改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的方法
2023-09-19 13:25:40 2
專利名稱：改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的方法
技術領域：
本發明是關於一種平板式燃料電池，尤指一種改善平板式燃料電池的雙極電極板與質子交換膜件接觸的方法。
背景技術：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)是一種利用液態的稀釋甲醇水溶液或純甲醇作為燃料，透過電化學程序將化學能轉換成電力的發電裝置。與傳統的發電方式相較，直接甲醇燃料電池具有低汙染、低噪音、高能量密度以及較高的能量轉換效率等優點，乃具有前瞻性的乾淨能源，可應用的領域包括家用發電系統、電子產品、運輸工具、軍用設備、太空工業等。
直接甲醇燃料電池的運作原理乃以甲醇水溶液在陽極觸媒層進行氧化反應，產生氫離子(H+)、電子(e-)以及二氧化碳(CO2)，其中氫離子經由電解質傳遞至陰極，而電子經由外部電路傳遞至負載作功後再傳遞至陰極，此時供給陰極端的氧氣會與氫離子及電子在陰極觸媒層進行還原反應，並產生水。
燃料電池一般皆由數個基本單元所組成。由於每個基本單元所能提供的電壓較小，因此在應用時必須串聯多的基本單元，以達到所需要的操作電壓輸出。
發明內容
本發明的主要目的在提供一種改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的方法，以解決習知技藝的缺點。
為達上述目的，本發明提供一種改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的方法，包含有下列步驟，提供一第一雙極板、一質子交換膜件、一第二雙極板以及至少一接合片，其中質子交換膜件放置於第一雙極板上，接合片具有一用以容置質子交換膜件的開口處，而第二雙極板置於質子交換膜件上，其中第一雙極板具有一與質子交換膜接觸的第一質子交換面以及一接觸燃料的燃料面，第二雙極板具有一與質子交換膜接觸的第二質子交換面以及一接觸空氣的空氣面，其中燃料面上設有第一金屬層、第一質子交換面上設有第二金屬層、該第二質子交換面上設有第三金屬層以及該空氣面上設有第四金屬層，其中該第二金屬層的厚度大於該第一金屬層的厚度，該第三金屬層的厚度大於該第四金屬層的厚度，然後及將第一雙極板、質子交換膜件、第二雙極板以及該接合片壓合，成雙極板/質子交換膜組件。
本發明提供另一種改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的方法，包含有下列步驟，提供一雙極板以及一質子交換膜件，其中雙極板包含有至少一電極區域，質子交換膜件欲置於雙極板的電極區域上，於電極區域上提供多個導電凸起結構，以及將質子交換膜件與多個導電凸起結構接觸。
圖1顯示習知技藝的平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件示意圖；圖2顯示習知技藝的平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件壓合後示意圖；
圖3顯示本發明較佳實施例的平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件示意圖；圖4顯示本發明較佳實施例的平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件壓合後示意圖；圖5顯示本發明另一較佳實施例的平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件示意圖；圖6顯示本發明另一較佳實施例的平板式料電池的雙極板/質子交換膜組件壓合後示意圖。
符號說明300 雙極板/質子交換膜組件 320 第一個雙極板322 第一基板 324 第一金屬層326 第二金屬層330 接合片340 質子交換膜350 第二個雙極板352 第二基板 354 第三金屬層356 第四金屬層400 雙極板/質子交換膜組件420 第一雙極板422 第一基板424 第一金屬層426 第二金屬層430 接合片440 質子交換膜450 第二雙極板452 第二基板454 第三金屬層456 第四金屬層500 雙極板/質子交換膜組件 520 第一雙極板522 第一基板 524 電極區域526 下表面528 導電凸起結構530 接合片540 質子交換膜550 第二雙極板552 第二基板554 電極區域 556 上表面
558 導電凸起結構具體實施方式
請參考圖1以及圖2，圖1以及圖2分別顯示平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜壓合前、後的示意圖。如圖1所示，平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件300包含有第一個雙極板(Bipolar Plate)320、至少一接合片(Bonding sheet)330、一質子交換膜(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)340以及第二個雙極板(Bipolar Plate)350。其中，第一雙極板320包括一第一基板322，以及覆蓋於第一基板322的上表面的第一金屬層324以及下表面的第二金屬層326，而第二雙極板350包括一第二基板352以及覆蓋於第二基板的上表面的第三金屬層354以及下表面的第四金屬層356，其中上述的金屬層厚度均相等。前述的第一金屬層324、第二金屬層326、第三金屬層354與第四金屬層356可以是由金屬銅層所構成。
