用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法及其結構的製作方法

2023-12-05 13:45:26

專利名稱：用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法及其結構的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種用於燃料電池中的膜電極組層的組裝方法及其結構，特別是指用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法及其結構。
背景技術：
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池的種類相當多，而且分類的方式也各有所不同，若依電解質性質不同加以區分，有鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池等五種不同電解質的燃料電池。其中，質子交換膜燃料電池又包含所謂直接甲醇燃料電池，直接以甲醇為燃料，而不需先改質成氫氣，是目前研發能量較高的技術之一，其應用目標包含大型發電廠、汽車用發電機、攜帶式電源等。
然而，公知燃料電池的製造程序，由於未考慮到量產化的生產規模，採取手工的生產方式來製造燃料電池，因而使得燃料電池的製造程序尚無法進入自動化且大量生產的階段。此外，燃料電池中關鍵組件之一的膜電極組(Membrane Electrode Assembly)在生產過程中常有乾燥的現象發生，或者容易捲曲，以及在組裝過程中因為晃動移位所引起的組裝質量始終低劣等問題，此種問題可能導致所組裝成的燃料電池模塊會有液體外漏之虞。
再者，考慮到能夠提供給工業界所實行的製造程序至少必須具備下列兩特點一、製造程序自動化且能夠大量製造燃料電池；二、大幅度降低製造時所產生的人為因素的誤差。
是以，本發明的發明人基於燃料電池的公知製造技藝所顯見的缺點，以及工業界對於燃料電池的製造技術的期盼，因而亟思發明改良，乃發明出一種用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法及其結構，來解決上述公知缺點。

發明內容
本發明的主要目的，是提供一種用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法，可以有效提升燃料電池的組裝質量，而且能夠以自動化的方式來大量組裝製造燃料電池。
本發明的另一目的，是提供一種平板式膜電極組層結構，用以改善公知製造技術中膜電極組可能幹燥以及容易捲曲等問題。
本發明為達成上述目的，本發明提供一種用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法，包括下列步驟提供至少一個以上的膜電極組(Membrane ElectrodeAssembly)；提供一框板(Frame)，其中該框板系具有至少一個以上的第一開孔，且該第一開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積；提供一接合片(Bonding Sheet)，其中該接合片具有至少一個以上的第二開孔，且該第二開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積，且各個第二開孔分別對應於各個第一開口；將該些膜電極組分別置放在該框板的該些第一開孔，然後，將該接合片覆蓋於該些膜電極組；然後在該接合片上環繞於該些第二開孔的加壓區域施予壓合，使得依序堆棧的該接合片、該些膜電極組、該框板能夠接合成一片平板式膜電極組層，其中該些加壓區域對應於環繞該些膜電極組的外部周圍。
藉由實施本發明的組裝方法，可製造本發明的平板式膜電極組層結構，其中，該平板式膜電極組層結構包括一框板(Frame)，其中該框板具有至少一個以上的開孔。至少一個以上的膜電極組(Membrane Electrode Assembly)，對應於該開孔而設置於該框板上，其中該膜電極組的面積略大於該開孔的開口面積。以及一接合層，覆蓋於該些膜電極組且系壓合在環繞於該些膜電極組的外部周圍的該框板上。
為使熟悉該項技術的人士了解本發明的目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附的附圖，對本發明詳加說明如後。


圖1A顯示本發明平板式膜電極組層結構的第一具體實施例的立體分解圖。
圖1B顯示圖1A之平板式膜電極組層結構壓合後的剖面示意圖。
圖2顯示圖1A的平板式膜電極組層之組裝方法的流程圖。
圖3A顯示本發明平板式膜電極組層結構的第二具體實施例的立體分解圖。
圖3B顯示圖3A之平板式膜電極組層結構壓合後的剖面示意圖。
圖4顯示圖3A的平板式膜電極組層之組裝方法的流程圖。
