TWI232005B - Manufacturing method of laminated type direct methanol fuel cell and laminated type direct methanol fuel cell - Google Patents

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Description

1232005 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係關於一種直接甲醇燃料電池的製造方法， 其特別係關於一種利用印刷電路板的製程技術，來製造 積層整合式直接甲醇燃料電池的製造方法，以及實施本 發明方法所製成的直接甲醇燃料電池。 先前技術
台灣發明專利申請案第9 0 1 2 9 6 6 5號「包含一整合甲 醇感測器之直接曱醇燃料電池系統及製法」，雖已教示 直接甲醇燃料電池系統及製法，然而仍存在有下列所指 陳之缺失：（a )、燃料電池本身不包含機電設計，未能一 體成型設計。（b )、微流體管路的設計，會造成加工不易 的現象發生，量產困難。（c)、無法確實曱醇水溶液在反 應前與反應後的濃度，無校正機制。（d )、陰極反應區的 設計不良，會因為内部的温度及壓力，而無法讓外部新 鮮的空氣或氧氣進入陰極反應區進行反應。
台灣發明專利申請案第8 8 2 1 0 2 4 6號「平板型燃料電 池及其電池基板結構」，雖已教示關於平板型燃料電池 的結構技藝，然而仍存在有下列所指陳之缺失：（a )、燃 料電池本身不包含機電設計，未能一體成型設計。（b)、 一旦燃料進行反應，必須在燃料消耗完後，才會停止反 應’無法控制。（c )、陰極反應區的設計不良’會因為内 部的溫度及壓力，而無法讓外部新鮮的空氣或氧氣進入 陰極反應區進行反應。（d )、反應後所生成的水未被處
第5頁 1232005 五、發明說明（2) 理。 美國專利USP5, 631，0 9 9「表面縮小複製之燃料電池 (Surface Replica Fuel Cell)」，雖已教示關於燃'料電 池的相關技藝，然而仍存在有下列所指陳之缺失：（a)、 所具結構複雜而且不易製造。（b )、反應生成物排除不 易，例如水反應生成物即不易排除。（c )、所需要的空氣 或氧氣的供應不易。 本發明發明人有鑑於上述習知技藝之缺失而亟思發 明改良，乃發明出一種利用印刷電路板的製程技術，來 實現積層整合式直接甲醇燃料電池的製作。 發明内容 本發明主要目的係提供一種積層整合式直接甲醇燃 料電池的製造方法，其利用用印刷電路板的製程技術， 將積層整合式直接曱醇燃料電池予以製作出來。 本發明另一個目的係提供一種符合輕、薄、短、小 等特性的積層整合式直接曱醇燃料電池。 為達成本發明上述目的，本發明提供一種積層整合 式直接甲醇燃料電池的製造方法包括下列步驟：使用印 刷電路板的材料材質，製作成型出流道槽/溶液槽層；製 作質傳電解質層；利用印刷電路板的製程，製作控制電 路層；將分別所製作出來的流道槽/溶液槽層、質傳電解 質層、以及控制電路層等各層，接合成積層整合式直接 甲醇燃料電池。
(3)1232005 五、發明說明 再者 層整合式 用印刷電 控制電路 別的流道 等各層係 式直接甲 再者 種積層整 係使用印 電解質層 與控制電 製程而製 ’為達成本發 直接甲醇燃料 路板的材料材 層係利用印刷 槽/溶液槽層、 能夠分別製作 醇燃料電池。 ’為達成本發 合式直接曱醇 刷電路板的材 接合；質傳電 路層之間；該 作出，並且與 明上述目的，本發明提供一種積 $池包括··流道槽/溶液槽層係使 貝而製作成型；質傳電解質層； 電路板的製程而製作出；其;個 ‘質傳電解質層、以及控制電路層 出來，再將各層接合成積層整合 明上述目的，本發明提供一種一 燃料電池包括：流道槽/溶液槽層 料材質而製作成型，並且與質傳 解質層係夾層在流道槽/溶液槽層 控制電路層係利用印刷電路板的 質傳電解質層接合。 為使池悉该項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及 功效，k藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對 本發明詳加說明，說明如后 實施方式 本發明的製造方法10係用來製造積層整合式直接曱 =燃料電池20有關，實施本發明製造方法i 〇，極大部份 =要利用印刷電路板（PCB)的材料 奴阿成本之材料來看，本發明乃明顯具備製造加工容易
