專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池雙極性隔板的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及在質(zhì)子交換膜燃料電池疊層中使用的雙極性隔板。該隔板是親水的并且具有可控的空隙率，有利于使燃料電池的內(nèi)部增濕以及從燃料電池去除生成水，并且同時(shí)提供控制燃料電池疊層溫度的裝置。
通常，燃料電池電輸出單元是由雙極性電子傳導(dǎo)性隔板隔開的層疊的多個(gè)單電池構(gòu)成。單個(gè)電池層疊在一起并且固定成一個(gè)多層單元來得到希望的燃料電池能量輸出。每個(gè)單個(gè)電池通常包括陽(yáng)極和陰極、公用電解質(zhì)、以及燃料和氧化劑氣體源。燃料和氧化劑氣體通過在燃料電池疊層內(nèi)部或外部的支管引入到隔板和電解質(zhì)之間的各個(gè)反應(yīng)室。
現(xiàn)有技術(shù)目前已存在和/或正研究的許多燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)成用于各種用途，包括發(fā)電、車輛和要避免環(huán)境污染的其它用途。包括熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。與這些燃料電池中每個(gè)的成功運(yùn)行相關(guān)的一個(gè)問題是燃料電池溫度的控制以及燃料電池內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物的排除。
有商業(yè)價(jià)值的燃料電池疊層包含多至約600個(gè)單個(gè)燃料電池單元，每個(gè)有多至12平方英尺的平面積。在層疊單個(gè)電池時(shí)，隔板隔開該單個(gè)電池，燃料和氧化劑中的每個(gè)引入在一組隔板之間，燃料引入在隔板的一面和電解質(zhì)的陽(yáng)極側(cè)之間，而氧化劑引入在隔板的另一面和第二電解質(zhì)的陰極側(cè)之間。包含600個(gè)電池的電池疊層可以達(dá)200英尺高，對(duì)于電池疊層發(fā)熱和運(yùn)行期間保持電池整體性存在嚴(yán)重問題。由于電池組件和電池工作環(huán)境之間的熱梯度、不同的熱膨脹和各個(gè)部件所需材料的必要強(qiáng)度，提出了緊密容差和很難的工程問題。鑒于此，電池溫度控制極為重要，如果用最小溫度梯度不能完成，將不能保持均勻電流密度，并且會(huì)發(fā)生電池退化。
在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中，電解質(zhì)是呈質(zhì)子傳導(dǎo)膜形式的有機(jī)聚合物，例如全氟磺酸聚合物。因?yàn)樵摳裟ぴ诟稍飼r(shí)不能有效運(yùn)行，當(dāng)該電解質(zhì)隔膜用水保持潮濕時(shí)這種燃料電池運(yùn)行最好。伴隨著質(zhì)子通過隔膜的移動(dòng)，帶動(dòng)水通過隔膜從陽(yáng)極側(cè)到陰極側(cè)。這趨于使隔膜陽(yáng)極側(cè)變干，并且趨于在隔膜的陰極側(cè)上產(chǎn)生水膜。電化學(xué)反應(yīng)中形成的生成水進(jìn)一步潤(rùn)濕陰極表面。因此，從隔膜陰極側(cè)連續(xù)地除去生成水，同時(shí)保持隔膜陽(yáng)極側(cè)潤(rùn)濕對(duì)PEM燃料電池的運(yùn)行非常重要，以使電化學(xué)反應(yīng)和隔膜傳導(dǎo)容易。
許多美國(guó)專利涉及質(zhì)子交換膜燃料電池的水控制問題。美國(guó)專利4769297教導(dǎo)使用固體聚合物燃料電池，其中陽(yáng)極氣體提供水給隔膜陽(yáng)極側(cè)。一些水通過疊層在電池間遷移，水遷移是水從陽(yáng)極通過隔膜帶動(dòng)到陰極并且通過使用插入在相鄰電池單元之間的親水多孔隔板的結(jié)果。通過在陰極和陽(yáng)極之間保持的反應(yīng)物壓力差來迫使水通過多孔隔板。陽(yáng)極支撐板提供由此蒸發(fā)水的大表面積以發(fā)揮冷卻作用。指出該隔板由石墨制成。
美國(guó)專利4824741教導(dǎo)了使用多孔石墨陽(yáng)極板的燃料電池系統(tǒng)。提供給該多孔板和陽(yáng)極反應(yīng)物氣體的水通過從該板表面蒸發(fā)來增濕。通過與濕的多孔陽(yáng)極板接觸來潤(rùn)濕質(zhì)子交換膜。與陰極板相鄰的無孔不透氣隔板用于防止氣體從陽(yáng)極穿過到陰極。也參見美國(guó)專利4826741、美國(guó)專利4826742、美國(guó)專利5503944和PCT申請(qǐng)No.WO94/15377。
在由石墨或樹脂粘合的石墨碳復(fù)合材料構(gòu)成并具有氣流通道的質(zhì)子交換膜電池中使用的雙極性隔板在美國(guó)專利4175165中已教導(dǎo)。該專利教導(dǎo)用潤(rùn)濕劑如膠態(tài)硅溶膠涂覆表面以使該表面呈親水性來處理雙極性隔板。這樣，從該電極吸走燃料電池中的生成水用于后續(xù)處理。然而，用潤(rùn)濕劑涂覆表面不利地增加極板的電阻，導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。美國(guó)專利3634569教導(dǎo)了從石墨粉末和酸燃料電池使用的熱固樹脂的混合物中制備致密石墨板的方法。該方法采用5wt％-25wt％熱固酚樹脂粘合劑和75wt％-95wt％篩分粉末石墨的混合物。