直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法
【課題】組立のミスアラインメントを避けることができる直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】直接メタノール燃料電池構造は第一表面２０２と相対する第二表面２０４を有し、一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜２００と、プロトン交換膜の二つのターミナル２２２ａ、２２２ｂとターミナルに隣接する第一表面と第二表面の一部は電極２０６，２０８から露出しており、電極上に設置される一対のガス拡散層２１０，２１２と、露出された第一表面と第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、複数のホールを有する複数のボーダー材料層２１４a〜ｄと、ボーダー材料層上に固定されると同時に、ボーダー材料層のホールを通り抜けてプロトン交換膜の第一表面と前記第二表面と接触する複数の粘着材料２１８a〜ｄとを含む。
【解決手段】直接メタノール燃料電池構造は第一表面２０２と相対する第二表面２０４を有し、一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜２００と、プロトン交換膜の二つのターミナル２２２ａ、２２２ｂとターミナルに隣接する第一表面と第二表面の一部は電極２０６，２０８から露出しており、電極上に設置される一対のガス拡散層２１０，２１２と、露出された第一表面と第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、複数のホールを有する複数のボーダー材料層２１４a〜ｄと、ボーダー材料層上に固定されると同時に、ボーダー材料層のホールを通り抜けてプロトン交換膜の第一表面と前記第二表面と接触する複数の粘着材料２１８a〜ｄとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法に関し、特に、直接メタノール燃料電池構造の七層膜電極接合体（MEA7）及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３Ｃ（コンピューター、通信用電気機器、家庭用電化製品）の電子製品は日に日に新しく発展することから、機能の要求に応じて電力に対する要求もますます大きくなる。電池の要求に対して軽く、薄くする必要がある以外に、更に高い安全性と便利性が必要である。電池の大きさ、重さが電子製品の使用時間の長さ及び体積、重量の大きさに直接影響する。よって、燃料電池は、３Ｃの電子製品にとって徐々に重要な役割を果たす。
【０００３】
メタノールを使用して、燃料の直接メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell,以下、DMFCと称する）とする。その液状燃料エネルギーは５０００Whr/Lに達し、メタノールを使って水素に取り替え燃料とし、陽極において、化学反応で生じたプロトンと電子は、プロトン交換膜と外部回路のそれぞれによって、陰極に達する。従来のＤＭＦＣにおけるプロトン交換膜は長期にわたってメタノール水溶液と接触しているため、メタノール燃料は陽極から陰極までに浸透するので、陰極触媒の有毒化と性能の低下を招く。よって、このような現象を減少するために、従来技術の大半は、厚さが比較的に厚い(例えば、５ミル（mil）と７ミル（mil）)プロトン交換膜を使用する。
【０００４】
公知のＤＭＦＣのスタック構造（Stack）は、少なくとも１０枚〜２０枚以上の膜電極（membrane-electrode-assembly、以下MEAと称する）と、対応するガス拡散層（GDL）と、流れ板（Flow board）などの部材から積み重ねられて構成され、ＤＭＦＣのスタック構造が組立プロセスにおいて、ミスアラインメントによるスタック構造の漏出を減少するために、まず、MEAとガス拡散層（GDL）から構成される五層膜電極接合体（MEA５）の製造を希望することで、組立を容易にさせる。しかし、厚みの比較的に厚いプロトン交換膜は触媒の有毒化の問題を減少することができるが、材料自身が吸水膨張（サイズの変化が大きい）し易いことで、五層膜電極接合体（MEA5）と流れ板（Flow board）が完全に密封することができない。且つ、フッ素炭素材料のプロトン交換膜は化学安定の特性を有するので、よく見かけるエポキシ樹脂、シリコンゴム、アクリル膠などはいずれもそれと粘着することができない。故に、公知技術では、先にＭＥＡ、ガス拡散層（GDL）、及び流れ板（Flow board）、またはパッケージ材料をモジュールし、製造プロセスを簡略化させることができない。
【０００５】
この技術領域において、上述の欠点を改善するために、直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０１０３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これに鑑み、本発明の一つの実施例は直接メタノール燃料電池構造を提供し、前記直接メタノール燃料電池構造は第一表面と相対する第二表面とを有し、一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜と、
前記一対の電極上にそれぞれ設置される一対のガス拡散層と、
露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、複数のホールを有する複数の第一ボーダー材料層と、前記複数の第一ボーダー材料層上にそれぞれ固定されると同時に、前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する複数の粘着材料と、を含み、前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記複数のターミナルに隣接する第一表面と第二表面の一部は前記一対の電極から露出している。
【０００９】
本発明のもう一つの実施例は直接メタノール燃料電池構造の製造方法を提供し、前記直接メタノール燃料電池構造の製造方法は一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定する第一固定工程を行うステップと、複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第二固定工程を行うステップとを含み、前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記複数のターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する。
【００１０】
本発明のまたもう一つの実施例は直接メタノール燃料電池構造の製造方法を提供し、前記直接メタノール燃料電池構造の製造方法は一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれると同時に、一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定し、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第一固定工程を行うステップとを含み、前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記複数のターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法によればメタノール燃料電池の製造プロセスを大いに簡略化することができると同時に、組立のミスアラインメントによる信頼度の低下を避けることができる。また、第一ボーダー材料層上に、剛性を有する第二ボーダー材料層を設置することによって、製造された七層膜電極接合体（MEA7）を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができ、または流れ板と緊密に貼り付けることで燃料漏れを避けることができる。または、第二ボーダー材料層上に緩衝層を設置することで流れ板との密封度を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図１ｂ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図１ｃ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図１ｄ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図２】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図３】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図４】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図５】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図６】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図７】本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図８】本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図９】本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図１０】本発明の一つの実施例の粘着材料と第一ボーダー材料層の前処理である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
