電極組’其愧删定黏著材包含一中間固 疋框’其上、下面均被—黏著層蓋住。 根據本發日狀她實施例，本發_料電池触包含有一 陽極板，其由-軟硬複合板所構成，射該陽極板包含一陽極集 電區域以及-可麟的導電耳部，且在該陽極集電區域内設有複 數個穿孔，-流道板，其上設有複數個流道；—陰極板，包含至 少-陰極集電區域；—陣酬電極組，介於娜極板與該陰極板 之間，該陣顺電極組包含至少—個臈電極_f子交換膜；以 及-黏著材’介於該陽極板與該陣舰電極組之間，以及介於該 陰極板與鱗舰·組之間，該黏著材具有—對應的開口，用 以容置該膜電極組。 為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特 舉較佳實施方式，並配合所關式，作詳細制如下。然而如下 之較佳實施方式熊式僅供參考與說_，並_ 以限制去。 【實施方式】 目前的燃料電池已發展域熟實用階段，且較過去燃料電池呈 有更而的操作效糾及齡的可靠度。_，燃料電池㈣仍存、 有一些缺點需要進-步克服錢良。舉触說，轉著方式努作 200908427 燃料電池時’常因為黏著材與膜電極組之間的接合力不佳，容易 導致脫層(delamination)現象，並造成惱人的燃料電池浅漏現象。 另外，在實際應用上發j見，燃料外茂亦可能發生在靠近陽極集 ，片端’其經由集電片與其周圍黏著材之間的界面漏出，這主要 是由於集電片耳籠折所造成的應力，導致黏著效果不良，加上 熱衝擊實驗的過程巾’金屬的熱漲冷縮造隸著材錢電片間的 界面損毀所致。 上述的熱衝擊實驗75是根據國際電器委員會卿)針對燃料電 池模組的安全和性能所發佈之安規認·準所進行者。 請參閱第1圖及第2圖，其中第i圖是依據本發明較佳實施例 所緣不的燃料電池模組丨的爆炸圖，第2 _示的是第〗圖中燃 料電池模組1的組立圖(以2W之燃料電池為例）。 如第1圖及第2圖所示’本發明較佳實施例燃料電池模植】主 要包含有整合式陽顿触1G、陰極板12、絲著材Μ，以 及陣列膜雜組16，堆疊組裝而成。 其中，根據本發明較佳實施例，整 :板與流繼合•軸構彳_===^陽 可以是《_電额、石墨缺销鱗方讀作而成。 200908427 預固定黏著材14以及陣舰電極組16係層疊壓合纽在整合式 =極流_()與陰極板12之間，且預_卿14具有對應的 歼口用來谷置陣列膜電極組16，並使陣列膜電極組_兩面分 別與陽極流道板10上的陽極集電片Π0及陰極板12上的陰極集 電區域120相接觸。 ’、 所產其 編UG嘛⑽議物_料氧化 斤產^電子，且藉由集電片與陰極板12上的電路相連接，而將 電子傳導出去。此外，1上且右令夕 、 應物與生成麵管道/ ° ’用途是提供電池反 入陽極集電片則可以由金、白金、銀、.絡、欽、録等各種 巫、金屬乳化物、金屬合金，如各類型不鏽鋼、或者碳、石墨、 FR4、FR5等非金屬材料所構成之複合 二 鍍、益雷雪*雜〇 刊丁寸Ί作方式可採電 於騎層上 或其它化學、物理沈積方法，將導電層附著 板的板材(通常為破璃纖維或塑膠基板)有良 力，較人摘·仙… 土攸作民好％、疋的黏著能 熔膠;==_~材，高溫時會熱 u者使燃科電池各個元件得以緊密黏固。 200908427 圖所示，根據本發明之較佳實施例，預固定黏著材Μ 匕3中間固疋框141以及黏著層142，使中間固定框141的上、下 面刀別被-片黏著層142夾住。其巾，中間固定框141可以為較 緻密的材料所構成，例如，FR5或其它類似的材料。 預固定黏著材14除了可以提供黏著的效果之外，也可藉由調 ^中間固定框141的厚度賴料電池模組整體所使㈣預固定黏 著材14的張數，使得製程上得已控制膜電極組的壓縮量。其中， 2者層142為-種可無道板、極板及質子交顧均有良好的黏 著月b力的熱壓黏著材，例如，卿呵黏著材、環氧樹脂、pu系黏 著劑或silicone系黏著劑等。 