美國(guó)專利4339322(雙極性板由模壓熱塑性氟樹脂、石墨和碳素纖維構(gòu)成)、美國(guó)專利4738872(隔板包括50wt％石墨和50wt％熱固酚樹脂)、美國(guó)專利5108849(燃料電池隔板中的蛇狀流動(dòng)板由無孔石墨或其它耐蝕性金屬粉末和如聚偏氟乙烯的熱塑性樹脂構(gòu)成，其成分是10-30wt％樹脂和70-90wt％石墨粉末)、美國(guó)專利4670300(燃料電池板包括20-80％石墨，余量是纖維素纖維或相同比例的纖維素纖維和熱固樹脂)、美國(guó)專利4592968(隔板由石墨、焦碳和在2650℃下石墨化的可碳化熱固酚樹脂構(gòu)成)、美國(guó)專利4737421(燃料電池板的碳或石墨在5％-45％的范圍內(nèi)、熱固樹脂在40％-80％的范圍內(nèi)、余量是纖維素纖維)、美國(guó)專利4627944(燃料電池板由碳或石墨、熱固樹脂和纖維素纖維構(gòu)成)、美國(guó)專利4652502(燃料電池板由50％石墨和50％熱固樹脂構(gòu)成)、美國(guó)專利4301222(隔板由40％-65％石墨和35％-55％樹脂的混合物構(gòu)成)和美國(guó)專利4360485(隔板由45％-65％石墨和35％-55％樹脂的混合物構(gòu)成)也教導(dǎo)了石墨和樹脂雙極性板。
我們已發(fā)現(xiàn)在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的雙極性隔板的許多特性，這些特性對(duì)于制造和運(yùn)行是重要的，但它們未被現(xiàn)有技術(shù)所研究。包括相對(duì)于隔板電子傳導(dǎo)性性的隔板透水性；關(guān)于能保持吸水性能的隔板功能性；隔板經(jīng)歷凍結(jié)和解凍條件之間熱循環(huán)的能力，正類似于碰到例如燃料電池的車輛應(yīng)用。此外，該隔板應(yīng)當(dāng)能由便宜的原材料構(gòu)成，該材料優(yōu)選使用一步法模壓工藝并且利用制造隔板的方法容易地形成任何板結(jié)構(gòu)，該材料在低溫燃料電池中耐蝕并且不需要進(jìn)一步處理如高溫?zé)崽幚?，其中能控制隔板的親水性和空隙率。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明目的是提供適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的雙極性隔板，其制造相對(duì)便宜。
本發(fā)明另一目的是提供一雙極性隔板，具有改進(jìn)的從質(zhì)子交換膜燃料電池中除去水的性能和質(zhì)子交換膜燃料電池的內(nèi)部增濕。
本發(fā)明的又一目的是提供擠壓強(qiáng)度大于約200psi、用于質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極性隔板。
本發(fā)明的又一目的是提供適合在完全內(nèi)部支管燃料電池疊層中使用的用于質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極性隔板。
本發(fā)明的又一目的是提供適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的雙極性隔板的制造方法。
通過雙極性隔板實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它目的，該隔板包括重量在隔板重量的約50％-95％范圍內(nèi)的至少一種電子傳導(dǎo)性材料，重量占隔板重量的至少約5％的至少一種樹脂，以及適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的用于把水吸入到隔板的至少一種親水劑。電子傳導(dǎo)性材料、樹脂和親水劑基本均勻分散在整個(gè)隔板中。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定優(yōu)選實(shí)施例，電子傳導(dǎo)性材料是電子傳導(dǎo)性含碳材料并且親水劑是親水樹脂。
本發(fā)明的雙極性隔板的制造是混合至少一種電子傳導(dǎo)性材料即優(yōu)選含碳材料、至少一種樹脂和至少一種親水劑以形成基本均勻的混合物，該混合物包括重量在混合物重量的約50％-95％范圍內(nèi)的電子傳導(dǎo)性材料、重量占混合物重量的至少約5％的至少一種樹脂以及所述的至少一種親水劑。然后該混合物在溫度約250°F-800°F的范圍內(nèi)以及在壓力約500psi-4000psi的范圍內(nèi)模壓成所想要的形狀，形成雙極性板，該溫度是所用樹脂的函數(shù)。按照該方法制造的雙極性隔板的空隙率在隔板體積的約0％-25％的范圍內(nèi)并且優(yōu)選形成中間孔尺寸在約0.25微米-約2.0微米范圍內(nèi)的多個(gè)孔。
附圖簡(jiǎn)述從結(jié)合附圖的下面詳細(xì)描述中將更好理解本發(fā)明的這些和其它目的及特征。


圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、具有一片隔板的PEM燃料電池疊層的側(cè)視圖；圖1b是是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、具有兩片隔板的PEM燃料電池疊層的側(cè)視圖；圖2是作為隔板中潤(rùn)濕劑的二氧化硅的百分比與隔板電導(dǎo)率的關(guān)系的圖示；圖3是隔板中二氧化硅百分比和隔板所吸收的水之間的關(guān)系圖示；以及圖4是表示燃料電池疊層的內(nèi)部支管結(jié)構(gòu)的圖。
優(yōu)選實(shí)施例的描述本發(fā)明是用于質(zhì)子交換膜燃料電池的不透氣雙極性隔板，包括至少一種電子傳導(dǎo)性材料、至少一種樹脂和至少一種親水劑，其中電子傳導(dǎo)性材料、樹脂和親水劑基本均勻地分散在整個(gè)隔板中。本發(fā)明的雙極性隔板排除了質(zhì)子交換膜燃料電池外部增濕的需要并且在燃料電池疊層系統(tǒng)中提供熱控制和生成水的排除。本發(fā)明雙極性隔板的優(yōu)選成分包括石墨和樹脂混合物，當(dāng)在壓力和溫度的適當(dāng)條件下模壓生成導(dǎo)電、重量輕的雙極性隔板，適合在低溫電化學(xué)系統(tǒng)如質(zhì)子交換膜燃料電池中使用。