図１ａ〜図１ｄは本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａ〜５００ｄである。図１ａに示すように、本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａの主な部材は、第一表面２０２と相対する第二表面２０４を有するプロトン交換膜２００を含み、プロトン交換膜２００は一対の電極２０６と２０８との間に挟まれて設置され、プロトン交換膜２００の二つのターミナル２２２ａと２２２ｂ、及びターミナル２２２ａと２２２ｂに隣接する第一表面２０２と第二表面２０４の一部は、電極２０６と２０８から露出する。一対のガス拡散層２１０と２１２は、電極２０６と２０８上にそれぞれ設置する。複数の第一ボーダー材料層（Border Material）２１４ａ〜２１４ｄは、例えば、ホットプレスによって、プロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、その第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは複数のホール２５０を有する。なお、前記第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄがプロトン交換膜２００に物理的にはめ込むこととは、プロトン交換膜２００の一部が第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０に絞られて互いに固定することである。これにより、プロトン交換膜２００の上に第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄが固定される。直接メタノール燃料電池構造５００ａは複数の粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを更に含み、第一ボーダー材料層層２１４ａ〜２１４ｄ上にそれぞれ固定し、且つ第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を通り抜けてプロトン交換膜２００の第一表面２０２と第二表面２０４と接触する。また、直接メタノール燃料電池構造５００ａの第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと粘着材料２１８ａ〜２１８ｄはガス拡散層２１０と２１２と接触していない。
【００１５】
図１ｂに示すように、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｂであり、直接メタノール燃料電池構造５００ａと異なる所は、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄの一部と粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１の一部はガス拡散層２１０と２１２との間に挟まれて設置し、且つ、粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１は、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄとガス拡散層２１０と２１２と同時に接合する。
【００１６】
図１ｃに示すように、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｃであり、直接メタノール燃料電池構造５００ａと異なる所は、直接メタノール燃料電池構造５００ｃは、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄ上にそれぞれ設置される複数の第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄを更に含む。図１ｃに示すように、直接メタノール燃料電池構造５００ｃの粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄと同時に接合する。また、直接メタノール燃料電池構造５００ｃの第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄと、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄはガス拡散層２１０と２１２と接触していない。
【００１７】
図１ｄに示すように、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｄであり、直接メタノール燃料電池構造５００ａと異なる所は、直接メタノール燃料電池構造５００ｄは、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄ上にそれぞれ設置される複数の緩衝層２３０ａ〜２３０ｄを更に含む。図１ｄに示すように、緩衝層２３０ａ〜２３０ｄは外側流れ板（Flow board）との密封の効果を増加するのに用いられる。また、直接メタノール燃料電池構造５００ｄの粘着材料２１８ａ〜２１８ｄと、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄと、緩衝層２３０ａ〜２３０ｄはガス拡散層２１０と２１２と接触していない。
【００１８】
本発明の実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａ〜５００ｄにおいて、電極２０６と２０８はそれぞれ電気化学的陽極触媒と電気化学的陰極触媒に形成された陽極電極と陰極電極である。プロトン交換膜２００と電極２０６と２０８は三層膜電極接合体（MEA３）を形成し、その機能は電気化学反応とプロトン伝達である。ガス拡散層２１０と２１２は燃料と反応生成物の拡散、及び電子伝達でき、その材質は織布、不織布のカーボン布およびカーボン紙から選ばれる少なくとも１種である。第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは、ホールを有することで、表面粗度を増加し、プロトン交換膜２００と嵌め合い、固定しやすくすることを特徴とし、その材質はガラス繊維布、化学繊維布、および粗面化金属板から選ばれる少なくとも１種である。粘着材料２１８ａ〜２１８ｄ、または２１８ａ１〜２１８ｄ１の材料は熱溶融性、熱硬化性の高分子薄膜および液状接着剤から選ばれる少なくとも１種である。例えば、エポキシ樹脂、または鎖状低密度ポリエチレン（LLPDE）などは、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を充填する機能を有し、燃料漏れを避け、または第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄの接着固定を促進することができる。本発明の幾つかの実施例において、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄは剛性を有し、プレスした製品を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができる。第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄの材料はテレフタル酸ポリエチレン（PET）、ＦＲ５ガラス繊維高分子材料、熱可塑性ポリウレタン樹脂（TPU）、ポリエチレン（PE）、二軸延伸ポリプロピレン（BOPP）およびポリプロピレン（PP）から選ばれる少なくとも１種を含む。第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄは燃料耐腐食性の特性を有する。緩衝層２３０ａ〜２３０ｄの材料はシリコンゴム（silicon rubber）、またはフッ素化エチレンプロピレン（FEP）などの熱溶融性プラスチックを含む。
【００１９】
