TWI251954B - Flat fuel cell assembly and fabrication thereof - Google Patents

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TWI251954B TW093114372A TW93114372A TWI251954B TW I251954 B TWI251954 B TW I251954B TW 093114372 A TW093114372 A TW 093114372A TW 93114372 A TW93114372 A TW 93114372A TW I251954 B TWI251954 B TW I251954B
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Description

發明所屬之技術領域 本發明有關於-種燃料電池之的電性連結方式 有關一種利用熱固性材料固著網妝莫栌 、 媒電極之燃料電池。 ^ ^ ^ 先前技術 電池(Fuel Cell，FC)是一種利用化學能直接轉 化為電此的赉電裝置，與傳統發電方式比較之下，燃 t ί ί ΐ巧染、低噪音、高能量密度以及較高的能量轉換 效率荨k點，是極具未來前瞻性的乾淨能源，可應用的 圍包括攜帶式電子產品、家用發f H運輸王具、軍用 設備、太空工業以及大型發電系統等各種領域。 燃料電池的運作原理依其種類之不同會有此 以直接曱醇型燃料電池（Direct Methan〇1 Fuei—c° ”， DMFC)為例，曱醇水溶液在陽極觸 ， 生氯離子⑻、電子(〇以及二二化/應，產 可以經由電解質傳遞至陰極，而電子則經:風離子 至f載作功之後再傳遞至陰極"匕時供給陰極;2傳輪 與氫離子及電子於陰極觸媒層進行還原反應並而、氧氣會 因為燃料電池每個基本單元所能提供的^生水。 :乂在：用時必須串聯多個單—電池1成=:，所 組，才能達到所需求的操作電壓，而串聯時必ς枓電池 將一個燃料電池單體的電荷，導引到下—個f考量如何 體，尤其是如何將一個燃料電池的陽極所、二電池單 傳導到下一個電池的陰極。 、電子如何
1251954
J 號 931U37?. 五、發明說明（2) 搞]9如第1圖所示，習知的燃料電池1 〇包含由陽極觸媒電 石1質子交換膜11加上陰極觸媒電極13，加上由碳布或 、：：作為氣體擴散層i 4所組合而成。此外，習知的烬料電 说主要以鎖螺絲16的方式，使觸媒、氣體擴散層14與雙極
Bip〇lar plate )或端板17(End Plate)緊密接觸， 乂如供適當的電性接觸與電性連結。 但疋習知的電性連結方式存在一些問題，因為當燃料 電池以鎖螺絲的壓力提供電性連結時，壓力極易不均勻， 因此會造成燃料電池内電阻過大或是燃料傳遞困難。此 夕’習知的方法必須預留鎖螺絲的空@，因此组裝密度較 ，’尤其是對於小型攜帶式電源的平面式燃料電池組而 二丄因為在一個平面中必須組裝數個燃料電池單體，豆袓 =度將大幅下降到30%〜50% ’無法滿足較高功率密度、 需求。 人巧國專利US6’ 1 27, 0 58中有提出一種以絕緣框搭配 至屬扣裱固定電流集結材料與觸媒層的結構，可作為另一 料電池電性接觸固定的方法。但是僅以邊框處金 屬扣％所提供的機械壓力，不易達到完全的電性接且 以絕緣框壓住反應區域内的碳布，在被壓住的區域内，觸 =無法有效反應，因此電池的效率較差。再者施加壓力的 螺絲或扣ί裒，除組裝費時外，亦需佔據一些裳配面積，使 得單位面積上的反應面積比例縮小，因此功率密度將大為 降低。
第7頁 傳統兩燃料電池的單體串聯時，主要以雙極板 (Bipolar p 1 a忟）透過機械壓力使電池組串聯並分隔陰 1251954 案號 g3iu372__年月日_ 五、發明說明（3) 陽極的燃料，如第1圖所示，但是在小型化的應用方面， 需要平面型的平面燃料電池組設計。平面式燃料電池組的 設計，一直以來已有相當多的串聯方式被提出，如 Rongzhong et.al. (J. of Power Source, 93, 2001, 25-31) ，A· He i nz e1 et.al. (Electrochemica Acta, 43， 1998， 3817-3820)， S.J· Lee et. al.(J· of power Source， 112， 2 0 0 2， 410-418)等所提出的方式，這其中 最簡單的做法即以一導電材料，直接穿過質子交換膜，將 前一電池的陰極與下一相鄰電池的陽極串聯。實際做法可 以是如美國專利US 6，4 1 0，1 8 0所揭露的，在一網狀導體不 同區域的兩面，分別塗上以 的碳布或切碎的碳纖維均勻 成具氣體擴散功能的導電層 觸媒層熱壓合成膜電極組串 此方法採用習知的塗佈 上的塗佈通常較為困難，而 的不同區域都需要塗佈，而 同’所以整體製程並不容易 佈的方式製作，所產生的孔 還小，必須有效降低塗層以 導電度以及相關製程穩定度 不導電膠材如PTFE，加上導電 混合，塗佈在網狀導體上以形 ’再將此氣體擴散層與陰陽極 聯的部分。 方式，但是因為在一多孔材質 且必須面對一多孔導體的兩面 且可能的塗佈材料比例也不相 控制。再者，氣體擴散層以塗 洞較傳統用碳布所產生的孔洞 及多孔導體基材的厚度，使得 不易維持。