該隔板可制造成具有用于所希望電化學(xué)系統(tǒng)的反應(yīng)物液體流動(dòng)的通道。該隔板制造成用于所希望的電化學(xué)系統(tǒng)的各種電導(dǎo)率。該隔板制造成有各種空隙率，用于電化學(xué)系統(tǒng)的水控制。最后，并且該隔板制造成有各種程度的親水性，用于電化學(xué)系統(tǒng)的水和熱控制。
根據(jù)本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，該雙極性隔板包括重量在隔板重量的約50％-約95％的范圍內(nèi)的至少一種電子傳導(dǎo)性材料，重量占隔板重量的至少約5％的至少一種樹脂，以及至少一種親水劑。根據(jù)本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，該隔板由包括約50-95wt％石墨材料即石墨、約5-30wt％的一種熱固樹脂、0-約45wt％碳素纖維和0-約25wt％二氧化硅的混合物的組分形成。然后在約250°F-約800°F范圍內(nèi)的高溫下并且在約500psi-約4000psi范圍內(nèi)的壓力下模壓該組分。以該方式制造的模壓材料的電導(dǎo)率是至少約5S/cm，它表示在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用所需要的額定最小電導(dǎo)率。該模壓材料的空隙率可高至約25vol％。隨著該隔板空隙體積減小而增加的模壓材料氣泡壓力是至少約5psig。
如上所述，當(dāng)電解質(zhì)隔膜保持用水潤(rùn)濕時(shí)，采用固體聚合物電解質(zhì)隔膜的質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行最好。在質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行期間，同質(zhì)子通過隔膜移動(dòng)一起，水從陽(yáng)極側(cè)通過隔膜帶動(dòng)到陰極側(cè)。該現(xiàn)象趨于使隔膜陽(yáng)極側(cè)變干，同時(shí)在隔膜的陰極面對(duì)表面上產(chǎn)生水滴。在電化學(xué)反應(yīng)中形成的并且出現(xiàn)在陰極面對(duì)表面上的生成水進(jìn)一步潤(rùn)濕陰極面對(duì)表面。除非適當(dāng)控制，否則在陰極面對(duì)表面處的水，特別是如果呈水滴形式，將可能阻塞氧化物通道，從而阻止氧化物氣體接近催化劑并降低電化學(xué)反應(yīng)。
因此，重要的是把水提供給燃料電池中隔膜的陽(yáng)極側(cè)以防止變干并且從陰極側(cè)連續(xù)地去除水以防止水滴形成在隔膜表面上。因此本發(fā)明的隔板必須有足夠的親水性，不僅防止陰極側(cè)上水的積累，而且改進(jìn)水在整個(gè)隔板上的分布。由于水在整個(gè)隔板上存在，實(shí)際上降低了反應(yīng)物氣體穿過隔板混合的可能。因此，本發(fā)明雙極性隔板包括用于把水吸入到隔板中的均勻分散在整個(gè)隔板上的至少一種親水劑，該隔板適合在質(zhì)子交換膜電池中使用。按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該隔板的至少一種樹脂是親水的。按照本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，該親水樹脂是酚醛熱固樹脂。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，至少一種親水劑是優(yōu)選從Ti、Al、Si的氧化物和其混合物構(gòu)成的組中選擇的潤(rùn)濕劑。通過親水劑分散在整個(gè)隔板上，本發(fā)明的隔板有足夠的透水能力，從而在小于約10psi的壓力差下在電流密度1000安培/每平方英尺時(shí)去除生成水5.5cc/每分鐘。
質(zhì)子交換膜燃料電池的一個(gè)應(yīng)用是車輛中的發(fā)電。在該應(yīng)用中，燃料電池暴露于寬的溫度范圍并且在其使用壽命期間經(jīng)歷無數(shù)的凍結(jié)/解凍循環(huán)。人們相信由于親水劑分散在整個(gè)隔板中，作為水被隔板吸收的結(jié)果，在凍結(jié)和解凍溫度條件之間循環(huán)后保持在隔板中的水會(huì)導(dǎo)致隔板斷裂。令人驚奇的是，本發(fā)明的雙極性隔板在吸收18wt％的水時(shí)在經(jīng)歷12次凍結(jié)/解凍循環(huán)后未出現(xiàn)斷裂。
美國(guó)專利4175165教導(dǎo)使用各種潤(rùn)濕劑，如膠態(tài)硅溶膠或高表面積氧化鋁或氧化鋁-二氧化硅組分，它們淀積在在此公開的隔板表面上。然而，氧化鋁和二氧化硅，以及其它潤(rùn)濕劑通常是電絕緣體。因此，潤(rùn)濕劑涂覆在隔板表面使表面呈親水性，但也增加隔板的表面接觸電阻，從而增加電池單元的內(nèi)阻，這又降低了電池功率。
