专利名称：平面型燃料电池组的制作方法
技术领域：
本发明关于一种平面型燃料电池组(Fuel cell assembly)，尤指一种易于组装与大量生产的平面型燃料电池组。
背景技术：
近年来燃料电池技术的发展备受瞩目，无论是学理上的基础研究或者是商品化的应用开发均有长足的进步。燃料电池(Fuel cell)是一种利用化学能直接转换为电能的发电装置，与传统发电方式比较，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及高能量转换效率等优点，是极具前瞻性的干净能源，可应用的范围包括便携式电子产品、家用或厂用发电系统、运输工具、军用设备、太空工业以及大型发电系统等各领域。
目前发展中的燃料电池依电解质的不同，可将其区分为碱液型燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固态氧化物型燃料电池(SOFC)及质子交换膜型燃料电池(PEMFC)等。然而，燃料电池的运作原理依种类的不同会有些许差异，以属于质子交换膜型燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，甲醇水溶液在燃料电池的阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)及二氧化碳(CO2)，其中氢离子(H+)可以经由质子交换膜传递至阴极，电子(e-)可经由外部电路传输至负载作功之后再传递至阴极，而供给至阴极的氧气(O2)会与氢离子(H+)及电子(e-)于阴极触媒层进行还原反应并产生水。
每个燃料电池单元(Fuel cell unit)所能提供的电压较小(约为0.4V左右)，所以在应用时通常会串联多个燃料电池单元，以形成一个燃料电池组(Fuelcell assembly)，达到电子产品所需的操作电压。目前燃料电池单元串联成燃料电池组的方式主要可区分为堆栈型(stacked)与平面型(panel)两种。堆栈型燃料电池组10的主要结构如图1所示，其包括至少二个由阳极触媒电极111、质子传导膜112及阴极触媒电极113所组合而成的膜电极组11(Membrane-Electrolyte Assembly，MEA)，以及作为个别电极组串联的双极板12(bipolar plate)和两电极板13，14。其中，双极板12的功能除用作燃料电池单元串联连接外，亦可设计流道121做为燃料或氧气的供应通道。
然而，由于目前的堆栈型燃料电池组10需将多个燃料电池单元堆栈，其不仅结构复杂、不易组装与大量生产，而且组装后的燃料电池组重量重、厚度无法进一步薄化，因此不利于便携式电子产品的应用。
另外，图2为目前的平面型燃料电池组的结构示意图。目前的平面型燃料电池组20包括一金属框架21、多个膜电极组22及二个电极板23，24，其中每个膜电极组22同样由阳极触媒电极、质子传导薄膜和阴极触媒电极所组合而成(未图标)。于传统的平面型燃料电池组20中，金属框架21具有多个通口211，每一通口211内设置一对应的膜电极组22。金属框架21的一侧边另设置两电流集结板(current collector)212，以做为燃料电池组20的电流输出端。二个电极板23，24内侧亦可设计流道231，以做为燃料或氧气的供应通道。
然而，目前的平面型燃料电池组20不仅需要利用重量较重的金属框架21来固定膜电极组22，而且需将膜电极组22对位至金属框架21的通口211内，因此传统的燃料电池组20其不仅结构复杂、组装不易且无法大量生产，而且亦有重量重及无法进一步薄化的问题，因此不利于便携式电子产品的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的平面型燃料电池组，以利于大量生产。
本发明的另一目的在于提供一种结构稳固且可快速组装的平面型燃料电池组，以利于大量生产。
为达到上述目的，本发明的一较广义实施样态为提供一种平面型燃料电池组，其利用流体燃料产生电能，其包括多个燃料电池单元，其中每一该燃料电池单元具有一网状金属导板与一膜电极组，该网状金属导板具有一第一网状区域与一第二网状区域，该膜电极组设置于该第二网状区域上；以及一第一流道板，其具有一流体燃料入口与一流道，该流体燃料入口与该流道相通，以导入该流体燃料。其中，任一燃料电池单元通过该膜电极组与一相邻接的燃料电池单元的该网状金属导板的该第一网状区域接触，使该多个燃料电池单元串联连接并设置于该第一流道板的该流道上，使该多个串联的燃料电池单元的该膜电极组与外部空气接触反应而产生该电能。