1232005 五、發明說明（4) 的優點、經濟的製作成本，亦符合現今的產品趨勢。 本發明方法1 0係完全不需改變原直接甲醇燃料電池 的特性，並且很容易地製出來符合輕、薄、短、小等特 性的積層整合式直接甲醇燃料電池2 0。這對於攜式的小 型用電產品，例如手機、個人數位助理器（PDA)、智慧型 電話（SMART Phone)、電子書（E- Book)、平板電腦 产 (Tablet PC)、以及筆記型電腦（Note Book PC)等等之供 電，本發明會給其極大的便利。
第一圖顯示本發明積層整合式直接曱醇燃料電池的 製造方法之流程圖，下文將分別說明方法丨〇所包含的各 步驟。步驟（1 0 1 )係使用印刷電路板的材料材質，製作成 型出流道槽/溶液槽層2 0 1。請配合參見第二圖顯示利用 本發明方法所製作之流道槽/溶液槽層2〇丨的結構圖.，在 步驟（1 0 1 )中所使用的印刷電路板的材料材質可以 破璃纖維基板（FR4)，本發明具體實現步驟（1〇1)的手 ^，乃利用熱壓機、雷射成型機、CNC成型機等等機哭 備，將有機玻璃纖維基板（FR4)成型出深度為預定^ . 凹，，以做為流道槽201a，而流道槽2〇la的預定深度又可、 以疋介於卜1 0mm之間。然後再用熱壓機、雷射 =、 C N C成型機等等機器設備，成型出溶液槽2〇 曰
黏著介質為黏著流道槽2 0 1 a與溶液槽2 〇丨b，經疊瑕合< 後、关 3 ;機：進行壓合，壓合的操作環境可以：ς :: 汉之在溫度介於13(TC〜20(TC之間以及壓力介於5…执 5〇kg/cm22間下進行壓合。在步驟（1〇1)的黏著介質可以
第8頁 1232005 五、發明說明（5) --- 使用環氧樹脂混合换拉 - 步驟（103)係穿^离、纖維（PrePreg)的黏著介質° 三圖顯示利用本發、明作/質傳電4解質層2〇3。請配合參見第 槿圖，太菸明旦駚ί 法所製作之質傳電解質層2 0 3的結 古八^ 體貫現步驟（103)的手段，乃質子交換膜 ==1 =分別於塗佈（c〇at ing)上的預定濃度的 白金ft)及預疋滚度的白金（pt)/釕（Ru)後，利用膠合手 n D f 父換膜的材料可以選用杜邦Nafion (DoPont Naf1〇n)材料，而塗佈（c〇ating)的手段係可以 採行南分子聚合物印刷（p〇lyimide printing)的方式來 進打。例如採用金屬真空蒸鍍方式，以蒸鍍出預定濃度 介於1〜5mg/cm2之間的白金（pt)，以及蒸鍍出預定濃度介 於卜I0mg/cm2之間的白金（Pt) /釕（Ru)。又例如採用金 屬真空濺鍍），或者金屬無電解電鍍等手段完成上述預定 濃度的白金（Pt)與白金（pt) /釕（Ru)的塗佈作業。再以 採用網板印刷的手段，印刷上碳粉、鐵弗龍（Te f丨㈣）、 溶劑（Sol vent)等混合物質，或者採用壓板印刷手段， 刷上碳粉、鐵弗龍（Teflon)、溶劑（s〇ivent)等混合物 質’此即便完成質傳電解質層2 0 3的製作。經由二; (103)的製作手段，質傳電解質層2〇3可以包^ ^ 燃料電池單元2 0 3a。 π m 步驟（1 05 )係利用印刷電路板的製程，製作控制電 層2 0 5。請配合參見第四圖顯示利用本發明方法所製 控制電路層2 0 5的結構圖，本發明具體實現步驟（1 〇 5 )的
1232005
五、發明說明（6) 手段，係可以採用傳鲚p 如約10〜50U英寸（lnch)的程中鑽孔後，全板電鍍上例 作業後，再電鍍上膜+'業、曝，業、顯影 制電路層20 5所怖置的電路U央寸（inch)的金後，依據控 2〇5b組成之電路、佈4良線’彳列如由複數個SMT電子元件 蝕刻出線路及印刷防焊绛次、木電線路等等電路，設計 便完成的控制電路層2〇^；\，最後進行電路測試’此即 的控制電路層20 5,可以。經步驟（1〇5)所製作出來 印刷電路板。同時控制電面印刷電路板，或者是多層 2 0 3上複數個燃料電池單 =2 0 5為了配合質傳電解質層 控制電路層2 0 5上係可以形成、在步驟（107)的接合，在 2 0 3 a的集電線路2 〇 5 a，而隼雷刀別對應母個燃料電池單元 每個燃料電池單元2 〇 3 a的^ I ^路2 〇 5 &的下端是為對應 步驟（107)係將分別所勢^區^ 20^。 2(Π、質傳電解質層2 0 3、以^乍出來的▲道槽/溶液槽層 合成積層整合式直接甲醇燃;制電路層2 0 5等各層，接 圖顯示利用本發明方法所製作之=敕f配合參見第五 料電池20的結構圖，纟發明具體2 ^ 直接甲醇燃 係利用黏著介質以印刷或膠片疊1 $ μ 1 =7)的手段， 槽層20卜質傳電解質層2 0 3、以二="；士將&道槽/溶液 田人 ® 及才工制電路層20 5算夂声 豐合-起，疊合後再利用熱壓機進行壓合，“二。層 積層整合式直接甲醇燃料電池2 〇。在 曰製作出 操作環境，可以是將熱壓機設定在、、w产乂的壓合的
