專利名稱：質子交換膜燃料電池的模塊化電池單體及模塊化電池單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種質子交換膜燃料電池的電池單體，特別是關于一種預先制備完成以供組成質子交換膜燃料電池的電池單體模塊，以及由相同概念所組合形成的電池單元模塊。
背景技術：
人類社會對能源需求愈來愈多的今日，傳統能源愈來愈無法符合已經邁入二十一世紀的工業社會。不幸的是，人類目前賴以生存的能源資源正步入消耗怠盡的最后幾十年，且這些傳統能源所造成嚴重環境污染，亦將造成人類永續生存發展的阻礙。
有鑒于此，世界各國無不卯足全力尋求未來的替代能源，使得以全面取代目前的傳統能源；截至目前為止，科學界皆一致認為氫能是二十一世紀替代汽油、柴油等動力能源的有效清潔能源；而燃料電池(Fuel Cell)則是一種將氫及氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置；因這種電池無燃燒反應，故無能量消耗、無污染、無噪音，其能量轉換效率高達60％-80％，故廣為研發界推崇及應用。
目前所發展出來的燃料電池約有五種，即堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質子交換膜燃料電池，各種燃料電池各有其優劣點及應用范圍。唯其中質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，因其壽命長，工作溫度低，在室溫亦發揮正常工作，且具有較高的功率密度及可調整輸出功率等用于長時間運轉機械上的卓越優點，故PEMFC將是取代目前汽機車等電動機械動力最具競爭力的動力源。
茲首先將燃料電池的主要工作原理說明如下燃料電池主要是利用氫氣和氧氣通過電化學反應生成水，并釋放電能，基本上可視為水電解的逆裝置，其主要由陽極、陰極、電解質及外部電路四大導電結構所組成。請參見圖7，其是該基本結構的示意圖，首先(1)將氫氣導入陽極；(2)在陽極催化劑作用下，進行的陽極反應；(3)在電池另一端，將氧氣(或空氣)導入陰極，同時，陽極的氫離子穿過電解質到達陰極，而陽極的電子亦通過外電路到達陰極；及(4)在陰極催化劑的作用下，將含氧的空氣導入陰極，進行的陰極反應而生成水。
PEMFC即是利用此基本原理，將一質子交換膜(proton exchangemembrane，PEM)作為可通質子不通電子的電解質，二側再分別夾設陽極氣體擴散層及陰極氣體擴散層(Gas Diffusion Layer，GDL)，PEM與GDL間分別涂設有陽極及陰極催化劑，以組合而成一膜電極總成(Membrane Electrode Assembly，MEA)，預備進行上述的陽極及陰極反應。該MEA二側再以適當壓力夾設一陽極雙極板及一陰極雙極板(bipolar plate)，以導通氫氣及氧氣而進行上述陽極及陰極的電解水的逆反應，此即為PEMFC的組合結構及工作方式。
由于PEMFC效率表現的優劣，全仰賴前述陰陽極反應的完全與否，易言之，各層間的材料選擇及隔絕污染，將是有關PEMFC工作效率的一大因素。因此，除慎選用材料符合所需的場合外，確保陽極僅進行陽極反應，而陰極又僅接受陽極所傳來的陽離子(即質子/氫離子)及電子進行純陰極反應，將是極為重要的課題。簡言之，在PEMFC中，精確并確實控制氫離子(H+)自陽極通過PEM到達陰極，以及電子(e-)自陽極通過外電路到達陰極而無其它閃失，是確保PEMFC工作效率穩定的不二法門；但通常造成影響而使PEMFC無法達到如上確實控制的因素主要可歸納為二其一為處于陽極及陰極雙極板間供防漏污染的措施無法彰顯功能，另一則為各層間的導電接觸壓力無法保持在最佳狀態。此亦即現今PEMFC一直皆無法量產及模塊化，而有效成為替代能源的主要原因之一。
現請參閱圖1，是現有技術中PEMFC電池取其單體1組合結構示意圖。其是由一陽極雙極板2，一陰極雙極板3及一膜電極總成(MEA)4所組成；其中陰極雙極板3的周緣區域則預先依需要鋪設一墊片5，而MEA4置于陰極雙極板3的中央區域，最后再以預先鋪設好相對墊片6的陽極雙極板，相對疊合于MEA4上，以達到單體的制作，而后再如法泡制，依所需制成如圖2的PEMFC堆棧構形，接上供氣體及冷卻液體的歧管(manifold)附加上下端板7a，7b及金屬導電端子8a，8b，最后再以一定系緊壓力鎖上多個系桿(tierods)9，以達到預期的導電反應。