根據本發明之較佳實施例’陣列膜電極組16是由多個膜電極 組116製作在同一質子交換膜16a上，且可以呈陣列方式排列， 以方便模組的對位、疊合及壓合。質子交換膜16a係為一氟系質 ^父換膜，例如杜邦公司的Nafion膜電極，但不限於此，其亦可 以為％1氫系質子交換膜。這樣的作法可以使質子交換膜l6a上的 黏著面積增加’進一步改善燃料電池模組的可靠度。 根據本發明之較佳實施例’在整合式陽極流道板10、陰極板 、預固定黏著材14，以及陣列膜電極組16的相對應的位置上， 例如’四個角落’均設有定位孔202，方便燃料電池模組的疊合對 200908427 ^外’如第9圖所示，本發明的陣舰電極组16其大小雜 與其匕各層大致上相同，因此具有較多_合面積，且質子交換 膜16a上沿著膜電極、组116的周圍可以另外設置有複數個貫穿通 孔126，可以在壓合時讓膠流入貫穿通孔既中，$增加陣列膜電 極組16與預固定黏著材14之間的黏合力。 本毛明燃料電池模組丨的另—重要特徵在於整合式陽極流道板 |〇的6又梢以往不同。請參閱第4圖以及第5圖，其中第4圖為 第1圖中整合式陽極流道板⑴的爆賴，第$騎示的是第*圖 中整合式陽極流道板10的組立圖。 如第4圖及第5圖所示，整合式陽極流道板1〇包含有流道板 1〇2、黏著材馳、黏著材獅、一體成型的陽極集電片削以 及口疋框108。上述組件層疊在—起並經過熱壓合後，即構成本發 明之整合式陽極流道板10。 陽極集電片11〇另包括可拗折的導片110a，可與陰極板12電 連接如此’在組裝後，藉由導片11Ga的彻折，使得燃料電池模 組1中的各個電池單元胞構成串聯或並聯組態。黏著材购及、 HMb可以是卿reg黏著材或者環氧樹脂。此外，黏著材购及 104b、固定框108均有相對應的開孔，使得壓合後，陽極集電片 110可以被曝露出來。 200908427 明參閱第6圖及第7圖，其中第6圖繪示的是本發明流道板搬 之側視圖，第7圖繪示的是流道板1〇2加上陽極集電片110之後 的側視圖。如第6圖及第7圖所示，本發明另在於流道板 102上相對應於陽極集電片11〇的導片的位置形成有凹槽 102a，這使得陽極集電片u㈣導片隐可以緊密的嵌合、固定 在流道板102上。 如第8圖所示’本發明這種在相對應於導片U〇a位置的凹槽 設計’使得導片ll0a、黏著材购、獅以及流道板1〇2之間可 以有更好的接著，因此可以有效解決燃料電池之燃料外触問題。 明參閱第10® ’其為依據本發雜佳實補所繪示的陰極板 的側視圖。如第U)圖所示，陰極板12包含陰極集電區域12〇以 及電池枝所需的電子線路，射陰轉電區域12G表面特別經 匕抗電化予腐理。陰極板12係採與印刷電路板(PCB)製程相 合之方法崎成’包括將峨基板裁製糊成所要尺寸大小後， 於銅’I基板上之陰極集電區域12G進行鑽孔製程，形成複數個穿 孔120a。較佳者’所有穿孔之總面積約佔該陰極集電區域概左 —„接著於銅4基板上及穿孔12〇a内壁沈積一化學銅層。然後在 銅石基板上以《阻(乾膜)暴露出陰極集電區域12〇。接著進行電鍍 製程’、以光阻為電鍍阻劑，在未被光阻覆蓋之區域，包括陰極集 電區域120内’電鑛一層銅層以及在銅層上鍍上-層錫錯層。接 13 200908427 著將光阻剝除。進行-銅餘刻製程，將未被錫錯層覆蓋之區域内 的僻銅層以及銅·板上的銅祕除。紐，再進行另一蝴 ,私韻除錫此層。為避免後續焊錫過程中對基板損傷或造成短 路’可塗佈—防焊阻劑。再進行-電鑛製程，於電極上進-步鑛 上-層保制’例城/金、_域化學銀等材料。 陰極板12上可設置一金屬圖案23〇,主要目的係作為燃料電池 (的政熱五屬圖案230可以為虛設的(dummy)大面積金屬圖案，可 以是多層電路板其中任何一層銅層。