發明内容 有鑑於此，本發明的第一個 — 用螺絲機械壓力固定的電性$ 二—種取代習知 --性連結方式，以增加平面式燃料
0178-10156TWF2(Nl);P05920〇14TW；jimy.ptc 第8頁
Sje. 曰 丨..案號丨 五、發明說明（4) 電池的組裝密度及i 本發明的第二：：？；:^效，應面積比例 固化特性之材料，作為2 種簡單的方法，利用一熱 物，透過熱壓方式固化之¥二與碳布材料的電接觸固著 電性，且同時可後’確保燃料電池具有穩定的導 了」I牛低組裝的困難度。 〜曰j分 本發明的第三目的是提供一 料電池組的製作方法，提供簡易的電性〇;3的平面燃 網狀導體不同區域的兩面二=制透過一 高的優點，降低燃料電池組裝：本愈、穩定度 本發明的第四目的，更提種：：業：值。 燃料電池組的製作方法，透 夏組裝的平面 組的陰陽極分別與網狀導體固著，】:匕：衣程，將膜電極 的部份，，兩電池串聯，此平面燃料U兩電池相鄰邊 便、穩定度高的優點。 "’、厂 / 、、且具有製程簡 為達成上述目的，本笋 造方法，包括下列步驟：提—種燃料電池單體的製 電極與一陰極觸媒電極，' 、馭、一陽極觸媒 極以熱壓方式固定於質子六始=極觸媒電極與陰極觸媒電 組；接著提供二網狀導㉟，將^ :=形成一膜電極 塗佈於網狀導體表面；最肱〃有…口化特性之一黏合膠 膜電極組表面。 將、，，罔狀導體以熱壓方式固定於 J 一較佳實施例中，膜電極組的表面農… 在-較佳實施例中碳布或唉紙所構成。 “麵一 、銅、鋁等材
------- 〇178-l〇156TWF2(Nl);P〇5920〇14TW;jimy.ptc 第9頁 電材料，而多孔性導電材 $曲具有二多孔性導 修正 —案號 9311437?. 五、發明說明（5) 鉑、铑、釕或氮化 料或其合金所構成，且其表面鍍有金 絡等貝金屬’以防止金屬網腐蝕。 、、、在一較佳實施例中，黏合膠由環氧樹酯、PU或P I等材 料所構成’黏合膠為厚度介於丨—丨〇 〇微米之間的固態膜狀 物’透過加熱轉印的方式附著於網狀導體表面，而在黏合 膠中亦可添加導電微粒，以增加導電度。 。又’在上述轉印固態膜狀物之步驟中，操作溫度介於 2 5 C至1 0 〇 C之間。而熱壓網狀導體的步驟中，熱壓之溫 度介於100°c至2 5 0 °c之間，熱壓之壓力介於…叩至⑼从 之間。 本發明另提供一種燃料電池單體，包括一膜電極组及 :::大T體。*中膜電極組具有一質子交換膜、一陽極觸 觸：電#’陽極觸媒電極與陰極觸媒電極 特么ΐ:;: 2膜的兩侧；網狀導體係以具有熱固化 特〖生之黏合I固疋於膜電極組表面。 在一車父佳貫施例中，燃料 _ 電材料，多孔性導電材冗# , _ /、有二夕孔性導 間，或是以黏合膠設置於於膜電極組與網狀導體 材料可由碳布或碳紙所構：狀*體外側。χ，多孔性導電 此外’本發明另提供—種平面 緣框架及複數個燃料電池σσ 寬池、、且’包括一絕 開口，燃料電池單體即μ Τ认上述燒緣框架具有複數個 且丨叹置於絕綾柜恕l „ 口。其中燃料電池單體均包括技’覆盍各個開 具有二次固化特性之黏人 、電極組；二網狀導體以 其中相鄰i燃料電池單體上的 ：：電極組之表面， _麵隱二讀瞧丨》^r—-目互電性連接，以 0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;jimy.ptc __ 第10頁 _號 93114372 1251954 # 曰 修正 五、發明說明（6) 串聯上一級燃料電池單髀 陰極。 、&極與下一級燃料電池單體的 在一較佳實施例中， 電材料，而多孔性導雷#二電極組的表面具有二多孔性導 产里 ^ 材料可由碳布或碳纸所椹成 在另一實施例中，勒人 Λ火Ά所構成。 佈於網狀導體表面，經二=具熱固纟，亦可以液態膠塗 極組表面。其中，如：乾牛再以熱壓方式固定於該膜電 之間。 尤、乾步驟之操作溫度介於6〇t；至20〇 較佳實施例中，網狀導體由鎳、#、銅、铭等材 料或&金所構成，且其表面鍍有金、鉑、铑、α筒 鉻等貴金屬，以防止金屬網腐蝕。 。S > 在一較佳實施例中，黏合膠由環氧樹酯、Ρϋ 料所構成，黏合膠為厚度介於卜丨〇〇微米之間的固能膜材 物，透過加熱轉印的方式附著於網狀導體表面，而^、狀人 膠中亦可添加導電微粒，以增加導電度。 在黏合 在一較佳實施例中，燃料電池單體係以一防 ^ 於絕緣框架上。 膠固定 在一較佳實施例中，絕緣框架包括第一部份及# 一立 份，第一部份在開口周圍具有凸出部，第二部S在弟二部 圍具有與凸出部相配合之凹陷部，藉以固定各 開口周 單體用於串聯的網狀導體。 ’“、；料電池 在一較佳實施例中，絕緣框架具有介於開σ之 數個間隔部，且間隔部中埋設有複數個串聯電極，間的複 之燃料電池單體上的網狀導體分別與串聯電極電性而相鄰 以串聯上一級燃料電池單體的陽極與下一級燃 連接’ —_____________ “、、不十電池單體
