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TWI398035B - 直接甲醇燃料電池結構及其製造方法 - Google Patents

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TWI398035B
TWI398035B TW098145462A TW98145462A TWI398035B TW I398035 B TWI398035 B TW I398035B TW 098145462 A TW098145462 A TW 098145462A TW 98145462 A TW98145462 A TW 98145462A TW I398035 B TWI398035 B TW I398035B
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TW
Taiwan
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fuel cell
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methanol fuel
direct methanol
cell structure
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TW098145462A
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English (en)
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TW201123600A (en
Inventor
Jiun Ming Chen
Jyun Yi Lai
Yu Chih Lin
Original Assignee
Nan Ya Printed Circuit Board
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Priority to US12/753,821 priority patent/US8304131B2/en
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Description

直接甲醇燃料電池結構及其製造方法
本發明係有關於一種直接甲醇燃料電池結構及其製造方法，特別係有關於一種直接甲醇燃料電池結構的七層膜電極組(MEA7)及其製造方法。
由於3C電子產品發展日益月新，功能的提升使得對電力的需求也愈來愈大。對於電池要求除了需要輕、薄外，還需要更高的安全與方便性。電池的大小輕重直接影響到電子產品使用時間的長短，以及體積、重量的大小，因此燃料電池逐漸扮演3C電子產品中之重要角色。
使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,以下簡稱DMFC)其液態燃料能量高達5000Whr/L，其以甲醇取代氫氣為燃料，在陽極發生化學反應產生的質子和電子，分別透過質子交換薄膜和外部電路到達陰極。質子交換薄膜因長期和甲醇水溶液接觸，甲醇燃料會由陽極滲透至陰極，導致陰極觸媒毒化及性能下降。所以習知技術多半使用厚度較厚(例如5密爾(mil)及7密爾(mil))的質子交換膜，以減少此現象發生。
習知的DMFC堆疊結構(Stack)係由至少10片至20片以上的膜電極(membrane-electrode-assembly,以下簡稱MEA)以及相應的氣體擴散層(GDL)及流道板(Flow board)等元件堆疊組成，為減少DMFC堆疊結構在組裝製程發生錯位導致堆疊結構漏液，會希望先製作由MEA及氣體擴散層(GDL)組成的五層膜電極組(MEA5)以便於組裝。然而，厚度較厚的質子交換膜雖可減少觸媒毒化的問題，但本身材料易吸水膨潤(尺寸變化大)，導致五層膜電極組(MEA5)無法與流道板(Flow board)完整密封。且碳氟系列之質子交換膜本身具有化學安定的特性，一般常見的環氧樹脂、矽膠、壓克力膠等皆無法與其黏著。使得習知技術無法先將MEA、氣體擴散層(GDL)及流道板(Flow board)或封裝材固定製成模組而簡化製程。
在此技術領域中，有需要一種直接甲醇燃料電池結構及其製造方法，以改善上述缺點。
有鑑於此，本發明之一實施例係提供一種直接甲醇燃料電池結構，上述直接甲醇燃料電池結構包括一質子交換膜，其具有一第一表面和相對的一第二表面，該質子交換膜夾設於一對電極之間，其中該質子交換膜的兩末端和鄰近該些末端的部分該第一表面和該第二表面從該對電極暴露出來；一對氣體擴散層，分別設置於該對電極上；複數個第一封裝層，分別物理嵌合至暴露的該第一表面和該第二表面上，其中該些第一封裝層具有複數個孔洞；複數個黏著材料，分別固定於該些第一封裝層上，且穿過該些封裝層的該些孔洞與該質子交換膜的該第一表面和該第二表面接觸。