但此電池的結構方式，所造成的嚴重缺點將可歸納如下(1)由陽極雙極板2的槽道2a供入的氫氣，及所分解出的氫離子，在通過MEA4中的陽極GDL4a，PEM4b及陰極GDL4c途中，極易因墊片5，6與雙極板2，3間的空隙而漏失；而由陰極雙極板3的槽道3a供入的氧氣亦極易因該空隙而漏失，嚴重影響反應的進行。此缺點在墊片5，6因使用一段時間造成老化現象后尤其明顯，即使墊片5，6一體成形制作成單一墊片，亦無法有效解決此一問題。
(2)因墊片5，6本身材質的限制，使其極容易因附近壓力密度不均勻，或老化速度不均一而造成整體電池單體的接觸壓力不均勻，此為陽離子擴散反應不能平均實行的原因，適為PEMFC導電反應的一大忌諱。由于整體PEMFC最后需以系桿9控制接觸壓力，將益加造成PEMFC周邊與中央區域出現明顯層合壓力差，嚴重影響電池的工作效率。
(3)采用墊片于雙極板間的措施，不但隔絕污染的效果不彰，亦無法產生層合定位的功能；又因其接觸壓力很難事先控制在一最佳的數值間，故依該措施，勢無法將PEMFC以電池單體模塊化的型式事先制作儲備起來，進行任何可能形式的單品測試，而達到降低成本及量產化的基本目標。此確為目前PEMFC無法廣泛有效運用的主要癥結所在。
有鑒于此，提供一種或多種解決方法上述問題，并提供高效能，量產化及低成本的模塊化電池單體及單元，以在PEMFC的工藝限制上尋求突破，此乃業界共同企盼解決的問題。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單體及模塊化電池單元，其可使整體電池的制作及施工更為簡化，而使整體燃料電池的品質大幅提高，制作成本大幅下降，進而達成量產化的需求，使之成為正式的替代能源主體。
本發明的另一目的在于提供一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單體及模塊化電池單元，其可使整體制作完成的電池單體或單元模塊的品質及效率無瑕疵。
本發明的另一目的在于提供一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單體及模塊化電池單元，可使自二雙極板槽道導入的氣體及液體無漏失的可能，充分發揮燃料電池供應氣體反應的效能。
為了達到上述目的，本發明提供了一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單體，包含一陽極雙極板及一陰極雙極板，各雙極板具有一中央區域及一周緣區域；一膜電極總成，包含一陽極氣體擴散層，一質子交換膜及一陰極氣體擴散層，依順序夾設于該陽極雙極板及陰極雙極板的中央區域之間；其中，該陽極氣體擴散層及質子交換膜間，敷設一陽極催化劑層，而該質子交換膜及陰極氣體擴散層間，敷設一陰極催化劑層；該陽極雙極板及陰極雙極板的周緣區域間，依所需涂設硅膠，待該硅膠固化后，該陽極雙極板及陰極雙極板間于一特定的接觸壓力下膠合定位，恰形成一整體的電池單體模塊。
本發明還提供了一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單元，包含多個權利要求1所述的模塊化電池單體順序疊置而成，其中該模塊化電池單體的陽極雙極板具有一上表面，陰極雙極板具有一下表面，其中該陽極雙極板的上表面及該陰極雙極板的下表面至少其中之一，沿其周緣區域，設有一槽縫，該槽縫依所需涂設該硅膠，待該硅膠固化后，恰可使該順序疊置的模塊化電池單體于該特定的接觸壓力下膠合定位。
本發明還提供了一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單元，包含多個權利要求1所述的模塊化電池單體順序疊置而成，其中該模塊化電池單體的陽極雙極板與鄰接的模塊化電池單體的陰極雙極板為一體成型。
本發明的優點是1、通過將其模塊化(modulized)及單元化(unitized)，使整體電池的制作及施工更為簡化，并可通過事先測試電池單體或單元的效率，而達到整體燃料電池的品質大幅提高，制作成本大幅下降，進而達成量產化的需求，使之成為正式的替代能源主體。
