TWI261383B - Manufacturing method of flexible soft-plate lamination integrating fuel cell and flexible soft-plate lamination integrating fuel cell - Google Patents

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Description

1261383 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係關於一種燃料電池的製造方法及燃料電 池，其特別係關於一種利用軟性電路基板的印刷電路板 製程技術，來製造可撓式軟板積層整合燃料電池的製造 方法，以及實施本發明方法所製成的可撓式軟板積層整 合燃料電池。 先前技術 軟性電路基板（F P C )是由絕緣基材、接著劑及銅導體 所組成，因其具有可撓性又可稱為可撓性印刷電路板。 軟性印刷電路板的特點為可以立體配線，能配合設備以 自由的形狀置入經過加工之導體，以及一般硬質積層板 所不能達到的可撓、輕且薄等特性。目前的軟性電路基 板仍以替代電線為主要用途目的。 傳統燃料電池設計一般為堆豐式的設計，這類設計 的典型已在美國專利USP5,200,278 、USP5,252,410 、 USP5,360,679 、以及USP6,030,718等前案揭示，雖採用 此習知技藝所製造之燃料電池可有比較高的發電效率， 但是其組成複雜，製造並不容易，成本較為高昂，對週 邊的配合系統之要求也較高。 美國專利U S P 5，6 3 1，0 9 9 「表面復型燃料電池 (Surface Replica Fuel Cell)」，已揭示可包含堆疊式 及平面式設計方式的燃料電池，換言之，U S P 5，6 3 1，0 9 9 可結合堆疊式及平面式設計的優點，提高燃料電池的發
第6頁 1261383 五、發明說明（2) 電效率，並擁有製造容易、成本低、重量輕、使用方 便、空間限制性低等好處。然而U SP 5，6 3 1，0 9 9仍存在結 構複雜且製造不易、對於反應生成物（例如水份）排除不 易、對於空氣或氧氣的供應不易等缺失。 本發明的發明人有鑑於上述習知燃料電池之缺失而 亟思發明改良，乃發明出一種利用軟性電路基板的印刷 電路板製程技術，來實現燃料電池的製造，使其擁有製 造容易、成本低、重量輕、使用方便、空間限制性低等 好處。 發明内容 本發明主要目的係提供一種可撓式軟板積層整合燃 料電池的製造方法，其利用軟性電路基板的印刷電路板 製程技術，將其技術改良使之能夠運用來製造燃料電 池。 本發明另一個目的係提供一種符合輕、薄、短、小 及可彈性調整形狀和大小等特性的積層整合燃料電池。 為達成本發明上述目的，本發明提供一種可撓式軟 板積層整合燃料電池的製造方法包括下列步驟：將作為 印刷電、路板所使用的軟性電路基板，利用印刷電路板製 程，分別製造陽極集電線路層以及陰極集電線路層；製 造質傳電解質層；利用壓合或黏合的製程，自上而下分 別將陽極集電線路層、質傳電解質層、陰極集電線路層 接合成燃料電池反應層；利用可撓式基板，製造流道
1261383 五、發明說明（3) 層；接合燃料電池反應層與該流道層；藉此完成製造可 撓式軟板積層整合燃料電池。 再者，為達成本發明上述目的，本發明提供一種可 撓式軟板積層整合燃料電池包括：由一軟性電路基板分 別所製造之陽極集電線路層與陰極集電線路層；質傳電解 質層係夾層在上下之間的陽極集電線路層與陰極集電線 路層之間；最後再配合組裝需求之形狀所設計之流道層 相接合，形成一可撓式軟板積層整合燃料電池。 