本發明之另一實施例係提供一種直接甲醇燃料電池結構的製造方法，上述直接甲醇燃料電池結構的製造方法包括提供一膜電極組，其包括一對電極及夾設於該對電極之間的一質子交換膜，其中該質子交換膜的兩末端和鄰近該些末端的第一表面和相對的一第二表面從該對電極暴露出來；進行一第一固定步驟，將一對氣體擴散層固定於該對電極上；進行一第二固定步驟，將複數個第一封裝層，分別物理嵌合至暴露的該第一表面和該第二表面上，其中該些第一封裝層具有複數個孔洞，其中該些第一封裝層更包括固定於其上的複數個黏著材料，其中該些黏著材料係穿過該些封裝層的該些孔洞與該質子交換膜的該第一表面和該第二表面接觸。
本發明之又另一實施例係提供一種直接甲醇燃料電池結構的製造方法，上述直接甲醇燃料電池結構的製造方法包括提供一膜電極組，其包括一對電極及夾設於該對電極之間的一質子交換膜，其中該質子交換膜的兩末端和鄰近該些末端的第一表面和相對的一第二表面從該對電極暴露出來；進行一第一固定步驟，將複數個第一封裝層，分別物理嵌合至暴露的該第一表面和該第二表面上，且將一對氣體擴散層固定於該對電極上，其中該些第一封裝層具有複數個孔洞，其中該些第一封裝層更包括固定於其上的複數個黏著材料，其中該些黏著材料係穿過該些封裝層的該些孔洞與該質子交換膜的該第一表面和該第二表面接觸。
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，另外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。
第1a-1d圖為本發明不同實施例之直接甲醇燃料電池結構之剖面示意圖。本發明不同實施例之直接甲醇燃料電池結構500a~500d。如第1a圖所示，本發明一實施例之直接甲醇燃料電池結構500a的主要元件可包括一質子交換膜200，其具有一第一表面202和相對的一第二表面204，質子交換膜200係夾設於一對電極206和208之間，其中質子交換膜200的兩末端222a和222b以及鄰近末端222a和222b的部分第一表面202和第二表面204從電極206和208暴露出來。一對氣體擴散層210和212，分別設置於電極206和208上。複數個第一封裝層(Border Material)214a~214d，藉由例如熱壓方式分別物理嵌合至質子交換膜200暴露的第一表面202和第二表面204上，其中第一封裝層214a~214d具有複數個孔洞250，且上述第一封裝層214a~214d物理嵌合至質子交換膜200係指質子交換膜200的部份擠入第一封裝層214a~214d之孔洞250中而彼此固定。直接甲醇燃料電池結構500a更包括複數個黏著材料218a~218d，分別固定於第一封裝層214a~214d上，且穿過第一封裝層214a~214d的孔洞250與質子交換膜200的第一表面202和第二表面204接觸。另外，直接甲醇燃料電池結構500a的第一封裝層214a~214d和黏著材料218a~218d未與氣體擴散層210和212接觸。
如第1b圖所示，本發明另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500b，其與直接甲醇燃料電池結構500a的不同處為部分第一封裝層214a~214d和部分黏著材料218a1 ~218d1 係夾設於氣體擴散層210和212之間，且黏著材料218a1 ~218d1 同時與第一封裝層214a~214d和氣體擴散層210和212黏合。
如第1c圖所示，本發明另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500c，其與直接甲醇燃料電池結構500a的不同處為直接甲醇燃料電池結構500c更包括複數個第二封裝層226a~226d，分別設置於黏著材料218a~218d上。如第1c圖所示，直接甲醇燃料電池結構500c的黏著材料218a~218d同時與第一封裝層214a~214d和第二封裝層226a~226d黏合。另外，直接甲醇燃料電池結構500c的第一封裝層214a~214d、黏著材料218a~218d和第二封裝層226a~226d未與氣體擴散層210和212接觸。
如第1d圖所示，本發明另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500d，其與直接甲醇燃料電池結構500c的不同處為直接甲醇燃料電池結構500d更包括複數個緩衝層230a~230d，分別設置於第二封裝層226a~226d上。如第1d圖所示，緩衝層230a~230d用以增加與外側流道板(Flow board)密封的效果。另外，直接甲醇燃料電池結構500d的黏著材料218a~218d、第二封裝層226a~226d和緩衝層230a~230d未與氣體擴散層210和212接觸。