図２〜図６は本発明の実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａの製造プロセスの断面図である。図２を参考すると、まず、組合わせが完成された三層膜電極接合体２６０（3-layers membrane -electrode -assembly,MEA３）を提供する。本発明の実施例において、三層膜電極接合体２６０は、一対の電極２０６と２０８及び電極２０６と２０８との間に挟まれて設置されたプロトン交換膜２００を含み、そのプロトン交換膜２００の二つのターミナル２２２ａと２２２ｂ、及びターミナル２２２ａと２２２ｂに隣接する第一表面２０２と相対する第二表面２０４は、電極２０６と２０８から露出する。本発明の一つの実施例において、アラインメント及びホットプレスプロセスを利用して三層膜電極接合体２６０を形成する。
【００２０】
次に、図３を参考すると、三層膜電極接合体２６０と一対のガス拡散層をプレス機に置かれ、三層膜電極接合体２６０は一対のガス拡散層２１０と２１２との間に位置し、プレス、またはフィルム付着プロセスを含む第一固定工程を行わせ、一対のガス拡散層２１０と２１２を電極２０６と２０８上にそれぞれ固定し、五層膜電極接合体２６４（5-layers membrane -electrode -assembly,MEA5）を形成させる。
【００２１】
図１０は本発明の一つの実施例の粘着材料と第一ボーダー材料層の前処理を表しており、粘着材料と第一ボーダー材料層の厚みが比較的に薄くて取りづらいため、プレス、貼付け、コーティング、スクリーン印刷、噴霧プロセスなどの固定方式によって、まず、複数の粘着材料２１８ａ〜２１８ｄをホール２５０を有する複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄ上に固定することによって、アラインメントの困難度を減少させる。粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０に充填する。次に、図４を参考すると、五層膜電極接合体２６４と粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄがプレス機に置かれ、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは露出された第一表面２０２と第二表面２０４上に位置する。
【００２２】
次に、図５を参考すると、例えば、プレス、またはフィルム付着プロセスを含む第二固定工程を行い、複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれはめ込み、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を通り抜けてプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４と接触する。上記の製造プロセスを経過した後、本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａを形成し、また、七層膜電極接合体（7-layers membrane -electrode -assembly,MEA7）と称する。
【００２３】
次に、図６を参考すると、直接メタノール燃料電池構造５００ａを二層の流れ板（Flow board）２７０との間に固定し、直接メタノール燃料電池スタック構造を形成させる。
【００２４】
本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａは、ホール２５０を有する第一ボーダー材料層（Border Material）２１４ａ〜２１４ｄを増加し、表面粗さの物理原理を利用してプロトン交換膜２００と嵌め合い固定することによって、二者との間の結合強度は大いに増加されると同時に、形成された七層膜電極接合体（MEA7）５００ａは、次の製造工程において、流れ板とのスタック、または、複数の膜電極接合体をスタックするなどのスタック製造工程の簡略化の助けとなる。もう一つ、プロトン交換膜２００上は、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをすでにはめ込んだことから、プロトン交換膜２００が変形し難くすることができるので、公知技術において、プロトン交換膜の膨張収縮による電池漏れの問題を減少することができる。
【００２５】
また、本発明のもう一つの実施例において、一つの固定工程を利用して、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを有する複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれはめ込むと同時に、一対のガス拡散層２１０と２１２を三層膜電極接合体２６０の電極２０６と２０８上に固定し、図１ｂに示すような本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｂを形成させ、また、七層膜電極接合体（MEA7）５００ｂと称する。図１ｂに示すように、直接メタノール燃料電池構造５００ｂの第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄの一部と粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１はガス拡散層２１０と２１２との間に挟まれて設置し、粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１は、固定工程期間において、ガス拡散層２１０と２１２と接合する。直接メタノール燃料電池構造５００ｂにおいて、三層膜電極接合体２６０のプロトン交換膜２００は、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄによって、ガス拡散層２１０と２１２と接合する。直接メタノール燃料電池構造５００ａと比べて、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｂは、単に一つの固定工程だけを使用すれば、七層膜電極接合体（MEA7）を形成することができる。
【００２６】
図７〜図９は本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｃの製造プロセスの断面図である。上記の図面において、各部材が図２〜図６に示すような類似または同一の部分があれば、前の関連する記述を参考し、ここで繰り返して述べない。
【００２７】
図７を参考すると、５層膜電極接合体（MEA5）２６４を形成した後、５層膜電極接合体（MEA5）２６４を図５に示したような製造プロセスで形成された粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと複数の第二ボーダー材料層２１６ａ〜２１６ｄをプレス機に置き、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは露出された第一表面２０２と第二表面２０４上方に位置する。また、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄ上方にそれぞれ位置する。
【００２８】
次に、図８を参考すると、例えば、プレス、またはフィルム付着プロセスを含む第二固定工程を行い、複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれはめ込み、且つ、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄを粘着材料２１８ａ〜２１８ｄ上にそれぞれ固定する。図７に示すように、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を通り抜けてプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４と接触する。上記の製造プロセスを経過した後、図１ｃに示すような本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｃを形成し、また、七層膜電極接合体（MEA7）５００ｃと称する。第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄ上に、剛性、または可撓性を有する第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄを更に設置することによって、製作された七層膜電極接合体（MEA7）を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができ、または流れ板と緊密に貼り付けることで燃料漏れを避けることができる。
【００２９】
次に、図９を参考すると、直接メタノール燃料電池構造５００ｃを二層の流れ板（Flow board）２７０との間に固定し、もう一つの直接メタノール燃料電池スタック構造を形成させる。
