专利名称：燃料分配结构以及燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，且尤其涉及一种燃料电池的燃料分配结构。
背景技术：
随着工业的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高，由于天然能源的存量有限，因此，必须研发新的替代能源以取代传统能源，而燃料电池便是一种重要且具实用价值的选择。简单来说，燃料电池基本上是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由一薄膜电极组(membrane electrode assembly，简称MEA)及二电极板所构成。薄膜电极组是由一质子传导膜(proton exchange membrance)、一阳极触媒层、一阴极触媒层、一阳极气体扩散层(gas diffusion layer, GDL)以及一阴极气体扩散层所构成。其中，上述的阳极触媒层与阴极触媒层分别配置于质子传导膜的两侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极触媒层与阴极触媒层之上。另外，二电极板包括一阳极与一阴极，其分别配置于阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之上。目前业界常见的质子交换膜燃料电池是直接甲醇燃料电池(Direct MethanolFuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液当作燃料供给来源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接甲醇燃料电池的反应式如下阳极CH30H+H20 — C02+6H++6e"阴极3/202+6H++6e- — 3H20传统的直接甲醇燃料电池是将低浓度燃料通入阳极侧，并在阴极侧使用冷凝器回收水以提高燃料的使用效率，但此作法在可携式电子产品上的应用受到限制。因此，已有直接使用高浓度燃料的燃料电池被提出，如美国专利公开案US 2010/01M677、中国专利公开案CN 101632195、中国专利公开案CN101573821以及美国专利公开案US 2010/0190087。为了满足可携式电子产品的设计需求，燃料电池必须能够达到体积小、重量轻以及无操作方向限制等要求。目前，美国专利公开案US 2010/01M677、中国专利公开案CN 101632195、 中国专利公开案CN 101573821以及美国专利公开案US 2010/0190087也已针对无操作方向限制的设计作出讨论。承上述，利用泵浦(liquid pump)将微量的高浓度燃料直接供应燃料电池的阳极的关键技术在于如何将提供至燃料电池中的微量高浓度燃料均勻地分散。在美国专利公开案US 2010/0124677中，其所揭露的板状燃料分配结构(planarfuel distribution structure)具有尺寸十分微小的螺旋状流道，且板状燃料分配结构的二表面上都披覆有甲醇扩散膜(methanol diffusion films)。在中国专利公开案CN 101632195中，其所揭露的燃料分配机构具有多个流道，而各个流道分别具有一流道出口，且流道出口孔径小于流道尺寸。中国专利公开案CN 101632195主要是利用流道出口的毛细力避免燃料渗漏。在中国专利公开案CN 101573821以及美国专利公开案US 2010/0190087中，其所揭露的燃料分配机构具有多个流道，而各个流道其有多个分支流道，且各分支流道分别其有一流道出口， 且流道出口孔径大于分支流道尺寸。中国专利公开案CN 101573821以及美国专利公开案 US 2010/0190087主要是利用分支流道的毛细力避免燃料渗漏。现有技术采用尺寸十分微小(宽度约为10微米左右)的封闭型流道来达到均勻分散燃料的目的，但在前述的封闭型流道的制作过程中，封闭型流道的尺寸(宽度)的控制十分困难。
发明内容
本案提供一种燃料电池及其燃料分配结构，其无操作方向的限制。本案提供一种燃料分配结构，其包括一第一材料层、一第二材料层、一流道材料层以及一填充材料。第一材料层具有一燃料入口，第二材料层具有多个燃料出口，而流道材料层具有一图案化流道，其中图案化流道的分布范围涵盖燃料入口与燃料出口，而填充材料配置于图案化流道内。其中，该燃料入口的孔径介于0. 1毫米至10毫米之间。其中，该些燃料出口的孔径介于0. 5毫米至20毫米之间。其中，该些燃料出口以该燃料入口为对称中心对称地分布于该第二材料层中。其中，该流道材料层的厚度与该图案化流道的深度相同。其中，该流道材料层的厚度小于该图案化流道的深度。其中，该流道材料层的厚度介于0. 01毫米至2毫米之间。