其中1平板式膜電極組層結構30框板2組裝方法32膜電極組4組裝方法320貫通孔10框板 34第一接合片100第一開孔 340第二開孔12膜電極組 35第二接合片14接合片 350第三開孔140第二開孔 352加壓區域142加壓區域 36熱壓合機14a接合層38接合層16熱壓合機 40、42、44、46、48、49步驟20、22、24、26、28步驟3平板式膜電極組層結構具體實施方式
本發明的平板式膜電極組層結構1主要是將膜電極組12密接合在框板10上所製造而成，而且本發明主要是針對膜電極組12與框板10的組裝結構，至於關於構成燃料電池的其餘部份，例如燃料流道、燃料儲存槽等，並非本發明重點所在，故不予贅言描述。
圖1A顯示本發明平板式膜電極組層結構的第一具體實施例的立體分解圖。圖1B顯示圖1A的平板式膜電極組層結構壓合後的剖面示意圖。如圖1A與圖1B所示，本發明的平板式膜電極組層結構(1)包括框板(10)，其具有至少一個以上的第一開孔(100)，而且框板(10)可以用作為燃料電池中的陽極電極板或陰極電極板，或者僅是一印刷電路板基材，例如FR4基材、軟性電路板等，端視製造者所欲設計的燃料電池結構而定。
至少一個以上的膜電極組(12)，其對應於第一開孔(100)而設置於框板(10)上，其中膜電極組(12)的面積略大於第一開孔(100)的開口面積。而且，膜電極組(12)可以為一直接甲醇燃料電池所使用的膜電極組。
接合層(14a)，其覆蓋於該些膜電極組(12)且壓合在環繞於該些膜電極組(12)的外部周圍的框板(10)上，其中接合層(14a)在圖1A中的接合片(14)上環繞於該些第二開孔(140)的加壓區域(142)施予壓合後，因而形成在環繞於該些膜電極組(12)的外部周圍的框板(10)上。其中，該些加壓區域(142)對應於環繞該些膜電極組(12)的外部周圍。再者，適用於本發明的接合片(14)或接合層(14a)，可以利用印刷電路板製造程序中常使用的Prepreg樹脂膠片。
圖2顯示圖1A的平板式膜電極組層之組裝方法的流程圖。本發明的組裝方法(2)主要包括有步驟(20)、步驟(22)、步驟(24)、步驟(26)及步驟(28)，分別說明如下內文。步驟(20)提供至少一個以上的膜電極組(12)。步驟(22)提供框板(10)，其中框板(10)具有至少一個以上的第一開孔(100)，且第一開孔(100)的開口面積略小於膜電極組(12)的面積。步驟(24)提供接合片(14)，其中接合片(14)具有至少一個以上的第二開孔(140)，且第二開孔(140)的開口面積略小於膜電極組(12)的面積，且各個第二開孔(140)分別對應於各個第一開口(100)。步驟(26)將該些膜電極組(12)分別置放在框板(10)的該些第一開孔(100)，然後，將接合片(14)覆蓋於該些膜電極組(12)。
接著，步驟(28)在接合片(14)上環繞於該些第二開孔(140)的該些加壓區域(142)施予壓合，使得依序堆棧的接合片(14)、該些膜電極組(12)、框板(10)能夠接合成一片平板式膜電極組層(1)，其中該些加壓區域(142)對應於環繞該些膜電極組(12)的外部周圍。再者，該施予壓合的步驟可以使用熱壓合機(16)在接合片(14)上的該些加壓區域(142)施予熱壓合，且該些加壓區域(142)的寬度W系介於1mm至5mm之間，或是界面大於0mm至1mm之間。
上述定義於第二開孔(140)的加壓區域(142)，其位置採接近於第二開孔(140)的開口邊緣，但是並不會與下層的膜電極組(12)發生重迭，也就是說，施予在加壓區域(142)的壓合力量不會傳送在膜電極組(12)。
圖3A顯示本發明平板式膜電極組層結構的第二具體實施例的立體分解圖。圖3B顯示圖3A的平板式膜電極組層結構壓合後的剖面示意圖。如圖3A與圖3B所示，本發明的平板式膜電極組層結構(3)包括框板(30)，具有至少一個以上的第一開孔(300)，而且框板(30)可以用作為燃料電池中的陽極電極板或陰極電極板，或者僅是一印刷電路板基材，例如FR4基材、軟性電路板等，端視製造者所欲設計的燃料電池結構而定。
至少一個以上的膜電極組(32)，其對應於第一開孔(300)而設置於框板(30)上，其中膜電極組(32)的面積略小於第一開孔(300)的開口面積，且膜電極組(32)的邊緣區域具有至少一個以上的貫通孔(320)。而且，膜電極組(32)可以是一直接甲醇燃料電池所使用的膜電極組。
接合層(38)，其壓合在該些膜電極組(32)的邊緣區域，且接合層(38)是通過該邊緣區域的該些貫通孔(320)而壓合在框板(30)上。其中，接合層(38)在圖3A中的第二接合片(35)上環繞於該些第三開孔(350)的加壓區域(352)施予壓合後，第二接合片(35)的部分材質會滲入膜電極組(32)邊緣區域內的貫通孔(320)，且第一接合片(34)的部分材質亦會滲入貫通孔(320)，然後第一接合片(34)及第二接合片(35)便接合在一塊，因而形成接合層(38)。再者，適用於本發明的第一、二接合片(34)、(35)或接合層(38)，可以利用印刷電路板製造程序中常使用的Prepreg樹脂膠片、AB膠等具抗腐蝕及/或防酸材質。