及對 徵， 特式 、 圖 的之 目附 之所 明合 發配 本並 解， 瞭例： 士施后 人實如 藝體明 技具說 項述， 該下明 悉由說 熟藉加 使兹詳 為，明 效發 功本 積合 板整 軟層 式積 撓板 可軟 種式 一撓 造可 製造 來制衣 用來 係用 10是 法別 方特 造’ 制衣池 的電 明料 式發燃 方本合 施 整 {貫 層 一用 第利 如要 圖僅 程份 流部 的大 Q極 法ο 11 方法 造方 製造 明製 發的 本明 ，發 池本 電於 料由 燃’ 醇示 曱顯 接所 直圖 板 基 箔 銅 性 軟 的 成 組 :所 B 匕曰 C月 (P樹 板子 路分 電高 刷與 印箔 銅 由 如 例 質 材 料 材 當 板 基 路 電 性 軟 的 習 於 較 相 此 因 加的 及易 料容 材工 之加 本造 成製 高備 較具 用顯 使明 需乃 其明 ，發 式本 方， 作看 製來 的性 池難 電困 料型 燃成 知工 同20 2 。池 勢電 趨料 品燃 產醇 的甲 今接 現直 合的 符造 亦製 ，所 本10 成法 作方 製明 的發 濟本 經由 、經 點， 優時
第8頁 1261383 五、發明說明（4) 其能夠很容易可製作出來符合輕、薄、短、小、各種外 觀形狀等特性的燃料電池，極為配合各種攜帶式電子產 品的電力使用，例如手機、個人數位助理器（P D A )、智慧 型電話（SMART Phone)、電子書（E-Book)、平板電腦 (Tablet PC)、以及筆記型電腦（Note Book PC)等等。本 發明的製造方法1 0非常容易地依據所指定的外觀形狀、 尺寸大小、功率規模等條件，將可撓式軟板積層整合燃 料電池2 0快速成型製造出來，本發明提供給燃料電池極 大便利的製造方式。 針對本發明之可撓式軟板積層整合直接甲醇燃料電 池之製造方法，請參見第一圖顯示本發明積層整合直接 曱醇燃料電池的製造方法之流程圖，下文將分別說明製 造方法1 0所示所包含的各步驟。步驟（1 0 1 )係將作為印刷 電路板所使用的軟性電路基板，利用印刷電路板製程， 分別製造陽極集電線路層2 0 1以及陰極集電線路層2 0 3。 本發明的步驟（1 0 1 )的具體實施手段，乃採印刷電路板的 材料中軟性銅箔基板材質作為軟性電路基板2 0 1的實施 例，為說明的方便性與易於了解本發明起見，僅詳細揭 露說明如何製造陽極集電線路層2 0 1 ，同理依據陽極集電 線路層2 0 1的製造方式，亦能夠製造出在陰極集電線路層 2 0 3。軟性銅箔基板上採用傳統印刷電路板（P C B )的鑽孔 製程後，全板的基板電鍍上厚度約1 0 u至5 0 u英寸（i n c h ) 的化學銅後，再電鑛上厚度約200u至500u英寸（inch)的 銅，再以壓膜作業、曝光作業、顯影作業後，再電鍍上
第9頁 1261383 五、發明說明（5) 厚度約3u至10u英寸（inch)的金後，再依據陽極集電線路 2 0 1 a的佈置條件，務必使得每一個陽極集電線路2 0 1 a皆 能夠在位置上對應到質傳電解質層2 0 5的所對應的燃料電 池單元2 0 a。接者，進一步設置控制線路2 0 1 b ，而控制線 路201b主要是由複數個SMT電子元件組成之電路。最後依 據設計的陽極集電線路2 0 1 a與控制線路2 0 1 b來蝕刻出銅 箔圖案，然後進行S Μ T電子元件的焊接以及電路良莠測 試，如此便完成陽極集電層2 01 。 第二圖顯示利用本發明方法所製作之陽極集電線路 層的構造之示意圖，第三圖顯示本發明的陽極集電線路 的構造之放大示意圖。第四圖顯示利用本發明方法所製 作之陰極集電線路層的構造之示意圖，第五圖顯示本發 明的陰極集電線路的構造之放大示意圖。經由步驟（1 0 1 ) 製造出來的陽極集電線路層2 0 1與陰極集電線路層2 0 3 ， 其分別具有由蝕刻的銅箔圖案所形成的陽極集電線路 2 0 1 a與陰極集電線路2 0 3 a，並且在陽極集電線路2 01 a與 陰極集電線路2 0 3 a的所屬區域内，設置有許多貫通孔洞 2011 、2031 ，而在陽極集電線路201a的這些孔洞2011可 以提供給曱醇水溶液流入至質傳電解質2 0 5中，在陰極集 電線路2 0 3 a的這些孔洞2 0 3 1可以提供給外界的空氣流通 至質傳電解質2 0 5中。再者，在陽極集電線路層2 0 1所進 一步設置的控制線路2 0 1 b，以及在陰極集電線路層2 0 3所 進一步設置的控制線路2 0 3 b ，乃是藉由控制線路2 0 1 b、 2 0 3 b所展現的功能，可以加強燃料電池2 0的實用性。