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;jimy.ptc 第11頁
1251954 五、發明說明 的陰極。 、 在 灵加例中’絕緣框架更包括第一部份及第二部 伤，利用一黏合膠將膜電極組固定在絕緣框架之第一部份 與第二部份間。 $ I b 加 在^較佳實施例中，燃料電池單體係交替設置於該框 木之外侧及内側，以簡化串聯電極與個別網狀導體間之電 接觸。 、”在一較佳實施例中，兩組平面式燃料電池組，可以透 過絶緣框架内埋之導体，與絕緣框架共同形成一圍封空 間。又内埋導體也可以利用一内埋導體的軟性基板來完 成。 一在一較佳實施例中，絕緣框架由樹酯強化纖維板或是 陶瓷基板所構成，且絕緣框架具有複數個燃料通孔，燃料 電池之燃料可由燃料通孔注入圍封空間中。 為Τ讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 月”、、員易II 下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作 詳細說明如下： 實施方式 第2 Α圖為本發明燃料電池之製造方法中，將具有二次 固化特性之黏合膠轉印至網狀導體之示意圖。如第2 A圖所 不’本發明所提供的燃料電池電性連結方法主要是利用具 有一-人固化特性之熱固性黏合膠，如：環氧樹g旨、p U或p I 等材料，开> 成一固態膜狀物2 2，以加壓的方式將黏合膠轉 印至網狀導體21上，其中上述轉印製程的操作溫度介於⑽
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;Jimy.pt 第12頁
C至1 00 °C之間，且固態膜狀物22的厚度介於l-i 〇〇微米之 間。 又上述熱固性黏合膠，亦可以液態膠刷塗、喷塗等方 法塗佈於網狀導體表面，經烘乾後再以熱壓方式固定於該 膜電極組表面。其中，烘乾步驟之操作溫度介於6 〇至 2 0 0 °C之間。
第2 B圖為第2 A圖中黏合膠轉印後，網狀導體之剖面 圖。如第2B圖所示，網狀導體2丨為鎳、鈦、銅、鋁等材料 或其合金所構成之金屬網，且其表面鍍有金、鉑、铑、舒 或氮化絡等貴金屬所構成的抗蝕層2 u，可防止金屬網被 氧$腐蝕。此外，黏合膠22透過加熱轉印的方式附著於網 狀$體21表面’而在黏合膠22中亦可添加導電微粒221， 如：金、鈦或碳微粒，以增加導電度。 第3A圖為本發明燃料電池單體之剖面圖，第3B圖為第 3A圖中區域3/之放大示意圖。如第μ圖所示，燃料電池單 體30包括一膜電極組31及二網狀導體33。膜電極組31具有 一質子θ交換膜311、一陽極觸媒電極312與一陰極觸媒電極 314 &極觸媒電極3 1 2與陰極觸媒電極3 1 4分別設置於質
子父換膜3 11的兩侧。而膜電極組3 1係以習知熱壓或塗佈 的方式而成。 本發明之膜電極組3 1的表面另具有兩層以多孔的碳布 或破紙所組成的氣體擴散層32，此二氣體擴散層32可在製 作膜電極組31時，與陽極觸媒電極312、質子交換膜311 ^ 陰極觸媒電極3 1 4 —起熱壓成形，作為膜電極組3丨的一部 份’可使本發明之燃料電池單體30具有較佳的氣體擴散特
0178-10156TWF2(Nl)；P05920014TW;jimy.ptc 第13頁 1251954 案號 93114379 修正 五、發明說明（9) 性及導電度。 請=第2B圖及第3八,圖，當膜電極組31熱壓完 成，且，屬網完成霉占合膠的轉印製程後，即可以將金屬網 33二熱壓方式固定於膜電極組表面，在熱壓的過程中，黏 ^膠2田2會因外加的壓力而流動，形成如第圖所示的狀 悲，最後因為外加的高溫而使金屬網3 3固定於氣體擴散層 32表面。其中上述熱壓製程的之操作溫度介於1〇〇它至“^ 。(：之間，操作壓力介於iMpa至50Mpa之間，埶壓時間約丨〜5 分鐘。
