TWI447995B

TWI447995B - 雙極板與燃料電池

Info

Publication number: TWI447995B
Application number: TW100147421A
Authority: TW
Inventors: Li Duan Tsai; Jiunn Nan Lin; Chien Ming Lai; Cheng Hong Wang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2014-08-01
Also published as: CN103178275B; US9515326B2; TW201328009A; US20170047595A1; US20130157166A1; CN103178275A

Description

雙極板與燃料電池

本發明是有關於一種燃料電池技術，且特別是有關於一種能提升燃料電池之放電性能的雙極板與具有這種雙極板的燃料電池。

燃料電池一般是由雙極板100及其間的膜電極組102構成，如圖1A所示。雙極板100之材料多為石墨材料或金屬材料，經機械加工(包含铣削，沖壓..等)後成為具有多個流道(flow channel)100a的雙極板。流道100a之作用在於導引燃氣(如氫氣、氧氣)，因此流道100a之長度、截面形狀及大小等型態，均會影響到燃氣與膜電極組102之間的化學反應狀態，進而影響整體燃料電池之發電效率。至於雙極板100內除流道100a之外尚有一大半部分為肋(rib)104，其主要功用在於支撐膜電極組102並與膜電極組102接觸，傳導燃料電池反應時所產生之電子。

圖1B只顯示圖1A的肋104與膜電極組102接觸的部份，其中膜電極組102包含氣體擴散層(GDL)106、觸媒108與電極薄膜110。由於肋104一般為石墨或金屬材質，導致燃料氣體無法通過，使燃料氣體只在區域112內擴散。這樣的現象造成與肋104重疊區域中的觸媒108缺少燃料，而使其電化學反應遭受阻礙，無法提升觸媒108之有效利用率，並且容易造成燃料缺乏區之材料劣化。

本發明提供一種用於燃料電池的雙極板，能降低接觸阻抗。

本發明再提供一種用於燃料電池的雙極板，能提昇流道內燃料之側向擴散能力。

本發明另提供一種燃料電池，能提升其放電性能。

本發明提出一種用於燃料電池的雙極板，具有多個流道，其中兩兩相鄰的流道之間定義為肋，這個肋的頂面為粗糙化表面。

在本發明之一實施例中，上述肋的粗糙化表面之孔徑例如在20μm~200μm之間。

在本發明之一實施例中，上述肋的粗糙化表面之孔面積分率例如50%~90%。

在本發明之一實施例中，上述肋的粗糙化表面的粗糙度約0.1μm~10μm。

在本發明之一實施例中，上述肋的側面為平面。

本發明再提出一種用於燃料電池的雙極板，具有多個流道，其中兩兩相鄰的流道之間定義為肋，這個肋的頂面具有多孔結構。

在本發明之再一實施例中，上述多孔結構是以導電材料及疏水材料混成。

在本發明之再一實施例中，上述導電材料例如碳、石墨、碳纖維或金屬。

在本發明之再一實施例中，上述疏水材料例如聚四氟乙烯(PTFE)或其他適合的高分子材料。

在本發明之再一實施例中，上述疏水材料的添加量小於60 wt%。

在本發明之再一實施例中，上述多孔結構的孔隙度範圍為30%~80%且具有疏水特性。

本發明另提供一種燃料電池，包括上述肋的頂面具有多孔結構的雙極板，以及位在這些雙極板之間的至少一膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)，且上述多孔結構是經壓縮而與膜電極組接觸。

在本發明之另一實施例中，與上述經壓縮的多孔結構接觸的是上述膜電極組的一氣體擴散層(GDL)。

在本發明之各實施例中，上述雙極板的材料包括金屬、石墨或複合材料。

基於上述，本發明藉由改變肋的表面及內部結構，來降低接觸阻抗及提昇流道內燃料之側向擴散能力，因此能提升燃料電池之放電性能。

為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2是依照本發明之第一實施例之一種用於燃料電池的雙極板的剖面示意圖。

請參照圖2，第一實施例的雙極板200具有多數個流道200a，其中兩兩相鄰的流道200a之間定義為肋202，其頂面為粗糙化表面202a。而且，肋202的粗糙化表面202a之孔徑如在20μm~200μm之間，將有利於增加燃料供給(燃料側向擴散)能力，進而達到提升燃料電池整體之性能。