然後進行壓合製程，如圖2所示，其中第二金屬層326以及第三金屬層354與質子交換膜件340接觸，但由於金屬層應力的影響，使第二金屬層326以及第三金屬層354與質子交換膜件340之間產生間距且附著力差等現象，甚至於質子交換膜件340因受壓程度不同，造成厚度不一致、表面產生波紋以及因加熱或冷卻造成膨脹或收縮而與雙極板分離等情形產生。由於前述雙極板/質子交換膜組件300壓合後所產生的現象，造成製程成本提高、良率降低等現象。
因此本發明提供一種改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的製造方法，以解決前述的問題。
請參閱圖3與圖4，圖3與圖4顯示本發明較佳實施例的改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的製造方法。如圖3所示，平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件400包含有第一雙極板(BipolarPlate)420、至少一接合片(Bonding sheet)430、一質子交換膜(MembraneElectrode Assembly，MEA)440以及第二雙極板(Bipolar Plate)450。其中，第一雙極板420包括一第一基板422，其上表面設有第一金屬層424以及下表面設有第二金屬層426，而第二雙極板450包括一第二基板452，其上表面設有第三金屬層454以及下表面設有第四金屬層456。前述的第一金屬層424、第二金屬層426、第三金屬層454與第四金屬層456可以是由金屬銅層所構成。其中，第二金屬層426的厚度大於第一金屬層424的厚度，第三金屬層454的厚度大於第四金屬層456的厚度，另外第一基板422以及第二基板452可以為玻纖強化高分子材料(GlassFiber Reinforced Polymeric Material)所構成，如ANSI級的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3等等所構成，而質子交換膜件可採用如杜邦公司Nafion質子交換膜，或具有相同功能的其它固態質子交換膜，另外接合片可以為因雙電路板製程中所用的部分聚合階段(B-stage)的「PREPREG」樹脂膠片等材質。
然後進行壓合製程，如圖4所示，將第一雙極板420、質子交換膜件440、第二雙極板450以及接合片430壓合，構成雙極板/質子交換膜組件400。
請參閱圖5與圖6，圖5與圖6顯示本發明另一較佳實施例的改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的製造方法。如圖5所示，平板式燃料電池的雙極板/質子交換膜組件500包含有第一雙極板(Bipolar Plate)520、至少一接合片(Bonding sheet)530、一質子交換膜(Membrane Electrode Assembly，MEA)540以及第二雙極板(Bipolar Plate)550。第一雙極板520包含有第一基板522以及至少一電極區域524，接著於電極區域524的下表面526上提供多個導電凸起(bump)結構528，而第二雙極板550包含有第二基板552以及至少一電極區域554，隨後於電極區域554的上表面556上提供多個導電凸起結構558。其中，導電凸起結構528、558可以為錫、鉛、錫鉛或銅所構成，最外層則覆蓋以鍍金層，且導電凸起結構528、558的高度可大於0.1mm。而質子交換膜件540欲置於第一雙極板520的電極區域524以及第二雙極板550的電極區域554之間。其中第一基板522以及第二基板552可以為玻纖強化高分子材料(Glass Fiber Reinforced PolymericMaterial)所構成，如ANSI級的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3等等所構成，另外質子交換膜件可採用如杜邦公司Nafion質子交換膜，或具有相同功能的其它固態質子交換膜，而接合片可以為因雙電路板製程中所用的部分聚合階段(B-stage)的「PREPREG」樹脂膠片等材質。
接著進行壓合製程，如圖6所示，將第一雙極板520、質子交換膜件540、第二雙極板550以及接合片530壓合，構成雙極板/質子交換膜組件500。
綜上所述，本發明改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的方法相較於習知技藝至少包括以下的優點平板式燃料電池的雙極板採用不同厚度的上下金屬層或是於面對質子交換膜件單元的電極區域表面採用導電凸起結構，不但可降低因為質子交換膜件單元本身厚度不均勻，而且壓合後厚度會減少，因而使得雙極板與質子交換膜件單元二者間無法完全接觸的缺點，還可特別對質子交換膜件單元施以適當的壓力，以提高發電量。