在一較佳的實施例中，操作溫度為丨6 〇，操作壓力 為30Mpa ’ .而熱壓時間為3分鐘時，金屬網33與氣體擴散層 3 2之間的導電性會較佳。 此外’本發明之燃料電池單體3 〇亦可以省略氣體擴散 層3 2 ’直接以黏合膠2 2將金屬網3 3固定於陽極觸媒電極 312與陰極觸媒電極314上；或是金屬網33先以黏合膠22熱 壓固定於陽極觸媒電極31 2與陰極觸媒電極314上，再以黏 合膠22壓熱固定氣體擴散層32，形成如第扎圖所示之結 構。 第一實施例 第4A圖為本發明第一實施例平面燃料電池組之剖面 圖’為了間化圖示’第4 A圖僅以兩個燃料電池單體串聯成 一平面型平面燃料電池組，但本發明所提出之結構益不限 定於兩個燃料電池單體。 如第4A圖所示，平面燃料電池組4〇具有二個如前所述 之燃料電池早體3 0 a，3 0 b、一承載燃料電池單體的絕
0178-10156T\VF2(Nl);P05920014TW;jimy.ptc 第14頁 曰 五、發明說明（10) 3 5 一流返板43a’ 43b ° ~金屬網41之兩面分別以 口膠固疋於燃料電池單體30a的 U黏 rr:?陽極觸媒電極上料 陶竟基板等以製成絕緣框架η， m早體3〇a，30b，而此絕緣 口: 可保護=聯金屬網41的彎折部41 i不會斷裂。]^ 4亦 以-i Ϊ 4B圖所不，平面燃料電池組40之串聯電極可八Kf —至屬網，於絕緣框架之間隔部中相互連接。 刀別 第4cr:圖為ϊ 一實施例燃料電池組之另-實施樣態，如 中央的間隔部内的串、聯=二亦可以埋設於絕緣框架 , j甲％電極與金屬網41a，41b電性連接， 式可用二次固化膠黏合，或是直接以熱壓 配置的燃料電池：燃枓電池早體3°a，3°b，形成平面 清再參閱弟4D圖，繁 道板相結合，其包括可之絕緣框架可與傳統之流 -第二部份42b，纟中第一二,應：合之-第-部份仏及 具有凸出部421，第4二在開口周圍之間隔部處 Λ φ , 罘一-15^4213在開口周圍之間隔部處具有 組4 0 ΐ可VS之凹.陷部， 才1燃料電池單體30a， 30b放置在第一部份 :中㈣!弟二部份42b塵合於第-部份上，此時，利用 凸出部4 2 1及凹陷部4 2 2夕外拟 χ 腦！鑛妾在-起’以進-步增
mh电虛之外形，可輕易使網狀導體411a, ^_η 曰 修正 五、發明說明（11) Τ組4〇,40,是以黏合固定的金屬網作為引出電荷的電極， 在平面燃料電池組40及40，中，流道板43a，43b的 材貝可以不需要是具有導電特性的石墨板，而可以採用 PC、PE等高分子化合物以製成二片具有複數個燃料通道 \31a，431b的流道板43a，43b，再以防水膠44黏合固定於 :巴、：框架42上即可。故第一實施例之平面燃料電池組4〇的 、、且衣方式較傳統的平面燃料電池組簡單，而且可適用於 氫氧燃料電池（PEMFC)或是直接曱醇燃料電池 、 此外，第一實施例中所使用的燃料電池單體亦可 擴散層，直接以黏合膠將金屬網固定於陽極觸 陽桎某電極上；或是金屬網先以黏合膠熱壓固定於 陰娜電極上’再以黏合膠壓熱固定氣 篮擴政層，形成如第3C圖所示之結構。 尤孔 弟一貫施例 圖，ίί發明第二實施例平面燃料電池組之址人 圖 弟5 Β圖為第二實施例平面燃料電池έ u 簡化圖示，第5A、5B圖僅以四個烬料雷4 σσ二面圖。為了 面燃料電池組，但本發明所提出=聯成-平 料電池單體。 亚不限疋於四個燃 如第5 Α圖所示，平面燃料電池組5 〇勺一刀 複數個燃料電池單體3〇a〜3〇d。上述 匕一絕緣框架及 部51及二支承部52a， 52b，圍封部51為1匡架包括一圍封 用於卡合固定支承部52a，52b，在圍，一=形絕緣框體，
0178-10156TWF2(Nl);P〇5920014TW；Jlniy>ptc 一#聯電極511 ;支承部52a，52b為一且去之側則埋設 ———--二矩形開口 521 曰 修正 1251954 案號 93114372 五、發明說明（12) 上燃體30a〜30d即分別設置於支承部 52a，52b上覆现各個開口521。其中，绍祕#加 一 承部52a，52b亦可以如第4])圖所示之方式製ς 承部52a，52b與圍封部51結合’而絕緣框 支承部…，…是以PC、Μ、樹醋強化纖維等高V』匕及人 物、或陶瓷基板等所製成的。 于Γ7刀于化口 燃料電池單體30a〜30d之結構如第3A圖所示，各且 -由質子交換膜、陽極觸媒電極與陰極觸媒電極敎壓而 Z膜電極組’並另具有以碳布或碳紙所構成的氣體擴散 如第5A圖及第5B圖所示，當製作本發明第二實施 述之平面燃料電池組50時，先將—金屬網55a〜55d、以且有 二次固化特性之黏合膠熱壓固定在各燃料電池單體 30a〜30d的一面上，再將一串聯金屬網54a, 5牡分別連結 一燃料電池單體之陽極觸媒電極及另一燃料電池單體之陰 極觸媒電極，形成二串聯的燃料電池模組。接著，以防水 膠將燃料電池單體30a〜30d固定於支承部52a，52b上，並 使燃料電池單體3 0 a〜3 0 d完全覆蓋各個開口 5 2 }。