在本發明實施例的直接甲醇燃料電池結構500a~500d，其中電極206和208可為陽極電化學催化觸媒和陰極電化學催化觸媒形成的陽極電極和陰極電極。質子交換膜200和電極206和208係形成三層膜電極組(MEA3)，其負責電化學反應及質子傳導。氣體擴散層210和212可供燃料及反應生成物擴散，及負責將電子傳導出去，其材質可為編織或不編織的碳布或碳紙。第一封裝層214a~214d的特徵為具有孔洞以增加表面粗糙度，以便與質子交換膜200嵌合固定，其材質可為玻璃纖維布、化學纖維布或粗化金屬片。黏著材料218a~218d或218a1 ~218d1 的材質可為熱熔性或熱固性的高分子薄膜或液態膠，例如環氧樹脂或線性低密度聚乙烯(LLPDE)等，其可具有填充第一封裝層214a~214d的孔洞250的功能，以避免燃料洩漏，或可協助黏著固定第二封裝層226a~226d。在本發明一些實施例中，第二封裝層226a~226d可具有鋼性以便使壓合的成品易於取放及減少應力所造成的形變，其材質可包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、FR5玻璃纖維高分子材料、熱塑性聚胺基甲酸酯(TPU)、聚乙烯(PE)、雙向拉伸聚丙烯(BOPP)或聚丙烯(PP)。第一封裝層214a~214d和第二封裝層226a~226d具有抗燃料腐蝕之特性。緩衝層230a~230d的材質可包括矽膠(silicon rubber)或聚全氟乙丙烯(FEP)等熱熔性塑膠。
第2~6圖為本發明實施例之直接甲醇燃料電池結構500a之製程剖面圖。請參考第2圖，首先，提供一組合完成的三層膜電極組260(3-layers membrane-electrode-assembly,MEA3)。在本發明實施例中，三層膜電極組260可包括一對電極206和208及夾設於電極206和208之間的一質子交換膜200，其中質子交換膜200的兩末端222a、222b和鄰近末端222a、222b的第一表面202和相對的一第二表面204從電極206和208暴露出來。在本發明一實施例中，可利用對位及熱壓合製程形成三層膜電極組260。
接著，請參考第3圖，可將三層膜電極組260和一對氣體擴散層置於壓合機台中，其中三層膜電極組260位於一對氣體擴散層210和212之間，以進行包括壓合或貼膜步驟的一第一固定步驟，將一對氣體擴散層210和212分別固定於電極206和208上，以形成五層膜電極組(5-layers membrane-electrode-assembly,MEA5)264。
第10圖顯示本發明一實施例之黏著材料和第一封裝層前處理的方式，因為黏著材料和第一封裝層本身的厚度較薄不易取放，所以可藉由壓合、貼合、塗佈、網印或噴塗等固定方式，先將複數個黏著材料218a~218d固定在具有孔洞250的複數個第一封裝層214a~214d上，以減少對位的困難度，其中黏著材料218a~218d會填入第一封裝層214a~214d的孔洞250中。之後，請參考第4圖，再將五層膜電極組264和固著有黏著材料218a~218d的複數個第一封裝層214a~214d置於壓合機台中，其中固著有黏著材料218a~218d的複數個第一封裝層214a~214d位於暴露的第一表面202和第二表面204上。
之後，請參考第5圖，進行例如包括壓合或貼膜步驟的一第二固定步驟，將複數個第一封裝層214a~214d分別嵌合至質子交換膜200的暴露的第一表面202和第二表面204上，其中黏著材料218a~218d係穿過第一封裝層214a~214d的孔洞250與質子交換膜200的暴露的第一表面202和第二表面204接觸。經過上述製程之後，形成本發明一實施例之直接甲醇燃料電池結構500a，又可稱為七層膜電極組(7-layers membrane-electrode-assembly,MEA7)500a。
接著，請參考第6圖，將直接甲醇燃料電池結構500a固定於兩層流道板(Flow board)270之間，以形成一直接甲醇燃料電池堆疊結構。
本發明一實施例之直接甲醇燃料電池結構500a，其增加具有孔洞250的第一封裝層(Border Material)214a~214d，利用表面粗糙之物理原理與質子交換膜200嵌合固定，使兩者之間的接合強度大為增加，且形成的七層膜電極組(MEA7)500a有助於後續製程中與流道板的堆疊或是將許多膜電極組堆疊等堆疊製程的簡化。另一方面，由於質子交換膜200上已嵌合第一封裝層214a~214d，可使得質子交換膜200不易變形，因而可減少習知技術中因為質子交換膜膨潤收縮造成的電池漏液問題。
或者，在本發明另一實施例中，也可利用一道固定步驟，將固著有黏著材料的複數個第一封裝層214a~214d分別嵌合至質子交換膜200的暴露的第一表面202和第二表面204上，並同時將一對氣體擴散層210和212固定於三層膜電極組260的電極206和208上，以形成如第1b圖所示之本發明另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500b，又可稱為七層膜電極組(MEA7)500b。如第1b圖所示，直接甲醇燃料電池結構500b的部分第一封裝層214a~214d和黏著材料218a1 ~218d1 夾設於氣體擴散層210和212之間，其中黏著材料218a1 ~218d1 在固定步驟期間與氣體擴散層210和212黏合。所以，在直接甲醇燃料電池結構500b中，三層膜電極組260的質子交換膜200藉由黏著材料218a~218d與氣體擴散層210和212黏合。相較於直接甲醇燃料電池結構500a，本發明另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500b可以僅使用一道固定步驟即可形成七層膜電極組(MEA7)。