令人驚奇的是，本發(fā)明隔板采用均勻分散在整個(gè)隔板上的潤(rùn)濕劑仍將能夠保持足夠的電導(dǎo)率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，作為細(xì)顆粒的潤(rùn)濕劑加入到電子傳導(dǎo)性材料和樹脂的混合物中并且與其完全混合，從而產(chǎn)生潤(rùn)濕劑的均勻分散。然而，也能作為分散溶液加入，當(dāng)與電子傳導(dǎo)性材料和樹脂完全混合時(shí)，產(chǎn)生同樣均勻混合的模壓混合物。我們相信潤(rùn)濕劑可通過防止樹脂和其它成分形成一個(gè)連續(xù)相來促進(jìn)模壓產(chǎn)物中孔的形成。這些潤(rùn)濕劑對(duì)水的親和力降低水和模壓產(chǎn)物之間的表面張力。結(jié)果，與模壓隔板接觸的水具有在模壓隔板表面上形成膜的趨勢(shì)，而不是形成水滴。因?yàn)樵撃焊舭灏祝捎诟舭宓挠H水性，這些孔變得更易充滿水。如果在隔板的兩端提供足夠的壓力差，水能從隔板的一面轉(zhuǎn)移到另一面。本發(fā)明隔板解決的另一問題是隔板穩(wěn)定性。我們發(fā)現(xiàn)本發(fā)明隔板在90℃水中超過1200小時(shí)后仍保持原來重量的99％。在該時(shí)間期間，隔板的吸水率還仍然恒定在18wt％。
本發(fā)明隔板的電導(dǎo)率作為二氧化硅含量的函數(shù)在圖2中示出，其中用均勻分散的不同數(shù)量的二氧化硅制造各種隔板。得出這些數(shù)據(jù)的隔板包括重量占隔板重量的約12.5％的熱固樹脂、重量在隔板重量的0％-10％之間的二氧化硅和重量在隔板重量的約77.5％-87.5％之間的石墨。
適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的隔板應(yīng)當(dāng)具有不小于約5S/cm的電導(dǎo)率并且優(yōu)選不小于75S/cm。本發(fā)明隔板可以是多孔或無孔，但無論如何必須不透氣。根據(jù)本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，該隔板是多孔的，空隙率小于約25vol％。本發(fā)明隔板的孔徑優(yōu)選在約0.25微米-約2微米的范圍內(nèi)，中間孔徑優(yōu)選在約0.5微米-約1.5微米的范圍內(nèi)。
除親水劑外，本發(fā)明隔板還包括至少一種電子傳導(dǎo)性材料和至少一種樹脂，電子傳導(dǎo)性材料以隔板重量的約50％-約95％的數(shù)量存在并且至少一種樹脂以隔板重量的至少約5％的數(shù)量存在。在本發(fā)明隔板中使用的適當(dāng)電子傳導(dǎo)性材料從碳素材料、金屬、金屬合金、金屬碳化物、金屬氮化物和它們的混合物構(gòu)成的組中選擇。適當(dāng)?shù)慕饘侔ㄢ?、鈮、鉭和如耐鹽酸鎳基合金的合金。根據(jù)本發(fā)明特定優(yōu)選實(shí)施例，電子傳導(dǎo)性材料是從石墨、碳黑、碳素纖維和其混合物構(gòu)成的組中選擇的碳素材料。石墨、或各種可得到的導(dǎo)電碳化合物如導(dǎo)電碳黑是特別優(yōu)選的。使用碳基材料降低與制造相關(guān)的成本，以及簡(jiǎn)化氣體流動(dòng)控制裝置如隔板中通道的制造并且簡(jiǎn)化隔板的模壓。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，隔板包括高達(dá)約10wt％的碳素纖維。加入碳素纖維不僅加強(qiáng)該隔板，而且提高隔板的吸水率和電導(dǎo)率。
本發(fā)明隔板還包括大于約5％的樹脂。該樹脂對(duì)模壓隔板起粘合劑的作用，并且如上所述，還增加隔板的親水性。適當(dāng)?shù)臉渲峁虡渲?、熱塑性樹脂和其混合物。在本發(fā)明隔板中使用的合適的熱塑性樹脂包括聚偏氟乙烯、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚酯、聚丙烯和HDPE。優(yōu)選熱固樹脂從酚樹脂、醛樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯樹脂構(gòu)成的組中選擇。下面例子表示本發(fā)明隔板的各種組分和由此導(dǎo)致的隔板性能之間的關(guān)系。在每種情況下，從Occidental ChemicalCorporation of Dallas，Texas得到的粒徑小于200目的Varcum29338酚樹脂、40納米大小的二氧化硅顆粒、長(zhǎng)度約150微米的碳素纖維和粒徑小于200目的石墨粉末的各種混合物模壓多孔4×4英寸隔板。完全混合該粉末并在1000psi和400°F下模壓成板。例子I-IV表示作為潤(rùn)濕劑的二氧化硅在室溫下對(duì)隔板電導(dǎo)率和親水性的影響。電導(dǎo)率和親水性作為二氧化硅含量的函數(shù)分別表示在圖2和3中。例子V表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的隔板性能，用碳素纖維代替10wt％的石墨。基于例子I-IV的結(jié)果，可見當(dāng)二氧化硅加入到組分中時(shí)，由吸水率數(shù)量表示的隔板親水性增加同時(shí)電導(dǎo)率降低。然而，通過由10wt％碳素纖維替代在該組分中使用的部分電子傳導(dǎo)性石墨材料，從而隔板空隙率增加，達(dá)到基本吸水率(18％)所需的潤(rùn)濕劑(二氧化硅)數(shù)量減少并且在降低二氧化硅含量下隔板電導(dǎo)率保持高于有相應(yīng)二氧化硅數(shù)量且沒有碳素纖維的隔板(例子II)。
例子I用下面組分和性能在1000psi和400°F下模壓隔板。
*Degussa Corp.Of Richfield，New York**Dixon-Ticonderoga Company of Lake Hurst，New Jersey例子II用下面組分和性能在1000psi和400°F下模壓隔板。
例子III用下面組分和性能在1000psi和400°F下模壓隔板
例子IV用下面組分和性能在1000psi和400°F下模壓隔板
例子V用下面組分和性能在1000psi和400°F下模壓隔板