第10頁 1261383 五、發明說明（6) 步驟（1 0 3 )係製作質傳電解質層2 0 5 ，請配合參見第 六圖顯示質傳電解質層的結構分解圊。本發明具體實現 步驟（103)的手段，乃將質子交換膜205a與高分子材料上 分別塗佈（coating)上的預定濃度的白金（Pt)及預定濃度 的白金（P t ) /釕（R u )後，利用膠合手段將質子交換膜 2 0 5 a、高分子觸媒層2 0 5 b以及碳紙/碳布2 0 5 c形成質傳電 解質層205 。質子交換膜205a的材料可以選用杜邦Nafion (DoPont Nafion)材料，而塗佈（coating)的手段係可以 採行高分子聚合物印刷（Polyimide Printing)的方式來 進行。運用溶劑（S ο 1 v e n t)調配觸媒白金（P t) /釕（R u )預 定濃度介於1 mg/ cm 2至10m g/cm2之間，於陽極反應區塗 佈（coating)，再運用溶劑（Solvent)調配觸媒白金（Pt) 預定濃度介於lmg/ cm2至10mg/cm2之間，於陰極反應區塗 佈。運用塗抹或網版印刷方式將反應觸媒直接印刷在質 子交換膜2 0 5 a或碳布/碳紙2 0 5 c上，在高溫1 0 0 t至 1 8 0 °C ，約1分鐘至2 0分鐘壓合下，此即便完成質傳電解 質層205的製作。經由步驟（103)的製造手段，質傳電解 質層2 0 5可以包括有複數個燃料電池單元2 0a ，請參見第 七圖所顯示利用本發明方法所製作之質傳電解質層2 0 5的 結構示意圖。 步驟（1 0 5 )係利用壓合或黏合的製程，自上而下分別 將陽極集電線路層2 01 、質傳電解質層2 0 5 、陰極集電線 路層203接合成燃料零池反應層207。請配合參見第八圖 顯示利用本發明方法所製作之燃料電池反應層的結構示
第11頁 1261383 五、發明說明（7) 意圖，本發明具體實現步驟（1 〇 5 )的手段，係可以採用黏 著介質以印刷或膠片疊合手段，自上而下順序，將陽極 集電層201 、陰極集電層203 、質傳電解質層205疊合成一 起，疊合時可以利用在各層間已製作的定位孔來執行精 確的定位疊合，疊合後再利用熱壓機進行壓合，藉此製 造出燃料電池反應層2 0 7。在步驟（1 0 5 )中的熱壓機的操 作環境，乃是將熱壓機設定在溫度介於8 0 °C至2 0 0 °C之 間，以及壓力介於2 k g / cm 2至5 0 k g / cm2之間下進行壓 合。在步驟（1 0 5 )中所使用的黏著介質，可以使用環氧樹 脂（Epoxy)或膠片（Prepreg)等黏著介質。 步驟（1 0 7 )係利用可撓式基板，製造流道層2 0 9 〇請 配合參見第九圖顯示利用本發明方法所製作之流道層的 結構示意圖，以及第十圖顯示利用本發明方法所製作之 另一不同立體外觀的流道層的結構示意圖，在步驟（1 07) 中，流道層2 0 9是依據燃料電池2 0所需要之幾何形狀、不 同立體外觀等等需求而加以設計，再依照所設計的幾何 形狀與立體外觀來製造流道層2 0 9。本發明具體實現步驟 (1 0 7 )的手段，係可以採用乃利用熱壓機、雷射成型機、 C N C成型機等等機器設備，採用軟性電路基板或能夠配合 機構形狀之非金屬材料基板等作為可撓式基板^實施 例，在可撓式基板成型出深度為預定深度的凹槽，而這 些凹槽即為流道槽2 0 9 a ，而流道槽2 0 9 a的預定深度可以 是介於lmm至10mm之間。 步驟（1 0 9 )係接合燃料電池反應層2 0 7與流道層2 0 9。
