CN100530788C - 燃料电池、燃料电池组及燃料电池制造方法 - Google Patents

燃料电池、燃料电池组及燃料电池制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，该燃料电池包括两导流板、一位于该两导流板之间的膜电极，该导流板面向膜电极的一面具有导流槽且该面上远离该导流板依次设置第一催化剂层、阻隔层、碳材料层及第二催化剂层。本发明还提供一种燃料电池制造方法，该方法包括如下步骤：提供具导流槽的导流板；在导流板具有导流槽的一面沉积形成阻隔层、在该阻隔层上沉积形成第一催化剂层；在第一催化剂层上形成碳材料层；在碳材料层上沉积形成第二催化剂层；组装形成所需的燃料电池。

Description

燃料电池、燃料电池组及燃料电池制造方法
【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池、燃料电池组及燃料电池制造方法。
【背景技术】
燃料电池是一种电化学发电装置，其将燃料及氧化剂转化为电能并产生反应产物。燃料电池具有能量转换效率高、环境污染小、适用广、无噪音及连续工作等优点，广泛应用于军事、国防及民用的电力、交通、通信等多种领域。
燃料电池通常可分为碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池以及质子交换膜燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池近年来发展迅速，通常，一个质子交换膜燃料电池单元主要包括膜电极、导流板以及集流板等组成部分。
膜电极也称为膜电极组，是电池单元的核心部件，燃料气体及氧化剂在此发生电化学反应，释放电子并产生水。膜电极一般是由一质子交换膜、分别位于质子交换膜两表面的阳极及阴极组成。导流板也称为流床板、隔板，一般是由导电材料制成。在每个电池单元中，膜电极是夹在两块导流板中间，在每个导流板与膜电极相接触的表面上形成有一条或多条导流槽，该导流槽分别用于导引燃料气体、氧化剂或反应产物水。集流板一般是由导电材料制成，在一个电池单元中通常采用两块集流板分别设在两块导流板未形成导流槽一表面上，由于导流板本身也具有导电性，因此，现有技术中也有省略集流板的设计，直接以导流板兼作集流板。
现有技术中一种燃料电池，该燃料电池的导流板上具有导流槽，且在具有导流槽的一面上涂覆有电活性催化剂材料的涂层，通过该催化剂以提高燃料电池的燃料利用率，但是，该催化剂涂层的催化剂颗粒粒径非常小，一般为微米级或纳米级，使得有些沿导流槽流动的气体未能碰到催化剂颗粒，从而气体未能来得及发生反应即流出燃料电池，使得该燃料电池的燃料利用率不高。
另外，现有技术的燃料电池还存在一个问题，即膜电极与导流板的介面导电性较差，燃料电池反应产生的所有电子无法有效地导出至外电路(负载)。
因此，有必要提供一种可提高燃料利用率、提高导电性的燃料电池、燃料电池组及该燃料电池制造方法。
【发明内容】
以下将通过实施例说明一种可提高燃料利用率、提高导电性的燃料电池、燃料电池组及该燃料电池的制造方法。
为实现上述内容，提供一种燃料电池，该燃料电池包括两导流板、一位于两导流板之间的膜电极，该导流板面向膜电极的一面上具有导流槽且该面上远离该导流板依次设置阻隔层、第一催化剂层、碳材料层及第二催化剂层。
以及，提供一种燃料电池组，该燃料电池组包括多个膜电极及多个导流板，相邻两导流板夹紧一个膜电极，除最外层导流板外其它导流板相对两侧面分别具有导流槽，导流板具导流槽的一面远离该导流板依次设置阻隔层、第一催化剂层、碳材料层及第二催化剂层。
以及，提供一种燃料电池制造方法，该方法包括如下步骤：
提供具有导流槽的导流板；
在导流板具有导流槽的一面沉积形成阻隔层、在该阻隔层上沉积形成第一催化剂层；
在第一催化剂层上形成碳材料层；
在碳材料层上沉积形成第二催化剂层；
组装形成所需的燃料电池。
与现有技术相比，本实施例燃料电池的导流板上具有碳材料层，碳材料层具有较好的导电性，其电阻小于传统金属，从而使导流板具有较好的导电性。另外，碳材料层作为催化剂层的载体，可充分发挥催化剂的活性，提高燃料利用率。该电燃料电池组及该燃料电池制造方法所制造的燃料电池亦具有充分发挥催化剂的活性，提高燃料利用率的优点。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例燃料电池单元的立体分解示意图。
图2是沿图1中II-II方向的局部剖示图。
图3是本发明第二实施例燃料电池制造方法的流程图。
图4是在导流槽表面沉积阻隔层的示意图。
图5是在图4中的阻隔层上沉积第一催化剂层的示意图。
图6是在图5的第一催化剂层上生长碳纳米管的示意图。
图7是在图6的碳纳米管上沉积第二催化剂层的示意图。
【具体实施方式】