接著，再 以防水膠將二支承部固定於圍封部5丨上，使燃料電池單體 3 0a〜3 0d與絕緣框架51，52a，52b共同形成一可容置液態 燃料的圍封空間53，最後再以導電膠或是焊接的方式連接 金屬網55b、串聯電極5ii及金屬網55(：，使燃料電池單體 3 0a〜3 0d構成一完整的串聯迴路。其中，金屬網55已，5讣 可分別作為整個平面燃料電池組5 〇的正、負極，而上述金 屬網54a， 54b， 5 5a〜5 5d之材質可以是鈦、表面鍍金之 0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;jimy.ptc 第17頁 1251954 案號 93Π4372 年 月 曰 修正一 五、發明說明（13) '—* 銅、表面鍍金之鎳或表面鍍金之其他卑金屬。 此外’第二實施例之平面燃料電池組可適用於直接甲 醉燃料電池（DMFC)或是氫氣燃料電池（pEMFC)，各燃料電 池單體30a〜3Od的陽極觸媒層緊鄰於圍封空間53，因此， 曱醇水溶液或氫氣燃料可由圍封部5 1之燃料通孔5 1 2導入 圍封空間5 3中，以提供平面燃料電池組5 〇反應所需之燃 料。而平面燃料電池組反應所需之氧氣，則可直接由外界 大氣獲得’或是另以一空氣幫浦由絕緣框架的外侧提供。 弟三實施例 第6圖為本發明第三實施例平面燃料電池組之剖面 圖。為了簡化圖示，第6圖僅以六個燃料電池單體串聯成 一平面燃料電池組，但本發明所提出之結構並不限定於六 個燃料電池單體。 在製作如第5 A圖所示的平面燃料電池模組時（二個串 聯之燃料電池單體），由於作為串聯電極的金屬網5 4 a不易 彎折，平面燃料電池模組會有翹曲的現象，且在熱壓串聯 電極的金屬網時，也較為困難，因此，本發明提供另一種 模組化平面燃料電池組的實施方式。如第6圖所示，平面 燃料電池組6 0包括一絕緣框架及複數個燃料電池單體 30a〜30f。上述絕緣框架包括一圍封部61及二支承部62a， 6 2 b，圍封部6 1與第二實施例相同，為一方形絕緣框體， 用於卡合固定支承部6 2 a，6 2 b，在圍封部6 1之一侧則埋設 一串聯電極6 1 c ;二支承部6 2 a， 6 2 b為具有三個方形開口 的絕緣框，燃料電池單體3 〇 a〜3 0 f即分別設置於支承部 6 2 a， 6 2 b上，覆蓋各個開口。其中，絕緣框架之圍封部6 1
0178-10156TWF2(N1);P05920014TW;j imy.ptc 第18頁 Λ_3 曰 正 案號 931U37? 五 發明說明（14) _ 2承部62a，62b是以Pc、pE、樹醋 5物、或陶兗基板等所製成的’二 3二子化 聯電極61a, 61b， 61d， 6le，分=各具有稷數個争 間隔部64a〜64d内，用於連&相鄱厥於矩形開口之間的 網，以串聯上-級燃料電池單體的陽極觸 的金一屬 燃料電池單體的陰極觸媒電極。 ” 人下一級 _燃料電池單體30a〜30f之結構如第3A圖所示，各具有 由貝子父換膜、陽極觸媒電極與陰極觸媒電極熱壓而 :膜電極組’ ϋ另具有以碳布或碳紙所構成的氣體擴 滑。 ' 如第6圖所示，為了使平面燃料電池組6〇不會發生翹 曲的情形，燃料電池單體30b，30e分別設置於絕緣^架%勺 内侧，使燃料電池單體30a〜30f交替設置於絕緣框架的外 侧與内側。當製作本發明第三實施例所述之平面燃料電池 組6 0時，可先將金屬網3 3 a〜3 3 1以具有二次固化特性之黏 合膠熱壓固定在各燃料電池單體3〇a〜30f上，再以防水膠 將燃料電池單體3〇a〜3〇f交替固定於支承部62a，62b上的 内、外兩侧，並使燃料電池單體30a〜30f完全覆蓋各個開 口，防止圍封空間6 3内的液態燃料洩漏。接著，以導電膠 或是焊接的方式分別連接金屬網33b〜33e，33g〜331與串聯 電極6 1 a， 6 1 b， 6 1 d， 6 1 e，形成二串聯的平面燃料電池模 組’再將此二模組以防水膠固定於圍封部6 1上，使燃料電 池單體30a〜30f與絕緣框架61，62a，62b共同形成一可容 置液態燃料的圍封空間6 3。最後，再以導電膠或是焊接的 方式連接串聯電極6 1 c及金屬網3 3 f、3 3 g，使燃料電池單
0178-10156TWF2(Nl)；P05920014TW;Jimy.ptc 第 19 頁
