TWI721740B - 用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法，其包含膜電極組、第一及第二氣體擴散層、黏著層以及至少二邊框。膜電極組包含薄膜及分別塗覆於其兩個相反表面上的第一及第二催化層。第一氣體擴散層設置於第一催化層上並與其一部分相互接觸，第二氣體擴散層設置於第二催化層上。黏著層設置於第一催化層的一部分上，且黏著層的一部分是滲入第一催化層內。本發明的用於燃料電池之膜電極組的密封結構可以利用現有的膜電極組而在節省成本的前提下達到優異的密封效果。

Description

用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法

本發明是有關一種密封結構及其製造方法，特別是有關於一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法。

請參閱圖1。圖1為現有技術之一般氫氣燃料電池(PEM FUEL CELL，質子交換膜燃料電池)的立體結構分解示意圖。一般而言，在現有技術之氫氣燃料電池結構的膜電極組1’(membrane electrode assembly，MEA)周邊會製作次邊框4’(Sub-gasket)，用以對膜電極組1’提供密封及固定的效果，再將此組件與電池組的邊框5’(Gasket，又稱墊圈)結合。舉例而言，如圖1所示，氫氣燃料電池包括外側的陽極板8’(anode end plate)及陰極板9’(cathode end plate)、朝向結構中心依序還包括電流收集板7’(current collector)、石墨板6’(graphite plate)、邊框5’(gaskets)、氣體擴散層2’、3’(gas diffusion layers)及次邊框4’(sub-gaskets)。由圖1中可知，次邊框4’是用以夾持、固定膜電極組1’。

在上述結構中，次邊框4’可以用以增強膜電極組1’的強度，避免氫氣燃料電池在組裝時發生膜電極組1’破損而漏氣的情形。再者，採用次邊框4’可以縮小所需使用的膜電極組1’中納菲薄膜(Nafion膜)的大小，進 而降低Nafion膜的使用量而降低成本。

然而，對於前述包括次邊框4’之氫氣燃料電池結構，為了配合次邊框4’之設計，膜電極組1’的Nafion膜上的觸媒層會有一側塗佈範圍會較另一側小，此是為了預留用以進行次邊框4’之貼合之空白處，藉此避免後續進行裁切時造成微短路。如此一來，對於已經製作的膜電極組1’，可能需要通過額外的加工程序去調整膜電極組上的觸媒層的塗佈範圍，方能適用於現有技術採用次邊框4’的固定方式。

除此之外，在將膜電極組1’與次邊框4’結合的程序中，由於Nafion膜為一種聚四氟乙烯全氟化主鏈的離聚物所製成，其化學結構含有四個氟原子而難以與一般塑膠材料或橡膠材料結合，對於黏著劑的選用是相對困難的。再者，在將膜電極組1’與次邊框4’結合的程序中，也容易發生貼合過程產生氣泡而使得氣密性不如預期的缺點。

據此，在現有技術中，仍有需要提供一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構及相關製造方法，以解決前述技術問題。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法。本發明的用於燃料電池之膜電極組的密封結構可以在不改變現有的膜電極組的結構之下，達到優異的密封性。

本發明之一實施例提供一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構，其包含一膜電極組、一第一氣體擴散層、一第二氣體擴散層、一黏著層以及至少二邊框。膜電極組包含一薄膜及分別塗覆於所述薄膜的兩 個相反表面上的一第一催化層及一第二催化層，第一氣體擴散層設置於所述膜電極組的所述第一催化層上並與所述第一催化層的一部分相互接觸，而第二氣體擴散層設置於所述膜電極組的所述第二催化層上並與所述第二催化層相互接觸。黏著層設置於所述膜電極組的所述第一催化層未與所述第一氣體擴散層相互接觸的另一部分上，且所述黏著層的一部分是滲入所述第一催化層內而形成一含浸層。各邊框具有一主體部以及至少一挾持部，其中，所述主體部的一側邊是與所述黏著層，所述含浸層，所述薄膜，所述第二催化層及所述第二氣體擴散層的側邊相互接觸，且所述挾持部的兩個相互垂直的側邊是分別與所述第一氣體擴散層及所述黏著層遠離所述第一催化層的一表面相互接觸。