请一同参阅图1及图2，本发明第一实施例提供一种燃料电池单元20，该燃料电池单元20包括两导流板22、一位于两导流板22之间的膜电极24。
膜电极24包括一质子交换膜240、分别位于质子交换膜240两表面的阳极242及阴极244，该阳极242、阴极244的至少一面具有催化剂(图未示)。
该导流板22可由金属(如铜、不锈钢)或其它导电性复合材料制成，该导流板22面向膜电极24的一面上具有一条或者多条导流槽220，以利于燃料气体或氧化剂均匀分布，另外也可用于将反应产生的水导出。
该导流槽220可利用压铸、冲压、机械铣刻、化学蚀刻、光刻技术或者微影制程形成在导流板22表面上，该导流槽220呈连续S形，其截面可为V形、U形、圆弧形、矩形或者其它多边形形状，该导流槽220的宽度大约为10μm至400μm，深度一般为20μm至10mm。
该导流槽220内具有提高导流板22导电性的碳材料层224，该碳材料层224可以为碳纳米管、碳纳米棒、碳纳米纤维或者碳粉等，其厚度为20nm至400nm。
该碳材料层224上沉积形成有一催化剂层226，其作为燃料电池单元20工作时的催化剂以提高燃料电池单元20的反应速度及反应效率，该催化剂层226为由贵重金属组成，如铂、钌、金或三者的任意组合的合金，其厚度大约为20nm至400nm。
另外，碳材料层224、催化剂层226不仅可位于导流槽220内部，也可分布于整个导流板22具导流槽220的一面。
本实施例燃料电池单元20的导流板22具有碳材料层224，该碳材料层224一方面可提高导流板22的导电性，另一方面作为催化剂层226的载体也可有效提高催化剂的活性，进而提高燃料利用率。
实际应用时，为提高燃料电池总功率，多个燃料电池单元20可通过叠加方式串联构成电池组，此时除最外一层导流板22外，其余导流板22两表面均形成有导流槽220，分别用作一个膜电极24的阳极导流面，以及另一个膜电极24的阴极导流面，导流板22的两表面均具有碳材料层224及催化剂层226。
请参阅图3，其是本发明第二实施例燃料电池制造方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1是提供具有导流槽的导流板。该导流板可由金属(如铜、不锈钢)或导电性复合材料制成，该导流板至少一面上具有导流槽，该导流槽的截面可为V形、U形、圆弧形、矩形或者其它多边形形状。
步骤2是在导流板上形成碳材料层。
步骤3是在碳材料层上沉积形成催化剂层。
步骤4是组装形成所需的燃料电池。将具有碳材料层、催化剂层的导流板与燃料电池的其它组成部分，如膜电极等，进行组装以形成所需的燃料电池单元或燃料电池组。
下面结合具体实施例说明该方法的实施过程。
请参阅图4至图7所示，本实施例的导流板42可由铜制成，其表面具有通过压铸、冲压、机械铣刻、化学蚀刻、光刻技术或者微影制程形成的导流槽420。由于导流板42由金属材质制成，因此可采用压铸、冲压技术实现量产。
在导流板42的导流槽420表面上沉积一层用于生长碳纳米管426的第一催化剂层424，本实施例的碳材料层是选用碳纳米管，当然该碳材料层也可为碳纳米棒、碳纳米纤维或碳粉等。该第一催化剂层424可包括铁、钴、镍及该三种金属任意组合的合金，沉积方法包括溅镀法、蒸镀法或者其它适合形成薄膜的方法。
应当指出，由于导流板42为金属材质，为防止导流板42与第一催化剂层424发生反应，影响第一催化剂层424的活性，可在沉积第一催化剂层424之前先行沉积一阻隔层422，用以阻止第一催化剂层424与金属材质的导流板42发生反应，确保第一催化剂层424在后续反应时的催化活性，该阻隔层422可为硅薄膜、镍薄膜或者二氧化硅薄膜，沉积方法包括溅镀法、蒸镀法或者其它适合形成薄膜的方法；当导流板42为非金属，例如石墨时，可以不需形成上述阻隔层422，因此，可省略此步骤。
采用化学气相沉积法(CVD)通过第一催化剂层424的催化作用，在第一催化剂层424表面生长碳纳米管426，大量碳纳米管426构成碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列可提高导流板42的导电性。目前，关于CVD法生长碳纳米管426的方法已经较为成熟，业界已有很多现有技术，此处不再详细描述。
在碳纳米管426上沉积一第二催化剂层428，该第二催化剂层428可作为燃料电池反应时的催化剂以提高燃料电池的反应速度及气体反应效率，该第二催化剂层428为铂、钌、金或三者任意组合的合金，沉积方法包括溅镀法、蒸镀法或者其它适合形成薄膜的方法。
最后，将具有阻隔层422、碳纳米管426及第二催化剂层428的导流板42与燃料电池的其它组成部分组合，如膜电极等，形成所需的燃料电池单元或燃料电池组。
另外，阻隔层422、碳纳米管426以及第二催化剂层428并不限于仅仅分布在导流槽420的表面，可完全涂覆在导流槽420所在的区域，或者导流板42具导流槽420的一面上。