根据本发明的构想，其中该网状金属导板由金属片冲压制成或由编织的金属网制成。
根据本发明的构想，其中该第一流道板由塑料材质一体成型制成。
根据本发明的构想，其中该膜电极组由阳极触媒电极、质子传导薄膜和阴极触媒电极所组合而成。
根据本发明的构想，其中该流体燃料为气体或液体。
根据本发明的构想，其中每一该燃料电池单元的该第一网状区域与该第二网状区域位于不同水平面上且形成一阶差。
根据本发明的构想，其中每一该燃料电池单元的该膜电极组设置于该网状金属导板的该第二网状区域上，使该膜电极组的一第一表面与该第二网状区域的一第一表面接触。
根据本发明的构想，其中每一该燃料电池单元的该膜电极组与该第一网状区域的接触边缘部份以黏胶密封。
根据本发明的构想，其中任一该燃料电池单元通过该膜电极组的一第二表面与一相邻接的燃料电池单元的该第一网状区域的一第二表面接触，且使燃料电池单元的第一表面与另一燃料电池单元的第一表面实质上位于同一水平面，使该多个燃料电池单元得以串联方式连接。
根据本发明的构想，其中该第一流道板的一侧形成一凹部，该凹部内设置多个凸轨以定义该流道。
根据本发明的构想，其中该第一流道板的侧边以及该多个凸轨上形成支撑槽，该支撑槽用于支撑该多个串联的燃料电池单元。
根据本发明的构想，其中该多个燃料电池单元通过黏胶密封于该第一流道板的该支撑槽上。
根据本发明的构想，其中该平面型燃料电池组还包括一装饰板，其与该第一流道板相接合。
根据本发明的构想，其中该装饰板与该第一流道板以超音波熔接方式接合。
根据本发明的构想，其中该装饰板与该第一流道板以卡榫、螺丝或弹片等卡合结构接合。
根据本发明的构想，其中该装饰板由塑料制成。
根据本发明的构想，其中该第一流道板内设置熔合线，以用于密封该多个燃料电池单元的边缘。
根据本发明的构想，其中该平面型燃料电池组还包括一第二流道板，该第二流道板的结构与该第一流道板的结构实质上相同。
根据本发明的构想，其中该平面型燃料电池组还包括一鼓风机，其设置该第二流道板的一入口处，以配合该第二流道板的出口提供气流压力。
根据本发明的构想，其中该平面型燃料电池组还包括两电流集结板，其分别与该多个串联的燃料电池单元的两端燃料电池单元相连接，做为该电能的输出端。
本发明的平面型燃料电池组重量轻、结构简单且便于组装，且能够大量生产。
图1为目前的堆栈型燃料电池组的结构示意图。
图2为目前的平面型燃料电池组的结构示意图。
图3(A)为显示本发明一较佳实施例的燃料电池单元的结构分解图。
图3(B)为显示图3(A)所示燃料电池单元的组合结构示意图。
图4(A)为显示将三个相同的燃料电池单元串联连接的结构分解图。
图4(B)为显示将三个相同的燃料电池单元串联连接的组合示意图。
图5(A)为显示本发明一较佳实施例的燃料电池组的结构分解图。
图5(B)为显示图5(A)所示的燃料电池组的组合结构示意图。
图6(A)为显示本发明另一较佳实施例的燃料电池组的结构分解图。
图6(B)为显示图6(A)所示的燃料电池组的组合结构示意图。
图6(C)为显示图6(A)于AA截面的结构剖面图。
图7(A)为显示本发明另一较佳实施例的燃料电池组的结构分解图。
图7(B)为显示图7(A)所示的燃料电池组的组合结构示意图。
其中，附图标记说明如下10-堆栈型燃料电池组；11-膜电极组；12-双极板；13-电极板；14-电极板；111-阳极触媒电极；112-质子传导膜；113-阴极触媒电极；121-流道；20-平面型燃料电池组；21-金属框架；22-膜电极组；23-电极板24-电极板；211-通口；212-电流集结板；231-流道；3-燃料电池组；31-燃料电池单元；32-第一流道板；33-装饰板；34-第二流道板；35-鼓风机；311-网状金属导板；312-膜电极组；3111-第一网状区域；3112-第二网状区域；321-凹部；322-凸轨；323-流道；324-流体燃料入口；325-支撑槽；326-熔合线；31111-第一网状区域的第一表面；31112-第一网状区域的第二表面；31121-第二网状区域的第一表面；3121-膜电极组的第一表面；3122-膜电极组的第二表面；A-第一燃料电池单元串联群；B-第二燃料电池单元串联群；C-电流集结板。
具体实施例方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图标在本质上当作说明的用，而非用以限制本发明。