1251954 案號 93Π4372 曰 修正 五、發明說明（16) 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 第21頁 0178-10156TW2(Nl);P05920014TW；j imy.ptc iiii 1251954 案號 93114372 年月曰 修正 圖式簡單說明 第1圖為傳統堆疊型燃料電池之剖面圖。 第2 A圖為本發明製造方法中，將具有二次固化特性之 黏合膠轉印至金屬網之示意圖。 第2B圖為第2 A圖中，黏合膠轉印後，金屬網之剖面 圖。 第3 A圖為本發明燃料電池單體之剖面圖。 第3B圖為第3A圖中區域a之放大示意圖。 第3C圖為本發明另一燃料電池單體之剖面圖。 第4 A圖為本發明第一實施例平面燃料電池組之剖面 圖。 第4B圖至第4D圖為本發明第一實施例平面燃料電池組 之其他實施樣態。 第5 A圖為本發明第二實施例平面燃料電池組之組合 圖。 第5 B圖為本發明第二實施例平面燃料電池組之剖面 圖。 第6圖為本發明第三實施例平面燃料電池組之剖面 圖。 符號說明 1 0〜傳統燃料電池 11〜質子傳導膜 1 2〜陽極觸媒電極 1 3〜陰極觸媒電極 1 4〜氣體擴散層 1 5〜雙極板
0178-10156TW2(Nl);P05920014TW;jimy.ptc 第22頁 1251954 _案號93114372_年月日_修正 圖式簡單說明 1 5 1，1 5 2〜流道 1 6〜螺絲 2 1〜金屬網 2 2〜固態膜狀物 2 2 1〜導電粒子 3 0，3 0 ’，3 0 a〜3 0 f〜燃料電池單體 3 1〜膜電極組 3 1 1〜質子交換膜 3 1 2〜陽極觸媒電極 3 1 3〜陽極觸媒 3 1 4〜陰極觸媒電極 3 1 5〜陰極觸媒 32〜氣體擴散層 33，33a〜331〜金屬網 4 0，4 0，，4 0，，〜平面燃料電池組 4 1〜串聯金屬網 4 11〜彎折部 4 2〜絕緣框架 42a〜第一部份 4 2b〜第二部份 421〜凸出部 422〜凹陷部 4 3 a，4 3 b〜流道板 431a，431b〜流道 4 4〜防水膠
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;jimy.ptc 第23頁 1251954 案號93114372_年月日 修正 圖式簡單說明 4 5〜串聯電極 5 0，6 0〜平面燃料電池組 5 1，6 1〜絕緣框架 5 1 1，6 1 a〜6 1 e〜串聯電極 5 1 2〜燃料通孔 52a，52b，62a，62b 〜支承部 5 2 1〜開口 5 3，6 3〜圍封空間 5 4 a，5 4 b〜串聯金屬網 55a〜55d〜金屬網 64a〜64d〜間隔部
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;jimy.ptc 第24頁

Claims (1)

1251954 案號 93114372 、申請專利範圍 曰 極 1 · 一種燃料電池單體的製造方法，包括 提供一質子交換膜、一陽極觸媒電極與 下列步驟： 〜陰極觸媒電 電極妹人 ^ 、、Ό合於該質子爻 將該陽極觸媒電極與該陰極觸媒 換膜之兩側，形成一膜電極組； 提供二網狀導體； 謗等網狀導艨 表 將具有二次固化特性之一黏合膠轉印至 面；以及 將該等網狀導體以熱壓方式固定於該膜電。& 2.如申請專利範圍第1項所述之燃料電、、/ „極組表面° 方法，其中該膜電極組表面另具有二多孔性早體的製造 方3·如申知專利範圍第2項所述之燃料電池單體的製造 去’其中該等多孔性導電材料由碳布或碳紙所構 4. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池單體的成雙造 / ，其中該等網狀導體由鎳、鈦、銅、鋁等》 Τ > 金所構成。 年材枓或其合 5. 如申睛專利範圍第1項所述之燃料電池單體的紫造 方法，其中該等網狀導體之表面鍍有金、鉑、铑、衣^ 化鉻等貴金屬。 $ 6. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池單體的製造 方法，其中該黏合膠由環氧樹酯、PU或ΡΙ等材料所構成。 7 ·如申請專利範圍第6項所述之燃料電池單體的製造 方法 其中5亥黏合膠形成一固態膜狀物，透過加熱轉印的 方式附著於該等網狀導體表面。
0178-10156TWF2(Nl)；P05920014TW；jlmy ptc 第25頁 1251954 - -案號93114372__』_月 日 修，下_ __ 六、申請專利範圍 8 ·如申請專利範圍第7項所述之燃料電池單體的製造 方法，其中該固態膜狀物中具有複數個導電微粒，以增加 導電度。 ~ 9 ·如申請專利範圍第7項所述之燃料電池單體的製造 方法’其中該固態膜狀物之厚度介於1 -1 〇 〇微米之間。 I 0 ·如申請專利範圍第7項所述之燃料電池單體的製造 方法，其中轉印固態膜狀物之梦驟中，操作溫度介於2 5。〇 至1 0 0 °C之間。 II ·如申請專利範圍第7項所述之燃料電池單體的製造 方法，其中在熱壓該等網狀導體之步驟中，熱壓之溫度介 於loot：至2 5 0 °C之間，熱壓之壓力介於IMpa至50Mpa之 間。 1 2 · —種燃料電池單體，包栝： 一膜電極組，具有一質子交換膜、一陽極觸媒電極與 一陰極觸媒電極，其中該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極 分別設置於該質子交換膜的兩侧； 二網狀導體，以具有二次固化特性之一黏合膠黏合固 疋於该膜電極組表面。
