专利名称：燃料电池结构的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种燃料电池结构，特别是关于一种在对膜电极组板、阴 极流道板与阳极流道板进行组装时，能够使用超音波融接手段来将膜电极组 板固定在阴极流道板与阳极流道板之间。
背景技术：
燃料电池是一种高效能的能源转换装置，在其阳极供应燃料并在阴极供 应氧气剂，即可通过电化学反应将燃料的化学能转换成电能。其所使用的燃 料可为氢气或经重组后的天然气、甲醇、汽油等，而其氧气剂可为氧气或空 气。若以氢气为燃料则燃料电池的产物是水、电能与热能，故燃料电池可说 是一种低污染甚至零污染的发电装置。
传统燃料电池的结构是采用黏剂(Adhesives)，例如PP胶，来将膜电极 组(MEA)层黏着固定在阴极流道板与阳极流道板之间。通常此类型的燃料电 池是采用印刷电路板制程来制造燃料电池，由于使用印刷电路板制程必须购 买昂贵的设备，因此，燃料电池制造成本往往甚为高昂。
另一种传统燃料电池的结构是采用螺合手段，例如螺栓与螺帽的螺合， 来将膜电极组层螺紧固定在阴极流道板与阳极流道板之间。通常而言，实行 螺合手段而组装出来的燃料电池，其整体体积往往非常庞大，不容易随身携
4仆市。
本发明发明人有鉴于公知燃料电池于制作及使用上存有的缺失，乃亟思 改良而发明出一种燃料电池结构，来解决上述缺失。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种燃料电池结构，能够使用超音波融接手段， 来将膜电极组板固定在阴极流道板与阳极流道板。
为达上述的目的，本发明包括膜电极组板、阴极流道板与阳极流道板。 膜电极组板包括至少一个以上的膜电极组、 一片上框板、 一片下框板，该些 膜电极组是夹层设置在上框板与下框板之间，以及上框板与下框板的材质是 为可被超音波振动频率熔接手段而融熔的材质。阴极流道板是为板体结构且 接合于膜电极组板的上框板。阳极流道板是为板体结构且是接合于膜电极组 板的下框板。阴极流道板与阳极流道板体的材质是为可被超音波振动频率熔 接手段而融熔的材质。通过阴极流道板、膜电极组板、阳极流道板是自上而 下依序积层堆栈且利用超音波振动频率熔接手段，而将阴极流道板、膜电极 组板、阳极流道板熔接接合成单片结构。
图1显示本发明较佳实施例的燃料电池结构的结构示意图。
图2A显示图1的本发明燃料电池结构的立体分解图。
图2B显示图1的本发明燃料电池结构在另一视角的立体分解图。
图3显示本发明较佳实施例的膜电极组板的立体分解图。
图4显示本发明较佳实施例的阴极流道板的立体图。
图5显示图4的本发明阴极流道板设置有集电片的立体图。
图6显示本发明较佳实施例的阳极流道板的立体图。
图7显示图6的本发明阳极流道板设置有集电片的立体图。
图8显示本发明燃料电池结构被施以超音波融接手段的接合区域的示意 主要组件符号说明
1 燃料电池结构
10膜电极组板 101膜电极组 102上框板 103下框板 12阴极流道板 121板体 123槽体
124流出流道结构 126第二镂空区域 13阳极流道板 131板体
133流入流道结构 135流出流道结构 136流出孔
1011质子交换膜
1021 第一开口
1031 第二开口
122流入流道结构
125第一镂空区域
132分流部 134 槽体
14集电片
具体实施例方式
请参阅图l、图2A、图2B，本发明燃料电池结构1包括膜电极组板10、 阴极流道板12与阳极流道板13，在组装时，阴极流道板12、膜电极组板IO、 阳极流道板13是自上而下依序积层堆栈，且利用超音波振动频率熔接手段， 而将阴极流道板12、膜电极组板10、阳极流道板13熔接接合成单片结构。 以下分别将详述该些构件。
请参见图3，膜电极组板10包括至少一个以上的膜电极组101、 一片上 框板102、 一片下框板103，且该些膜电极组101是夹层设置在上框板102与 下框板103之间，以及上框板102与下框板103的材质是采用可被超音波振 动频率熔接手段而融熔的材质。
上框板102是设置至少一个以上的第一开口 1021，以及下框板103也是 设置至少一个以上的第二开口 1031，该些第一开口 1021与该些第二开口 1031 是分别相对立地对应。第一开口 1021与第二开口 1031的形状可以设置成四 边形，但并不限制于四边形。
