專利名稱：燃料電池的隔板及其制備方法以及包括它的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池的隔板，其制備方法，及包括它的燃料電池。更具體地，本發(fā)明涉及一種燃料電池的隔板，所述隔板能夠容易排水，其制備方法，及包括所述隔板的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是直接由包含在碳?xì)浠衔锊牧先缂状?、乙醇和天然氣中的氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的裝置。
基于所使用的電解液，燃料電池可以分為下列類型中的一種磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型、聚合物電解液型或堿性。雖然每個(gè)燃料電池根據(jù)相同的基本原理運(yùn)行，但是燃料電池的類型可以決定燃料的種類、操作溫度、催化劑和電解液。
最近，已經(jīng)開發(fā)出聚合物電解液膜燃料電池(PEMFC)，所述燃料電池具有比常規(guī)的燃料電池更好的功率特性，更低的操作溫度和快速啟動(dòng)和反應(yīng)特性。該燃料電池有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兛梢詰?yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域如汽車的可移動(dòng)電源、家庭和公共建筑的分散電源及電子裝置的小電源。
聚合物電解液燃料電池基本上由電池組，重整器，燃料罐及燃料泵組成。燃料泵將儲存在燃料罐中的燃料供應(yīng)到重整器中。重整器重整燃料，產(chǎn)生氫氣。將氫氣供應(yīng)到電池組中，在電池組中氫氣與氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
在燃料電池系統(tǒng)中實(shí)質(zhì)上發(fā)電的電池組具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)單元電池彼此堆疊，每個(gè)單元電池具有膜電極組件(MEA)及與膜電極組件兩側(cè)接觸布置的隔板。燃料電池系統(tǒng)包括幾個(gè)到幾十個(gè)單元電池。膜電極組件的結(jié)構(gòu)中，陽極和陰極彼此附著，聚合物電解液膜位于兩者之間。隔板使膜電極組件相互分隔，并分別提供將燃料電池反應(yīng)所需的氫氣和氧供應(yīng)到每個(gè)膜電極組件的陽極和陰極的通道。隔板也充當(dāng)連續(xù)地連接膜電極組件的陽極和陰極的導(dǎo)體。
因此，陽極經(jīng)隔板接受氫氣，而陰極經(jīng)隔板接受氧。在這個(gè)過程中，氫氣的氧化反應(yīng)發(fā)生在陽極，氧的還原反應(yīng)發(fā)生在陰極。反應(yīng)產(chǎn)生的電子的流動(dòng)就產(chǎn)生電，而熱和水作為副產(chǎn)品產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，提供一種燃料電池的隔板，所述燃料電池能夠容易排出燃料電池運(yùn)行中產(chǎn)生的水。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，提供一種包括所述隔板的燃料電池。
本發(fā)明的隔板包括基材，所述基材帶有形成在其上的流程通道，及形成在所述流程通道中的憎水涂層。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式提供一種燃料電池，所述燃料電池包括至少一種膜電極組件，所述膜電極組件包括彼此相對的陽極和陰極及布置在陽極和陰極之間的聚合物電解液膜，及隔板，所述隔板帶有供應(yīng)流體到膜電極組件的電極的流程通道，供應(yīng)無論是氫或任何其它的燃料源到陽極，或者空氣或任何其它的氧源到陰極，其中隔板包括帶有一個(gè)或多個(gè)流程通道的基材，而憎水涂層形成在所述一個(gè)或多個(gè)流程通道中。


引入說明書并構(gòu)成說明書的一部分的附圖，圖解說明本發(fā)明的實(shí)施方式，并與說明部分一起用于解釋本發(fā)明的原理，附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的隔板的剖視圖；圖2為本發(fā)明的包括所述隔板的燃料電池的運(yùn)行示意圖；及圖3為單獨(dú)描述本發(fā)明實(shí)施例1和對比例1的包括隔板的燃料電池的電池特性圖。
具體實(shí)施例方式
在下面的詳述中，僅用舉例說明的方法描述了本發(fā)明的某些實(shí)施方式。將會意識到，本發(fā)明能夠在各個(gè)方面進(jìn)行修改，而不脫離本發(fā)明。因此，實(shí)際上認(rèn)為附圖和說明部分是說明性的，而不是限制性的。