【００３０】
また、本発明のまたもう一つの実施例において、第二固定工程を行っている時に、更に、複数の緩衝層２３０ａ〜２３０ｄを第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄ上にそれぞれ設置することができる。上記の製造プロセスを経過した後、図１ｄに示すような本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｄを形成し、また、七層膜電極接合体（MEA7）５００ｄと称する。直接メタノール燃料電池構造５００ｄの緩衝層２３０ａ〜２３０ｄは外側流れ板との密封度を大いに増加することができる。
【００３１】
本発明の実施例は直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法を提供し、プロトン交換膜に隣接する第一ボーダー材料層はホールを有し、その表面粗度を利用することでプロトン交換膜と緊密にはめ合わせ、二者との接合強度を大いに増加させることによって、よく使われる固定製造プロセスで七層膜電極接合体（MEA7）を製造することができ、メタノール燃料電池の製造プロセスを大いに簡略化することができると同時に、組立のミスアラインメントによる信頼度の低下を避けることができる。幾つかの実施例において、第一ボーダー材料層上に、剛性を有する第二ボーダー材料層を設置することによって、製造された七層膜電極接合体（MEA7）を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができ、または流れ板と緊密に貼り付けることで燃料漏れを避けることができる。または、第二ボーダー材料層上に緩衝層を設置することで流れ板との密封度を増加させることができる。
【００３２】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、図または説明書の説明では、類似または同一の部分は、同一の符号を用いている。また、図では、実施例の形状または厚さは拡大することができ、標示を簡易化することができる。また、図中の各素子の部分はそれぞれ説明されるが注意するのは、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
【符号の説明】
【００３３】
２００ プロトン交換膜
２０２ 第一表面
２０４ 第二表面
２０６、２０８ 電極
２１０、２１２ ガス拡散層
２１４、２１４ａ〜２１４ｄ 第一ボーダー材料層
２１８、２１８ａ〜２１８ｄ、２１８ａ１〜２１８ｄ１ 粘着材料
２２２ａ、２２２ｂ ターミナル
２２６ａ〜２２６ｄ 第二ボーダー材料層
２３０ａ〜２３０ｄ 緩衝層
２５０ ホール
２６０ 三層膜電極接合体
２６４ 五層膜電極接合体
２７０ 流れ板
５００ａ〜５００ｄ 直接メタノール燃料電池構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法に関し、特に、直接メタノール燃料電池構造の七層膜電極接合体（MEA7）及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３Ｃ（コンピューター、通信用電気機器、家庭用電化製品）の電子製品は日に日に新しく発展することから、機能の要求に応じて電力に対する要求もますます大きくなる。電池の要求に対して軽く、薄くする必要がある以外に、更に高い安全性と便利性が必要である。電池の大きさ、重さが電子製品の使用時間の長さ及び体積、重量の大きさに直接影響する。よって、燃料電池は、３Ｃの電子製品にとって徐々に重要な役割を果たす。
【０００３】
メタノールを使用して、燃料の直接メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell,以下、DMFCと称する）とする。その液状燃料エネルギーは５０００Whr/Lに達し、メタノールを使って水素に取り替え燃料とし、陽極において、化学反応で生じたプロトンと電子は、プロトン交換膜と外部回路のそれぞれによって、陰極に達する。従来のＤＭＦＣにおけるプロトン交換膜は長期にわたってメタノール水溶液と接触しているため、メタノール燃料は陽極から陰極までに浸透するので、陰極触媒の有毒化と性能の低下を招く。よって、このような現象を減少するために、従来技術の大半は、厚さが比較的に厚い(例えば、５ミル（mil）と７ミル（mil）)プロトン交換膜を使用する。
【０００４】
公知のＤＭＦＣのスタック構造（Stack）は、少なくとも１０枚〜２０枚以上の膜電極（membrane-electrode-assembly、以下MEAと称する）と、対応するガス拡散層（GDL）と、流れ板（Flow board）などの部材から積み重ねられて構成され、ＤＭＦＣのスタック構造が組立プロセスにおいて、ミスアラインメントによるスタック構造の漏出を減少するために、まず、MEAとガス拡散層（GDL）から構成される五層膜電極接合体（MEA５）の製造を希望することで、組立を容易にさせる。しかし、厚みの比較的に厚いプロトン交換膜は触媒の有毒化の問題を減少することができるが、材料自身が吸水膨張（サイズの変化が大きい）し易いことで、五層膜電極接合体（MEA5）と流れ板（Flow board）が完全に密封することができない。且つ、フッ素炭素材料のプロトン交換膜は化学安定の特性を有するので、よく見かけるエポキシ樹脂、シリコンゴム、アクリル膠などはいずれもそれと粘着することができない。故に、公知技術では、先にＭＥＡ、ガス拡散層（GDL）、及び流れ板（Flow board）、またはパッケージ材料をモジュールし、製造プロセスを簡略化させることができない。
【０００５】
この技術領域において、上述の欠点を改善するために、直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０１０３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これに鑑み、本発明の一つの実施例は直接メタノール燃料電池構造を提供し、前記直接メタノール燃料電池構造は第一表面と相対する第二表面とを有し、一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜と、
前記一対の電極上にそれぞれ設置される一対のガス拡散層と、
露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、複数のホールを有する複数の第一ボーダー材料層と、前記複数の第一ボーダー材料層上にそれぞれ固定されると同時に、前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する複数の粘着材料と、を含み、前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記複数のターミナルに隣接する第一表面と第二表面の一部は前記一対の電極から露出している。
【０００９】
本発明のもう一つの実施例は直接メタノール燃料電池構造の製造方法を提供し、前記直接メタノール燃料電池構造の製造方法は一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定する第一固定工程を行うステップと、複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第二固定工程を行うステップとを含み、前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記複数のターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する。
【００１０】
本発明のまたもう一つの実施例は直接メタノール燃料電池構造の製造方法を提供し、前記直接メタノール燃料電池構造の製造方法は一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれると同時に、一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定し、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第一固定工程を行うステップとを含み、前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記複数のターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法によればメタノール燃料電池の製造プロセスを大いに簡略化することができると同時に、組立のミスアラインメントによる信頼度の低下を避けることができる。また、第一ボーダー材料層上に、剛性を有する第二ボーダー材料層を設置することによって、製造された七層膜電極接合体（MEA7）を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができ、または流れ板と緊密に貼り付けることで燃料漏れを避けることができる。または、第二ボーダー材料層上に緩衝層を設置することで流れ板との密封度を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図１ｂ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図１ｃ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図１ｄ】本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。