膜电极组101可以直接采用公知膜电极组，例如直接甲醇燃料电池的膜 电极组，或是包含质子交换膜的膜电极组。本发明可直接采用关于公知膜电 极组制造技艺，在质子交换膜1011的上、下表面，分别形成阳极与阴极而获 得膜电极组101。同时，质子交换膜1011的面积大小可约略大于第一开口 1021 与第二开口 1031的面积。至于如何将上框板102、该些膜电极组101、下框 板103接合成一片单片结构的膜电极组板10的接合手段，乃可以实行黏剂黏 接手段，或是实行超音波熔接手段。
请参见图4，阴极流道板12是包括板体121、流入流道结构122、至少 一个以上的槽体123、流出流道结构124、第一镂空区域125与第二镂空区域 126。
板体121的材质是一种可被超音波融接手段而融熔的材质，此种材质可 以选择PS、 SPS、 PES、 ABS、 PC 、 PP、 PPSU、 PVO、 PSU等其中一种的材质。
上述的流入流道结构122、该些槽体123、流出流道结构124、第一镂空 区域125、第二镂空区域126等若仅是设置于板体121的上表面，则形成单面 阴极流道板12。另一方面，上述的流入流道结构122、该些槽体123、流出流 道结构124、第一镂空区域125、第二镂空区域126等是若同时设置于板体121
的上表面与下表面，则形成双面阴极流道板12。
流入流道结构122是连接于该些槽体123。流入流道结构122的入口区域 乃实行板体121的表面往下挖设成凹槽结构，同时，流入流道结构122与该 些槽体123所相接的区域，实行镂空结构，也就是将被相接区域所占用的板 体121表面挖空。
该些槽体123乃排列设置于板体121，且各个槽体123的设置位置是对应 配合各个膜电极组101的阴极的设置位置。实现该些槽体123的具体手段乃 将自板体121表面往下挖设成多条且平行的沟槽。
为了让该些槽体123进一步具备集电功能，每个槽体123的表面可以覆 盖一层导电层(图未显示)，例如涂覆一层含金的导电涂料。又或者，在每个 槽体123的表面设置一片集电片14，请参见图5。
外部的阴极燃料(例如空气)自流入流道结构122流进阴极流道板12的 内部，然后，阴极燃料被导流而流入至各个槽体123，最后，再流入至各个膜 电极组101的阴极。再者，各个膜电极组101的阴极于电化学反应后所生成 的阴极生成物(例如水)，分别流入于各个槽体123，最后，阴极生成物以及 剩余的阴极燃料流向于流出流道结构124。
流出流道结构124是设置在板体121，且是连接于该些槽体123。流出流 道结构124可实行多条且平行的沟槽，且该些沟槽是与槽体123相连接。阴 极生成物以及剩余的阴极燃料乃流经流出流道结构124，而流出至阴极流道板 12的外部。
请参见图6，本发明阳极流道板13是包括板体131、分流部132、流入 流道结构133、至少一个以上的槽体134、流出流道结构135与流出孔136，
以下分别将详述该些构件。
板体131的材质可比照上述阴极流道板12的材质，因此不重赘说明。
上述的分流部132、流入流道结构133、该些槽体134、流出流道结构135 与流出孔136等若仅是设置于板体131的上表面，则形成单面阳极流道板]3。 另一方面，上述的分流部132、流入流道结构133、该些槽体134、流出流道 结构135与流出孔136等若是同时设置于板体131的上表面与下表面，则形 成双面阳极流道板13。
分流部132设置在板体131的一个侧边。将板体131的一小部份面积予 以挖空成一个镂空区域，来形成一个分流部132。分流部132的镂空区域能够 容置流入的阳极燃料(例如甲醇水溶液)，当流入的阳极燃料填满分流部132 后，阳极燃料即向着流入流道结构133流进。
流入流道结构133是连接于分流部132与该些槽体134之间。实现流入 流道结构133的具体手段自板体131的表面往下挖设成多条沟槽，且该些多 条沟槽的同一方向的该些末端皆是与分流部132连接，同时，该些多条沟槽 的另一个方向的该些另一末端，则是与槽体134连接。流入流道结构133是 采用均流量的设计，如此使得来自分流部132的阳极燃料流经该些多条沟槽 后，最后，在每一个连接于槽体134的末端所流出的阳极燃料的流出量，皆 是呈均流量的流出量。
该些槽体134排列设置于板体131，且各个槽体134的设置位置，是对应 配合各个膜电极组101的阳极的设置位置。实现该些槽体134的具体手段将 自板体131表面往下挖设成多条且平行的沟槽。来自于流入流道结构133的 阳极燃料分别流入至各个槽体134，然后，再流入至各个膜电极组101的阳极。 再者，各个膜电极组101的阳极于电化学反应后所生成的阳极生成物，分别 流入于各个槽体134，最后，阳极生成物以及剩余的阳极燃料乃流向于流出流 道结构135。