第7~9圖為本發明又另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500c之製程剖面圖，上述圖式中的各元件如有與第2~6圖所示相同或相似的部分，則可參考前面的相關敍述，在此不做重複說明。
請參考第7圖，形成五層膜電極組(MEA5)264之後，將五層膜電極組264利用如第5圖所示之製程形成的固著有黏著材料218a~218d的複數個第一封裝層214a~214d和複數個第二封裝層226a~226d置於壓合機台中，其中固著有黏著材料218a~218d的第一封裝層214a~214d位於暴露的第一表面202和第二表面204上方。另外，第二封裝層226a~226d分別位於第一封裝層214a~214d上方。
之後，請參考第8圖，進行例如包括壓合或貼膜步驟的一第二固定步驟，將複數個第一封裝層214a~214d分別嵌合至質子交換膜200的暴露的第一表面202和第二表面204上，且將第二封裝層226a~226d分別固定於黏著材料218a~218d上。如第7圖所示，黏著材料218a~218d係穿過第一封裝層214a~214d的孔洞250與質子交換膜200的暴露的第一表面202和第二表面204接觸。經過上述製程之後，形成如第1c圖所示之本發明又另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500c，又可稱為七層膜電極組(MEA7)500c，其於第一封裝層214a~214d上更設置具有鋼性或可撓性的第二封裝層226a~226d，可使製成的七層膜電極組(MEA7)易於取放及減少應力所造成的形變，或是使其與流道板緊密貼合避免燃料洩漏。
接著，請參考第9圖，將直接甲醇燃料電池結構500c固定於兩層流道板(Flow board)270之間，以形成另一直接甲醇燃料電池堆疊結構。
或者，在本發明又另一實施例中，也可在進行第二固定步驟時，更將複數個緩衝層230a~230d分別設置於第二封裝層226a~226d上。經過上述製程之後，形成如第1d圖所示之本發明又另一實施例之直接甲醇燃料電池結構500d，又可稱為七層膜電極組(MEA7)500d。直接甲醇燃料電池結構500d的緩衝層230a~230d可以大為增加與外側流道板的密封度。
本發明實施例係提供直接甲醇燃料電池結構及其製造方法，其中鄰接質子交換膜的第一封裝層具有孔洞，利用其表面粗糙度以便於與質子交換膜緊密的嵌合，使兩者之接合強度大為增加，因而可以用常用的固定製程製作出七層膜電極組(MEA7)，可使甲醇燃料電池的製程大為簡化，且避免因為組裝對位不準所造成可靠度的下降。在一些實施例中，可再於第一封裝層上設置具有鋼性的第二封裝層，可使製成的七層膜電極組(MEA7)易於取放及減少應力所造成的形變，或是使其與流道板緊密貼合避免燃料洩漏。或是再於第二封裝層上設置緩衝層，以增加與流道板的密封度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
200．．．質子交換膜
202．．．第一表面
204．．．第二表面
206、208．．．電極
210、212．．．氣體擴散層
214、214a~214d．．．第一封裝層
218、218a~218d、218a1 ~218d1 ．．．黏著材料
222a、222b．．．末端
226a226d．．．第二封裝層
230a230d．．．緩衝層
250．．．孔洞
260．．．三層膜電極組
264．．．五層膜電極組
270．．．流道板
500a~500d．．．直接甲醇燃料電池結構
第1a~1d圖為本發明不同實施例之直接甲醇燃料電池結構之剖面示意圖。
第2~6圖為本發明一實施例之直接甲醇燃料電池結構之製程剖面圖。
第7~9圖為本發明又另一實施例之直接甲醇燃料電池結構之製程剖面圖。
第10圖顯示本發明一實施例之黏著材料和第一封裝層前處理的方式。
200．．．質子交換膜
202．．．第一表面
204．．．第二表面
206、208．．．電極
210、212．．．氣體擴散層
214a~214d．．．第一封裝層
218a~218d．．．黏著材料
222a、222b．．．末端
250．．．孔洞
500a．．．直接甲醇燃料電池結構

Claims (19)