根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池单元31(Fuel cell unit)描述于图3(A)与图3(B)，其中图3(A)显示该燃料电池单元的结构分解图，而图3(B)则显示该燃料电池单元的组合示意图。图3(A)与图3(B)所示的燃料电池单元31可串联其它相同的燃料电池单元31以构成平面型燃料电池组，提供各种电子产品所需的操作电压。于一些实施例中，该燃料电池单元31由一网状金属导板311与一膜电极组312构成，其中该网状金属导板311可由一金属片冲压制成网状或者直接通过编织的金属网制成。当然，网状金属导板311亦可由廉价金属镀上低阻抗的贵金属制成，举例而言，以廉价金属例如铁、铜表面镀上低阻抗的贵金属例如金、银所制成。膜电极组312可由阳极触媒电极、质子传导薄膜和阴极触媒电极所组合而成(未图标)，但不以此为限。金属导板311包括多个网状区域，其中第一网状区域3111与第二网状区域3112位于不同水平面上且形成一阶差d。膜电极组312设置于第二网状区域3112上，使膜电极组312的第一表面3121与第二网状区域3112的第一表面31121接触。膜电极组312与第一网状区域3111的接触边缘部份可利用点胶机点胶密封(未图标)，组合后的燃料电池单元31如图3(B)所示。当然，膜电极组312的第二表面3122可为阳极触媒电极层或阴极触媒电极层。
燃料电池单元31可通过串联方式与另一个或多个相同的燃料电池单元31连接。请参阅图4(A)与图4(B)，其分别显示将三个相同的燃料电池单元31串联连接的结构分解与组合图，其中每一个燃料电池单元31的结构与组合方式如图3(A)与图3(B)所示。燃料电池单元31可以通过膜电极组312的第二表面3122与另一燃料电池单元31的第一网状区域3111的第二表面31112接触，且使燃料电池单元31的第一表面31111与另一燃料电池单元31的第一表面31111实质上位于同一水平面，由此可以串联方式将三个相同的燃料电池单元31连接起来。当然，燃料电池单元31可串联的数量并不受限制，任何两个以上的燃料电池单元31皆可以利用上述方式串联延伸。举例而言，利用图4(B)所示结构两端的第一网状区域3111的第二表面31112与膜电极组312的第二表面3122可再与多个相同的燃料电池单元31串联，因此可视需要选择性地增加燃料电池单元31串联的数量，以提高燃料电池组3所能输出的工作电压。
根据本发明的一个较佳实施例的燃料电池组描述于图5(A)与(B)，其中图5(A)显示该燃料电池组的结构分解图，而图5(B)则显示该燃料电池组的组合示意图。该燃料电池组3由多个燃料电池单元31与一个第一流道板32构成，其中第一流道板32由一体成型的塑料制成，其可通过射出成型技术完成。第一流道板32的一侧形成一凹部321，该凹部321内设有多个凸轨322以定义流道323。流道323可提供流体燃料流动的通道，而流体燃料可为气体(如氢气)或液体(如甲醇)，但不以此为限。第一流道板32的一侧边还设置一流体燃料入口324，该流体燃料入口324与该通道323相通，可供一流体燃料导入。第一流道板32的侧边以及多个凸轨322上形成支撑槽325，该支撑槽325可支撑多个串联的燃料电池单元31。
燃料电池单元31可以各种排列方式串联连接，亦即任一燃料电池单元31可通过膜电极组312与一相邻接的燃料电池单元31的网状金属导板311的第一网状区域3111接触，由此使多个燃料电池单元31得以串联连接并设置于第一流道板32的流道上323。
当然，多个燃料电池单元31亦可依串联数目区分为第一燃料电池单元串联群A与第二燃料电池单元串联群B。于一些实施例中，第一燃料电池单元串联群A可由单一的燃料电池单元31构成(如图3(B)所示结构)；而第二燃料电池单元串联群B可由三个燃料电池单元31串联构成(如图4(B)所示结构)。于图5(A)与图5(B)所示的实施例中，燃料电池组3包括两组第一燃料电池单元串联群A、三组第二燃料电池单元串联群B与两组电流集结板C，其串联方式请配合参阅图3(B)与图4(B)所示结构与组件标号简述如下将第二燃料电池单元串联群B一端的膜电极组312的第二表面3122与第一燃料电池单元串联群A一端的第一网状区域3111的第二表面31112接触，并将第一燃料电池单元串联群A另一端的膜电极组312的第二表面3122与另一个第二燃料电池单元串联群B一端的第一网状区域3111的第二表面31112接触。重复上述方式，将三组第二燃料电池单元串联群B与两组第一燃料电池单元串联群A交错垂直连接，即可将多个燃料电池单元串联31。当然，连接的方向可配合第一流道板32的流道323布局排列。另外，多个串联的燃料电池单元于其最前端可设置一电流集结板C，且于其最末端的燃料电池单元31的膜电极组312的第二表面3122亦可与另一电流集结板C的网状区域相接触，由此最前端的电流集流板C以及最末端的电流集流板C便可做为燃料电池组3的电流输出端。