>*Zoltek Corporation of St.Louis，Missouri彈性是例如壓應(yīng)力導(dǎo)致變形后應(yīng)變體恢復(fù)其尺寸和形狀的能力。本發(fā)明隔板中使用的石墨的彈性變形是約26％。即，在經(jīng)過壓應(yīng)力后石墨膨脹到其壓縮形狀的約126％。與此相反，碳素纖維有明顯更高的彈性。由于構(gòu)成隔板的各個(gè)組件的彈性而具有更高彈性的隔板的不足是限制了能達(dá)到的孔尺寸。具體地，利用有更大彈性的材料產(chǎn)生有更大孔尺寸的隔板，反之，利用低彈性隔板將產(chǎn)生更小孔尺寸的隔板。更大孔尺寸通常降低反應(yīng)氣體從隔板一側(cè)到另一側(cè)所需的壓力并導(dǎo)致隔板電導(dǎo)率降低。使用低彈性材料的隔板通常更堅(jiān)固并且更導(dǎo)電。令人驚奇的是，我們發(fā)現(xiàn)在例子V中所用石墨和碳素纖維的混合材料導(dǎo)致彈性與僅有石墨的彈性相一致的隔板。該驚奇在于本領(lǐng)域技術(shù)人員期望加入比石墨彈性更大的碳素纖維會(huì)產(chǎn)生有更大彈性的隔板。因此，根據(jù)本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，在本發(fā)明隔板中存在的碳素纖維數(shù)量小于約10wt％。
隔板的氣泡壓力與防止反應(yīng)氣體穿過隔板一側(cè)到另一側(cè)的能力相關(guān)。氣泡壓力是隔板孔中水的正壓力，它與隔板中孔尺寸成反比。即，中間孔尺寸越小，吸收在隔板中的水施加的壓力越大。因此，氣泡壓力是高于迫使反應(yīng)氣體通過水飽和隔板，導(dǎo)致兩種反應(yīng)物的不利混合以及反應(yīng)物氣體進(jìn)入隔板的冷卻水通道的壓力。我們發(fā)現(xiàn)本發(fā)明隔板的氣泡壓力大于5psig。本發(fā)明隔板的優(yōu)選實(shí)施例具有大于10psig的氣泡壓力，更優(yōu)選為大于20psig。
圖1a和1b表示有多個(gè)燃料電池單元20的燃料電池疊層15，每個(gè)所述燃料電池單元包括質(zhì)子交換膜25、在一側(cè)上的陽(yáng)電極30和在另一側(cè)上的陰電極35。陽(yáng)極催化層31位于陽(yáng)極30和隔膜25之間以及適當(dāng)?shù)年帢O催化層36位于陰極35和隔膜25之間。雙極性隔板39隔開一個(gè)燃料電池單元的陽(yáng)極30與相鄰燃料電池單元的陰極35。
本發(fā)明隔板39是包括陰極面對(duì)面40和陽(yáng)極面對(duì)面45的一片隔板，陽(yáng)極面對(duì)面40形成由此延伸的多個(gè)氧化劑氣流通道41以提供陰極通道中氧化劑與陰極35之間的接觸。類似地，陽(yáng)極面對(duì)面45在此形成適當(dāng)?shù)娜剂蠚饬魍ǖ?6以提供燃料氣體與陽(yáng)極30之間的接觸。
根據(jù)圖1b所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，隔板39由兩個(gè)隔板構(gòu)成，即，陰極面對(duì)隔板39a和陽(yáng)極面對(duì)隔板39b。為了提供疊層的水冷卻，陰極面對(duì)隔板39a和陽(yáng)極面對(duì)隔板39b的界面形成多個(gè)冷卻水通道34。
燃料電池疊層還包括陰極隔板端板50和陽(yáng)極隔板端板60。端板50和60不透水，或者密封以防止泄漏。提供適當(dāng)?shù)膹埦o機(jī)構(gòu)和墊圈(未示出)來把疊層的組件固定在一起。
據(jù)此，本發(fā)明的隔板必須足夠堅(jiān)固以承受在燃料電池疊層組裝期間作用于此的力的擠壓。隔板的擠壓強(qiáng)度必須大于200psi。根據(jù)例子5制造的隔板有大于2100psi的擠壓強(qiáng)度。除擠壓強(qiáng)度外，本發(fā)明隔板必須有一定的彈性以使它能夠與燃料電池疊層組件的其它部件相配合。根據(jù)本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例，隔板具有3.5％的最小彈性或約0.43英寸/每英尺長(zhǎng)度，而不會(huì)斷裂。
如上所述，碳素纖維可加入到本發(fā)明的隔板并且最好基本均勻分布在整個(gè)隔板中，數(shù)量達(dá)隔板的約20wt％，但最優(yōu)選小于隔板重量的10wt％。因?yàn)樘妓乩w維昂貴，其使用是任選的，但是有利的，這是因?yàn)樗鼈兲峁┛障堵屎徒Y(jié)構(gòu)增強(qiáng)，而不犧牲使用相應(yīng)數(shù)量潤(rùn)濕劑時(shí)的電導(dǎo)率。
從例子可見，隔板的組分必須達(dá)到平衡以提供具有所希望的電導(dǎo)率和親水性的隔板。該例子表明當(dāng)為了增加親水性，呈SiO2形式的潤(rùn)濕劑數(shù)量增加時(shí)，隔板的電導(dǎo)率降低。圖3表示吸入到隔板中水的數(shù)量隨著SiO2含量增加而增加，同時(shí)圖2表示隨著SiO2含量增加，電導(dǎo)率降低。該數(shù)據(jù)點(diǎn)交叉在約5wt％二氧化硅含量處。因此，在本發(fā)明隔板中使用的二氧化硅的優(yōu)選范圍是在約1wt％-10wt％的范圍內(nèi)，最優(yōu)選在約2wt％-4wt％的范圍內(nèi)。如上所述，加入達(dá)20wt％的碳素纖維可提供附加的空隙率，而不損失電導(dǎo)率。然而，碳素纖維昂貴，因此使所用數(shù)量最小是所希望的。