在第一實施例中，肋202的粗糙化表面202a之孔面積分率如為50%~90%，同樣能增加燃料供給能力。所謂的「孔面積分率」是以下式計算得到：

A_P /(A_R +A_P )×100%

上式中，A_R 是肋202的頂面面積；A_P 是肋202的粗糙化表面202a之孔面積。

此外，在第一實施例中，肋202的粗糙化表面202a的粗糙度如在0.1μm~10μm之間，同樣能增加燃料供給能力，進而達到提升燃料電池整體之性能。

至於肋202的側面202b可為平面，但並不侷限於此。流道200a一般是經機械加工形成的，所以整個雙極板200是一體成型的結構。

在第一實施例中，雙極板200的材料例如金屬、石墨或複合材料。舉例來說，可使用鋁、鈦、不鏽鋼等金屬作為雙極板200的材料，且為防止金屬氧化，可在雙極板200的所有表面形成一保護膜。譬如使用鈦金屬為雙極板200時，可在其表面沉積一層氮化鈦薄膜，以防止鈦金屬氧化並維持導電率。

圖3是依照本發明之第二實施例之一種用於燃料電池的雙極板的剖面示意圖。

請參照圖3，第一實施例的雙極板300具有多數個流道300a，其中兩兩相鄰的流道300a之間定義為肋302，其頂部具有多孔結構304，孔隙度範圍例如在30%~80%，且具有疏水特性。多孔結構304的厚度T₀ 約佔整個肋302的厚度T_r 的1/10~3/10。

在第二實施例中，多孔結構304是以導電材料及疏水材料混成，但並不侷限於此。前述導電材料例如碳、石墨、碳纖維或金屬等；疏水材料則包括聚四氟乙烯等適合的材料。疏水材料的添加量譬如是小於60 wt%。至於雙極板300的材料則可參照上一實施例。

圖4是依照本發明之第三實施例之一種燃料電池的剖面示意圖，其中使用第二實施例的元件符號來代表相同或相似的元件。

請參照圖4，第三實施例的燃料電池包括兩個雙極板300與一個膜電極組(MEA)400。膜電極組400至少包括電極薄膜402、觸媒404與氣體擴散層(GDL)406。位在雙極板300之間的膜電極組400是藉由氣體擴散層406與其相接觸，尤其是在肋302的頂部之多孔結構304是經壓縮而與膜電極組400接觸。如此一來不但能增加燃料供給(燃料側向擴散)能力，還能確保肋302與氣體擴散層406之間的導電率。舉例來說，多孔結構304的孔隙度是與多孔結構304的壓縮程度成反比，其孔隙度愈小，則壓縮程度愈大；反之，亦然。

所謂的「壓縮程度」是指多孔結構304的原本厚度T₀ 減掉製成燃料電池後的厚度T_x 與原本厚度T₀ 的比例(T₀ -T_x )/T₀ ；舉例來說，第三實施例的多孔結構304的壓縮程度約在40%~80%。

以下列舉幾個實驗結果來驗證上述實施例的效果。

比較例

使用石墨碳板做為雙極板，並經機械加工形成為流道。結果得到圖5A的SEM相片。

實驗例1

實施例1和比較例一樣，使用石墨碳板做為雙極板，但在流道形成後，採用表面研磨與超音波震盪技術，僅將肋的頂面粗糙化，結果得到圖5B的SEM相片。比較圖5A與圖5B可得知，利用表面加工技術可將肋與膜電極組接觸之表面粗化，孔徑大小約在20μm。

實驗例2

實施例2和比較例一樣，使用石墨碳板做為雙極板，但在流道形成後，採用放電加工技術，僅將肋的頂面粗糙化，結果得到圖5C的SEM相片。比較圖5A與圖5C可得知，利用表面加工技術可將肋與膜電極組接觸之表面粗化，孔徑大小>50μm。

實驗例3

實施例3和比較例一樣，使用石墨碳板做為雙極板，但在流道形成後，採用多孔材料貼合技術，僅將肋的頂部結構改變成多孔結構，而利用改變肋表面結構，結果得到圖5D的SEM相片。由圖5D中可得知，該多孔材料結構為導電碳粉與碳纖維與疏水材料組成。該多孔材料之原始孔隙度為80%，疏水程度為23%。經壓合後，該多孔材料壓縮程度為50%，孔隙度則為60%。

量測一

分別自比較例和實驗例1~2的雙極板的SEM相片計算其「孔面積分率」，並以儀器量測其粗糙度。結果顯示於下表一。

量測二

分別將比較例和實驗例1~3的雙極板，與膜電極組成單電池進行性能測試。

圖6為控制陽極溫度為60℃、電池溫度66℃與陰極溫度55℃之環境下，使用比較例和實驗例1~3的雙極板製作的燃料電池於全加濕環境下之電池放電曲線。從圖6可明顯觀察：實驗例1~3之性能明顯優於比較例之雙極板。

