專利名稱：燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池裝置，特別涉及一種可有效將陰極電極處多余 的水分吸附及/或排除的燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
一般來說，在直接利用甲醇(CH30H)為燃料的燃料電池(foel cell)中，其 陽極電極與陰極電極處的氧化還原反應(yīng)分別為如下所示 陽才及電才及0/3<9// + //2(9觸媒> C02 + 6/T + 陰才及電才及3/26>2+6/T觸媒>3/f26>
如上所述，在氧化還原反應(yīng)發(fā)生時(shí)，陽極電極處會(huì)消耗1單位的水，而 陰極電極處會(huì)產(chǎn)生3單位的水。
請參閱圖1，已知的單極板燃料電池(monopolarflielcell)l大致上包括有 質(zhì)子傳導(dǎo)膜(proton exchange membrane)10、陽極觸媒層ll、陰極觸媒層21、 陽極氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer, GDL)12、陰極氣體擴(kuò)散層22、陽極集 電板(current collector) 13以及陰極集電板23。質(zhì)子傳導(dǎo)膜IO是設(shè)置于陽極觸 媒層11與陰極觸媒層21之間，陽極氣體擴(kuò)散層12及陰極氣體擴(kuò)散層22是 分別設(shè)置于陽極觸媒層11及陰極觸媒層21之上，以及陽極集電板13及陰 極集電板23是分別設(shè)置于陽極氣體擴(kuò)散層12及陰極氣體擴(kuò)散層22之上。 此外，陽極觸媒層11與陽極氣體擴(kuò)散層12可視為陽極電極，而陰極觸媒層 21與陰極氣體擴(kuò)散層22可視為陰極電極。
當(dāng)燃料電池l內(nèi)的氧化還原反應(yīng)發(fā)生時(shí)，陽極電極處的曱醇(CH30H)會(huì) 與1單位的水作用而產(chǎn)生6單位的氫質(zhì)子(H+)及6單位的電子(e-),此6單位 的氫質(zhì)子(H+)會(huì)經(jīng)由質(zhì)子傳導(dǎo)膜10傳遞至陰極電極處，而6單位的電子(e-) 則會(huì)經(jīng)由外部回路傳遞至陰極電極處。在陰極電極處，外界氧氣(02)會(huì)經(jīng)由 陰極集電板23及陰極氣體擴(kuò)散層22而傳遞至陰極觸媒層21,并與6單位的 氫質(zhì)子(H+)及6單位的電子(e-)作用而產(chǎn)生3單位的水。如上所述，陰極電極 表面常會(huì)累積大量的水分，而過多的水分會(huì)在陰極集電板23或陰極氣體擴(kuò)散層22上形成水膜或水珠，因而會(huì)阻礙外界氧氣(02)傳遞至陰極觸媒層21， 進(jìn)而會(huì)影響燃料電池1的性能表現(xiàn)。
因此，如何將燃料電池的陰極電極處所累積的多余水分吸收或排除已成 為重要課題。
在美國專利公開第2002/0076599號(hào)所披露的燃料電池中，其由聚酯纖維 材料(polyester fiber material)所制成的親水線材(hydrophilic thread)是設(shè)置在 氣體擴(kuò)散層之下或之上(介于集電板與氣體擴(kuò)散層之間)，故很容易會(huì)造成膜 電極組(membrane electrode assembly, MEA)中的電子傳導(dǎo)受到親水線材的影 響。因此，親水線材的纖維粗細(xì)及數(shù)量均會(huì)受到限制。
在JP 2004-165002A所披露的燃料電池中，吸水材料是設(shè)置在氣體擴(kuò)散 層的上部及側(cè)邊上，故集電板無法與氣體擴(kuò)散層完全接觸，因而容易造成燃 料電池內(nèi)的整體電阻增加。再者，為了要配合吸水材料的形狀，集電板亦需 為非平面式的結(jié)構(gòu)，故會(huì)增加集電板制作上的困難度。另外，因?yàn)槎喑鰜淼?氣體擴(kuò)散層的面積會(huì)導(dǎo)致整體有效反應(yīng)面積的比例下降，故燃料電池的發(fā)電 功率密度亦會(huì)隨的降低。此外，由于吸水材料是設(shè)置于膜電極組(MEA)的邊 緣上，故吸收膜電極組中央水分的路徑會(huì)較長，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致較差的排水性。