本發(fā)明隔板適合在外部支管燃料電池疊層或內(nèi)部支管燃料電池疊層中使用。在外部支管燃料電池疊層中，從與燃料電池疊層的邊緣區(qū)域連接的外部支管提供反應(yīng)物氣體，而與此同時(shí)，在內(nèi)部支管燃料電池疊層中，反應(yīng)物氣體通過電池組件中的穿孔形成的支管提供到反應(yīng)位置。利用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雙極性隔板的內(nèi)部支管燃料電池疊層如圖4所示。如圖4所示，燃料電池疊層的離子交換膜25和隔板39延伸到疊層的外緣。隔板39配置有從每一面延伸以接觸完全圍繞其周邊的離子交換膜的平坦周邊密封結(jié)構(gòu)43，由此形成邊緣密封。離子交換膜和隔板中的每個(gè)形成一個(gè)用于供給和一個(gè)用于排除的多個(gè)燃料支管孔54，并且形成一個(gè)用于供給和一個(gè)用于排除的多個(gè)氧化物支管孔55。隔板中的支管孔54、55被從隔板的每一面延伸以接觸離子交換膜的平坦支管密封結(jié)構(gòu)56、67包圍，由此形成支管密封，并且因此形成通過電池疊層延伸的多個(gè)燃料和氧化物氣體支管。導(dǎo)管47、47｀被配置穿過包圍在隔板的陽(yáng)極面對(duì)面上的燃料支管孔54的平坦支管密封結(jié)構(gòu)，從而提供一組支管和在陽(yáng)極與隔板陽(yáng)極面對(duì)面之間形成的陽(yáng)極氣體反應(yīng)區(qū)之間的燃?xì)鈧鬏斖ǖ?，并且?dǎo)管48、48｀被配置穿過包圍在隔板的陰極面對(duì)面上的氧化物支管孔55的平坦支管密封結(jié)構(gòu)，從而提供第二組支管和在陰極與隔板陰極面對(duì)面之間形成的陰極反應(yīng)區(qū)之間的氧化物氣體傳輸通道，由此為供給和來自燃料電池疊層的每個(gè)所述燃料電池單元的燃料和氧化物氣體提供完全內(nèi)部支管。
通過混合至少一種電子傳導(dǎo)性材料即優(yōu)選含碳材料、至少一種樹脂和至少一種親水劑以形成基本均勻混合物來制造本發(fā)明的雙極性隔板，該混合物包括在約50wt％-95wt％范圍內(nèi)的所述電子傳導(dǎo)性材料、至少約5wt％的所述樹脂和所述親水劑。然后，該混合物在約250°F-約800°F的溫度范圍內(nèi)和在壓力約500psi-約4000psi的范圍內(nèi)模壓成想要形狀，從而形成雙極性隔板。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的PEM燃料電池疊層，本發(fā)明隔板包括在所述燃料電池疊層內(nèi)用于冷卻水的循環(huán)和排除的水供給和排除裝置。如圖1b所示，包括陰極面對(duì)板39a和陽(yáng)極面對(duì)板39b的隔板39在它們的界面處形成多個(gè)冷卻水通道34。在圖4所示的內(nèi)部支管燃料電池疊層中，水從水支管孔58提供，孔58配置有與相鄰電池組件密封的延伸支管密封結(jié)構(gòu)并且形成在所述水支管孔58和所述冷卻水通道34之間傳輸?shù)膶?dǎo)管，以及水通過水支管孔58｀排除。
在上述說明書中結(jié)合某些優(yōu)選實(shí)施例已描述本發(fā)明并且為了示意說明已描述了許多細(xì)節(jié)，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明能夠附加實(shí)施例并且能夠極大地改變?cè)诖怂枋龅哪承┘?xì)節(jié)，而不脫離本發(fā)明的基本原理。
權(quán)利要求
1.一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的不透氣雙極性隔板，包括重量在所述隔板的約50wt％-約95wt％范圍內(nèi)的至少一種電子傳導(dǎo)性材料；重量占所述隔板的至少約5wt％的至少一種樹脂；以及適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的用于把水吸入到所述隔板的至少一種親水劑，所述至少一種電子傳導(dǎo)性材料、所述至少一種樹脂和所述至少一種親水劑基本均勻分散在整個(gè)所述隔板中。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，其中所述至少一種樹脂是親水的。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，其中所述至少一種電子傳導(dǎo)性材料從碳素材料、金屬、金屬合金、金屬碳化物、金屬氮化物和它們的混合物構(gòu)成的組中選擇。
4.如權(quán)利要求3所述的雙極性隔板，其中所述至少一種電子傳導(dǎo)性材料包括至少一種含碳材料。
5.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，其中所述親水劑是潤(rùn)濕劑。
6.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，還包括達(dá)所述隔板的約45wt％的碳素纖維，基本均勻分散在整個(gè)所述隔板中。
7.如權(quán)利要求5所述的雙極性隔板，其中所述潤(rùn)濕劑是從Ti、Al、Si的氧化物和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
8.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，其中所述至少一種樹脂是從熱固樹脂、熱塑樹脂和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
9.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，其中所述至少一種電子傳導(dǎo)性材料是從石墨、碳黑、碳素纖維和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
10.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，其中所述隔板是多孔的。
11.如權(quán)利要求10所述的雙極性隔板，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