圖7則為控制燃氣之溼度為65%RH，電池溫度為70℃的環境下，使用比較例和實驗例1~3的雙極板製作的燃料電池之放電性能曲線，同樣可發覺使用實驗例1~3之雙極板其性能優於比較例之雙極板。

綜上所述，本發明針對肋的部分，利用表面結構加工技術，進行肋表面粗化及其多孔結構製作，分別可增加電子傳導(降低接觸阻抗)與燃料供給(燃料側向擴散)能力，進而達到提升燃料電池整體之性能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200‧‧‧雙極板

100a、200a‧‧‧流道

102、400‧‧‧膜電極組

104、202‧‧‧肋

106、406‧‧‧氣體擴散層

108、404‧‧‧觸媒

110、402‧‧‧電極薄膜

112‧‧‧區域

202a‧‧‧粗糙化表面

202b‧‧‧側面

T₀ 、T_r 、T_x ‧‧‧厚度

圖1A是習知一種燃料電池的剖面示意圖。

圖1B是圖1A的局部放大示意圖。

圖4是依照本發明之第三實施例之一種燃料電池的剖面示意圖。

圖5A是比較例的雙極板之SEM相片。

圖5B是實驗例1的雙極板之SEM相片。

圖5C是實驗例2的雙極板之SEM相片

圖5D是實驗例3的雙極板之SEM相片

圖6是使用比較例和實驗例的雙極板製作的燃料電池於電池溫度66℃，陽極加濕溫度為60℃，陰極加濕溫度為55℃之環境下之電池放電曲線圖。

圖7為控制燃氣之溼度為65%RH，電池溫度為70℃的環境下，使用比較例和實驗例的雙極板製作的燃料電池之放電性能曲線圖。

200．．．雙極板

200a．．．流道

202．．．肋

202a．．．粗糙化表面

202b．．．側面

Claims

一種用於燃料電池的雙極板，具有多數個流道，其中兩兩相鄰的流道之間為一肋，該雙極板之特徵在於：該肋的頂面為粗糙化表面，其中該肋的側面為平面。
如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該肋的該粗糙化表面之孔徑為20μm~200μm。
如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該肋的該粗糙化表面之孔面積分率為50%~90%。
如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該肋的該粗糙化表面的粗糙度為0.1μm~10μm。
如申請專利範圍第1項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該雙極板的材料包括金屬、石墨或複合材料。
一種用於燃料電池的雙極板，具有多數個流道，其中兩兩相鄰的流道之間為一肋，該雙極板之特徵在於：該肋的頂部具有多孔結構。
如申請專利範圍第6項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該多孔結構是以導電材料及疏水材料混成。
如申請專利範圍第7項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該導電材料包括碳、石墨、碳纖維或金屬。
如申請專利範圍第7項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該疏水材料包括聚四氟乙烯。
如申請專利範圍第7項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該疏水材料的添加量小於60wt%。
如申請專利範圍第6項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該多孔結構的孔隙度範圍為30%~80%且具有疏水特性。
如申請專利範圍第6項所述之用於燃料電池的雙極板，其中該雙極板的材料包括金屬、石墨或複合材料。
一種燃料電池，包括：多數個雙極板，其中每一雙極板具有多數個流道，且兩兩相鄰的流道之間為一肋；以及至少一膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)，位在該些雙極板之間，其中該肋的頂部具有多孔結構，且該多孔結構經壓縮而與該膜電極組接觸。
如申請專利範圍第13項所述之燃料電池，其中該多孔結構是以導電材料及疏水材料混成。
如申請專利範圍第14項所述之燃料電池，其中該導電材料包括碳、石墨、碳纖維或金屬。
如申請專利範圍第14項所述之燃料電池，其中該疏水材料包括聚四氟乙烯。
如申請專利範圍第14項所述之燃料電池，其中該疏水材料的添加量小於60wt%。
如申請專利範圍第13項所述之燃料電池，其中該多孔結構的孔隙度範圍為30%~80%且具有疏水特性。
如申請專利範圍第13項所述之燃料電池，其中該雙極板的材料包括金屬、石墨或複合材料。
如申請專利範圍第13項所述之燃料電池，其中與經壓縮的該多孔結構接觸的是該膜電極組的一氣體擴散層。