在一個較佳的實施例中，所述黏著層為一環形結構。

在一個較佳的實施例中，所述膜電極組的所述薄膜的所述兩個表面上所塗覆的所述第一催化層及所述第二催化層的面積實質上相同。

在一個較佳的實施例中，所述黏著層是由三元乙丙橡膠(EPDM)、感壓膠、壓克力膠或是熱固膠製成。

在一個較佳的實施例中，所述黏著層及所述含浸層共同形成一複合層，且所述複合層與所述薄膜的交界發生化學反應。

本發明之另一實施例提供一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構之製造方法，其包含：提供一膜電極組，其包含一薄膜及分別塗覆於所述薄膜的兩個表面上的一第一催化層及一第二催化層；於所述膜電極組的所述第一催化層及所述第二催化層上分別設置一第一氣體擴散層及一第二氣體擴散層，其中，所述第一氣體擴散層是設置於所述膜電極組的 所述第一催化層上並與所述第一催化層的一部分相互接觸，所述第二氣體擴散層是設置於所述膜電極組的所述第二催化層上並與所述第二催化層相互接觸；將一黏著材料設置於所述膜電極組的所述第一催化層上未與所述第一氣體擴散層相互接觸的另一部分上；以至少二邊框夾持所述膜電極組、所述第一氣體擴散層、所述第二氣體擴散層及所述黏著材料；以及進行熱壓程序，使得所述黏著材料滲入所述第一催化層中而形成一含浸層，並於所述第一催化層上形成一黏著層。各邊框具有一主體部以及至少一挾持部，所述主體部的一側邊是與所述黏著層、所述第一催化層、所述薄膜、所述第二催化層及所述第二氣體擴散層的側邊相互接觸，且所述挾持部的兩個相互垂直的側邊是分別與所述第一氣體擴散層與所述黏著層相對於所述第一催化層的一表面相互接觸。

在一個較佳的實施例中，所述熱壓程序是在70℃至130℃的溫度及300至1000kgf的壓力下進行。

在一個較佳的實施例中，所述膜電極組的所述薄膜的所述兩個表面上所塗覆的所述第一催化層及所述第二催化層的面積實質上相同。

在一個較佳的實施例中，所述黏著層是由三元乙丙橡膠(EPDM)、感壓膠、壓克力膠或是熱固膠所製成。

在一個較佳的實施例中，所述黏著層及所述含浸層共同形成一複合層，且所述複合層與所述薄膜的交界發生化學反應。

本發明的主要技術手段在於，本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法，是通過「一黏著層，其設置 於所述膜電極組的所述第一催化層未與所述第一氣體擴散層相互接觸的另一部分上，且所述黏著層的一部分是滲入所述第一催化層內而形成一含浸層」之技術特徵，使得用於燃料電池之膜電極組的密封結構具備優異的密封效果並阻絕微短路的發生。

1、1’:膜電極組

11:薄膜

12:第一催化層

13:第二催化層

14:含浸層

2:第一氣體擴散層

2’、3’:氣體擴散層

3:第二氣體擴散層

4:黏著層

4’:次邊框

5、5’:邊框

51S、52S、52S’:側邊

6’:石墨板

7’:電流收集板

8’:陽極板

9’:陰極板

圖1為現有技術的一般氫氣燃料電池(PEM FUEL CELL)的立體結構分解示意圖；圖2為本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構的製造方法的其中一個狀態下的局部剖面示意圖；以及圖3為本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構的局部剖面示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所揭露有關「用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法」的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容瞭解本發明的優點與功效。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外，本發明的圖式僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸描繪，先予敘明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所揭示的內容並非用以限制本發明的技術範疇。

首先，請參閱圖2及圖3。圖2為本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構的製造方法的其中一個狀態下的局部剖面示意圖。圖3為本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構的局部剖面示意圖。