圖4顯示圖3A的平板式膜電極組層之組裝方法的流程圖。本發明的組裝方法(4)主要包括有步驟(40)、步驟(42)、步驟(44)、步驟(46)、步驟(48)及步驟(49)，分別說明如下內文。步驟(40)提供至少一個以上的膜電極組(32)，其中膜電極組(32)的邊緣區域具有至少一個以上的貫通孔(320)。步驟(42)提供框板(30)，其中框板(30)具有至少一個以上的第一開孔(300)，且第一開孔(300)的開口面積略小於膜電極組(32)的面積。步驟(44)系提供一第一接合片(34)，其中第一接合片(34)具有至少一個以上的第二開孔(340)，且第二開孔(340)的開口面積略小於膜電極組(32)的面積，且各個第二開孔(340)分別對應於各個第一開孔(300)。步驟(46)提供一第二接合片(35)，其中第二接合片(35)具有至少一個以上的第三開孔(350)，且第三開孔(350)的開口面積略小於膜電極組(32)的面積，且各個第三開孔(350)分別對應於各個第一開孔(300)。
接著，步驟(48)依序將第一接合片(34)、該些膜電極組(32)、第二接合片(35)迭放在框板(30)上，其中各個膜電極組(32)分別對應於框板(30)的各個第一開孔(300)。然後，步驟(49)在第二接合片(35)上環繞於該些第三開孔(350)的該些加壓區域(352)施予壓合，使得依序堆棧的框板(30)、第一接合片(34)、該些膜電極組(32)、第二接合片(35)能夠接合成一片平板式膜電極組層，其中該些加壓區域(352)對應於該些膜電極組(32)的該些邊緣區域。
上述的該施予壓合的步驟可使用熱壓合機(36)在第二接合片(35)上的該些加壓區域(352)施予熱壓合。由於第一、二接合片(34)、(35)使用一固態接合劑，故當溫度達一溶解溫度時，上、下兩片的固態接合劑即溶解，而滲入膜電極組(32)邊緣區域內的貫通孔(320)，當固態接合劑冷卻後，膜電極組(32)便緊密貼合於框板(30)上，最後形成本發明的平板式膜電極組層結構(3)。
本發明所提供用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法及其結構，乃能夠達到以下效果1.本發明的組裝方法及組裝結構，可以藉由熱壓機一次壓合成型，不再仰賴人工組裝的方式，因而可以達到自動化與大量生產的目的，同時顯著提升燃料電池的組裝質量。再者，亦克服公知技術中膜電極組容易乾燥及捲曲等問題。
2.本發明的組裝結構，可以利用印刷電路板製造程序中常使用的Prepreg樹脂膠片做為接合片或接合層，由於此種膠片具有輕薄的特性，因而使得具有本發明組裝結構的燃料電池同樣有輕薄的特點，此將有利於運用在可攜式電子產品中。
雖然本發明已以具體實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，其所作的更動與潤飾皆屬於本發明的範疇，本發明的保護範圍當視後附的權利要求所界定的範圍為準。
權利要求
1.一種用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法，包括下列步驟提供至少一個以上的膜電極組；提供一框板，其中該框板具有至少一個以上的第一開孔，且該第一開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積；提供一接合片，其中該接合片具有至少一個以上的第二開孔，且該第二開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積，且各個第二開孔分別對應於各個第一開孔；將該些膜電極組分別置放在該框板的該些第一開孔，然後，將該接合片覆蓋於該些膜電極組；然後在該接合片上環繞於該些第二開孔的加壓區域施予壓合，使得依序堆棧的該接合片、該些膜電極組、該框板能夠接合成一片平板式膜電極組層，其中該些加壓區域系對應於環繞該些膜電極組的外部周圍。
2.如權利要求1所述的組裝方法，其特徵在於該施予壓合的步驟，是使用熱壓合機在該接合片上的該些加壓區域施予熱壓合，且該些加壓區域的寬度介於1mm至5mm之間。
3.如權利要求1所述的組裝方法，其特徵在於該施予壓合的步驟，是使用熱壓合機在該接合片上的該些加壓區域施予熱壓合，且該些加壓區域的寬度介於大於0mm至1mm之間。
4.如權利要求1所述的組裝方法，其特徵在於該膜電極組，為直接甲醇燃料電池的膜電極組。
5.如權利要求1所述的組裝方法，其特徵在於該框板是一陽極電極板。
6.如權利要求1所述的組裝方法，其特徵在於該框板是一陰極電極板。
7.如權利要求1所述的組裝方法，其特徵在於該接合片是一Prepreg樹脂膠片。
8.一種平板式膜電極組層結構，包括一框板，其中該框板具有至少一個以上的第一開孔；至少一個以上的膜電極組，其對應於該第一開孔而設置於該框板上，其中該膜電極組的面積略大於該第一開孔的開口面積；一接合層，其覆蓋於該些膜電極組且壓合在環繞於該些膜電極組的外部周圍的該框板上。
9.如權利要求8所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該膜電極組，為直接甲醇燃料電池的膜電極組。