【図２】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図３】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図４】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図５】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図６】本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図７】本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図８】本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図９】本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造の製造プロセス断面図である。
【図１０】本発明の一つの実施例の粘着材料と第一ボーダー材料層の前処理である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
図１ａ〜図１ｄは本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造の断面図である。本発明の異なる実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａ〜５００ｄである。図１ａに示すように、本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａの主な部材は、第一表面２０２と相対する第二表面２０４を有するプロトン交換膜２００を含み、プロトン交換膜２００は一対の電極２０６と２０８との間に挟まれて設置され、プロトン交換膜２００の二つのターミナル２２２ａと２２２ｂ、及びターミナル２２２ａと２２２ｂに隣接する第一表面２０２と第二表面２０４の一部は、電極２０６と２０８から露出する。一対のガス拡散層２１０と２１２は、電極２０６と２０８上にそれぞれ設置する。複数の第一ボーダー材料層（Border Material）２１４ａ〜２１４ｄは、例えば、ホットプレスによって、プロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、その第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは複数のホール２５０を有する。なお、前記第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄがプロトン交換膜２００に物理的にはめ込むこととは、プロトン交換膜２００の一部が第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０に絞られて互いに固定することである。これにより、プロトン交換膜２００の上に第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄが固定される。直接メタノール燃料電池構造５００ａは複数の粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを更に含み、第一ボーダー材料層層２１４ａ〜２１４ｄ上にそれぞれ固定し、且つ第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を通り抜けてプロトン交換膜２００の第一表面２０２と第二表面２０４と接触する。また、直接メタノール燃料電池構造５００ａの第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと粘着材料２１８ａ〜２１８ｄはガス拡散層２１０と２１２と接触していない。
【００１５】
図１ｂに示すように、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｂであり、直接メタノール燃料電池構造５００ａと異なる所は、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄの一部と粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１の一部はガス拡散層２１０と２１２との間に挟まれて設置し、且つ、粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１は、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄとガス拡散層２１０と２１２と同時に接合する。
【００１６】
図１ｃに示すように、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｃであり、直接メタノール燃料電池構造５００ａと異なる所は、直接メタノール燃料電池構造５００ｃは、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄ上にそれぞれ設置される複数の第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄを更に含む。図１ｃに示すように、直接メタノール燃料電池構造５００ｃの粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄと同時に接合する。また、直接メタノール燃料電池構造５００ｃの第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄと、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄはガス拡散層２１０と２１２と接触していない。
【００１７】
図１ｄに示すように、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｄであり、直接メタノール燃料電池構造５００ａと異なる所は、直接メタノール燃料電池構造５００ｄは、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄ上にそれぞれ設置される複数の緩衝層２３０ａ〜２３０ｄを更に含む。図１ｄに示すように、緩衝層２３０ａ〜２３０ｄは外側流れ板（Flow board）との密封の効果を増加するのに用いられる。また、直接メタノール燃料電池構造５００ｄの粘着材料２１８ａ〜２１８ｄと、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄと、緩衝層２３０ａ〜２３０ｄはガス拡散層２１０と２１２と接触していない。
【００１８】
本発明の実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａ〜５００ｄにおいて、電極２０６と２０８はそれぞれ電気化学的陽極触媒と電気化学的陰極触媒に形成された陽極電極と陰極電極である。プロトン交換膜２００と電極２０６と２０８は三層膜電極接合体（MEA３）を形成し、その機能は電気化学反応とプロトン伝達である。ガス拡散層２１０と２１２は燃料と反応生成物の拡散、及び電子伝達でき、その材質は織布、不織布のカーボン布およびカーボン紙から選ばれる少なくとも１種である。第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは、ホールを有することで、表面粗度を増加し、プロトン交換膜２００と嵌め合い、固定しやすくすることを特徴とし、その材質はガラス繊維布、化学繊維布、および粗面化金属板から選ばれる少なくとも１種である。粘着材料２１８ａ〜２１８ｄ、または２１８ａ１〜２１８ｄ１の材料は熱溶融性、熱硬化性の高分子薄膜および液状接着剤から選ばれる少なくとも１種である。例えば、エポキシ樹脂、または鎖状低密度ポリエチレン（LLPDE）などは、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を充填する機能を有し、燃料漏れを避け、または第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄの接着固定を促進することができる。本発明の幾つかの実施例において、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄは剛性を有し、プレスした製品を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができる。第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄの材料はテレフタル酸ポリエチレン（PET）、ＦＲ５ガラス繊維高分子材料、熱可塑性ポリウレタン樹脂（TPU）、ポリエチレン（PE）、二軸延伸ポリプロピレン（BOPP）およびポリプロピレン（PP）から選ばれる少なくとも１種を含む。第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄは燃料耐腐食性の特性を有する。緩衝層２３０ａ〜２３０ｄの材料はシリコンゴム（silicon rubber）、またはフッ素化エチレンプロピレン（FEP）などの熱溶融性プラスチックを含む。