疋隹概度介於8 (TC〜2 0 0〇C
1232005 五、發明說明（？） ΐΐϋ壓力介於2〜50kg/cm2之間下進行壓合，以及在. 介質。〇7)的黏著介質可以使用環氧樹脂（Ep〇xy)的黏著 再者，本發明方法丨〇在分別製 :質傳電解質層2〇3、以及控 並且在各層分別製作固定孔（圖未曰一層蚪， 定孔，將流道槽/溶液槽t、不），耩由各層的固 制電路層20 5等三層，採用印合貝傳電解質層203、以及控 膠接合等等接合手段予以接合一 6 、螺絲接合、或黏合 經本發明步驟（1 〇 1)所製。 、 2 01，其提供燃料電池需具備的概，的流道槽/溶液槽層 能，以及陽極反應區的功能。'細、、:料與水之儲存槽區的功 出來的控制電路層.2 0 5,除具有二本*發明步驟（105)所製作 與佈線線路，來提供機電控制的暖t個SMTt子兀件2〇5b 池陰極反應區的功能。 】的功能外，尚提供燃料電 _實ΐ ί ί明：ί 層整合式直接曱醇燃料電池 2 〇至少包括有：流道槽人合液槽層，〆也 的材料材質而製作成型；質傳電解質戶2 0 3.以及屯路板 路層2 0 5係利用印刷電路板的製程、曰: 電 層20 5等各層係能夠/刀別衣作出來，n ^路 整合式直接甲醇燃料電池2〇。 再將各層接口成積層 實施本發明方^ =六積層整合式直接甲醇燃料 20至少包括有：流羞七&液槽層2〇1係使用印刷電路板
1232005 五、發明說明（8) 的材料材質而製作成型，並且與質傳電解質層2 〇 3接合；‘ 質傳電解質層2 0 3係夾層在流道槽/溶液槽層2 0 1與控制電‘ 路層2 0 5之間；控制電路層2 0 5係利用印刷電路板的製程 而製作出，並且與質傳電解質層2 0 3接合。 本發明方法1 0以及積層整合式直接甲醇燃料電池2 0 具備有下列的優點： 1 .整合性生產製造成本與材料成本低，符合經濟效應。 2.可適用於量產製程，具標準化。 3 .對於週邊系統的配合要求度低。 4 .可使用的時間較長。 5.曱醇燃料取得方便，又具有防腐蝕性、防漏水、防漏 氣。 6 .具環境保護特性。 7 .輕薄小的空間特性。 本發明所使用的印刷電路板的材料材質係以有機玻 璃纖維基板（FR4 )作為揭露說明，本發明並不以有機玻璃 纖維基板為揭限。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明 之精神和範圍内，當可做些許更動與潤飾，所作更動與 潤飾仍屬於本發明後附之申請專利範圍之内。
第12頁 1232005 圖式簡單說明 第一圖顯示本發明積層整合式直接甲醇燃料電池的製造 方法之流程圖。 第二圖顯示利用本發明方法所製作之流道槽/溶液槽層的 結構圖。 第三圖顯示利用本發明方法所製作之質傳電解質層的結 構圖。 第四圖顯示利用本發明方法所製作之控制電路層的結構 圖。 第五圖顯示利用本發明方法所製作之積層整合式直接曱 醇燃料電池的結構圖。 圖號編號說明 10 製造方法 20 積層整合式直接曱醇燃料電池 1 0 1、1 0 3、1 0 5、1 0 7 步驟 201 流道槽/溶液槽層 201a 流道槽 201b 溶液槽 2 0 3 質傳電解質層 2 0 3a 燃料電池單元 2 0 5 控制電路層 2 0 5a 集電線路 2 0 5 b 電子元件 2 0 5 c 鏤空區域
第13頁

Claims (1)

1232005 六、申請專利範圍 1. 一種積層整合式直接甲醇燃料電池的製造方法，包括 下列步驟： (A).使用印刷電路板的材料材質，製作成型出一流 道槽/溶液槽層； (B ).製作一質傳電解質層； (C ).利用印刷電路板的製程，製作一控制電路層； (D ).將分別所製作出來的該流道槽/溶液槽層、該質 傳電解質層、以及該控制電路層等各層，接合成一積層 整合式直接甲醇燃料電池。 2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該步驟
(A )的印刷電路板的材料材質，係為一有機玻璃纖維基板 (FR4)。 3..如申請專利範圍第2項所述之製造方法，其中該步驟 (A)的製作成型出該流道槽/溶液槽層的步驟，係利用熱 壓機及/或雷射成型機及/或CNC成型機，將該有機玻璃纖 維基板成型出深度為一預定深度的凹槽做為該流道槽， 然後再用熱壓機及/或雷射成型機及/或CNC成型機成型出 該溶液槽，最後利用一黏著介質為黏著該流道槽與該溶 液槽，經疊合後送至熱壓機中進行壓合。