此外，在美國專利公開第2005/0026026號(hào)所披露的燃料電池中，其多孔 網(wǎng)狀導(dǎo)體是緊密地粘附于氣體擴(kuò)散層之上。然而，美國專利公開第 2005/0026026號(hào)所披露的燃料電池并無披露任何可有效吸附多余水分的構(gòu) 造。 有鑒于此，本發(fā)明的目的是要提供一種燃料電池裝置，其乃是將陰極吸 水層設(shè)置于陰極多孔集電層之上，以將陰極電極處多余的水分有效排除，并 避免產(chǎn)生額外電子阻抗的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基本上采用如下所詳述的特征以為了要解決上述的問題。也就是 說，本發(fā)明包括膜電極組，具有質(zhì)子傳導(dǎo)膜、陰極電極以及陽極電極，其中， 該質(zhì)子傳導(dǎo)膜設(shè)置于該陰極電極與該陽極電極之間；陰極多孔集電層，設(shè)置 于該陰極電極之上；陽極多孔集電層，設(shè)置于該陽極電極之上，并且相對于 該陰極多孔集電層；陰極吸水層，設(shè)置于該陰極多孔集電層之上，用以防止 水分在陰極多孔集電層或陰極電極表面累積。同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池陰極水管理裝置，該陰極吸水層具有多個(gè) 透孔，空氣經(jīng)由該等透孔及該陰極多孔集電層而傳遞至該陰極電極，因此陰 極吸水層的開孔大小必須具有防止再次造成淹水的問題，而經(jīng)驗(yàn)上開孔表面 的水珠要避免其堵住開孔的最低要求，為開孔的半徑必須大于陰極吸水層的 厚度。
本發(fā)明的陰極吸水層設(shè)計(jì)，除了具有避免提高陰極多孔集電層與氣體擴(kuò) 散層間的接觸電阻的效果外，另外還有提升陰極氣體滲透擴(kuò)散效率的功能，
已知技術(shù)如JP 2004-165002A、 US 2002/0076599考慮將吸水線材設(shè)計(jì)在氣體 擴(kuò)散層(GDL)中或其部分表面上，是考量不要讓氣體擴(kuò)散層內(nèi)部沉積液態(tài)水， 阻礙氣體的擴(kuò)散，然而考量所謂單極式燃料電池的設(shè)計(jì)，在氣體擴(kuò)散層外所 設(shè)計(jì)的陰極多孔集電層， 一般較氣體擴(kuò)散層材料更為親水；而且以整體燃料 電池的溫度分布而言，陰極多孔集電層表面溫度較低，較容易使水氣凝結(jié)下 來，而造成較大面積的淹水情況，其嚴(yán)重效應(yīng)通常較氣體擴(kuò)散層內(nèi)部或表面 局部淹水所造成的阻礙更大，再者氣體擴(kuò)散層中有親水材質(zhì)存在，其實(shí)只是 將液體從碳材移到親水材質(zhì)，除非加以移除，否則并沒有辦法提升氣體擴(kuò)散 的速率。
因此本發(fā)明將該陰極吸水層披覆在陰極集電層的表面，因?yàn)殛帢O吸水層 為多孔材質(zhì)，其物理表面積較幾何表面積大，可以加速水氣的再蒸發(fā)，或是 由其他方式排除的機(jī)會(huì)，可以有效減低長時(shí)間操作陰極出現(xiàn)液態(tài)水的問題。 再者陰極吸水層可以以涂布或轉(zhuǎn)印方式披覆在陰極集電層表面及其孔洞的 側(cè)邊上，如此可以利用其毛細(xì)力將陰極集電層與氣體擴(kuò)散層接觸壓合區(qū)域可 能累積的液態(tài)水，拉至陰極集電層的上方，有效提升陰集電層與氣體擴(kuò)散層 接觸面間氣體的擴(kuò)散效率，可提升氣體供應(yīng)的均勻度。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí)施 例并配合附圖做詳細(xì)i兌明。


圖1是顯示已知的單極板燃料電池的剖面示意圖；以及
圖2是顯示本發(fā)明的第 一 實(shí)施例的燃料電池裝置的剖面示意圖3是顯示本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池裝置的剖面示意圖；以及
圖4是顯示本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃料電池裝置的部份剖面示意圖。附圖標(biāo)記說明
1單極板燃料電池
11、 113a 陽極觸媒層 13、 130陽極多孔集電層 22、 112b 陰極氣體擴(kuò)散層 100、 100，、 100"燃津+電池裝置 112陰4及電才及 121集電層壓板 150框架
170流體傳遞元件
10、 111質(zhì)子傳導(dǎo)膜 12、 113b 陽極氣體擴(kuò)散層 21、 112a 陰極觸媒層 23、 120陰纟及多孔集電層 110膜電極組 113陽才及電才及 140陰極吸水層 160儲(chǔ)水區(qū)
具體實(shí)施例方式