为了让该些槽体134进一步具备集电功能，每个槽体134的表面可以覆
盖一层导电层(图未显示)，例如涂覆一层含金的导电涂料。又或者，在每个
槽体134的表面设置一片集电片14，请参见图7。
流出流道结构135是连接于该些槽体134与流出孔136之间。紧相连接 于槽体134的一部份流入流道结构133的设计是采用沟槽结构，而沟槽结构 具体手段自板体131的表面往下挖设成一条或一条以上的凹沟。紧相连接于 流出孔136的一部份流出流道结构135的设计是采用条孔结构，而条孔结构 具体手段自板体131的表面往下挖空成一条或一条以上的镂空条状区域。
一部份的流出流道结构135实行条孔结构的设计用意，是在于将出口流 道放大，来降低阳极流道板13的内部压力，如此的话，则可使阳极生成物(例 如C02)或是气泡顺利排出至流出孔136，不会滞留在流出流道结构135中。
流出孔136是设置在板体131的一个侧边，且是与流出流道结构135连 接。实现流出孔136的具体手段是将板体131的一小部份面积挖设成一个镂 空区域。流出孔136的设置位置可以选择与分流部132在板体131的同-一侧 边。来自于流出流道结构135的阳极生成物以及剩余的阳极燃料，可自流出 孔136而流出于阳极流道板13。
上述集电片14的材料乃是一种导电材料，且同时为一抗腐蚀及/或防酸 之抗化性材料，例如其可以选择不锈钢(SUS316)片、金箔、钛金属、石墨材 料、碳金属化合物材料、金属合金片及低阻抗的高分子导电片等其中一种。 集电片14所实行的具体结构是依随槽体123、 134的具体结构而定。
本发明所使用超音波融接手段可以直接使用公知超音波融接手段，例如 将超音波采以每秒振动1万次(10KHZ )到每秒振动2万次(20KHZ )的振动 频率，时间是从O. l秒到30秒之间，使得阴极流道板12能够熔接接合于膜 电极组板10的上框板102，并且阳极流道板13能够熔接接合于膜电极组板 10的下框板103，如此而、接合成单片结构的燃料电池。超音波分别是施加
到阴极流道板12与上框板102彼此相接合的区域，以及阳极流道板13与下 框板103彼此相接合的区域，这两处相接合的区域的所在位置可从斜线区域 的所在位置来得到了解，请参见图8。
本发明采用可被超音波融接手段而融熔的膜电极组板、阴极流道板与阳 极流道板材质，因此可利用超音波融接手段方式来将膜电极组板、阴极流道 板与阳极流道板材质作固定接合，本发明燃料电池结构实为一种新颖创新的 作法，此项特点显为本发明的优点。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例，不能用以限定本发明可实施的 范围，凡熟悉本业的人士所明显可作变化与修饰，皆应视为不悖离本发明之 实质内容。
权利要求
1.一种燃料电池结构，其特征在于包括一膜电极组板，包括至少一个以上的膜电极组、一片上框板、一片下框板，其中该些膜电极组是夹层设置在该上框板与该下框板之间，以及该上框板与该下框板的材质是为可被超音波振动频率熔接手段而融熔的材质；一阴极流道板，是一板体结构且接合于该膜电极组板的该上框板，其中该阴极流道板的板体的材质是为可被超音波振动频率熔接手段而融熔的材质；一阳极流道板，是一板体结构且是接合于该膜电极组板的该下框板，其中该阳极流道板的板体的材质是为可被超音波振动频率熔接手段而融熔的材质；其中该阴极流道板、该些膜电极组板、该阳极流道板是自上而下依序积层堆栈且利用超音波振动频率熔接手段，而将该阴极流道板、该些膜电极组板、该阳极流道板熔接接合成单片结构。
2. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该膜电极组板，包括该上框板，是具有至少一个以上的第一开孔；该下框板，是具有至少一个以上的第二开孔，且该些第二开口是分别 与该些第一开口对应；该些膜电极组，是分别夹层于在对应该些第一开孔与该些第二开口之间。
3. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该阴极流道板，包括一流道结构，是设置在该板体，其中该流道结构是具有至少一个以上 的槽体，该些槽体的设置位置是对应配合各个膜电极组的电极的设置位置， 以及该阴极流道板是以超音波振动频率熔接手段熔接接合于该膜电极组板的上框板。
4. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其其特征在于该阳极流道板，包括一流道结构，是设置在该板体，其中该流道结构是具有室小一个以上的槽体，该些槽体的设置位置是对应配合各个膜电极组的电极的设置位置， 以及该阳极流道板是以超音波振动频率熔接手段熔接接合于该膜电极组板的下框板。
5. 如权利要求3所述的燃料电池结构，其特征在于进一步包括一片以上的集电片，是分别设置于该阴极流道板的该些槽体。
6. 如权利要求4所述的燃料电池结构，其特征在于进一步包括一片以上的集电片，是分别设置于该阳极流道板的该些槽体。
7. 如权利要求3所述的燃料电池结构，其特征在于该阴极流道板的该些槽体的表面，是进一步分别覆盖一层导电层。
8. 如权利要求4所述的燃料电池结构，其特征在于该阳极流道板的该些槽体的表面，是进一步分别覆盖一层导电层。
9. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该上框板的材质，是为一 PS、 一SPS、 一PES、 一ABS、 一PC 、 一PP、 一PPSU、 一 PV0、 一 PSU的其中一种。
10. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该下框板的材质，是为一 PS、 一SPS、 一PES、 一ABS、 一PC 、 一PP、 一PPSU、 一 PV0、 一 PSU的 g中一一禾中。
11. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该阴极流道板的板体材质， 是为一 PS、 一 SPS、 一 PES、 一 ABS、 一 PC 、 一 PP、 一 PPSU、 一 PV()、 一PSU的其中一种。
12. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该阳极流道板的板体材质，是为一PS、 一SPS、 一PES、 一ABS、 一PC 、 一PP、 一PPSU、 -一PV()、 一 PSU的其中一种。
13. 如权利要求3所述的燃料电池结构，其特征在于该阴极流道板之槽体，是 由多条且平行的沟槽所形成。
14. 如权利要求4所述的燃料电池结构，其特征在于该阳极流道板之槽体，是 由多条且平行的沟槽所形成。
15. 如权利要求5所述的燃料电池结构，其特征在于该集电片是选择一不锈钢 (SUS316)片、 一金箔、 一钛金属、 一石墨材料、 一碳金属化合物材料、一 金属合金片及一低阻抗的高分子集电片等其中一种。
16. 如权利要求6所述的燃料电池结构，其特征在于该集电片是选择一不锈钢 (SUS316)片、 一金箔、 一钛金属、 一石墨材料、 一碳金属化合物材料、-一 金属合金片及一低阻抗的高分子集电片等其中一种。
17. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该阴极流道板，是一单面 阴极流道板。
18. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该阴极流道板，是一双面 阴极流道板。
19. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于阳极流道板，是一单面阳 极流道板。
20. 如权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于该阳极流道板，是一双面 阳极流道板。
全文摘要
本发明揭露一种燃料电池结构，包括膜电极组板、阴极流道板与阳极流道板。膜电极组板包括至少一个以上的膜电极组、一片上框板、一片下框板，该些膜电极组是夹层设置在上框板与下框板之间，以及上框板与下框板的材质为可被超音波振动频率熔接手段而融熔的材质。阴极流道板为板体结构且接合于膜电极组板的上框板。阳极流道板为板体结构且是接合于膜电极组板的下框板。阴极流道板与阳极流道板体的材质为可被超音波振动频率熔接手段而融熔的材质。通过阴极流道板、膜电极组板、阳极流道板是自上而下依序积层堆栈且利用超音波振动频率熔接手段，而将阴极流道板、膜电极组板、阳极流道板熔接接合成单片结构。
文档编号H01M8/10GK101170195SQ20061015079
公开日2008年4月30日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者张仓铭, 许锡铭, 黄纬莉 申请人:英属盖曼群岛商胜光科技股份有限公司