将多个燃料电池单元31依上述方式串联连接并置于第一流道板32的支撑槽325上后，再以点胶机将支撑槽325与燃料电池单元31结合处全部密封起来，如此可以密封流道板32的流道323，且可使外露的表面自然地与空气接触，以形成一组完整的燃料电池组3，其组合后的结构如图5(B)所示。
上述燃料电池组3的运作原理简述如下以属于质子交换膜型燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，当甲醇水溶液经由燃料电池组3的流体燃料入口324导入第一流道板32后，在燃料电池组3的各膜电极组的阳极触媒层上会进行氧化反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)及二氧化碳(CO2)，其中氢离子(H+)可以经由质子交换膜传递至阴极，电子(e-)可经由网状金属导板传递至外部电路，并于传输至负载作功之后再传递至阴极，而供给至阴极侧的空气或氧气(O2)会与氢离子(H+)及电子(e-)通过网状金属导板的网格而于膜电极组的阴极触媒层上进行还原反应并产生水。
根据本发明的另一个较佳实施例的燃料电池组描述于图6(A)～图6(C)，其中图6(A)显示该燃料电池组的结构分解图；图6(B)显示该燃料电池组的组合示意图；图6(C)显示图6(A)于AA截面的剖面图。于此实施例中，该燃料电池组3的结构与图5(A)～图5(B)所示相似，只是为避免点胶后的外观不佳，可以选择性地在另一侧增设一装饰板33，使其与第一流道板32相接合。装饰板33的设置位置不可以遮盖到燃料电池单元31的网状区域，如此才不会遮盖到膜电极组，因此不会影响到空气的接触。装饰板33与第一流道板32的接合方式以超音波熔接为较佳，但不以此为限，其它接合方式例如卡榫、螺丝、弹片等卡合结构亦可并入参考。另外，请参阅图6(C)，由于装饰板34由塑料制成，因此在流道323两侧的凸轨322上的支撑槽325边亦可设计熔合线326来同时密封燃料电池单元31的边缘，如此可进一步防止流体燃料从阳极侧渗漏至阴极侧，并可免于使用点胶机而达到快速组装与生产的目的。
根据本发明的另一个较佳实施例的燃料电池组描述于图7(A)～图7(B)，其中图7(A)显示该燃料电池组的结构分解图；图7(B)显示该燃料电池组的组合示意图。该燃料电池组3的结构与图6(A)～图6(B)相似，只是为避免燃料电池组3于户外使用时堆积灰尘与潮湿，造成空气接触不佳而影响到燃料电池组3的使用寿命，因此将图6(A)所示的装饰板33以一个第二流道板34取代。该第二流道板34的结构与第一流道板32的结构实质上相同。另外，为了增加空气亦或氧气于第二流道板34内的流动以提升反应，亦可于入口处341增设一鼓风机35(blower)，如此配合出口(未图标)的形状设计可增加气流压力，使阴极侧的反应更好。举例而言，将出口(未图标)的孔径设计为相对较小时，配合鼓风机35可增加内部氧气的压力，提升阴极侧的反应。此外，第二流道板34亦可保持燃料电池组3的外观，可便于印刷标志与防止灰尘沉积。
总结来说，本发明提供一种平面式燃料电池组，其由多个燃料电池单元31与一个第一流道板32所组合而成。由于燃料电池单元31的网状金属导板311与膜电极组312的特殊结构设计，可使多个燃料电池单元31易于串联连合，因此可利于大量组装生产。另外，本发明亦可通过装饰板33的设计配合超音波熔接技术简化组装程序，节省组装时间，以及增加密封程度，避免燃料从阳极侧渗漏至阴极侧。再者，本发明亦可增设一个第二流道板34，以避免灰尘沉积，阻碍空气的接触而影响到燃料电池组3的使用寿命。更甚者，本发明亦可增设一鼓风机35，配合第二流道板34的出口设计，以增加空气或氧气的压力，提升阴极侧的反应。本发明技术可以避免使用公知技术的双极板以及框架，因此结构简单且重量轻。另外，本发明的燃料电池单元31的网状金属导板311可提供足够的刚性支撑与固定膜电极组312，且利用支撑槽325的支撑可使燃料电池组3更形稳固，有利于快速且大量组装。