茲配合圖式說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。 第一實(shí)施例
請參閱圖2,本實(shí)施例的燃料電池裝置IOO主要包括有膜電極組110、 陰極多孔集電層120、陽極多孔集電層130、陰極吸水層140以及框架150。 框架150是用來固定膜電極組110。
膜電極組110具有質(zhì)子傳導(dǎo)膜111、陰極電極112以及陽極電極113, 質(zhì)子傳導(dǎo)膜111是設(shè)置于陰極電極112與陽極電極113之間。更詳細(xì)的來說， 陰極電極112具有陰極觸媒層112a及陰極氣體擴(kuò)散層112b,而陽極電極113 具有陽極觸媒層113a及陽極氣體擴(kuò)散層113b。質(zhì)子傳導(dǎo)膜111乃是設(shè)置于 陰極觸媒層112a與陽極觸媒層113a之間。陰極氣體擴(kuò)散層112b是設(shè)置于陰 極觸媒層112a之上，而陽極氣體擴(kuò)散層113b是設(shè)置于陽極觸媒層113a之上。
陰極多孔集電層120是設(shè)置于陰極電極112之上。更詳細(xì)的來說，陰極 多孔集電層120是設(shè)置于陰極電極112的陰極氣體擴(kuò)散層112b之上。
陽極多孔集電層130是設(shè)置于陽極電極113之上。更詳細(xì)的來說，陽極 多孔集電層130是設(shè)置于陽極電極113的陽極氣體擴(kuò)散層113b之上，并且 陽極多孔集電層130是相對于陰極多孔集電層120。
陰極吸水層140是設(shè)置于陰極多孔集電層120之上，與陰極集電層120 相較，陰極吸水層140具有較為親水的特性，可以迅速將水吸附或引導(dǎo)至其 他區(qū)域，以避免水分在陰極集電層120或陰極電極112處累積。陰極吸水層140可為多孔親水材質(zhì)，例如織布、不織布、紙類、泡綿、發(fā)泡聚氨酯等多 孔材質(zhì)，亦可以涂布的方式將多孔親水材質(zhì)如聚氨酯直接附著于陰極多孔集 電層120之上。值得注意的是，陰極吸水層140乃是位于陰極多孔集電層120 的外部上，故陰極吸水層140的設(shè)置并不會(huì)影響陰極多孔集電層120與陰極 氣體擴(kuò)散層112b之間的電性接觸，進(jìn)而不會(huì)使得燃料電池陰極水管理裝置 IOO內(nèi)的整體電阻增加。此外，陰極吸水層140具有適當(dāng)尺寸大小的網(wǎng)孔， 網(wǎng)孔大小的設(shè)計(jì)越小越好，開孔率則越大越好，因?yàn)榭梢杂行嵘諝獾拇?透率，而網(wǎng)孔的大小由該陰極吸水層的表面能決定，以不形成水膜為原則， 以免妨礙陰極反應(yīng)所需的氧氣進(jìn)入，其最簡單的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為開孔的半徑必須 比陰極吸水層的厚度還大，以免位于邊緣的兩水珠連結(jié)形成水膜堵住開孔。
第二實(shí)施例
在本實(shí)施例的中，與第一實(shí)施例相同的元件均以相同的符號(hào)所標(biāo)示。 請參閱圖3，本實(shí)施例與第一實(shí)施例最大的差別是在于本實(shí)施例的燃料 電池裝置IOO，的陰極集電層120是另以剛性較佳的集電層壓板121下壓固 定，以降低陰極集電層120與陰極氣體擴(kuò)散層112b之間的接觸電阻，陰極 吸水層140可以是設(shè)置在集電層壓板121的表面或孔洞側(cè)邊，以增加陰極吸 水層140與陰極水分接觸的機(jī)會(huì)。另外集電層壓板121亦可以是多孔親水材 質(zhì)，可以吸附或排除陰極多余水分。
至于本實(shí)施例的燃料電池裝置IOO，的其他元件構(gòu)造、特征或運(yùn)作方式均 與第一實(shí)施例的燃料電池裝置IOO相同，故為了使本案的說明書內(nèi)容能更清 晰易懂起見，在此省略其重復(fù)的說明。
第三實(shí)施例
在本實(shí)施例的中，與第一實(shí)施例相同的元件均以相同的符號(hào)所標(biāo)示。 請參閱圖4,本實(shí)施例與第一實(shí)施例最大的差別是在于本實(shí)施例的燃料 電池裝置IOO"的陰極吸水層140是透過毛細(xì)力或重力的作用，將陰極產(chǎn)生 的水引導(dǎo)至儲(chǔ)水區(qū)160,而儲(chǔ)水區(qū)160可以是吸水材料，例如泡綿或其他多 孔材料，亦可以是儲(chǔ)水容器，以儲(chǔ)存收集到的陰極水。此外，流體傳遞元件 170(例如，泵浦或壓縮機(jī)等)是連接于儲(chǔ)水區(qū)160,其可以在適當(dāng)或設(shè)定的 時(shí)間內(nèi)將儲(chǔ)水區(qū)160內(nèi)的水輸送至陽極燃料區(qū)或回收水區(qū)(未顯示)，以與曱醇混合當(dāng)作燃料使用。在可以利用重力的場合，例如當(dāng)儲(chǔ)水區(qū)160的位置是