其中，该图案化流道的宽度介于0. 5毫米至20毫米之间。其中，该填充材料包括毛细材料。其中，对应于该些燃料出口的该图案化流道内填充有该填充材料。其中，对应于该些燃料出口的该图案化流道内未填充有该填充材料。本案另提供一种燃料电池，其包括一薄膜电极组、一阴极集电层、一阳极集电层以及前述的燃料分配结构。阴极集电层与阳极集电层分别配置于薄膜电极组二对侧，而燃料分配结构与阳极集电层位于薄膜电极组的同侧。该燃料分配结构包括一第一材料层，具有一燃料入口 ；一第二材料层，具有多个燃料出口；一流道材料层，配置于该第一材料层与该第二材料层之间，该流道材料层具有一图案化流道，其中该图案化流道的分布范围涵盖该燃料入口与该些燃料出口 ；以及一填充材料，配置于该图案化流道内。其中，该燃料入口的孔径介于0. 1毫米至10毫米之间。其中，该些燃料出口的孔径介于0. 5毫米至20毫米之间。其中，该些燃料出口是以该燃料入口为对称中心对称地分布于该第二材料层中。其中，该流道材料层的厚度与该图案化流道的深度相同。其中，该该流道材料层的厚度小于该图案化流道的深度。其中，该流道材料层的厚度介于0. 01毫米至2毫米之间。其中，该图案化流道的宽度介于0. 5毫米至20毫米之间。其中，该填充材料包括毛细材料。其中，对应于该些燃料出口的该图案化流道内填充有该填充材料。其中，对应于该些燃料出口的该图案化流道内未填充有该填充材料。
其中，更包括一燃料均勻层，配置于该阳极集电层与该燃料分配结构之间。其中，该燃料均勻层包括一阻气层，该阻气层配置于该阳极集电层与该第二材料层之间。其中，该燃料均勻层包括一第一孔板；以及一阻气层，配置于该第一孔板与该第二材料层之间。其中，更包括一透气层，配置于该燃料均勻层与该阳极集电层之间。其中，更包括一盖板；一阴极保湿层，配置于该盖板与阴极集电层之间，其中该盖板与该阴极保湿层之间具有一反应气体流道；以及一气体传送元件，提供一反应气体至该反应气体流道。其中，该阴极保湿层包括一第二孔板；以及一疏水透气层，配置于该第二孔板与该阴极集电层之间。其中，更包括一燃料供应单元，供应燃料至该燃料分配结构。本发明的燃料电池及其燃料分配结构，避免了现有技术封闭型流道的制作过程中封闭型流道的尺寸(宽度)的控制困难的缺陷。其无操作方向的限制。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本案一实施例的燃料电池的剖面示意图。图2为本案一实施例的燃料电池的分解示意图。图3A与图3E为不同燃料分配结构的剖面示意图。其中，附图标记100 燃料电池110:薄膜电极组120:阴极集电层130:阳极集电层140 燃料分配结构142:第一材料层142a:燃料入口144 第二材料层144a 燃料出口146 流道材料层146a:图案化流道148 填充材料150 燃料均勻层152 第一孔板152a 第一开孔154:阻气层160 透气层170 盖板
180 阴极保湿层
182 第二孔板
182a 第二开孔
184 疏水透气层
190 气体传送元件
A 反应气体流道
F 燃料供应单元
P:泵浦
T 燃料槽
L:管路
AD 粘着材料
D:深度
TH:厚度
W:宽度
具体实施例方式图1为本案一实施例的燃料电池的剖面示意图，而图2为本案一实施例的燃料电池的分解示意图。请同时参照图1与图2，本实施例的燃料电池100包括一薄膜电极组110、 一阴极集电层120、一阳极集电层130以及一燃料分配结构140。阴极集电层120与阳极集电层130分别配置于薄膜电极组110 二对侧，而燃料分配结构140与阳极集电层130位于薄膜电极组110的同侧。除了前述的薄膜电极组110、阴极集电层120、阳极集电层130以及燃料分配结构 140之外，本实施例的燃料电池100可选择性地包括一燃料均勻层150，此燃料均勻层150 配置于阳极集电层130与燃料分配结构140之间。举例而言，燃料均勻层150包括一第一孔板152以及一阻气层154，其中第一孔板152配置于阳极集电层130与阻气层巧4之间。 在本实施例中，第一孔板152具有多个第一开孔15 ，且阻气层巧4可为吸附燃料且阻气的材料层。在另一实施例中，燃料均勻层150也可仅包括一阻气层154，但不包括第一孔板 152。在本实施例中，燃料电池100可选择性地包括一透气层160，此透气层160配置于燃料均勻层150与阳极集电层130之间。从图1与图2可知，透气层160位于第一孔板152 与阳极集电层130之间。举例而言，透气层160可为一吸附燃料且透气的材料层。此外，阻气层154以及透气层160均具有亲燃料的特性，意即，阻气层154以及透气层160与燃料 (例如甲醇)的接触角小于90度。值得注意的是，前述的“亲燃料”不同于“亲水”，因为有些材料对甲醇的接触角小于90度，但是对水可能会的接触角大90度。