首先，值得說明的是，圖2所顯示的局部剖面示意圖為本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構在進行熱壓程序之前的狀態，而圖3所顯示的局部剖面示意圖則是本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構在進行熱壓程序之後的狀態。因此，針對本發明實施例所提供之用於燃料電池之膜電極組的密封結構的結構說明，請參閱圖3所示。

如圖3所示，用於燃料電池之膜電極組的密封結構是包含膜電極組1。膜電極組1包含薄膜11及分別塗覆於薄膜11的兩個相反表面上的第一催化層12及第二催化層13。在本發明的實施例中，膜電極組1可以是任何現有技術中適用於燃料電池的膜電極組。舉例而言，薄膜11可以是Nafion膜，而在Nafion膜的兩個表面上都已塗覆有催化層。

請配合圖1所示。圖1為現有技術的一般氫氣燃料電池(PEM FUEL CELL)的立體結構分解示意圖。圖1所示的氫氣燃料電池的立體結構中，膜電極組1’同樣是包含作為基材的薄膜以及塗覆於薄膜上的催化層(又稱觸媒層)。然而，由圖1中可知，塗覆於薄膜上的其中一催化層並非完整地塗覆於薄膜的整個表面上，而是留有空白的位置供次邊框4’(sub-gasket)進行黏合。在現有技術中，為了使得次邊框4’能夠發揮固定膜電極組的功效，常見的作法是將現有的膜電極組1’中薄膜表面進行留白。

然而，請參閱圖2所示。在本發明中，用於燃料電池之膜電極組的密封結構中的膜電極組1的薄膜11事實上在兩側都是塗覆有催化層(第一催化層12及第二催化層13)，且膜電極組1的薄膜11的兩個表面上所塗覆的第一催化層12及第二催化層13的面積實質上相同。換句話說，在本發明的實施例中，不需要事先為了提供後續次邊框的黏合而調整膜電極組的塗布面積之尺寸。

請參閱圖3所示。本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構包含膜電極組1、第一氣體擴散層2、第二氣體擴散層3、黏著層4及至少二邊框5。如圖2及3所示，膜電極組1包含薄膜11及分別塗覆於薄膜11的兩個相反表面上的第一催化層12及第二催化層13。如前所述，膜電極組1的薄膜11的兩個表面上所塗覆的第一催化層12及第二催化層13的面積實質上相同。

承上所述，第一氣體擴散層2設置於膜電極組1的第一催化層12上並與第一催化層12的一部分相互接觸；而第二氣體擴散層3設置於膜電極組1的第二催化層13上並與第二催化層相互接觸13。由圖2及圖3中可知，第一氣體擴散層2的寬度與第二氣體擴散層3的寬度不同。在本發明的實施例中，第一氣體擴散層2的寬度可以依據後續選用之邊框5(gaskets)的尺寸加以調整。

接著，請特別參閱圖3。黏著層4是設置於膜電極組1的第一催化層12未與第一氣體擴散層2相互接觸的另一部分上，且黏著層4的一部分是滲入第一催化層12內而形成含浸層14。事實上，黏著層4可以是環形結構，其在膜電極組1上圍繞著第一催化層12而形成，而由黏著層4的材料滲 入第一催化層12內而形成的含浸層14也可以同樣為環形結構。

請參閱圖2及圖3。在本發明的實施例中，黏著層4可以由黏著材料M所製成。黏著材料可以為三元乙丙橡膠(Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM)、感壓膠、壓克力膠或是熱固膠。舉例而言，可以先將黏著材料M塗覆於第一催化層12之裸露於第一氣體擴散層2的表面，並藉由熱壓程序而使得黏著材料M受到，例如邊框5的壓力及溫度影響而滲入第一催化層12的材料的空隙中，使得滲入第一催化層12內之黏著層4的部分與第一催化層12的一部分發生化學反應而形成含浸層14。有關黏著層4及含浸層14的形成，稍後將針對用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法的敘述中再進一步說明。