權利要求
1.一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，包含有提供一第一雙極板、一質子交換膜件、一第二雙極板以及至少一接合片，其中該質子交換膜件放置於第一雙極板上，該接合片具有一用以容置該質子交換膜件的開口處，而該第二雙極板置於該質子交換膜件上，其中該第一雙極板具有一與該質子交換膜接觸的第一質子交換面以及一接觸燃料的燃料面，該第二雙極板具有一與該質子交換膜接觸的第二質子交換面以及一接觸空氣的空氣面，其中該燃料面上設有第一金屬層、該第一質子交換面上設有第二金屬層、該第二質子交換面上設有第三金屬層以及該空氣面上設有第四金屬層，其中該第二金屬層的厚度大於該第一金屬層的厚度，該第三金屬層的厚度大於該第四金屬層的厚度；將該第一雙極板、該質子交換膜件、該第二雙極板以及該接合片壓合，構成雙極板/質子交換膜組件。
2.根據權利要求1所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該平板式燃料電池是為一直接甲醇燃料電池。
3.根據權利要求1所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該質子交換膜件是為固態質子交換膜。
4.根據權利要求1所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該接合片為印刷電路板製程中所用的部分聚合階段的「PREPREG」樹脂膠片。
5.根據權利要求1所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該第一雙極板包含有一第一基板，其上形成該第一金屬層和該第二金屬層。
6.根據權利要求5所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該第一基板為玻纖強化高分子材料所構成。
7.根據權利要求5所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該第一基板為ANSI級的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3的玻纖強化高分子材料所構成。
8.根據權利要求1所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該第二雙極板包含有一第二基板，其上形成該第三金屬層和該第四金屬層。
9.根據權利要求8所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該第二基板為玻纖強化高分子材料所構成。
10.根據權利要求8所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該第二基板為ANSI級的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3的玻纖強化高分子材料所構成。
11.一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，包含有提供一雙極板以及一質子交換膜件，其中該雙極板包含有至少一電極區域，該質子交換膜件欲置於該雙極板的該電極區域上；於該電極區域上提供多個導電凸起結構；將該質子交換膜件與該多個導電凸起結構接觸。
12.根據權利要求11所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該多個導電凸起結構的高度不小於0.1mm。
13.根據權利要求11所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該導電凸起結構由包含錫、鉛、錫鉛材料所構成。
14.根據權利要求11所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該質子交換膜件是為固態質子交換膜。
15.根據權利要求11所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該雙極板包含有一基板，其上形成該電極區域。
16.根據權利要求15所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該基板為玻纖強化高分子材料所構成。
17.根據權利要求15所述的一種改善平板式燃料電池的雙電極板與質子交換膜件接觸的方法，其中該基板為ANSI級的FR-1、FR-2、FR-3、FR-4、FR-5、CEM-1或CEM-3的玻纖強化高分子材料所構成。
全文摘要
本發明是一種改善平板式燃料電池的雙極板與質子交換膜件接觸的方法，平板式直接甲醇燃料電池的雙極板/質子交換膜組件結構，包含一基板，覆蓋於該基板上下表面的金屬層以及一質子交換膜件。本發明利用雙極板的上下表面金屬層的厚度的變化以及提供導電凸起結構等方法，來解決雙極板與質子交換膜件壓合時產生接觸不良的情形。
文檔編號H01M4/88GK1750305SQ20041007477
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月14日 優先權日2004年9月14日
發明者劉永義, 尚希賢 申請人:南亞電路板股份有限公司