【００１９】
図２〜図６は本発明の実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａの製造プロセスの断面図である。図２を参考すると、まず、組合わせが完成された三層膜電極接合体２６０（3-layers membrane -electrode -assembly,MEA３）を提供する。本発明の実施例において、三層膜電極接合体２６０は、一対の電極２０６と２０８及び電極２０６と２０８との間に挟まれて設置されたプロトン交換膜２００を含み、そのプロトン交換膜２００の二つのターミナル２２２ａと２２２ｂ、及びターミナル２２２ａと２２２ｂに隣接する第一表面２０２と相対する第二表面２０４は、電極２０６と２０８から露出する。本発明の一つの実施例において、アラインメント及びホットプレスプロセスを利用して三層膜電極接合体２６０を形成する。
【００２０】
次に、図３を参考すると、三層膜電極接合体２６０と一対のガス拡散層をプレス機に置かれ、三層膜電極接合体２６０は一対のガス拡散層２１０と２１２との間に位置し、プレス、またはフィルム付着プロセスを含む第一固定工程を行わせ、一対のガス拡散層２１０と２１２を電極２０６と２０８上にそれぞれ固定し、五層膜電極接合体２６４（5-layers membrane -electrode -assembly,MEA5）を形成させる。
【００２１】
図１０は本発明の一つの実施例の粘着材料と第一ボーダー材料層の前処理を表しており、粘着材料と第一ボーダー材料層の厚みが比較的に薄くて取りづらいため、プレス、貼付け、コーティング、スクリーン印刷、噴霧プロセスなどの固定方式によって、まず、複数の粘着材料２１８ａ〜２１８ｄをホール２５０を有する複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄ上に固定することによって、アラインメントの困難度を減少させる。粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０に充填する。次に、図４を参考すると、五層膜電極接合体２６４と粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄがプレス機に置かれ、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは露出された第一表面２０２と第二表面２０４上に位置する。
【００２２】
次に、図５を参考すると、例えば、プレス、またはフィルム付着プロセスを含む第二固定工程を行い、複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれはめ込み、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を通り抜けてプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４と接触する。上記の製造プロセスを経過した後、本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａを形成し、また、七層膜電極接合体（7-layers membrane -electrode -assembly,MEA7）と称する。
【００２３】
次に、図６を参考すると、直接メタノール燃料電池構造５００ａを二層の流れ板（Flow board）２７０との間に固定し、直接メタノール燃料電池スタック構造を形成させる。
【００２４】
本発明の一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ａは、ホール２５０を有する第一ボーダー材料層（Border Material）２１４ａ〜２１４ｄを増加し、表面粗さの物理原理を利用してプロトン交換膜２００と嵌め合い固定することによって、二者との間の結合強度は大いに増加されると同時に、形成された七層膜電極接合体（MEA7）５００ａは、次の製造工程において、流れ板とのスタック、または、複数の膜電極接合体をスタックするなどのスタック製造工程の簡略化の助けとなる。もう一つ、プロトン交換膜２００上は、第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをすでにはめ込んだことから、プロトン交換膜２００が変形し難くすることができるので、公知技術において、プロトン交換膜の膨張収縮による電池漏れの問題を減少することができる。
【００２５】
また、本発明のもう一つの実施例において、一つの固定工程を利用して、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを有する複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれはめ込むと同時に、一対のガス拡散層２１０と２１２を三層膜電極接合体２６０の電極２０６と２０８上に固定し、図１ｂに示すような本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｂを形成させ、また、七層膜電極接合体（MEA7）５００ｂと称する。図１ｂに示すように、直接メタノール燃料電池構造５００ｂの第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄの一部と粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１はガス拡散層２１０と２１２との間に挟まれて設置し、粘着材料２１８ａ１〜２１８ｄ１は、固定工程期間において、ガス拡散層２１０と２１２と接合する。直接メタノール燃料電池構造５００ｂにおいて、三層膜電極接合体２６０のプロトン交換膜２００は、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄによって、ガス拡散層２１０と２１２と接合する。直接メタノール燃料電池構造５００ａと比べて、本発明のもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｂは、単に一つの固定工程だけを使用すれば、七層膜電極接合体（MEA7）を形成することができる。
【００２６】
図７〜図９は本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｃの製造プロセスの断面図である。上記の図面において、各部材が図２〜図６に示すような類似または同一の部分があれば、前の関連する記述を参考し、ここで繰り返して述べない。
【００２７】
図７を参考すると、５層膜電極接合体（MEA5）２６４を形成した後、５層膜電極接合体（MEA5）２６４を図５に示したような製造プロセスで形成された粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄと複数の第二ボーダー材料層２１６ａ〜２１６ｄをプレス機に置き、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄを固定した第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄは露出された第一表面２０２と第二表面２０４上方に位置する。また、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄ上方にそれぞれ位置する。
【００２８】