前述的金屬圖案，還可作為 内嵌式(embedded)的主動電路，例如可與控制燃料電池之電源管理 糸統(Energy Management System，EMs)電路整合，其佈局可視控 制電池之功能需求設計。 此外’陰極板12表面或⑽可以嵌人電子科24()，此電子元 件240依實際需要，可包含主動或被動電子元件，如電容、電阻、 ί電感以及積體電路“等。依據本發明較佳實施例，電子元件24〇 可量測電池溫度或具有短路保護功能。 請參閱第U圖，其為依據本發明另一較佳實施例所緣示_ 料電池模組13的爆炸圖。如第u圖所示，燃料電池模—主要 由流道板102、陽極板、降搞^ U極板12、黏著材104以及陣列膜電 極組16堆疊組裝而成。與燃料電池模組1不同處在於，燃料電池 模組la的流道板102及陽極板1〇a並未整合在一起。這使得陽極 200908427 板10a上的集電區域中的開孔率可以單獨設計，無須考量到流道 板的因素。 本發明利用電路板或金屬集電片製作成電極板，可使得流道板 的設計更娜性，可触動或被動電池需求設計流道板，無須考 慮膜電極_支撐及電流導料_。例如，流道㈣可以是拇 欄式或者蛇管式均可應用。此外，本發明的流道板1〇2可為雙面 設計或者單面設計。本㈣的流道板脱的板體紐可運用射出 成型技術形成，利用-種可射出成型之高分子複合材料，例如， 來鱗鱗嗣(polyetheretherketone，簡稱為PEEK)、聚醚酮酮 (P〇lyetherketoneketone，簡稱為 pEKK)、聚％(p〇lysuif〇ne，簡稱為 psu)、液晶高分子(liquidcrystalp〇lymer，簡稱為吻、高分子塑 化基板或複合式材料等之工程塑膠中之其中一種。此外，上述之 可射出成型之南分子複合侧可以採用與填充劑—併射出的加工 方式力述之填充劑例如改質劑、流動劑、脫膜劑等。 材14取代。 在第11圖中，黏著材1〇4為—種可與流道板1〇2、陽極板1〇、 陰極板12及陣列臈電極組16的質子交換膜均有良好黏著能力的 熱壓型片狀黏著材，例如，卿reg黏著材、環氧樹脂、柯系黏著 劑或sm_系點著鮮。黏著材1〇4具有相對應的舰區 開孔。當然，黏著材顺也可以被如第3圖中所示的預固定黏著 15 200908427 請參閱第12圖，其繪示的是第11圖中燃料電池模組la的陽 贿施側視圖。如第12圖所示，陽極板池包含陽極集電區域 〇以及電池串麵f㈣子鱗，_顯_電職製程相容 之方法所製成’包括將銅羯基板裁製切割成所要尺寸大小後，於 銅縣板上之陽轉賴域31Q進行鑽孔製程，形成複數個穿孔 3爲。杈佳者’所有穿孔之總面積約佔該陰極集電區域娜左右。 ^者於銅絲板上及穿孔島内壁沈積一化學銅層。然後在銅箱 土反上以光阻(乾膜)暴露㈣極集電區域3ι〇。接著進行電鑛譽 程’以光阻為魏阻劑，在未被光阻覆蓋之區域，包括陽極集電 區域3K)内，電鑛一層銅層以及在銅層上錄上一層锡錯層。接著 將先阻剝除。進行—織刻製程，將未被錫錯層覆蓋之區域内的 化學銅相及輔基板上_祕除。錢，再進行p 程’蝕除錫鉛層。 乂 根據本發明’陽極板衞可以是利用軟板、硬板或者軟硬複八 :=flexb◦㈣製作而成者，其中陽極板她另包含有一可捣 ϋ電耳部職，較佳者，導電耳部31〇a係以軟板構成，使得 模組電路的電池串並更為料。雜，触電路的電池串並除了 :以利用上述可拗折的導電耳部職來完成，亦可以利用金屬 =_祕焊财_，其_的方式是以電線 ==刪片的方式，可先將金屬片凹折，再點焊固定 但歧是採外加金屬財式，可在雜短的時 候直接使用銲錫(因為錫也是一種金屬，所以才會已外加金屬稱 16 200908427 之）；距離長時可以加以電線等的導線物件再焊上導電金屬，如錫 等(銲錫的方式為將電路拉至板邊在使用銲錫達到串並效果)。本發 明利用電路板技術所製成的電極板’使得平面式燃料電池的各電 池單元之間的串並問題迎刀而解。 請參閱第13圖，其緣示的是本發明燃料電池系、统彻的組立 圖如第13圖所不，燃料電池系統4〇〇是由複數個燃料電池模組 la所組合而成。複數個燃料電池模組&之間藉由鎖固件搬，例 如’鉚釘或螺絲等物理嵌合方式固定。鎖固件屻穿過各個燃料 電池模組la四個角落的相對應通孔，並且使簡電池模組^之 間，准持疋的間隙。鎖固件4〇2也可以作為複數個燃料電池模組 的導電用途。^然’燃料電池模組ia可以是由第2圖中的