Claims (15)

1.一种燃料电池，其包括两导流板、一位于两导流板之间的膜电极，该导流板面向膜电极的一面具有导流槽且该具导流槽的一面上远离该导流板依次设置阻隔层、第一催化剂层、碳材料层及第二催化剂层。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述碳材料层为碳纳米管、碳纳米棒、碳纳米纤维或碳粉。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于：所述碳材料层的厚度为20nm至400nm。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述导流槽的宽度在10μm至400μm范围内。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：所述导流槽的深度在20μm至10mm范围内。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述第二催化剂层为铂、金、钌或三者任意组合的合金。
7.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述第二催化剂层的厚度在20nm至400nm范围内。
8.一种燃料电池组，包括多个膜电极及多个导流板，相邻两导流板夹紧一个膜电极，除最外层导流板外其它导流板相对两侧分别具有导流槽，导流板具导流槽的面上远离该导流板依次设置阻隔层、第一催化剂层、碳材料层及第二催化剂层。
9.一种燃料电池制造方法，包括以下步骤：
提供具有导流槽的导流板；
在导流板具有导流槽的一面沉积形成阻隔层、在该阻隔层上沉积形成第一催化剂层；
在第一催化剂层上形成碳材料层；
在碳材料层上沉积形成第二催化剂层；
组装形成所需的燃料电池。
10.如权利要求9所述的燃料电池制造方法，其特征在于：所述阻隔层为硅薄膜、镍薄膜或者二氧化硅薄膜。
11.如权利要求9所述的燃料电池制造方法，其特征在于：所述第一催化剂层为铁、钴、镍或该三种金属任意组合的合金。
12.如权利要求9所述的燃料电池制造方法，其特征在于：所述碳材料层为碳纳米管、碳纳米棒、碳纳米纤维或者碳粉。
13.如权利要求9所述的燃料电池制造方法，其特征在于：所述沉积方法包括溅镀法、蒸镀法。
14.如权利要求9所述的燃料电池制造方法，其特征在于：所述导流槽可通过压铸、冲压、机械铣刻、化学蚀刻、光刻技术或者微影制程而成。
15.如权利要求9所述的燃料电池制造方法，其特征在于：所述第二催化剂层为铂、金、钌或三者任意组合的合金。
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