燃料電池系統(tǒng)的隔板使多個(gè)膜電極組件相互分離，并分別提供燃料電池中反應(yīng)所需的氫氣和氧到膜電極組件的陽極和陰極的路徑，并充當(dāng)連續(xù)地連接膜電極組件的陽極和陰極的導(dǎo)體。
隔板應(yīng)該具有強(qiáng)耐蝕性且沒有氣體滲透性。它們也應(yīng)該能夠容易排出運(yùn)行時(shí)在陰極產(chǎn)生的水。在本發(fā)明中，憎水涂層形成在隔板的流程通道中，以更好地排水。如圖1所示，每個(gè)隔板包括基材16，所述基材16包括多個(gè)肋條12，所述肋條12界定多個(gè)流程通道14。所述流程通道14的表面涂有憎水涂層10，但是肋條12的表面沒有涂布。簡而言之，本發(fā)明的隔板包括基材16，所述基材16帶有形成在其上的流程通道14和形成在流程通道14中的憎水涂層10。
基材16的適宜的材料包括金屬，石墨和碳-樹脂復(fù)合物。適宜的金屬包括不銹鋼，鋁，鈦和銅，但是本發(fā)明并不限于此。適宜的碳-樹脂復(fù)合物包括環(huán)氧基樹脂、酯基樹脂、乙烯基酯基樹脂和尿素樹脂，與碳如石墨。
通過用材料如氟基樹脂組合物僅涂布基材的流程通道，形成所述憎水涂層10。適宜的氟基樹脂組合物包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和氟化乙烯丙烯(FEP)?？梢允褂萌軇┤鏝-甲基-2-吡咯烷酮和二甲基乙酰胺涂布氟基樹脂組合物。也可以利用同時(shí)帶有憎水基和親水基的表面活性劑，將氟基樹脂組合物提供為分散在水中的乳濁液。涂布過程可以用任何方法進(jìn)行，只要該方法可以選擇性地僅涂布流程通道。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，提供憎水涂層10的厚度為1～100μm。如果憎水涂層薄于1μm，那么由于燃料電池的運(yùn)行和停止時(shí)引起的溫度變化產(chǎn)生的重復(fù)的熱膨脹和壓縮，所以憎水涂層易于疲勞，因而能夠剝落憎水涂層。如果憎水涂層的厚度超過100μm，隔板可能變得太厚。
因?yàn)樯鲜龅谋景l(fā)明實(shí)施方式的隔板僅在流程通道中涂有憎水涂層，而不是在接觸膜電極組件的肋條部分，所以它們可以有效地排出在燃料電池運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的水，防止燃料電池的退化。
本發(fā)明的隔板可以用在燃料電池中。圖2圖示了燃料電池及其運(yùn)行。燃料電池1包括陽極3，陰極5，聚合物電解液膜7及隔板9。陽極3和陰極5各自包括催化劑層，所述催化劑層中參與電化學(xué)反應(yīng)的金屬催化劑由材料如碳支撐。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，包括憎水涂層的隔板用作接觸陽極的隔板。
在燃料電池中，將氫或燃料提供給陽極3，氧化劑如氧提供給陰極5，從而經(jīng)過在陽極和陰極的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。燃料的氧化反應(yīng)發(fā)生在陽極3，氧化劑的還原反應(yīng)發(fā)生在陰極5，從而在兩電極之間產(chǎn)生電壓差。
通過將聚合物電解液膜置于陽極和陰極之間，形成膜電極組件，通過將兩端板之間的多個(gè)膜電極組件堆疊到一起形成電池組。根據(jù)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的常規(guī)技術(shù)，可以容易裝配燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明電極的催化劑層可以選自，但不限于鉑、釕、鋨、鉑-釕合金、鉑-鋨合金、鉑-鈀合金和鉑-M合金(其中M選自Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及其組合)。優(yōu)選地，催化劑層包括選自下列的至少一種催化劑鉑、釕、鋨、鉑-釕合金、鉑-鋨合金、鉑-鈀合金、鉑-鈷合金和鉑-鎳合金。
聚合物電解液膜包括質(zhì)子導(dǎo)電聚合物材料，即離子交聯(lián)聚合物。所述質(zhì)子導(dǎo)電聚合物可以選自全氟-基聚合物、苯并咪唑-基聚合物、聚酰亞胺-基聚合物、聚醚酰亞胺-基聚合物、聚苯硫醚-基聚合物、聚砜-基聚合物、聚醚砜-基聚合物、聚醚酮-基聚合物、聚醚-醚酮-基聚合物及聚苯基喹喔啉-基聚合物。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以使用選自下列的至少一種質(zhì)子導(dǎo)電聚合物聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、四氟乙烯和含磺酸基的氟代乙烯基醚的共聚物、脫氟聚醚酮硫化物、芳酮、聚(2，2′-(間亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)和聚(2，5-苯并咪唑)。然而，根據(jù)本發(fā)明，質(zhì)子導(dǎo)電聚合物不限于這些聚合物。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，聚合物電解液膜的厚度為10～200μm。