此外，本实施例的燃料电池100可选择性地包括一盖板170、一阴极保湿层180以及一气体传送元件190，其中阴极保湿层180配置于盖板170与阴极集电层120之间，而阴极保湿层180与盖板170之间具有一反应气体流道A，且气体传送元件190用将反应气体传送至反应气体流道A，以使反应气体易于扩散至薄膜电极组110内。举例而言，阴极保湿层180包括一第二孔板182以及一疏水透气层184，其中第二孔板182具有多个第二开孔182a，且疏水透气层184配置于第二孔板182与阴极集电层120之间。在本实施例中，本实施例所使用的盖板170可以为任何型态的不透气板材，如金属、塑料、印刷电路板、内表面上具有亲水层的板材、内表面上不具有亲水层的板材或是其它型态的板材。此外，气体传送元件190例如为进气风扇或其它合适的气体传送元件。在本实施例中，燃料电池100可进一步包括一燃料供应单元F，以供应燃料至燃料分配结构140中。举例而言，燃料供应单元F包括一泵浦P、一燃料槽T以及连接于燃料槽 T与燃料分配结构140之间的管路L。承上述，本实施例中前述的燃料均勻层150、透气层160、盖板170、阴极保湿层 180、气体传送元件190以及燃料供应单元F可根据燃料电池100的实际设计需求而作适当的删减(简化)。为了使本案的燃料电池100能够被应用于可携式电子元件中，本实施例的燃料分配结构140必须满足无操作方向限制的需求。以下将针对燃料分配结构140的细部结构作出进一步的说明。在本实施例中，燃料分配结构140包括一第一材料层142、一第二材料层144、一流道材料层146以及一填充材料148。第一材料层142具有一燃料入口 142a，第二材料层144 具有多个燃料出口 144a，而流道材料层146具有一图案化流道146a，其中图案化流道146a 的分布范围涵盖燃料入口 14 与燃料出口 IMa。换言之，燃料入口 14 以及燃料出口 144a与图案化流道146a相连通。此外，填充材料148配置于图案化流道146a内。举例而言，燃料入口 14 的孔径介于0. 1毫米至10毫米之间，较佳约为1. 2毫米，燃料出口 14 的孔径介于0. 5毫米至20毫米之间，较佳约介于2毫米至10毫米之间。值得注意的是，第一材料层142、第二材料层144以及一流道材料层146共同定义出供燃料流动的燃料流道， 除了燃料入口 14 以及燃料出口 14 的所在位置以外，燃料流道内的其它位置的截面都为封闭的截面。此外，燃料出口 14 例如是以燃料入口 14 为对称中心对称地分布于第二材料层144中。然而，本实施例并不限定燃料出口 14 的分布，本领域技术人员可根据设计需求更动燃料出口 14 的分布。举例而言，燃料入口 14 可以不在第一材料层142的中心位置，且燃料出口 14 无须呈现对称分布，可通过流道路径的适当安排，让各个燃料出口 14 的燃料流量一致。具体而言，为了让各个燃料出口 14 的燃料流量一致，比较简单的作法是让燃料入口 14 到各个燃料出口 14 的路径长度相同。当然，在其它实施例中，也可以将燃料入口 14 到各个燃料出口 14 的路径长度设计为不同，但使各流道的尺寸不同(例如使流道宽度不同)，在此设计下，填充材料与流道所提供的毛细力量会让较窄小流道内的燃料传递速度较快，因此可以得到与较宽流道相同的流量。值得注意的是，填充材料148的填充位置可依据燃料电池100的实际设计需求而更动。举例而言，本领域技术人员可在图案化流道146a内的所有位置都填充有填充材料 148，如此，对应于燃料出口 14 的图案化流道146a内填充有填充材料148，且填充材料 148会被燃料出口 14 所暴露。当然，本领域技术人员也可在图案化流道146a内的部分位置填充填充材料148，意即，对应于燃料出口 14 的图案化流道146a内未填充有填充材料 148。在本实施例中，填充材料148例如为毛细材料或是其它适合的材质。举例而言，前述的填充材料148与燃料(例如甲醇)的接触角小于90度，意即，填充材料148具有亲燃料的特性。举例而言，前述的填充材料148可以是金属、塑料等。在本案中，由于图案化流道146a内填充有填充材料148，因此通过填充材料148能够使得流入图案化流道146a内的燃料轻易地分布均勻，进而使得燃料分配结构140能够充分地满足无操作方向限制的需求。在现有技术中，为了使燃料均勻地分布于管状封闭型流道中，管状封闭型流道通常需具备很小的尺寸或截面积(宽度为10微米左右或10微米以下)，然而，本案无须制作尺寸或截面积很小的图案化流道146a，而是将填充材料148填充于图案化流道146a中，通过填充材料148或图案化流道146a与填充材料148 二者所提供的毛细力来让燃料均勻地分布于图案化流道146a中。承上述，本案的图案化流道146a的宽度可以不限定在10微米左右或10微米以下。换言之，本案的图案化流道146a的宽度、 深度可以大到数十微米，在此情况下，燃料分配结构140内的燃料分布仍然会十分均勻。