請同樣參閱圖2及圖3。密封結構還包括至少二邊框5。如圖中所示，各邊框5具有主體部51及至少一夾持部52。事實上，在本發明的實施例中，邊框5具有主體部51及兩個夾持部52。然而，為了使圖式簡潔，圖2及圖3中所示的一組(兩個)邊框5皆僅繪示出單一夾持部52。詳細而言，邊框5的主體部51的一側邊51S是與黏著層4，含浸層14，薄膜11，第二催化層13及第二氣體擴散層3的側邊相互接觸。邊框5的挾持部52的兩個相互垂直的側邊52S、52S’是分別與第一氣體擴散層2及黏著層4遠離第一催化層12的表面相互接觸。換句話說，如圖3所示，邊框5通過其主體部51及夾持部52的互相配合，可以通過黏著層4以及由第一催化層12的一部分與黏著層4的一部分所共同形成的含浸層14而穩固地提供膜電極組1支撐性。

接下來，本發明實施例還提供一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構之製造方法。請參閱圖2及圖3所示。本發明實施例所提供的製 造方法包含：提供膜電極組，其包含薄膜及分別塗覆於薄膜的兩個表面上的第一催化層及第二催化層；於膜電極組的第一催化層及第二催化層上分別設置第一氣體擴散層及第二氣體擴散層，其中，第一氣體擴散層是設置於膜電極組的第一催化層上並與第一催化層的一部分相互接觸，第二氣體擴散層是設置於膜電極組的第二催化層上並與第二催化層相互接觸；將黏著材料設置於膜電極組的第一催化層上未與第一氣體擴散層相互接觸的另一部分上；以至少二邊框夾持膜電極組、第一氣體擴散層、第二氣體擴散層及黏著層；以及進行熱壓程序，使得黏著材料滲入所述第一催化層中，並於第一催化層上形成黏著層。

在本發明實施例所提供的製造方法中，所描述的步驟並非必須是按照敘述的順序進行。事實上，前述製造方法是用以製造如前所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構。因此，有關密封結構中各個組件的細節，在此不再次進行敘述。

由本發明實施例所提供的製造方法可知，本發明是對設置於膜電極組1的第一催化層12上的黏著材料M進行熱壓，使得黏著材料M的一部分填於膜電極組1、第一氣體擴散層2及邊框5之間而形成黏著層，而黏著材料M的另一部分滲入第一催化層12未被第一氣體擴散層2覆蓋的表面之下而形成含浸層。具體而言，黏著材料M是與一部分的第一催化層12的材料發生化學反應，使得黏著材料M填充於第一催化層12的材料之間，且黏著材料M向下與膜電極組1的薄膜11接觸，使得薄膜11的表面發生化學反應，藉此增強由黏著層4與含浸層14所形成的支撐與黏著力。

在本發明的實施例中，熱壓程序是在70℃至130℃的溫度及 300至1000kgf的壓力下進行。在前述溫度及壓力的範圍內，所形成的黏著層4及含浸層14具有較佳的黏著強度。

[實施例的可行功效]

綜上所述，本發明的有益功效在於，本發明實施例所提供的用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法，是通過選用適當的黏著材料M，以及通過熱壓的方式使得黏著材料M在膜電極組1上形成黏著層4，同時一部分的黏著材料M滲入膜電極組1的第一催化層12內形成含浸層，使得所製成之密封結構具有優異的黏著強度。

詳細而言，本發明所提供之用於燃料電池之膜電極組的密封結構及其製造方法，並不需要去特別增加程序以修改現有的膜電極組內的催化層的塗覆位置。換句話說，不需要在膜電極組1內的薄膜11上預先留下後續放置次邊框的位置，而是利用設置在膜電極組1上的黏著材料M，配合熱壓的程序來直接將膜電極組1與邊框5結合。如此一來，不但可以省去對現有的膜電極組1進行處理的成本，由於同時省略使用次邊框，而是直接以邊框5配合黏著材料M而夾持並固定膜電極組1，可以有效達到阻絕微短路的技術功效。

雖然本發明之實施例係以上述較為詳細的方式揭示，所屬技術領域具有通常知識者可以了解本發明之各種修飾可以在不背離界定於所附之申請專利範圍中之本發明的範圍之下進行。因此，本發明之實例的進一步修飾將不會偏離本發明之技術。