1 3 如申請專利範圍第丨2項所述之燃料電池單體，其 中該膜電極組另具有二多孔性導電材料，分別設置於該陽 極觸媒電極與該陰極觸媒電極表面。 1 4 ·如申請專利範圍第丨3項所述之燃料電池單體，其 中該等多孔性導電材料由碳布或碳紙所構成。 1 5 ·如申請專利範圍第丨2項所述之燃料電池單體，其
1251954
鈦 銅、鋁等材料或其合 金所構 9311437?, 六、申請專利範圍 中該等網狀導體由鎳 成0 1 6 .如申請專利範圍第丨2項所述之燃料電 。 中該等網狀導體之表面鍍有金、鉑、铑、釘嗖^早體，其 金屬。 4 I化鉻等責 1 7 ·如申請專利範圍第丨2項所述之燃料電池ασ 中該黏合膠由環氧樹酯、PU或PI等材料所構成。早體，其 上1 8.如申請專利範圍第丨7項所述之燃料電池 中戎黏合膠内含複數個導電微粒，以增加導電度。_其 19 · 一種平面燃料電池組，包栝：
一絕緣框架，具有複數個開口； ^ 複數個燃料電池單體，設置於該絕緣框架上，覆蓋該 等開口 ’其中該等燃料電池單體均包括： / 一膜電極組，具有一質子交換膜、一陽極觸媒電極與 陰極觸媒電極，其中該陽極觸媒電極舆該陰極觸媒電極 分別設置於該質子交換膜的兩侧；
二網狀導體，以具有二次固化特性之一黏合膠黏合固 定於該膜電極組表面，其中相鄰之該等燃料電池單體之該 等網狀導體相互電性連接，以串聯上一級燃料電池單體的 1%極與下一級燃料電池單體的陰極。 2 0 ·如申請專利範圍第丨9項所述之平面燃料電池組， 其中该膜電極組更包括二多孔性導電材料，分別設置於該 陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極表面。 2 1 ·如申請專利範圍第丨9項所述之平面燃料電池組，
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;Jimy.ptc 第27頁 1251954 _案號93114372_年月日___ 六、申請專利範圍 其中相鄰之該等燃料電池單體的該等網狀導體是以熱壓方 式相互電性連接，以串聯上一級燃料電池單體的陽極與下 一級燃料電池單體的陰極。 2 2.如申請專利範圍第1 9項所述之平面燃料電池組， 其中該絕緣框架具有介於該等開口之間的複數個間隔部， 且該等間隔部中埋設有複數個串聯電極。 2 3.如申請專利範圍第2 2項所述之平面燃料電池組， 其中相鄰之該等燃料電池單體之該等網狀導體分別與該等 串聯電極電性連接，以串聯上一級燃料電池單體的陽極與 下一級燃料電池單體的陰極。 2 4.如申請專利範圍第1 9項所述之平面燃料電池組， 其更包括： 二流道板，以防水膠黏合於該絕緣框架上，其中該流 道板具有複數個流道，可導入該燃料電池單體反應所需的 燃料。 2 5.如申請專利範圍第1 9項所述之平面燃料電池組， 其中該絕緣框架由樹醋強化纖維板所構成。 2 6.如申請專利範圍第1 9項所述之平面燃料電池組， 其中該絕緣框架由陶莞基板所構成。 2 7.如申請專利範圍第1 9項所述之平面燃料電池組， 其中該絕緣框架具有一第一部份及一第二部份，該第一部 份在該等開口周圍具有複數個凸出部，該第二部份在該等 開口周圍具有與該等凸出部相配合之複數個凹陷部，藉以 固定串聯之該等網狀導體。
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW；jimy.ptc 第28頁 1251954 ---篆號 931U372_ 年 a 日 六'申請專利範圍 修正 2 8. —種平面燃料電池組，包括·· 一絕緣框架，具有複數個開口； 複數個燃料電池單體，設置於該絕緣框架上，覆蓋节 等開口，並與該絕緣框架共同形成/圍封空間，其中該等 燃料電池單體均包括： ^、 膜電極組’具有一質子交換膜、一陽極觸媒電極與 陰極觸媒電極，其中該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極 分別以熱壓方式設置於該質子交換膜的兩侧； 二網狀導體，以具有二次固化特性之一黏合膠黏合固 疋於該膜電極組表面，其中相鄰之該等燃料電池單體之該 等網狀導體相互電性連接，以串聯上/級燃料電池單體的 陽極與下一級燃料電池單體的陰極。 2 9·如申請專利範圍第28項所述之平面燃料電池組， 其中該膜電極組更包括二多孔性導電材料’分別設置於該 陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極表面。 3 0 ·如申請專利範圍第2 9項所述之平面燃料電池組， 其中該等多孔性導電材料由碳布或碳紙所構成。 31 ·如申請專利範圍第28項所述之平面燃料電池組，其中該等網狀導體由鎳、鈦、銅、鋁荨材料或其合金所構 成。 其中 3 2 ·如申請專利範圍第2 8項所 該等網狀導體之表面鍍有金、 述之平面燃料電池組， 鉑、铑、釕或氮化鉻等