第12頁 1261383 五、發明說明（8) 配合參見第十一圖顯示利用本發明方法所製作之可撓式 軟板積層整合燃料電池的結構示意圖，本發明具體實現 步驟（1 0 9 )的手段，係利用壓合或黏合的製程，採用黏著 - 介質以印刷或膠片疊合手段，將個別的燃料電池反應層 2 0 7以及個別的流道層2 0 9予以疊合一起，疊合後再利用 熱壓機進行壓合或高溫固化（c u r i n g )，藉此製作出可撓 式軟板積層整合燃料電池2 0。在步驟（1 0 9 )的熱壓機的壓 合或固化操作環境，可以設定在溫度介於8 0 °C至2 0 0 °C之 間下進行壓合或固化。在步驟（1 0 9 )中所採用的黏著介 質，可以使用環氧樹脂（Epoxy)或膠片（prepreg)等黏著 介質。 本發明的製造方法1 0 ，以及經由本發明方法1 0所製 造的可撓式軟板積層整合燃料電池2 0 ，乃具備有下列的 優點： 1 .整合性生產製造成本與材料成本低’應用產品體積縮 小，符合經濟效應。 2 .可因應不同形狀、不同立體外觀的需求條件，很方便 > 地製造符合該條件的燃料電池，因此能夠供應電子產品 多樣變化性的電池電力。 ” 3 .可適用於量產製程，具標準化。 4.具高度曲撓性，輕薄小的空間特性，可依空間限制改 變形狀。 5 .具有防腐蝕性、防漏水、防漏氣。 # 6 .可折疊而不影響訊號傳遞之功能。
第13頁 1261383 五、發明說明（9) 本發明再予強調係利用軟性電路基板的製程，來製 造出可撓式軟板積層整合燃料電池，因此對於燃料電池 系統要能夠滿足各種不同體積與外觀形狀的苛求，本發 明能夠極輕易達成此項要求。 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14頁 1261383 圖式簡單說明 圖式 第一 方法 第二 構造 第三 圖。 第四 構造 第五 圖。 第六 第七 結構 第八 結構 第九 圖。 第十 的流 第十 整合 簡單 圖顯 之流 圖顯 之示 圖顯 圖顯 之不 圖顯 圖顯 圖所 示意 圖顯 示意 圖顯 圖顯示利用本發明方 道層的結構示意圖。 一圖顯示利用本發明 燃料電池的結構示意 說明 示本發明可撓式 程圖。 示利用本發明方 意圖。 示本發明的陽極 示利用本發明方 意圖。 示本發明的陰極 示質傳電解質層 顯示利用本發明 圖。 示利用本發明方 圖。 示利用本發明方 軟板積層整合燃料電池的製造 法所製作之陽極集電線路層的 集電線路的構造之放大示意 法所製作之陰極集電線路層的 集電線路的構造之放大示意 的結構分解圖。 方法所製作之質傳電解質層的 法所製作之燃料電池反應層的 法所製作之流道層的結構示意 法所製作之另一不同立體外觀 方法所製作之可撓式軟板積層 圖。 圖號編號說明
第15頁 1261383 圖式簡單說明 ίο 製造方法 20 可撓式軟板積層整合燃料電池 2 0 可撓式軟板積層整合直接甲醇燃料電池 20a 燃料電池單元 1 0 1 、1 0 3、1 0 5、1 0 7、1 0 9 步驟 20 1 陽 極 集 電 線 路 層 20 1a 陽 極 集 電 線 路 20 1b 控 制 線 路 203 陰 極 集 電 線 路 層 2 0 3 a 陰 極 集 電 線 路 2 0 3 b 控 制 線 路 205 質 傳 電 解 質 層 2 0 5 a 質 子 交 換 膜 2 0 5 b 分 子 觸 媒 層 2 0 5 c 碳 紙/碳布 207 燃 料 電 池 反 應 層 209 流 道 層 2 0 9 a 流 道 槽 20 11 孔 洞 2 0 3 1 孔 洞
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Claims (1)

1261383 六、申請專利範圍 括 包 法 方 造 製 的 池 電 料 燃 合 整 層 積 板 軟 式 撓·· 可驟 種步 一列 •下 利一 ，及 板以 基層 路路 電線 性電 軟集 的極 用陽使一 所造 板製 路別 電分 刷， 印程·， 為製層 作板路 將路線 }電電 A C 屌隹亦 印極 用陰 陽接 該層 將路 及線 分電 下集 而極 上陰 自該 y Λ ;程層 層製質 質的解 解合電 電黏傳 傳或質 質合該 一 壓、 造用層 製利路 ).).線 B C電 /lx r 集 極 層 道 流 - 造 製 •，板 層基 應式 反撓 池可 電用 料利 燃). 1(D 成 合 •，池 層電 道料 流燃 該合 與整 層層 應積 反板 池軟 電式 料撓 燃可 該該 合造 接製 ).