次に、図８を参考すると、例えば、プレス、またはフィルム付着プロセスを含む第二固定工程を行い、複数の第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄをプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４上にそれぞれはめ込み、且つ、第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄを粘着材料２１８ａ〜２１８ｄ上にそれぞれ固定する。図７に示すように、粘着材料２１８ａ〜２１８ｄは第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄのホール２５０を通り抜けてプロトン交換膜２００に露出された第一表面２０２と第二表面２０４と接触する。上記の製造プロセスを経過した後、図１ｃに示すような本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｃを形成し、また、七層膜電極接合体（MEA7）５００ｃと称する。第一ボーダー材料層２１４ａ〜２１４ｄ上に、剛性、または可撓性を有する第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄを更に設置することによって、製作された七層膜電極接合体（MEA7）を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができ、または流れ板と緊密に貼り付けることで燃料漏れを避けることができる。
【００２９】
次に、図９を参考すると、直接メタノール燃料電池構造５００ｃを二層の流れ板（Flow board）２７０との間に固定し、もう一つの直接メタノール燃料電池スタック構造を形成させる。
【００３０】
また、本発明のまたもう一つの実施例において、第二固定工程を行っている時に、更に、複数の緩衝層２３０ａ〜２３０ｄを第二ボーダー材料層２２６ａ〜２２６ｄ上にそれぞれ設置することができる。上記の製造プロセスを経過した後、図１ｄに示すような本発明のまたもう一つの実施例の直接メタノール燃料電池構造５００ｄを形成し、また、七層膜電極接合体（MEA7）５００ｄと称する。直接メタノール燃料電池構造５００ｄの緩衝層２３０ａ〜２３０ｄは外側流れ板との密封度を大いに増加することができる。
【００３１】
本発明の実施例は直接メタノール燃料電池構造及びその製造方法を提供し、プロトン交換膜に隣接する第一ボーダー材料層はホールを有し、その表面粗度を利用することでプロトン交換膜と緊密にはめ合わせ、二者との接合強度を大いに増加させることによって、よく使われる固定製造プロセスで七層膜電極接合体（MEA7）を製造することができ、メタノール燃料電池の製造プロセスを大いに簡略化することができると同時に、組立のミスアラインメントによる信頼度の低下を避けることができる。幾つかの実施例において、第一ボーダー材料層上に、剛性を有する第二ボーダー材料層を設置することによって、製造された七層膜電極接合体（MEA7）を取り易くさせ、及び応力による変形を減少させることができ、または流れ板と緊密に貼り付けることで燃料漏れを避けることができる。または、第二ボーダー材料層上に緩衝層を設置することで流れ板との密封度を増加させることができる。
【００３２】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、図または説明書の説明では、類似または同一の部分は、同一の符号を用いている。また、図では、実施例の形状または厚さは拡大することができ、標示を簡易化することができる。また、図中の各素子の部分はそれぞれ説明されるが注意するのは、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
【符号の説明】
【００３３】
２００ プロトン交換膜
２０２ 第一表面
２０４ 第二表面
２０６、２０８ 電極
２１０、２１２ ガス拡散層
２１４、２１４ａ〜２１４ｄ 第一ボーダー材料層
２１８、２１８ａ〜２１８ｄ、２１８ａ１〜２１８ｄ１ 粘着材料
２２２ａ、２２２ｂ ターミナル
２２６ａ〜２２６ｄ 第二ボーダー材料層
２３０ａ〜２３０ｄ 緩衝層
２５０ ホール
２６０ 三層膜電極接合体
２６４ 五層膜電極接合体
２７０ 流れ板
５００ａ〜５００ｄ 直接メタノール燃料電池構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一表面と相対する第二表面とを有し、一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜と、
前記一対の電極上にそれぞれ設置される一対のガス拡散層と、
露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、複数のホールを有する複数の第一ボーダー材料層と、
前記複数の第一ボーダー材料層上にそれぞれ固定されると同時に、前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する複数の粘着材料と、を含み、
前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記ターミナルに隣接する前記第一表面と前記第二表面の一部は前記一対の電極から露出している直接メタノール燃料電池構造。
【請求項２】
前記複数の第一ボーダー材料層は、ガラス繊維布、化学繊維布および粗面化金属板から選ばれる少なくともいずれか１種を含む請求項１に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項３】
前記プロトン交換膜は前記複数の粘着材料によって、前記一対のガス拡散層と接合する請求項１または２に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項４】
前記複数の粘着材料は、エポキシ樹脂、または鎖状低密度ポリエチレンを含む請求項１〜３のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項５】
前記複数の粘着材料上にそれぞれ設置される複数の第二ボーダー材料層を更に含む請求項１〜４のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項６】
前記複数の第二ボーダー材料層はテレフタル酸ポリエチレン（PET）、ＦＲ５ガラス繊維高分子材料、熱可塑性ポリウレタン樹脂（TPU）、ポリエチレン（PE）、二軸延伸ポリプロピレン（BOPP）およびポリプロピレン（PP）から選ばれる少なくとも１種を含む請求項５に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項７】
前記複数の第二ボーダー材料層上にそれぞれ設置される複数の緩衝層を更に含む請求項５または６に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項８】
前記複数の緩衝層はシリコンゴム、またはフッ素化エチレンプロピレンを含む請求項７に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項９】
前記複数の粘着材料と、前記複数の第二ボーダー材料層と、前記複数の緩衝層は前記複数のガス拡散層と接触していない請求項７または８に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項１０】
一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、
一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定する第一固定工程を行うステップと、
複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第二固定工程を行うステップと、を含み、
前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記ターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１１】
前記第一固定工程と前記第二固定工程はプレス、またはフィルム付着プロセスを含む請求項１０に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１２】
前記複数の粘着材料はプレス、貼付け、コーティング、スクリーン印刷、または噴霧プロセスによって前記複数の第一ボーダー材料層上に固定する請求項１０または１１に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１３】
前記第二固定工程は前記複数の粘着材料上にそれぞれ固定される複数の第二ボーダー材料層を更に含む請求項１０〜１２のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１４】
前記第二固定工程は第二ボーダー材料層上にそれぞれ固定される複数の緩衝層を更に含む請求項１３に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１５】
前記複数の粘着材料と、前記複数の第二ボーダー材料層と、前記複数の緩衝層は前記複数のガス拡散層と接触していない請求項１４に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１６】
一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、