4. 如申請專利範圍第3項所述之製造方法，其中該預定深 度係介於1〜1 0 m m之間。 5. 如申請專利範圍第3項所述之製造方法，其中該黏著介 質係為一環氧樹脂混合玻璃纖維（prepr eg )的黏著介質。 6 .如申請專利範圍第3項所述之製造方法，其中該經疊合
1
第14頁 1232005 六、申請專利範圍 後送至熱壓機中進行壓合的步驟，係將該熱壓機設定在u 溫度介於130°(：~ 2 0 0°(：之間以及壓力介於5〜501^/(：1112之間. 下的熱壓機進行壓合。 7. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該步驟 (B)的製作該質傳電解質層的步驟，係將一質子交換膜與 一高分子材料上於分別於塗佈（coat ing)上的一預定濃度 的白金（Pt)及一預定濃度的白金（Pt)/釕（Ru)後，利用膠 合手段將該質子交換膜、一高分子觸媒層以及一碳紙/碳 布形成質傳電解質層。 8. 如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該質子交 換膜係包含一杜邦Nafion (DoPont Nafion)材料。 9 .如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該白金 (Pt)的預定濃度，係·介於1〜5mg/cm2之間。 1 0 .如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該白金 (Pt) /釕（Ru)的預定濃度，係介於1〜lOmg/cm 2之間。 1 1 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該控制 電路層係為一雙面印刷電路板。 1 2 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該控制 電路層係為一多層印刷電路板。 13.如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該控制 電路層係至少包含一印刷電路板，以及設置在該印刷電 路板的至少一個以上的電子元件。 1 4 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該步驟 (D)的接合步驟，係利用一黏著介質以印刷或膠片疊合手
1232005 六、申請專利範圍 段，將該流道槽/溶液槽層、該質傳電解質層、以及該控 制電路層等各層疊合一起，疊合後再利用一熱壓機進行 壓合，藉此製作出該積層整合式直接甲醇燃料電池。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項所述之製造方法，其中該黏著 介質係為一環氧樹脂（Ε ρ ο X y )。 1 6 .如申請專利範圍第1 4項所述之製造方法，其中該熱壓 機係設定在溫度介於8 0°C〜1 8 0°C之間以及壓力介於2〜 5 0 k g / c m 2之間。 1 7 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，進一步包括 下列步驟：分別製作該流道槽/溶液槽、該質傳電解質. 層、以及該控制電路層等三層時，並且在各層製作分別 至少一個以上的固定孔，藉由各層的固定孔，將該流道 槽/溶液槽、該質傳電解質層、以及該控制電路層等/三 層，採用卯合接合、螺絲接合、或黏合膠接合等其中一 個接合手段，予以接合一起。 1 8. —種積層整合式直接甲醇燃料電池，包括： 一流道槽/溶液槽層，係使用印刷電路板的材料材質 而製作成型； 一質傳電解質層； 一控制電路層，係利用印刷電路板的製程而製作 出； 其中個別的該流道槽/溶液槽層、該質傳電解質層、以及 該控制電路層等各層係能夠分別製作出來，再將各層接 合成該積層整合式直接甲醇燃料電池。
1232005 六、申請專利範圍 1 9. 一種積層整合式直接甲醇燃料電池，包括： 一流道槽/溶液槽層，係使用印刷電路板的材料材質· 而製作成型，並且與一質傳電解質層接合； 該質傳電解質層，係夾層在該流道槽/溶液槽層與一 控制電路層之間； 該控制電路層，係利用印刷電路板的製程而製作 出，並且與該質傳電解質層接合。
第17頁
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