10.如權利要求8所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該框板為一陽極電極板。
11.如權利要求8所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該框板為一陰極電極板。
12.如權利要求8所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該接合層是一Prepreg樹脂膠片。
13.一種用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法，包括下列步驟提供至少一個以上的膜電極組，其中該膜電極組的邊緣區域具有至少一個以上的貫通孔；提供一框板，其中該框板具有至少一個以上的第一開孔，且該第一開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積；提供一第一接合片，其中該第一接合片具有至少一個以上的第二開孔，且該第二開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積，且各個第二開孔分別對應於各個第一開孔；提供一第二接合片，其中該第二接合片具有至少一個以上的第三開孔，且該第三開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積，且各個第三開孔分別對應於各個第一開孔；依序將該第一接合片、該些膜電極組、該第二接合片迭放在該框板上，其中各個膜電極組分別對應於該框板的各個第一開孔；然後在該第二接合片上環繞於該些第三開孔的加壓區域施予壓合，使得依序堆棧的該框板、該第一接合片、該些膜電極組、該第二接合片能夠接合成一片平板式膜電極組層，其中該些加壓區域對應於該些膜電極組的邊緣區域。
14.如權利要求13所述的組裝方法，其特徵在於其中該膜電極組，為直接甲醇燃料電池的膜電極組。
15.如權利要求13所述的組裝方法，其特徵在於該框板為一陽極電極板。
16.如權利要求13所述的組裝方法，其特徵在於該框板是一陰極電極板。
17.如權利要求13所述的組裝方法，其特徵在於該第一接合片是一Prepreg樹脂膠片。
18.如權利要求13所述的組裝方法，其特徵在於該第二接合片是一Prepreg樹脂膠片。
19.一種平板式膜電極組層結構，包括一框板(Frame)，其中該框板具有至少一個以上的第一開孔；至少一個以上的膜電極組，其對應於該第一開孔而設置於該框板上，其中該膜電極組的面積略大於該第一開孔的開口面積，且該膜電極組的邊緣區域具有至少一個以上的貫通孔；一接合層，其壓合在該些膜電極組的邊緣區域，且該接合層是通過該邊緣區域的該些貫通孔而壓合在該框板上。
20.如權利要求19所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該膜電極組，為直接甲醇燃料電池的膜電極組。
21.如權利要求19所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該框板是一陽極電極板。
22.如權利要求19所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該框板是一陰極電極板。
23.如權利要求19所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該接合層為一抗腐蝕及/或防酸材質。
24.如權利要求23所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該抗腐蝕及/或防酸材質是一Prepreg樹脂膠片。
25.如權利要求19所述的平板式膜電極組層結構，其特徵在於該抗腐蝕及/或防酸材質為一AB膠。
全文摘要
本發明揭露一種用於組裝平板式膜電極組層的組裝方法及其結構。其中，該組裝方法包括下列步驟提供至少一個以上的膜電極組；提供一框板，其中該框板具有至少一個以上的第一開孔，且該第一開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積；提供一接合片，其中該接合片系具有至少一個以上的第二開孔，且該第二開孔的開口面積略小於該膜電極組的面積，且各個第二開孔分別對應於各個第一開口；將該些膜電極組分別置放在該框板的該些第一開孔，然後，將該接合片覆蓋於該些膜電極組；然後在該接合片上環繞於該些第二開孔的加壓區域施予壓合，使得依序堆棧的該接合片、該些膜電極組、該框板能夠接合成一片平板式膜電極組層，其中該些加壓區域對應於環繞該些膜電極組的外部周圍。
文檔編號H01M8/02GK101071862SQ200610078800
公開日2007年11月14日 申請日期2006年5月12日 優先權日2006年5月12日
發明者許錫銘, 張倉銘, 潘俊禕, 張家豪 申請人:勝光科技股份有限公司