燃料電池模组1 # |L 、、 ° b卜’本發明簡電池模組可以配合各 種不同的㈣來使用，例如域或者甲醇燃料。 X上所述料本㈣讀佳實侧，凡 所做之均等變化錄& 个知乃甲π專利軌圍 隻儔，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 樣猶娜的爆炸圖 第一是第::中_池聽的組立圖。 中預固疋黏著材的爆炸圖。 200908427 第4崎示的是第丨圖中整合式陽極流道板的爆炸圖。 第5圖繪示的是第4圖中整合式陽極流道板的組立圖。 第6圖綠示的是本發明流道板之側視圖。 第7 _示的是第6圖的流道板加上集電片之後的側視圖。 第8圖綠補是導片及凹槽之剖面示意圖。 第9圖繪示的是陣賴電極組的上視圖。 第10圖為依據本發明較佳實施例所緣示的陰極板的側視圖。 〇第11圖為依據本發㈣—較佳實_輯料電池模組爆炸 圖。 、 =12圖為第u圖中燃料電池模組的陽極板側視圖。 第13 _示的是本發·料電池系朗組立圖。 【主要元件符號說明】 燃料電池模組 la 燃料電池模組 整合式陽極流道板 10a陽極板 陰極板 14 預固定黏著材 陣列膜電極組 16a 質子交換膜 流道板 102a 凹槽 黏著材 104b 黏著材 固定框 110 陽極集電片 導片 膜電極組 120 陰極集電區域 10 12 16 102 104a 108 110a 18 116 200908427 120a 穿孔 126 貫穿通孔 141 中間固定框 142 202 定位孔 230 240 電子元件 310 310a 導電耳部 320a 400 燃料電池系統 402 黏著層 金屬圖案 陽極集電區域 穿孔 鎖固件 ί 19

Claims (1)

1. 200908427 十、申請專利範圍： 1. 一種燃料電池模組，包含有： 一整合式陽極流道板’包含-流道板，其侧邊上設有— 用來容置一陽極集電片的導片； 9 >曾-陰極板’其包含至少一陰極集電區域’其中該陽極集電片的 該導片係可拗折並與該陰極板電路連接； 、 ▲ 一陣觸電極組，介於雜合式陽極流道板與該陰極板之間， 辦顯電極組包含至少一侧電極組與質子交以及S 一預固絲著材，介於該整合式陽極流道板與該陣列臈電極組 之間，以及介於該陰極板與該陣列膜電極組之間，該預固定黏著 材具有—對應的開口，用以容置該膜電極組，其中該預固定點著 材包含-中間固定框，其上、下面均被一黏著層蓋住。 2·如專利申請範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該整合式陽 《 極流道板的該凹槽内另有一第一黏著材，介於該流道板與該導片 、 之間，以及一第二黏著材，其與該第一黏著材將嵌合在該凹 的該導片緊閉的包覆住。 3.如專利申請範圍第2項所述之燃料電池模組，其中該整合式陽 極流道板另包含有-固定框，4設於該第二黏著材上。 4·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其巾該黏著層包 括Prepreg、環氧樹脂、PU系黏著材料及矽膠(silicone)系樹脂。 20 200908427 5. 如申請專利範圍第丨項所述之燃料電池模組，其中該質子六 膜係為氟糸質子交換膜或碳氫系質子交換膜。 