成 (E完 此 藉 Μ, 步 的 層 :路 第線 圍電 範集 利極 專陽 請該 申造 如製 .的 2 驟 步 中 其 法 方 造 製 之 述 所 項 板 基 路 電 性 軟 該 將 係 至 的以至 寸再 U 3 英，為 0U銅度 的厚 寸鍍 1L ο英電 1i 為0U再 度ο ， / 5 厚至後 鍍0U業 電ο作 2 ^ 上為影 板度顯 全厚、 在上業 板鍍作 基電光 該再曝 將 ， 、 再後業 ，銅作 孔學膜 鑽化壓 金 的 寸 英 集 極 陽 該 中 其 法 方 造 製 之 述 所 項 11 第 圍 範 利 專 請 申 如 3 中個 其一 ，中 路其 線的 電層 集質 極解 陽電 的傳 上質 以該 個於 一 應 少對 至係 括路 包線。 係電元 - 隹木單 層極池 路陽電 線個料 電每燃 包 11 第步圍一 範進 利係 專， 請層 申路 如線 JL 集 極 陽 亥 士5 中 其 法 方 造 製 之 述 所 項 路 線 制 控 一 括
第17頁 1261383 六、申請專利範圍 5 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中步驟（A ) 的製造該陰極集電線路層的步驟，係將該軟性電路基板 鑽孔，再將該基板在全板上電鍵厚度為10u至50u英寸的 化學銅後，再電鍍上厚度為200u至500u英寸的銅，再以 壓膜作業、曝光作業、顯影作業後，再電鍍厚度為3u至 1 0 u英寸的金。 6 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該陰極集 電線路層，係包括至少一個以上的陽極集電線路，其中 每個陽極集電線路係對應於該質傳電解質層的其中一個 燃料電池單元。 7 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該陰極集 電線路層，係進一步包括一控制線路。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中步驟（B ) 的製造該質傳電解質層的步驟，係利用膠合手段將一質 子交換膜、一高分子觸媒層以及一碳紙/碳布接合而形成 該質傳電解質層。 9 .如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該質子交 換膜的材料，係可以選用杜邦Nafion (DoPont Nafion) 材料。 1 0 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中步驟 (C )，係利用黏著介質以印刷或膠片疊合手段，依照該陽 極集電線路層、該質傳電解質層、該陰極集電線路層的 各層順序疊合一起，疊合後再利用熱壓機進行壓合，藉 此製造該燃料電池反應層。
第18頁 1261383 六、申請專利範圍 1 1 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中步驟 (D )，係至少利用其中之一的熱壓機、雷射成型機、c N C 成型機的設備，在該可撓式基板上成型出深度為預定深 度且至少一個以上的流道槽。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項所述之製造方法，其中該預定 深度，係介於1 m m至1 0 m m之間。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項所述之製造方法，其中該可撓 式基板，係一可撓式且非金屬材料的基板。 1 4 .如申請專利範圍第1 1項所述之製造方法，其中該可撓 式基板，係一作為印刷電路板所使用的軟性電路基板。 1 5 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中步驟 (E )，係藉由壓合或黏合的製程，利用黏著介質以印刷或 膠片疊合手段，將該燃料電池反應層可與該流道層疊合 一起，疊合後再利用熱壓機進行壓合或高溫固化，藉此 製作出該可撓式軟板積層整合燃料電池。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項所述之製造方法，其中在壓合 或固化的操作環境的該熱壓機，係可以設定在溫度介於 8 0 °C至2 0 0 °C之間下進行壓合或固化。 1 7 .如申請專利範圍第1 5項所述之製造方法，其中該黏著 介質，係為一環氧樹脂（Epoxy)、一膠片（prepreg)的其 中一個。 1 8 .如申請專利範圍第1 5項所述之製造方法，其中該可撓 式軟板積層整合燃料電池，係為一可撓式軟板積層整合 直接曱醇燃料電池。