  1. 一種直接甲醇燃料電池結構，包括：一質子交換膜，其具有一第一表面和相對的一第二表面，該質子交換膜夾設於一對電極之間，其中該質子交換膜的兩末端和鄰近該些末端的部分該第一表面和該第二表面從該對電極暴露出來；一對氣體擴散層，分別設置於該對電極上；複數個第一封裝層，分別物理嵌合至暴露的該第一表面和該第二表面上，其中該些第一封裝層具有複數個孔洞；以及複數個黏著材料，分別固定於該些第一封裝層上，且穿過該些封裝層的該些孔洞與該質子交換膜的該第一表面和該第二表面接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池結構，其中該些第一封裝層包括玻璃纖維布、化學纖維布、粗化金屬片。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池結構，其中該質子交換膜藉由該些黏著材料與該對氣體擴散層黏合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池結構，其中該些黏著材料包括環氧樹脂或線性低密度聚乙烯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池結構，更包括複數個第二封裝層，分別設置於該些黏著材料上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之直接甲醇燃料電池結構，其中該些第二封裝層包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、FR5玻璃纖維高分子材料、熱塑性聚胺基甲酸酯(TPU)、聚乙烯(PE)、雙向拉伸聚丙烯(BOPP)或聚丙烯(PP)。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之直接甲醇燃料電池結構，更包括複數個緩衝層，分別設置於該些第二封裝層上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之直接甲醇燃料電池結構，其中該些緩衝層包括矽膠或聚全氟乙丙烯。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之直接甲醇燃料電池結構，其中該些黏著材料、該些第二封裝層和該些緩衝層未與該些氣體擴散層接觸。
  10. 一種直接甲醇燃料電池結構的製造方法，包括下列步驟：提供一膜電極組，其包括一對電極及夾設於該對電極之間的一質子交換膜，其中該質子交換膜的兩末端和鄰近該些末端的第一表面和相對的一第二表面從該對電極暴露出來；進行一第一固定步驟，將一對氣體擴散層固定於該對電極上；以及進行一第二固定步驟，將複數個第一封裝層，分別物理嵌合至暴露的該第一表面和該第二表面上，其中該些第一封裝層具有複數個孔洞，其中該些第一封裝層更包括固定於其上的複數個黏著材料，其中該些黏著材料係穿過該些封裝層的該些孔洞與該質子交換膜的該第一表面和該第二表面接觸。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中該第一固定步驟和該第二固定步驟包括壓合或貼膜步驟。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中該些黏著材料藉由壓合、貼合、塗佈、網印或噴塗方式固定於該些第一封裝層上。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中該第二固定步驟更包括將複數個第二封裝層分別固定於該些黏著材料上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中該第二固定步驟更包括將複數個緩衝層分別固定於第二封裝層上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中該些黏著材料、該些第二封裝層和該些緩衝層未與該些氣體擴散層接觸。
  16. 一種直接甲醇燃料電池結構的製造方法，包括下列步驟：提供一膜電極組，其包括一對電極及夾設於該對電極之間的一質子交換膜，其中該質子交換膜的兩末端和鄰近該些末端的第一表面和相對的一第二表面從該對電極暴露出來；以及進行一第一固定步驟，將複數個第一封裝層，分別物理嵌合至暴露的該第一表面和該第二表面上，且將一對氣體擴散層固定於該對電極上，其中該些第一封裝層具有複數個孔洞，其中該些第一封裝層更包括固定於其上的複數個黏著材料，其中該些黏著材料係穿過該些封裝層的該些孔洞與該質子交換膜的該第一表面和該第二表面接觸。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中該第一固定步驟包括壓合或貼膜步驟。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中部分該些第一封裝層和部分該些黏著材料介於該對氣體擴散層之間。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之直接甲醇燃料電池結構的製造方法，其中該質子交換膜藉由該些黏著材料與該對氣體擴散層黏合。
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