通過將聚合物電解液膜置于陽極和陰極之間，形成膜電極組件，通過堆疊若干膜電極組件形成電池組。然后，將電池組布置在兩端板之間。根據(jù)本發(fā)明領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)可以容易組裝燃料電池。
本發(fā)明的隔板還可以應(yīng)用于直接氧化燃料電池，如直接甲醇燃料電池。
下面的實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明，但并不意味著限制其范圍。
實(shí)施例1通過在不銹鋼基材上形成流程通道，然后用聚四氟乙烯氟基樹脂組合物涂布流程通道，制得隔板。
實(shí)施例2按照與實(shí)施例1中同樣的方法制得隔板，所不同的是，使用聚偏二氟乙烯樹脂作為氟基樹脂。
對比例1使用帶有形成在其上的流程通道的不銹鋼作為隔板。
分別測量使用實(shí)施例1和對比例1的隔板的燃料電池的電流和電壓，并示于圖3中。如圖3所示，使用實(shí)施例1的隔板燃料電池的電流和電壓比對比例1更好，所述隔板具有僅形成在流程通道中的憎水涂層。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，隔板具有僅形成在流程通道中的憎水涂層，因而可以排出在陰極產(chǎn)生的水并使燃料電池的反應(yīng)更平穩(wěn)。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選的實(shí)施方式詳述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解可以對其進(jìn)行各種修改和替換，而不脫離如在所附的權(quán)利要求書中所闡明的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的隔板，包括基材，該基材具有形成于其上的流程通道；及憎水涂層，該憎水涂層形成在所述流程通道中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述憎水涂層包括氟基樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的隔板，其中所述氟基樹脂選自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和氟化乙烯丙烯(FEP)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其中所述基材選自金屬、石墨和碳-樹脂復(fù)合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的隔板，其中所述基材為選自不銹鋼、鋁、鈦和銅的金屬。
6.一種燃料電池，包括至少一個(gè)膜電極組件，該膜電極組件包括彼此相對的陽極和陰極，及位于陽極和陰極之間的聚合物電解液膜；以及隔板，該隔板包括基材，該基材界定了適于將流體提供給陽極和陰極中的至少一個(gè)的流程通道，其中該流程通道包括憎水涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池，其中所述憎水涂層包括氟基樹脂。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池，其中所述氟基樹脂選自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和氟化乙烯丙烯(FEP)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池，其中所述基材選自金屬、石墨和碳-樹脂復(fù)合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池，其中所述基材為選自不銹鋼、鋁、鈦和銅的金屬。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池，其中該燃料電池為直接氧化燃料電池。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池，其中其上形成有憎水涂層的隔板與陽極接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池的隔板，所述隔板包括界定一個(gè)或多個(gè)流程通道的基材。憎水涂層形成在所述流程通道中。因?yàn)樾纬稍谒隽鞒掏ǖ乐械脑魉繉?，所以隔板能夠容易排出陰極產(chǎn)生的水。
文檔編號H01M2/00GK1713411SQ200510079548
公開日2005年12月28日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月23日
發(fā)明者徐晙源, 權(quán)鎬真 申請人:三星Sdi株式會社