CN101604756B - 双极板与燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极板与燃料电池。双极板形成方法为在金属基体上依序形成金属层、金属碳化物层、以及碳层。上述层状材料的形成方法为室温蒸镀而无需对基板加热，可形成致密性的薄膜表面。由于上述的金属基体的厚度薄且具有高机械强度，表面的导电碳层可大幅提升双极板的抗酸腐蚀性，及维持较佳的导电性，本发明的双极板可广泛应用于高/低温燃料电池中。

Description

双极板与燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体而言涉及燃料电池中的双极板与其形成方法。
背景技术
请参照图1，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，以下简称PEMFC)是由质子交换膜11夹于两块触媒层13、气体扩散层15、双极板17(bipolar plate)、集电板18(current collector)、与端板19(end plate)间所组成。质子交换膜11分隔的两边分属阳极(氢气或重组气体)与阴极(氧气或空气)。阳极进行氧化反应，阴极进行还原反应，当阳极的氢气接触到与质子交换膜11相邻的触媒13(一般为白金或白金合金)时，氢气分子会解离成为氢离子及电子，其中电子会经由衔接阳极与阴极的电桥、与电桥串接的装置16，自阳极游往阴极，氢离子则直接自阳极穿越薄膜电极组11到达阴极，特别强调的是此质子交换膜11为含湿性的薄膜，仅容许氢离子伴随水分子穿越，而其他气体分子均无法穿越。阴极端在触媒的作用下，经由电桥到达的电子与氧结合成氧离子，与穿越质子交换膜11的氢离子合成形成水分子，此即电化学氧化与还原反应。
应用电化学反应使PEMFC发电系统具有效率高、无污染、反应快等特性，并可通过串联提高电桥电压或增加电极反应面积以提高电流量，特别是在源源不断的氢气及氧气(通常使用空气)供给下，可持续提供电力供给装置16的需求。在这样的特点下，PEMFC除了可作为小型系统电力，亦可设计成为大型电厂、分散式电力及可移动电力。
双极板是燃料电池中重要的零组件，其重量约占整个电池组的80％，成本亦占整个电池组的40％。目前燃料电池双极板以材料分类大约有三种如高密度石墨板、复合碳板、以及金属板。高密度石墨板的成本太高，且加压易碎。而复合碳板质轻、成本低，且具有优异的抗腐蚀性，如中国台湾专利申请第094116957号所揭示的双极板。虽然复合碳板具有上述优点，但其机械强度及导电性仍未达理想程度，且工艺复杂，耗工费时。而另一种金属双极板的厚度较薄，可缩减燃料电池体积，且具有高机械强度及优良导电性等优点。如中华人民共和国发明专利申请第01124228.0号所揭示的金属制波浪状双极板。上述的双极板厚度较薄，可大幅降低燃料电池的尺寸。但金属双极板在燃料电池工作过程中，由于处于高温酸性环境下，金属双极板不耐酸腐蚀而溶解为金属离子。上述的金属离子将阻碍高分子质子膜导通质子，造成燃料电池的性能及使用寿命下降。若采用耐酸腐蚀的贵金属制作双极板，则有成本过高无法商业化的问题。目前改善金属双极板的抗酸腐蚀性多在其表面镀上一层抗酸腐蚀及耐热性佳的金属氮化物薄膜如氮化钛或氮化铬。然而这些薄膜本身的导电性不佳，且为了达到耐热抗酸腐蚀的效果必需有几十微米的厚度，造成整个燃料电池组的效能降低。在中国台湾专利申请第094113066号中，在金属基体上形成复合材料层。上述的复合材料层厚度大、制作步骤复杂、且成本高。综上所述，目前亟需厚度薄、导电度高、制作方法单纯、且耐热抗酸腐蚀的双极板。
发明内容
本发明提供一种双极板，包括金属基体；金属层，位于金属基体上；金属碳化物层，位于金属层上；以及碳层，位于金属碳化物层上。
本发明亦提供一种燃料电池，包括质子交换膜夹设于两端板间；其中质子交换膜与端板之间依序为触媒层、气体扩散层、上述的双极板、以及集电板。
附图说明
图1为已知的质子交换膜燃料电池剖面图；
图2为本发明一实施例中，双极板的结构剖视图；以及
图3为本发明一实施例中，双极板的结构上视图。
附图标记说明
11～质子交换膜；    13～触媒层；
15～气体扩散层；    16～装置；
17～双极板；        18～集电板；
19～端板；          171～金属基体；
173～金属层；     175～金属碳化物层；
177～碳层；       31～流道；
33～流体入口；    35～流体出口。
具体实施方式