虽然本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱离于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种平面型燃料电池组，其利用流体燃料产生电能，其中包括多个燃料电池单元，其中每一该燃料电池单元具有一网状金属导板与一膜电极组，该网状金属导板具有一第一网状区域与一第二网状区域，该膜电极组设置于该第二网状区域上；以及一第一流道板，其具有一流体燃料入口与一流道，该流体燃料入口与该流道相通，以导入该流体燃料；其中，任一燃料电池单元通过该膜电极组与一相邻接的燃料电池单元的该网状金属导板的该第一网状区域接触，使该多个燃料电池单元串联连接并设置于该第一流道板的该流道上，使该多个串联的燃料电池单元的该膜电极组与外部空气接触反应而产生该电能。
2.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其特征是该网状金属导板由金属片冲压制成或由编织的金属网制成，而该第一流道板由塑料材质一体成型制成，另外，该膜电极组由阳极触媒电极、质子传导薄膜和阴极触媒电极所组合而成，而该流体燃料为气体或液体。
3.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其特征是每一该燃料电池单元的该第一网状区域与该第二网状区域位于不同水平面上且形成一阶差。
4.如权利要求3所述的平面型燃料电池组，其特征是每一该燃料电池单元的该膜电极组设置于该网状金属导板的该第二网状区域上，使该膜电极组的一第一表面与该第二网状区域的一第一表面接触，而每一该燃料电池单元的该膜电极组与该第一网状区域的接触边缘部份以黏胶密封。
5.如权利要求4所述的平面型燃料电池组，其特征是任一该燃料电池单元通过该膜电极组的一第二表面与一相邻接的燃料电池单元的该第一网状区域的一第二表面接触，且使燃料电池单元的第一表面与另一燃料电池单元的第一表面位于同一水平面，使该多个燃料电池单元以串联方式连接。
6.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其特征是该第一流道板的一侧形成一凹部，该凹部内设置多个凸轨以定义该流道。
7.如权利要求6所述的平面型燃料电池组，其特征是该第一流道板的侧边以及该多个凸轨上形成支撑槽，该支撑槽用于支撑该多个燃料电池单元，而该多个燃料电池单元通过黏胶密封于该第一流道板的该支撑槽上。
8.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其特征是还包括一装饰板，其与该第一流道板相接合。
9.如权利要求8所述的平面型燃料电池组，其特征是该装饰板与该第一流道板以超音波熔接方式接合或以卡榫、螺丝或弹片的卡合结构接合，另外该装饰板由塑料制成，而该第一流道板内设置熔合线，以用于密封该多个燃料电池单元的边缘。
10.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其特征是还包括一第二流道板，该第二流道板的结构与该第一流道板的结构相同。
11.如权利要求10所述的平面型燃料电池组，其特征是还包括一鼓风机，其设置该第二流道板的一入口处，以配合该第二流道板的出口提供气流压力。
12.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其特征是还包括两电流集结板，其分别与该多个串联的燃料电池单元的两端燃料电池单元相连接，提供该电能的输出。
全文摘要
本发明关于一种平面型燃料电池组，利用流体燃料产生电能，包括多个燃料电池单元，其中每一燃料电池单元具有一网状金属导板与一膜电极组，该网状金属导板具有一第一网状区域与一第二网状区域，该膜电极组设置于该第二网状区域上；以及一第一流道板，其具有一流体燃料入口与一流道，该流体燃料入口与该流道相通，以导入该流体燃料。其中，任一燃料电池单元通过该膜电极组与一相邻接的燃料电池单元的该网状金属导板的该第一网状区域接触，使该多个燃料电池单元串联连接并设置于该第一流道板的该流道上，该多个串联的燃料电池单元的膜电极组与外部空气接触反应而产生电能。本发明的平面型燃料电池组重量轻、结构简单、组装容易且可大量生产。
文档编号H01M8/02GK1728430SQ20041005498
公开日2006年2月1日 申请日期2004年7月26日 优先权日2004年7月26日
发明者刘希安, 胡胜彦, 游承谕 申请人:台达电子工业股份有限公司