1:膜電極組

11:薄膜

12:第一催化層

13:第二催化層

14:含浸層

4:黏著層

51S、52S、52S’:側邊

Claims (10)

1. 一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構，其包含：一膜電極組，其包含一薄膜及分別塗覆於所述薄膜的兩個相反表面上的一第一催化層及一第二催化層；一第一氣體擴散層，其設置於所述膜電極組的所述第一催化層上並與所述第一催化層的一部分相互接觸；一第二氣體擴散層，其設置於所述膜電極組的所述第二催化層上並與所述第二催化層相互接觸；一黏著層，其設置於所述膜電極組的所述第一催化層未與所述第一氣體擴散層相互接觸的另一部分上，且所述黏著層包含一黏著材料，所述黏著材料滲入所述第一催化層內而使所述第一催化層包含一含浸層，以及至少二邊框，各邊框具有一主體部以及至少一挾持部，其中，所述主體部的一側邊是與所述黏著層、所述含浸層、所述薄膜、所述第二催化層及所述第二氣體擴散層的側邊相互接觸，且所述挾持部的兩個相互垂直的側邊是分別與所述第一氣體擴散層及所述黏著層遠離所述第一催化層的一表面相互接觸。
2. 如請求項1所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構，其中，所述黏著層為一環形結構。
3. 如請求項1所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構，其中，所述膜電極組的所述薄膜的所述兩個表面上所塗覆的所述第一催化層及所述第二催化層的面積實質上相同。
4. 如請求項1所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構，其中，所述黏著層是由三元乙丙橡膠(EPDM)、感壓膠、壓克力膠或是熱固膠所製成。
5. 如請求項1所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構，其中，所述黏著層及所述含浸層共同形成一複合層，且所述複合層與所述薄膜的交界發生化學反應。
6. 一種用於燃料電池之膜電極組的密封結構之製造方法，其包含：提供一膜電極組，其包含一薄膜及分別塗覆於所述薄膜的兩個表面上的一第一催化層及一第二催化層；於所述膜電極組的所述第一催化層及所述第二催化層上分別設置一第一氣體擴散層及一第二氣體擴散層，其中，所述第一氣體擴散層是設置於所述膜電極組的所述第一催化層上並與所述第一催化層的一部分相互接觸，所述第二氣體擴散層是設置於所述膜電極組的所述第二催化層上並與所述第二催化層相互接觸；將一黏著材料設置於所述膜電極組的所述第一催化層上未與所述第一氣體擴散層相互接觸的另一部分上；以至少二邊框夾持所述膜電極組、所述第一氣體擴散層、所述第二氣體擴散層及所述黏著材料；以及進行熱壓程序，使得所述黏著材料滲入所述第一催化層中而使所述第一催化層中形成包含所述黏著材料之一含浸層，並於所述第一催化層上形成一黏著層；其中，各邊框具有一主體部以及至少一挾持部，所述主體部的一側 邊是與所述黏著層、所述含浸層、所述薄膜、所述第二催化層及所述第二氣體擴散層的側邊相互接觸，且所述挾持部的兩個相互垂直的側邊是分別與所述第一氣體擴散層與所述黏著層相對於所述第一催化層的一表面相互接觸。
7. 如請求項6所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構之製造方法，其中，所述熱壓程序是在70℃至130℃的溫度及300至1000kgf的壓力下進行。
8. 如請求項6所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構之製造方法，其中，所述膜電極組的所述薄膜的所述兩個表面上所塗覆的所述第一催化層及所述第二催化層的面積實質上相同。
9. 如請求項6所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構之製造方法，其中，所述黏著層是由三元乙丙橡膠(EPDM)、感壓膠、壓克力膠或是熱固膠製成。
10. 如請求項6所述的用於燃料電池之膜電極組的密封結構之製造方法，其中，所述黏著層及所述含浸層共同形成一複合層，且所述複合層與所述薄膜的交界發生化學反應。

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