当图案化流道146a的尺寸够大时，加工过程所导致的尺寸误差便可以被忽略，也所以图案化流道146a在制作上变得较为容易。然而，本实施例并不限定图案化流道146a的尺寸(宽度、深度或截面积)必须比现有技术大，在工艺控制得宜的情况下，本案仍然可将填充材料 148填充于小尺寸的图案化流道146a中。图3A与图;3B为不同燃料分配结构的剖面示意图，且图3A与图;3B沿着图1中的 1-1’剖面线所得到的剖面示意图。请参照图3A，位于第一材料层142与第二材料层144之间的流道材料层146例如为一胶材，如乙阶胶材(B-stageadhesive)或是其它能够粘着于第一材料层142与第二材料层144之间的胶材。除了胶材之外，制作流道材料层146的材料也可以是不具粘性的材质，如环氧树脂(印oxy)、聚亚酰胺(polyimide)等，且这些不具粘性的流道材料层146可直接与第一材料层142以及第二材料层144接合，如图3A所示。 举例而言，本实施例可将第一材料层142以及第二材料层144直接压着于流道材料层146 的二表面，以使流道材料层146直接与第一材料层142以及第二材料层接合。在本实施例中，流道材料层146的厚度TH与图案化流道146a的深度D实质上相同，而流道材料层146的厚度TH与图案化流道146a的深度D例如是介于0. 01毫米至2毫米之间，较佳是介于0. 04毫米至0. 1毫米之间。此外，图案化流道146a的宽度W例如是介于0. 5毫米至20毫米之间，较佳是介于2毫米至10毫米之间。值得注意的是，流道材料层 146可通过裁切的方式直接于胶材(如乙阶胶材)、环氧树脂(epoxy)或聚乙酰胺中形成图案化流道146a，制作十分容易。当图案化流道146a的尺寸或截面积因加工误差或溢胶而产生变化时，因误差尺寸甚小于流道尺寸，故燃料仍然可以分配均勻。请参照图3B、图3C、图3D与图3E，当制作流道材料层146的材料为不具粘性的材质时，本实施例可以通过不同型态的粘着材料AD与第一材料层142以及第二材料层144接合。值得注意的是，流道材料层146的材质可与第一材料层142相同或与第二材料层144 相同。换言之，流道材料层146与第一材料层142为一体成形，或者流道材料层146与第二材料层144为一体成形。举例而言，由于图案化流道146a的深度介于0. 01毫米至2毫米之间，因此，本实施例可采用适当厚度(需大于图案化流道146a的深度)的不锈钢板，并于不锈钢板上形成具有适当深度的图案化流道146a，而形成图案化流道146a的方法例如为蚀刻或者是切削。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术大员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种燃料分配结构，其特征在于，包括 一第一材料层，具有一燃料入口 ； 一第二材料层，具有多个燃料出口 ；一流道材料层，配置于该第一材料层与该第二材料层之间，该流道材料层具有一图案化流道，其中该图案化流道的分布范围涵盖该燃料入口与该些燃料出口 ；以及一填充材料，配置于该图案化流道内。
2.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该燃料入口的孔径介于0.1毫米至10毫米之间。
3.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该些燃料出口的孔径介于0.5毫米至20毫米之间。
4.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该些燃料出口以该燃料入口为对称中心对称地分布于该第二材料层中。
5.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该流道材料层的厚度与该图案化流道的深度相同。
6.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该流道材料层的厚度小于该图案化流道的深度。
7.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该流道材料层的厚度介于0.01 毫米至2毫米之间。
8.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该图案化流道的宽度介于0.5毫米至20毫米之间。
9.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，该填充材料包括毛细材料。
10.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，对应于该些燃料出口的该图案化流道内填充有该填充材料。