2、通過將其中的陽極雙極板及陰極雙極板間的周緣區域，以機械手臂配施所需量的特殊硅膠，使該二雙極板及其間所夾設的膜電極總成得層合定位，并可事先控制所需層合及接觸壓力，再進行硅膠的固化過程，使整體制作完成的電池單體或單元模塊的品質及效率無瑕疵。
3、通過其中二雙極板間所配施的硅膠，使自二雙極板槽道導入的氣體及液體無漏失的可能，充分發揮燃料電池供應氣體反應的效能。
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1是顯示先前技術燃料電池的電池單體組合剖面示意圖；圖2是顯示燃料電池的組合立體圖；圖3是本發明燃料電池的電池單體模塊剖面示意圖；圖4是本發明燃料電池的電池單元模塊第一實施例剖面示意圖；圖5是本發明燃料電池的電池單元模塊第二實施例剖面示意圖；及圖6是本發明燃料電池的電池單元模塊第三實施例剖面示意圖；圖7是現有的燃料電池基本結構的示意圖。
圖中符號說明1 現有技術的電池單體2 陽極雙極板2a、3a槽道3 陰極雙極板4 膜電極總成4a陽極氣體擴散層4b質子交換膜4c陰極氣體擴散層5、6 墊片7a上端板7b下端板8a、8b金屬導電端子9 系桿10電池單體模塊11陽極雙極板12陰極雙極板13膜電極總成11a、12a 中央區域11b、12b 周緣區域11c、12c 槽道
14陽極氣體擴散層15質子交換膜16陰極氣體擴散層17陽極催化劑層18陰極催化劑層19硅膠20模塊化電池單元第一實施例21、22、23電池單體21a、22a 陽極雙極板21b 冷卻液槽道21c 陰極雙極板21d、21e、22d 槽縫24硅膠30模塊化電池單元第二實施例31、32共用雙極板34冷卻雙極板33陰極雙極板40模塊化電池單元第三實施例41、42共用雙極板具體實施方式
首先參閱圖3，本發明所提供的質子交換膜燃料電池的模塊化電池單體10。當然此種發明構想并不限于質子交換膜燃料電池的構成，任何類似形式的燃料電池皆適用本發明的模塊化技術。
模塊化電池單體(single cell)10包含一陽極雙極板11及一陰極雙極板12，各雙極板(bipolar plate)皆具有一中央區域11a，12a及一周緣區域11b，12b，該中央區域11a，12a分別開設有主要供氫氣(陽極)及氧氣(陰極)導通的多個已規劃完成的槽道11c，12c；一模電極總成(MembraneElectrode Assembly，MEA)13，包含一陽極氣體擴散層(Anode GasDiffusion Layer)14，一質子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)15，及一陰極氣體擴散層(Cathode Gas Diffusion Layer)16，依順序夾設于陽極雙極板11及陰極雙極板12的中央區域11a，12a之間；其中該陽極氣體擴散層14及質子交換膜15間敷設一層陽極催化劑層17，而該質子交換膜15及陰極氣體擴張層16間，則敷設一陰極催化劑層18，以分別使自陽極雙極板11的槽道11C及自陰極雙極板12的槽道12C導入的氫氣及氧氣，適切地進行陽極及陰極的電解水的逆反應。該陽極及陰極催化劑層17、18可事先敷設于質子交換膜15的二相對側，或分別敷設于陽極氣體擴散層14及陰極氣體擴散層16貼合于質子交換膜的那一側，再行疊合形成膜電極總成13。
本發明的主要技術特征在于該陽極雙極板11及陰極雙極板12的周緣區域11b、12b間，依所需繞過供氣歧管或其它不欲阻擋通路的位置，涂設有硅膠(silicon Rubber，RTV)19，待該硅膠19固化(cured)后，陽極雙極板11及陰極雙極板12間可處于一預先設定的接觸壓力而與其間的膜電極總成一并膠合而定位，以形成整體的電池單體模塊10。較佳的硅膠材料，采用抗電蝕級(Non-Corrosive Electronic Grade)的加濕固化(moisture cured)材料或加熱固化(heat cured)材料為最佳選擇。
依實驗及使用經驗顯示，一般用于質子交換膜燃料電池單體，其硅膠19若采用熱固化材料制成，其熱固化溫度實質上介于100℃-140℃，高于燃料電池的工作溫度(低于100℃)，將可獲得最穩定的固化后效果；另外，該硅膠19的黏性若采用大于150,000厘泊(centi-poise)，將可獲得最佳的黏著及定位效果，而該硅膠19的介電強度(DielectricStrength)若選在15-20伏特/密拉(V/mil)間，則將足夠有效地發揮一般的抗電效能；但上述數據范圍僅提供本領域技術人員了解較佳實施方式下的硅膠選定材料，而非代表在該范圍以外的材料參數即無法發揮預期的功能。