、' 、 6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，1中气 係固定在該狩交觀上。 " 7. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該整人气曰 極流道板、該陰極板、該陣列膜電極組及該預固定黏著材 應位置均設有一定位孔。 、子 8·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該預固定黏 著材可藉由調整中咖定框的厚度，以達到控制膜電極組的壓縮 量。 9，如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該預固定黏 著材可藉由更改燃料電池模組整體所使用的預固定黏著材的張 數’以達到控制該膜電極組的壓縮量。 1〇.如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該陰極板上 另设有一虛設金屬圖案，幫助燃料電池散熱。 u.如申請專利範圍第1項所述之燃料電池模組，其中該陰;f亟板上 嵌有一電子元件。 21 200908427

   ==:=料電―’其中該流道板的 15·如申δ月專利乾圍第！項所述之燃料電池模组，其中該流道板係 利用-種可㈣成型之高分子材料賴成。 、 16·如申w專利範圍第15項所述之燃料電池模組，其中該高分子 材料係選自聚_酮、聚__、聚颯、液晶高分子、高分子塑 化基板或複合式材料工程塑膠之其中一種。 17.如申請專利範1項所述之燃料電池模組，其中該陰極板上 嵌有電子元件。 18, 一種燃料電池模組，包含有： 一陽極板，其由一軟硬複合板所構成，其中該陽極板包含一陽 極集電區域以及一可拗折的導電耳部，且在該陽極集電區域内設 有複數個穿孔； 22 200908427 一流道板，其上設有複數個流道； 一陰極板，包含至少一陰極集電區域； -陣列膜雜組’介於該陽極板與該陰極板之間，祕列膜電 極組包含至少-個膜電極組與質子交換膜；以及 黏著材’介於该陽極板與該陣列膜電極組之間，以及介於該 陰極板與該_料極組之間，姉著材具有—對·開口，用 以容置該膜電極組。 19·如申睛專利範圍第18項所述之燃料電池模組，其中該導電耳 部係由下列組合之—者所構成：軟板、金屬片及外加金屬。 20. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池模組，其中該陰極板 上另設有一虛設金屬圖案，幫助燃料電池散熱。 21. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池模組，其中該陰極板 上嵌有一電子元件。 22·如申請專利範圍第21項所述之燃料電池模組，其中該電子元 件包含主動或被動電子元件。 23. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池模組，其中該流道包 括柵攔式或者蛇管式流道。 24. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池模組，其中該流道板 23 200908427 的板體基材係職射㈣雜卿成。 25. =請專利範圍第18項所述之_電池模組，其中該流道板 係利用-種可射出成型之高分子材料所構成。 26. 如申請專利範圍第25項所述之燃料電池模組，其中該高分子 材料係選自侧_、聚、聚楓、液晶高分子、高分子塑 化基板或複合式材料工程塑膠之其中—種。 27·如申請糊制第18項所述之燃料電池，其中該陽極集 電區域係_刷電路板製程形絲該陽極板上。 28.如申請專利範圍第18項所述之燃料電池模組，其中該陰極集 電區域係以印刷電路板製程形成在該陰極板上。 十一、囷式： 24