11.根据权利要求1所述的燃料分配结构，其特征在于，对应于该些燃料出口的该图案化流道内未填充有该填充材料。
12.一种燃料电池，其特征在于，包括； 一薄膜电极组；一阴极集电层；一阳极集电层，该阴极集电层与该阳极集电层分别配置于该薄膜电极组二对侧； 一燃料分配结构，该燃料分配结构与该阳极集电层位于该薄膜电极组的同侧，该燃料分配结构包括一第一材料层，具有一燃料入口 ； 一第二材料层，具有多个燃料出口 ；一流道材料层，配置于该第一材料层与该第二材料层之间，该流道材料层具有一图案化流道，其中该图案化流道的分布范围涵盖该燃料入口与该些燃料出口 ；以及一填充材料，配置于该图案化流道内。
13.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该燃料入口的孔径介于0.1毫米至 10毫米之间。
14.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该些燃料出口的孔径介于0.5毫米至20毫米之间。
15.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该些燃料出口是以该燃料入口为对称中心对称地分布于该第二材料层中。
16.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该流道材料层的厚度与该图案化流道的深度相同。
17.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该该流道材料层的厚度小于该图案化流道的深度。
18.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该流道材料层的厚度介于0.01毫米至2毫米之间。
19.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该图案化流道的宽度介于0.5毫米至20毫米之间。
20.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该填充材料包括毛细材料。
21.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，对应于该些燃料出口的该图案化流道内填充有该填充材料。
22.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，对应于该些燃料出口的该图案化流道内未填充有该填充材料。
23.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，更包括一燃料均勻层，配置于该阳极集电层与该燃料分配结构之间。
24.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，该燃料均勻层包括一阻气层，该阻气层配置于该阳极集电层与该第二材料层之间。
25.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，该燃料均勻层包括一第一孔板；以及一阻气层，配置于该第一孔板与该第二材料层之间。
26.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，更包括一透气层，配置于该燃料均勻层与该阳极集电层之间。
27.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，更包括一盖板；一阴极保湿层，配置于该盖板与阴极集电层之间，其中该盖板与该阴极保湿层之间具有一反应气体流道；以及一气体传送元件，提供一反应气体至该反应气体流道。
28.根据权利要求27所述的燃料电池，其特征在于，该阴极保湿层包括一第二孔板；以及一疏水透气层，配置于该第二孔板与该阴极集电层之间。
29.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，更包括一燃料供应单元，供应燃料至该燃料分配结构。
全文摘要
本发明公开了一种燃料分配结构，其包括一第一材料层、一第二材料层、一流道材料层以及一填充材料。第一材料层具有一燃料入口，第二材料层具有多个燃料出口，而流道材料层具有一图案化流道，其中图案化流道的分布范围涵盖燃料入口与燃料出口，而填充材料配置于图案化流道内。本案另提供一种具有上述燃料分配结构的燃料电池。采用本发明的燃料电池及其燃料分配结构，无操作方向的限制。
文档编号H01M8/10GK102569847SQ20101062402
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月16日
发明者刘静蓉, 康顾严, 戴椿河, 赖秋助 申请人:财团法人工业技术研究院