事實上，圖3所示的電池單體10中的陽極雙極板11的周緣區域11b及陰極雙極板12的周緣區域12b皆分別設置有預先規劃好的導氣或導液歧管(圖未示出)；在制作電池單體10的過程中，即首先將膜電極總成13置于陰(陽)極雙極板12的中央區域12a上，再以程序化控制的機械手(Robotic Arm)施配所需量的硅膠，繞過該歧管而附著于陰極雙極板12的周緣區域12b上，再將陽(陰)極雙極板11相對應疊合于膜電極總成13上方，而以預定的壓力值，(控制在100磅/平方英寸(psi)左右，可獲得較佳的導電效果)，將陽極雙極板11及陰極雙極板12壓實，待黏稠狀的硅膠滲入可能存在于各層間的縫隙而造成密封后，再行加濕或加溫將硅膠進行固化(cured)程序，此時電池單體10各層間將保持該固定的接觸壓力，而周緣區域亦皆達到良好的隔絕效果。
在達到電池量產化的最終目標的實施過程中，亦可選擇將多個相同的電池單體組合成為一電池單元，使其亦成為一模塊化電池單元，以獲得更高的量產效率及更高功率輸出的電池。
圖4即揭示出由圖3中的電池單體進行堆棧(以三層為例)，所得電池單元20第一實施例的剖面示意圖；其中該單體間堆棧的動作即為一般電池導電串聯的連接關系，而單體本身內部的膜電極反應，則相對應于一般電池正負極內部的電化學反應，故堆棧(即串聯)愈多，產生的電壓愈大，排出的廢熱也愈多，故若堆棧的層數到達所排廢熱不可忽略的程度，則堆棧后的電池單元20中最上層電池單體21的陽極雙極板21a(或最下層電池單體23的陰極雙極板)將加設多個冷卻液槽道21b，供日后冷卻液注入流通循環廢熱；而周緣區域另設一槽縫21e，供日后堆棧另一電池單元模塊注入硅膠以供定位及防冷卻液漏失之用。
有關電池單體21，22，23間的堆棧定位及模塊化過程，亦可采如圖3的敷設硅膠方式，在電池單體21的陰極雙極板21c的下表面及/或電池單體21的陽極雙極板22a的上表面的周緣區域，分別設有一相對的槽縫21d，22d，在進行堆棧串聯的前，即依相類似方式以機械手臂注入適量硅膠24于該槽縫22d中，再將電池單體21層壓疊合于單池單體22之上，之后再進行固化過程(單體22及單體23的層合作法亦采此一方式)。由于各單體間所注入的硅膠24與單體內部所采用的硅膠大致為相同的材質，故不無論同時或分別固化硅膠19、24，皆仍可事先控制各層間等同的層合接觸壓力至所需的值，而達到最佳及最穩定的導電效果。
既然各電池單體的堆棧是采用陰-陽極雙極板的完全接觸串聯方式，故此電池單元的制作方式亦可采用如圖5電池單元30的第二實施例，將接觸的陰-陽極雙極板直接改采單片式的共用雙極板31，32，然后再將膜電極總成13夾設于順序疊置的陰極雙極板33，共用雙極板32，31及冷卻雙極板34間，并依圖3的制作方式注入硅膠并固化，以達到各層間等層合接觸壓力的模塊化電池單元30。
由于雙極板的設置目的及功用主要在于提供導通各堆棧串聯的電池單體氫氣，氧氣及冷卻液等的通路，故只要得以隔離相鄰接電池單體的流體通路并提供串聯導電的功能者皆為合適的雙極板形狀。
圖6是電池單元40的第三實施例，其中的陽極雙極板及陰極雙極板非但采用一體成形的共用雙極板41，42，且其設計成由金屬板彎折而成的波形(corrugated)，以更利于材料的精省及整體電池的輕量比，使在量產市場更具競爭力。
以上所揭示本發明的詳細技術內容及發明特點，然本領域技術人員應可基于本發明的揭示及指引進行種種不背離本案發明特征的替換及修改；但此種替換及修改雖不盡揭露于如上的實施例說明中，但已實質上涵蓋在本發明的權利要求中。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單體，包含一陽極雙極板及一陰極雙極板，各雙極板具有一中央區域及一周緣區域；一膜電極總成，包含一陽極氣體擴散層，一質子交換膜及一陰極氣體擴散層，依順序夾設于該陽極雙極板及陰極雙極板的中央區域之間；其中，該陽極氣體擴散層及質子交換膜間，敷設一陽極催化劑層，而該質子交換膜及陰極氣體擴散層間，敷設一陰極催化劑層；該陽極雙極板及陰極雙極板的周緣區域間，依所需涂設硅膠，待該硅膠固化后，該陽極雙極板及陰極雙極板間于一特定的接觸壓力下膠合定位，恰形成一整體的電池單體模塊。