複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれると同時に、一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定し、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第一固定工程を行うステップと、を含み、
前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記ターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１７】
前記第一固定工程はプレス、またはフィルム付着プロセスを含む請求項１６に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１８】
前記複数の第一ボーダー材料層の一部と前記複数の粘着材料の一部は前記一対のガス拡散層との間にある請求項１６または１７に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１９】
前記プロトン交換膜は前記複数の粘着材料によって、前記一対のガス拡散層と接合する請求項１６〜１８のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１】
第一表面と相対する第二表面とを有し、一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜と、
前記一対の電極上にそれぞれ設置される一対のガス拡散層と、
露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、複数のホールを有する複数の第一ボーダー材料層と、
前記複数の第一ボーダー材料層上にそれぞれ固定されると同時に、前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する複数の粘着材料と、を含み、
前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記ターミナルに隣接する前記第一表面と前記第二表面の一部は前記一対の電極から露出している直接メタノール燃料電池構造。
【請求項２】
前記複数の第一ボーダー材料層は、ガラス繊維布、化学繊維布および粗面化金属板から選ばれる少なくともいずれか１種を含む請求項１に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項３】
前記プロトン交換膜は前記複数の粘着材料によって、前記一対のガス拡散層と接合する請求項１または２に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項４】
前記複数の粘着材料は、エポキシ樹脂、または鎖状低密度ポリエチレンを含む請求項１〜３のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項５】
前記複数の粘着材料上にそれぞれ設置される複数の第二ボーダー材料層を更に含む請求項１〜４のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項６】
前記複数の第二ボーダー材料層はテレフタル酸ポリエチレン（PET）、ＦＲ５ガラス繊維高分子材料、熱可塑性ポリウレタン樹脂（TPU）、ポリエチレン（PE）、二軸延伸ポリプロピレン（BOPP）およびポリプロピレン（PP）から選ばれる少なくとも１種を含む請求項５に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項７】
前記複数の第二ボーダー材料層上にそれぞれ設置される複数の緩衝層を更に含む請求項５または６に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項８】
前記複数の緩衝層はシリコンゴム、またはフッ素化エチレンプロピレンを含む請求項７に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項９】
前記複数の粘着材料と、前記複数の第二ボーダー材料層と、前記複数の緩衝層は前記複数のガス拡散層と接触していない請求項７または８に記載の直接メタノール燃料電池構造。
【請求項１０】
一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、
一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定する第一固定工程を行うステップと、
複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれ、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第二固定工程を行うステップと、を含み、
前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記ターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１１】
前記第一固定工程と前記第二固定工程はプレス、またはフィルム付着プロセスを含む請求項１０に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１２】
前記複数の粘着材料はプレス、貼付け、コーティング、スクリーン印刷、または噴霧プロセスによって前記複数の第一ボーダー材料層上に固定する請求項１０または１１に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１３】
前記第二固定工程は前記複数の粘着材料上にそれぞれ固定される複数の第二ボーダー材料層を更に含む請求項１０〜１２のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１４】
前記第二固定工程は第二ボーダー材料層上にそれぞれ固定される複数の緩衝層を更に含む請求項１３に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１５】
前記複数の粘着材料と、前記複数の第二ボーダー材料層と、前記複数の緩衝層は前記複数のガス拡散層と接触していない請求項１４に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１６】
一対の電極及び前記一対の電極との間に挟まれて設置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体を提供するステップと、
複数の第一ボーダー材料層を露出された前記第一表面と前記第二表面上にそれぞれ物理的にはめ込まれると同時に、一対のガス拡散層を前記一対の電極上に固定し、前記複数の第一ボーダー材料層は複数のホールを有し、前記複数の第一ボーダー材料層はその上に固定される複数の粘着材料を更に含み、前記複数の粘着材料は前記複数のボーダー材料層の前記複数のホールを通り抜けて前記プロトン交換膜の前記第一表面と前記第二表面と接触する第一固定工程を行うステップと、を含み、
前記プロトン交換膜の二つのターミナルと前記ターミナルに隣接する第一表面と相対する第二表面は前記一対の電極から露出する直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１７】
前記第一固定工程はプレス、またはフィルム付着プロセスを含む請求項１６に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１８】
前記複数の第一ボーダー材料層の一部と前記複数の粘着材料の一部は前記一対のガス拡散層との間にある請求項１６または１７に記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【請求項１９】
前記プロトン交換膜は前記複数の粘着材料によって、前記一対のガス拡散層と接合する請求項１６〜１８のいずれかに記載の直接メタノール燃料電池構造の製造方法。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１３８７５７（Ｐ２０１１−１３８７５７Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５５２３６（Ｐ２０１０−２５５２３６）
【出願日】平成２２年１１月１５日（２０１０．１１．１５）
【出願人】（５０６３０１２１０）南亞電路板股▲ふん▼有限公司 (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１５日（２０１０．１１．１５）
【出願人】（５０６３０１２１０）南亞電路板股▲ふん▼有限公司 (24)
【Ｆターム（参考）】
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