高于陽極燃料區(qū)的情形下，流體傳遞元件170可以是電^1閥、單向閥或者只 是導(dǎo)管，以讓儲(chǔ)水區(qū)160內(nèi)的水透過重力的效應(yīng)而流至陽極燃料區(qū)作適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。
至于本實(shí)施例的燃料電池裝置IOO"的其他元件構(gòu)造、特征或運(yùn)作方式 均與第一實(shí)施例的燃料電池裝置IOO相同，故為了使本案的說明書內(nèi)容能更 清晰易懂起見，在此省略其重復(fù)的說明。
如上所述，本實(shí)施例的燃料電池裝置IOO"除了可有效排除在陰極電極 112中會(huì)影響反應(yīng)的多余水分外，其還可將陰極電極112中的多余水分回收 或傳遞至陽極電極113的中，以供陽極電極113反應(yīng)所需，因而可達(dá)成燃料 電池裝置IOO"進(jìn)行長時(shí)間運(yùn)作的功效。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例^坡露于上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng) 域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因 此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池裝置，包括膜電極組，具有質(zhì)子傳導(dǎo)膜、陰極電極以及陽極電極，其中，該質(zhì)子傳導(dǎo)膜設(shè)置于該陰極電極與該陽極電極之間；陰極多孔集電層，設(shè)置于該陰極電極之上；陽極多孔集電層，設(shè)置于該陽極電極之上，并且相對于該陰極多孔集電層；陰極吸水層，設(shè)置于該陰極多孔集電層的上方，用以吸附或引導(dǎo)該陰極電極的水分。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，該陰極吸水層由多孔親 水材質(zhì)所制成。
3. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池裝置，其中，該多孔親水材質(zhì)為吸水 線材、燈芯、織布、不織布、紙類、泡綿或發(fā)泡聚氨酯。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，其中，該陰極吸水層以涂布或 轉(zhuǎn)印的方式披覆于該陰極多孔集電層的上方。
5. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，還包括集電層壓板，設(shè)置于該 陰極集電層上方，用以固定該陰極集電層。
6. 如權(quán)利要求5所述的燃料電池裝置，其中，該陰極吸水層設(shè)置于該 集電層壓板的上方。
7. 如權(quán)利要求5所述的燃料電池裝置，其中，該集電層壓板由多孔親 水材質(zhì)所制成。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池裝置，還包括儲(chǔ)水區(qū)，連接于該陰極 吸水層，其中，該陰極吸水層將該陰極電極的水分引導(dǎo)至該儲(chǔ)水區(qū)。
全文摘要
一種燃料電池裝置，包括膜電極組、陰極多孔集電層、陽極多孔集電層及陰極吸水層。膜電極組具有質(zhì)子傳導(dǎo)膜、陰極電極及陽極電極，質(zhì)子傳導(dǎo)膜設(shè)置于陰極電極與陽極電極之間。陰極多孔集電層設(shè)置于陰極電極之上。陽極多孔集電層設(shè)置于陽極電極之上，并且相對于陰極多孔集電層。陰極吸水層設(shè)置于陰極多孔集電層之上，用以防止陰極多孔集電層表面形成水膜阻礙氣體通過。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101295797SQ200710101888
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者康顧嚴(yán), 戴椿河, 許盈盈, 賴秋助 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院