2.根據權利要求1所述的模塊化電池單體，其特征在于該所涂設的硅膠為一抗電蝕級的硅膠材料。
3.根據權利要求2所述的模塊化電池單體，其特征在于該所涂設的硅膠，其熱固化溫度實質上介于100℃-140℃之間。
4.根據權利要求3所述的模塊化電池單體，其特征在于該所涂設的硅膠，其黏性實質上大于150,000厘泊。
5.根據權利要求4所述的模塊化電池單體，其特征在于該所涂設的硅膠，其介電強度實質上介于15-20伏/密拉之間。
6.根據權利要求5所述的模塊化電池單體，其特征在于該陽極雙極板及陰極雙極板間實質上達到100psi的接觸壓力。
7.一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單元，包含多個權利要求1所述的模塊化電池單體順序疊置而成，其中該模塊化電池單體的陽極雙極板具有一上表面，陰極雙極板具有一下表面，其中該陽極雙極板的上表面及該陰極雙極板的下表面至少其中之一，沿其周緣區域，設有一槽縫，該槽縫依所需涂設該硅膠，待該硅膠固化后，恰可使該順序疊置的模塊化電池單體于該特定的接觸壓力下膠合定位。
8.根據權利要求7所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠為一抗電蝕級的硅膠材料。
9.根據權利要求8所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠，其熱固化溫度實質上介于100℃-140℃之間。
10.根據權利要求9所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠，其黏性實質上大于150,000厘泊。
11.根據權利要求10所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠，其介電強度實質上介于15-20伏/密拉之間。
12.根據權利要求11所述的模塊化電池單元，其特征在于該陽極雙極板及陰極雙極板間及各該電池單體間實質上達到100psi的接觸壓力。
13.一種質子交換膜燃料電池的模塊化電池單元，包含多個權利要求1所述的模塊化電池單體順序疊置而成，其中該模塊化電池單體的陽極雙極板與鄰接的模塊化電池單體的陰極雙極板為一體成型。
14.根據權利要求13所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠為一抗電蝕級的硅膠材料。
15.根據權利要求14所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠，其熱固化溫度實質上介于100℃-140℃之間。
16.根據權利要求15所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠，其黏性實質上大于150,000厘泊。
17.根據權利要求16所述的模塊化電池單元，其特征在于該所涂設的硅膠，其介電強度實質上介于15-20伏/密拉之間。
18.根據權利要求17所述的模塊化電池單元，其特征在于該一體成型的陽極雙極板及陰極雙極板間實質上達到100psi的接觸壓力。
全文摘要
本發明是關于一種質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的電池單體(Single Cell)模塊，其包含一陽極雙極板，一陰極雙極板及夾設于其間的膜電極總成(Membrane Electrode Assembly，MEA)，其中MEA設置于陽極雙極板及陰極雙極板的中央區域之間，而陽極雙極板及陰極雙極板的周緣區域間則依所需以自動機械手臂配施定量硅膠，待硅膠固化后，陽極雙極板及陰極雙極板間在一特定接觸壓力下膠合定位，以形成一整體的電池單體模塊。依此結構，參照使用需求，可續將各單體順序堆棧成一電池單元；其中，相互鄰接的陽極雙極板上表面及陰極雙極板下表面的周緣區域，則開設有槽縫，供配施硅膠而達到各電池單體間的緩沖定位接觸，以達到整體電池單元各層間的特定接觸壓力。
文檔編號H01M8/10GK1405915SQ0112422
公開日2003年3月26日 申請日期2001年8月16日 優先權日2001年8月16日
發明者楊源生 申請人:亞太燃料電池科技股份有限公司