12.如權(quán)利要求10所述的雙極性隔板，其中所述孔的中間直徑是在約0.25微米-約2.0微米的范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求10所述的雙極性隔板，其中所述隔板的氣泡壓力大于約5psig。
14.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，其中所述隔板的電導(dǎo)率是至少約5S/cm。
15.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，包括在約70wt％-90wt％范圍內(nèi)的所述電子傳導(dǎo)性材料、在約8wt％-15wt％范圍內(nèi)的所述熱固樹脂、約0-10wt％的碳素纖維和約0.01wt％-5.0wt％的二氧化硅。
16.如權(quán)利要求1所述的雙極性隔板，還包括通過所述隔板的陽(yáng)極面對(duì)表面和陰極面對(duì)表面之間的所述隔板循環(huán)水的裝置。
17.一種雙極性隔板，包括重量為所述隔板的約50wt％-約95wt％范圍內(nèi)的電子傳導(dǎo)性碳素材料和重量為所述隔板的至少約5wt％的樹脂，其改進(jìn)部分包括所述雙極性隔板包括適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的均勻分散在整個(gè)所述隔板中的親水劑，由此水能夠吸入并通過所述隔板。
18.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，其中所述親水劑是所述親水樹脂。
19.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，其中所述親水劑是潤(rùn)濕劑。
20.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，還包括達(dá)所述隔板的約45wt％的碳素纖維，基本均勻分散在整個(gè)所述隔板中。
21.如權(quán)利要求19所述的雙極性隔板，其中所述潤(rùn)濕劑是從Ti、Al、Si的氧化物和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
22.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，其中所述至少一種樹脂是從熱固樹脂、熱塑樹脂和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
23.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，其中所述至少一種電子傳導(dǎo)性含碳材料是從石墨、碳黑、碳素纖維和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
24.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，其中所述隔板是多孔的。
25.如權(quán)利要求24所述的雙極性隔板，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
26.如權(quán)利要求24所述的雙極性隔板，其中所述孔的中間直徑是在約0.25微米-約2.0微米的范圍內(nèi)。
27.如權(quán)利要求24所述的雙極性隔板，其中所述隔板的氣泡壓力大于約5psig。
28.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，其中所述隔板的電導(dǎo)率是至少約5S/cm。
29.如權(quán)利要求17所述的雙極性隔板，其中所述隔板的中心區(qū)域形成用于燃料電池氣體分配的氣流導(dǎo)向裝置。
30.如權(quán)利要求29所述的雙極性隔板，其中所述中心區(qū)域的擠壓強(qiáng)度大于約200psi。
31.一種質(zhì)子交換膜燃料電池疊層，包括多個(gè)單個(gè)燃料電池單元，每個(gè)所述燃料電池單元包括陽(yáng)極、陰極、位于所述陽(yáng)極和所述陰極之間的離子交換膜，以及具有陽(yáng)極面對(duì)面和陰極面對(duì)面的隔板，所述隔板分隔開在一個(gè)所述燃料電池單元的陽(yáng)極和相鄰所述燃料電池單元的陰極之間的所述燃料電池單元，其改進(jìn)部分包括所述隔板包括數(shù)量在所述隔板的約50wt％-約95wt％范圍內(nèi)的至少一種電子傳導(dǎo)性含碳材料，數(shù)量占所述隔板的至少約5wt％的至少一種樹脂，以及適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的用于把水吸入到所述隔板的至少一種親水劑，所述至少一種電子傳導(dǎo)性含碳材料、所述至少一種樹脂和所述至少一種親水劑基本均勻分散在整個(gè)所述隔板中。
32.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述至少一種樹脂是親水的。
33.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述親水劑是潤(rùn)濕劑。
34.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述隔板還包括達(dá)所述隔板的約45wt％的碳素纖維，它基本均勻分散在整個(gè)所述隔板中。
35.如權(quán)利要求33所述的燃料電池疊層，其中所述潤(rùn)濕劑是從Ti、Al、Si的氧化物和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