图2为本发明一实施例中，双极板的结构剖视图。双极板17的总厚度约介于1.0mm至1.5mm之间，若大于1.5mm会造成燃料电池太重且成本增加，若小于1.0mm则无法在表面形成厚度约0.8mm的流道。形成双极板17的步骤如下：首先提供金属基体171，其材料可为铝、铜、镁、不锈钢、或上述的合金。接着形成金属层173金属基体上。金属层173的厚度约介于50nm至200nm之间。金属层173的厚度需考虑材料的导电性。导电效果佳的金属材料可具有较厚的厚度，而导电效果差的金属材料则需较薄的厚度。金属层173的形成方式可为蒸镀法如脉冲式阴极真空电弧法。金属层173需能与碳及金属基体171形成良好键结，在本发明一实施例中，金属层173可为钛、镍、钒、或铅。接着形成金属碳化物层175于金属层上。金属碳化物层175的厚度约介于50nm至200nm之间，其形成方式可为蒸镀法如脉冲式阴极真空电弧法。金属碳化物层175可为碳化钛、碳化镍、碳化钒、或碳化铅。金属碳化层175与金属层173具有对应关系，举例来说，当金属层173采用钛时，金属碳化物层175为碳化钛；当金属层173采用镍时，金属碳化物层175为碳化镍，以此类推。最后，形成碳层177于金属碳化物层上。碳层177的厚度约介于50nm至200nm之间，其形成方法可为高能量离子等离子体，优点在于室温下即可形成致密性的薄膜表面，进而提高碳层177与金属碳化层175的附着性。由上述方法形成的碳层177主要为sp2键结的石墨碳，少部分为sp3键结的类金刚石碳。
上述金属层173、金属碳化物层175、以及碳层177均为导电材料，在顾及双极板17的耐热性及抗酸腐蚀性的同时，不会降低双极板17的导电性。由于碳层177与金属基体171之间夹设了金属层173及金属碳化物层175，可有效改善碳层177与金属基体171之间附着性低的问题。上述的双极板17其表面粗度(roughness)介于200nm至300nm之间，在0.5M的硫酸70℃条件下其抗酸腐性的酸腐电流介于3.3×10-7～6.3×10-7A/cm2，以及导电率介于1000-1300 S/cm。
在本发明一实施例中，可进一步以机械加工法于双极板17表面上刻出气体及液体的流道31，如图3所示。流道31的两端分别为流体入口33及流体出口35。以厚度1mm至1.5mm之间的双极板为例，流道的深度及宽度约介于0.5mm至1.0mm之间如0.8mm。
上述的双极板17可应用于图1所示的燃料电池。在图1中，质子交换膜11夹于两块触媒层13、气体扩散层15、本发明的双极板17、集电板18(current collector)、与端板19(end plate)间所组成。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例作详细说明如下：
实施例1
取不锈钢片(15mm×15mm×2mm，规格为SS316L)，以机械加工法于不锈钢片的表面划出流道。此不锈钢片的厚度为2mm、抗酸腐蚀性在温度70℃及浓度0.5M H2SO4下的腐蚀电流为2.426×10-6～9.145×10-6A/cm2，以及导电率为1300S/cm。
接着利用脉冲式阴极真空电弧法蒸镀200nm的钛金属层于不锈钢片上。接着利用脉冲式阴极真空电弧法蒸镀200nm的碳化钛层于金属钛层上。最后以高能量离子等离子体蒸镀200nm的碳层于碳化钛层上，即完成双极板。
上述双极板的外观良好，蒸镀薄膜厚度为600nm表面粗度为100至200nm，抗酸腐蚀性在温度70℃及浓度0.5M H2SO4下的腐蚀电流为3.3×10-7～6.3×10-7A/cm2，以及导电率1202.5S/cm。与未处理的不锈钢片相较，本发明的双极板在未牺牲导电性的情况下大幅提升了耐抗酸腐蚀性的效果。
虽然本发明已以数个实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种双极板，包括：
金属基体；
金属层，位于该金属基体上；
金属碳化物层，位于该金属层上；以及
碳层，位于该金属碳化物层上，兼顾导电性和抗腐蚀性；
其中该碳层直接形成于该金属碳化物层上，夹设在该碳层与该金属基体之间的该金属层及该金属碳化物层有效改善该碳层与该金属基体之间附着性低的问题。
2.如权利要求1所述的双极板，其中该金属基体包括铜、铝、镁、不锈钢、或上述的合金。
3.如权利要求1所述的双极板，其中该金属层包括钛、镍、钒、或铅。
4.如权利要求1所述的双极板，其中该金属碳化物层包括碳化钛、碳化镍、碳化钒、或碳化铅。
5.如权利要求1所述的双极板，其中该双极板的厚度介于1mm至1.5mm之间。
6.如权利要求1所述的双极板，其中该金属层、该金属碳化物层、以及该碳层的厚度各自介于50nm至200nm之间。
7.如权利要求1所述的双极板，还包括流道位于该双极板表面。
8.如权利要求7所述的双极板，其中该流道的宽度及深度介于0.5至1.0mm之间。
9.一种燃料电池，包括：
质子交换膜夹设于两端板间；
其中该质子交换膜与该端板之间依序为触媒层、气体扩散层、如权利要求1所述的双极板、以及集电板。
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