第19頁 1261383 六、申請專利範圍 1 9 .如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該軟性 電路基板’係為一軟性電路銅羯基板。 2 0 . —種可撓式軟板積層整合燃料電池，包括： 一燃料電池反應層，係包含： 一利用印刷電路板所使用的軟性電路基板所製 造的陽極集電線路層； 一利用印刷電路板所使用的軟性電路基板所製 造的陰極集電線路層； 一質傳電解質層，係利用壓合或黏合的製程將 其密接在該陽極集電線路層與該陰極集電線路層之間； 一利用可撓式基板所製造的流道層，係利用黏著介 質以印刷或膠片疊合手段，與該燃料電池反應層疊合一 丨_ 起，疊合後的該燃料電池反應層與該燃料電池反應層再 利用熱壓機進行壓合或高溫固化。 2 1 ·如申請專利範圍第2 0項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該流道層，係包括至少一個以上的流道 槽，且係利用其中之一的熱壓機、雷射成型機、CNC成型 -機的設備，在該可撓式基板上成型出深度為預定深度的 該流道槽。 2 2 ·如申請專利範圍第2 1項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該流道槽的預定深度，係介於1 m m至1 0 m m之 間。 2 3 .如申請專利範圍第2 0項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該軟性電路基板，係為一軟性電路銅箔基
第20頁 1261383 六、申請專利範圍 板。 2 4 .如申請專利範圍第2 0項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該可撓式基板，係一可撓式且非金屬材料 的基板。 2 5 .如申請專利範圍第2 0項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該可撓式基板，係一作為印刷電路板所使 用的軟性電路基板。 2 6 .如申請專利範圍第2 0項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該可撓式軟板積層整合燃料電池，係為一 可撓式軟板積層整合直接甲醇燃料電池。 2 7 .如申請專利範圍第2 0項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該陽極集電線路層，係包括至少一個以上 的陽極集電線路，其中每個陽極集電線路係對應於該質 傳電解質層的其中一個燃料電池單元。 2 8 .如申請專利範圍第2 7項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該陽極集電線路層，係進一步包括一控制 線路。 2 9 .如申請專利範圍第2 0項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該陰極集電線路層，係包括至少一個以上 的陰極集電線路，其中每個陰極集電線路係對應於該質 傳電解質層的其中一個燃料電池單元。 3 0 .如申請專利範圍第2 9項所述之可撓式軟板積層整合燃 料電池，其中該陰極集電線路層，係進一步包括一控制 線路。
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