36.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述至少一種樹脂是從熱固樹脂、熱塑樹脂和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
37.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述至少一種電子傳導(dǎo)性含碳材料是從石墨、碳黑、碳素纖維和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
38.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述隔板是多孔的。
39.如權(quán)利要求38所述的燃料電池疊層，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
40.如權(quán)利要求38所述的燃料電池疊層，其中所述孔的中間直徑是在約0.25微米-約2.0微米的范圍內(nèi)。
41.如權(quán)利要求38所述的燃料電池疊層，其中所述隔板的氣泡壓力大于約5psig。
42.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述隔板的電導(dǎo)率是至少約5S/cm。
43.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述離子交換膜和所述隔板延伸到所述燃料電池疊層的外緣，所述隔板配置有從一面延伸以接觸完全圍繞其周邊的所述離子交換膜的平坦周邊密封結(jié)構(gòu)，形成邊緣密封，所述離子交換膜和所述隔板每個(gè)具有多個(gè)對(duì)直穿孔，在所述隔板中的所述穿孔被從每個(gè)所述面延伸以接觸所述離子交換膜的平坦支管密封結(jié)構(gòu)包圍，形成支管密封，因此形成通過所述電池疊層延伸的多個(gè)氣體支管，并且通過所述平坦支管密封結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管提供在一組所述支管和在所述陽(yáng)極與所述隔板的所述陽(yáng)極面對(duì)面之間形成的陽(yáng)極室之間的燃?xì)鈧鬏?，以及通過所述平坦支管密封結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管提供在第二組所述支管和在所述陰極與所述隔板的所述陰極面對(duì)面之間形成的陰極室之間的氧化物氣體傳輸，由此為供給和來自所述燃料電池疊層中每個(gè)所述燃料電池單元的燃料和氧化物氣體提供完全內(nèi)部支管。
44.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，其中所述隔板的中心區(qū)域形成氣流導(dǎo)向裝置，用于分配每個(gè)燃料電池單元中的燃料電池氣體。
45.如權(quán)利要求31所述的燃料電池疊層，還包括用于循環(huán)和排除來自所述燃料電池的水的水循環(huán)裝置。
46.一種制造雙極性隔板的方法，包括混合至少一種電子傳導(dǎo)性材料、至少一種樹脂和適合在質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的至少一種親水劑以形成基本均勻的混合物，該混合物包括重量為所述混合物重量的約50％-約95％范圍內(nèi)的所述至少一種電子傳導(dǎo)性材料、重量為所述混合物重量的至少約5％的所述至少一種樹脂以及所述的至少一種親水劑；以及在溫度約250°F-500°F的范圍內(nèi)以及在壓力約500psi-4000psi的范圍內(nèi)模壓所述混合物成想要形狀，形成雙極性板。
47.如權(quán)利要求46的方法，其中所述隔板的空隙率小于所述隔板的25vol％。
48.如權(quán)利要求47的方法，其中所述隔板形成中間孔尺寸在約0.25微米-約2.0微米范圍內(nèi)的多個(gè)孔。
49.如權(quán)利要求46的方法，其中所述至少一種樹脂是親水的。
50.如權(quán)利要求46的方法，其中所述親水劑是潤(rùn)濕劑。
51.如權(quán)利要求46的方法，其中所述至少一種電子傳導(dǎo)性材料是含碳材料。
52.如權(quán)利要求46的方法，還包括混合數(shù)量達(dá)所述混合物的約45wt％的碳素纖維到所述混合物中。
53.如權(quán)利要求50的方法，其中所述潤(rùn)濕劑是從Ti、Al、Si的氧化物和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
54.如權(quán)利要求46的方法，其中所述至少一種樹脂是從熱固樹脂、熱塑樹脂和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
55.如權(quán)利要求51的方法，其中所述至少一種電子傳導(dǎo)性含碳材料是從石墨、碳黑、碳素纖維和其混合物構(gòu)成的組中選擇。
全文摘要
一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池(20)的不透氣雙極性隔板(20),具有重量為隔板的約50wt%－約95wt%范圍內(nèi)的至少一種電子傳導(dǎo)性材料,重量占所述隔板的至少約5wt%的至少一種樹脂和至少一種親水劑,其中電子傳導(dǎo)性材料、樹脂和親水劑基本均勻分散在整個(gè)隔板中。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1264499SQ98807408
公開日2000年8月23日 申請(qǐng)日期1998年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月20日
發(fā)明者G·J·康卡, L·G·馬里爾諾夫斯基 申請(qǐng)人:瓦斯技術(shù)協(xié)會(huì)