貴金屬 33 戶斤述之平面燃料電池組’ 如申請專利範圍第28項
1251954 ------tE 93114372 . 年 ^ A .x 六、申請專利範^ ' -- ---- 其中°亥點合膠由環氧樹酯、PU或P I等材料所構成。 豆 ·如申請專利範圍第2 8項所述之平面燃料電池組 其中5亥點合膠内含複數個導電微粒，以增加導電度。、、且’ 3二5 .如申請專利範圍第2 8項所述之平面燃料電池組， ^中σ亥等燃料電池單體係以一防水膠固定於該絕緣框架 ·如申請專利範圍第3 5項所述之平面燃料電池組， 其令違防水膠由具有二次固化特性之環氧樹酯、ρυ 材料所構成。 專 3 7 ·如申請專利範圍第2 8項所述之平面燃料電池組， 其中該絕緣框架具有介於該等開口之間的複數個間隔部， 且该等間隔部中埋設有複數個串聯電極。 3 8 ·如申請專利範圍第3 7項所述之平面燃料電池組， 其中該等燃料電池單體交替設置於該框架之外侧及内側。 3 9.如申請專利範圍第3 8項所述之平面燃料電池組， 其中相鄰之該等燃料電池單體的該等網狀導體分別與該等 串聯電極電性連接，以串聯上，级燃料電池單體的陽極與 下一級燃料電池單體的陰極。 4 0 ·如申請專利範圍第3 9項所述之平面燃料電池組， 其中該絕緣框架具有複數個燃料通孔’燃料電池之燃料可 由該等燃料通孔注入該圍封空間。 41 ·如申請專利範圍第2 8項所述之平面燃料電池組， 其中該絕緣框架由樹酯強化纖維板所構成。 4 2 ·如申請專利範圍第2 8項所述之平面燃料電池組，
0178-10156TWF2(N1);P05920014TW；jimy.ptc 第 30 頁 1251954 _案號93114372_年月曰 修正__ 六、申請專利範圍 其中該絕緣框架由陶瓷基板所構成。 43 . —種燃料電池單體的製造方法，包括下列步驟： 提供一質子交換膜、一陽極觸媒電極與一陰極觸媒電 極； 將該陽極觸媒電極與該陰極觸媒電極結合於該質子交 換膜之兩側，形成一膜電極組； 提供二網狀導體； 提供一具有熱固特性之黏合膠； 將該熱固化膠塗佈於該等網狀導體表面並烘乾；以及 將該等網狀導體以熱壓方式固定於該膜電極組表面。 44.如申請專利範圍第43項所述之燃料電池單體的製 造方法，其中該黏合膠由環氧樹酯、PU或P I等材料所構 成。 4 5.如申請專利範圍第43項所述之燃料電池單體的製 造方法，其中烘乾步驟之操作溫度介於60 °C至2 0 0 °C之 間。
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW；jimy.ptc 第31頁
平面燃料電池組的電性連結，纟包括一膜電極 極、二觸：t導體’利用一熱固性材料，將陽極觸媒f 料電：電荷引】=與網狀或多孔導體做固定’作為培 )、本案代表圖為：第——4A____圖 )、本案代表圖之元件代表符號簡單說明： 4 4 0〜平面燃料電池組 41〜串聯金屬網 4： 11〜彎折部 4 2〜絕緣框架 4 3 a，4 3 b〜流道板 4 3 1 a，4 3 1 b〜流道 4 4〜防水膠 六、英文發明摘要（發明名稱：Flat fuel cell assembly and fabrication thereof) A connecting structure of a flat fuel cell assembly. The assembly includes a plurality of fuel cells, each of which has a membrane electrode assembly with an anode, a proton exchange membrane and a cathode combined. Two conduct i ve nets are attached to the surfaces of the anode and the cathode of each membrane electrode assembly by thermosetting adhesive and heat pressing to
0178-10156TWF2(Nl);P05920014TW;j imy.ptc 第3頁
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