CN102576883A - 用于燃料电池的分离器、其制造方法以及包括分离器的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种燃料电池堆，该燃料电池堆可通过被布置成使得在膜电极组件中生成的水不积聚在分离器通道中来提高燃料电池的效率。本发明的燃料电池分离器包括：板形主体；通道：其用于向膜电极组件提供燃料或者氧气的，在主体的至少一个表面中凹陷地形成；氧化膜，其设置在通道的表面上，并且通过阳极氧化获得；以及金属层，其具有氧化膜上形成的纳米级的微痕，并且使通道的表面是超亲水性的。

Description

用于燃料电池的分离器、其制造方法以及包括分离器的燃料电池堆

发明背景

(a)发明领域

本发明涉及燃料电池堆。本发明尤其是涉及定位成紧邻膜电极组件的分离器以及其制造方法。

(b)相关技术的描述

一般而言，燃料电池是通过燃料的氧化反应以及氧气的还原反应生成电能的一类装置，氧气被分开地提供。燃料是液体燃料或者气体燃料，或者可包括从液体燃料或者气体燃料裂解出的氢气。

燃料电池堆是堆叠几个至几十个发电单元的结构，每一个发电单元都包括膜电极组件以及分离器。分离器布置在膜电极组件的两侧上，并且形成通道以向朝着膜电极组件的一个表面提供燃料或者氧气。此外，分离器由导电材料形成，并耦合膜电极组件的阴极与串联的邻近膜电极组件的阳极。

在燃料电池堆的操作下，水由膜电极组件中的阴极通过氧气的还原反应生成。然而，这些水并不会通过分离器的通道平稳地排到外部，而是沉积在通道的内壁上。在分离器中形成的水干扰氢气和氧气的流动性，使得氧气不可平稳地被提供给膜电极组件的阴极，并且作为结果，燃料电池的化学反应效率极大地降低了。

在这个背景部分中公开的以上信息只是为了增强对本发明的背景的理解，因此它可能包含并不形成现有技术的在这个国家对本领域的普通技术人员已知的信息。

发明概述

本发明提供一种用于燃料电池的分离器、其制造方法以及包括分离器的燃料电池堆，该分离器通过将在膜电极组件中生成的水直接吸收至通道表面而使其不积聚在膜电极组件中，来提高燃料电池的化学反应效率。

根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的分离器包括：板状的主体；通道，其在主体的至少一个表面上凹入地形成，并且向膜电极组件提供燃料或者氧气；以及金属层，其被设置到通道的表面，并包括通过阳极氧化处理形成的氧化层以及在所述氧化层中形成的纳米级的微凹槽，从而将通道的表面形成为超亲水的。

金属层可包括微米级的微凸起和微凹陷，并且氧化层和微凹槽可根据微凸起和微凹陷来形成。微凹槽可以具有20nm到200nm的直径以及10到2000的长宽比。

主体可形成燃料歧管和氧气歧管，且通道连接到燃料歧管和氧气歧管中的一个。通道可在主体的两个表面处形成，在主体的一个表面处形成的通道可以连接到燃料歧管和氧气歧管中的一个，且在主体的另一表面处形成的通道可以连接到燃料歧管和氧气歧管中的另一个。

依照本发明的一个示例性实施方式的燃料电池的分离器的制造方法包括：在主体的至少一个表面中形成凹通道；在通道的表面处形成金属层；以及对金属层进行阳极氧化处理以形成纳米级的微凹槽，从而将通道的表面形成为超亲水的。

该方法还包括：在形成金属层之前，在主体的除通道以外的表面处形成掩蔽层(mask layer)，以及在形成微凹槽后移除掩蔽层。

该方法还包括：在形成金属层后，将微粒注入到金属层以在金属层的表面处形成微米级的微凸起和微凹陷。

微粒可以是水溶性微粒，并且当注入水溶性微粒时，也可以注入干冰，以在金属层的表面处生成湿气。微粒可具有10μm到50μm的直径。

依照本发明的一个示例性实施方式的燃料电池堆包括具有膜电极组件的发电单元以及定位成紧邻膜电极组件的两个表面的分离器。分离器包括：板状的主体；通道，其在主体的至少一个表面上形成，并且向膜电极组件提供燃料或者氧气；以及金属层，其被设置到通道的表面，并且包括通过阳极氧化处理形成的氧化层以及在氧化层中形成的纳米级的微凹槽，从而将通道的表面形成为超亲水的。

依照本发明的一个示例性实施方式，用于燃料电池的分离器形成具有超亲水表面的通道，使得在膜电极组件中生成的水滴被直接吸收，从而有效地传送燃料和空气。作为结果，燃料电池堆的化学反应效率增加，以便可以生成更多的电能。

附图简述

图1是依照本发明的一个示例性实施方式的燃料电池堆的透视图。

图2是图1示出的燃料电池堆的发电单元的分解透视图

图3和图4示出了图2示出的发电单元的拆卸横截面视图和装配横截面视图。

图5是依照图4示出的金属层的另一个示例性实施方式的放大的横截面视图。

图6是依照图4示出的发电单元的另一个示例性实施方式的横截面视图。

图7是依照本发明的一个示例性实施方式的用于燃料电池的分离器的制造方法的过程流程图。

图8是示出了图7示出的第一步骤的分离器的横截面视图。

图9是示出了图7示出的第二步骤的分离器的横截面视图。

图10是示出了图7示出的第三步骤的分离器的横截面视图。

图11a是示出了在图7的第四步骤中使用的注入器的示意图。

图11b是示出了在第四步骤后的金属层的放大的横截面视图。

图12是示出了在图7的第五步骤中使用的阳极氧化装置的示意图。

图13和图14是示出了通过将一滴水滴到金属层的表面而形成的接触角的实验结果的照片。

实施方式的详细描述

在下文中将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。如本领域技术人员认识到的，所描述的实施方式可以用多种不同的方式修改，都不偏离本发明的精神和范围。

图1是依照本发明的一个示例性实施方式的燃料电池堆的透视图。

参照图1，燃料电池堆100包括作为电池单元用于使燃料和氧气进行电化学反应以生成电能的多个发电单元20。也就是说，多个发电单元20被连续地布置并且彼此串联耦合，从而形成燃料电池堆100。

燃料可以是液体燃料或者是包括氢气的气体燃料，例如甲醇、乙醇、液化石油气(LPG)、液化天然气(LNG)和汽油。在这种情况下，燃料电池堆100可形成为通过液体燃料或者气体燃料与氧气的直接反应生成电能的直接氧化燃料类型。

同时，燃料可包括通过一般转化炉从液体燃料或者气体燃料裂解出来的氢气。在这种情况下，燃料电池堆100可形成为聚合物电极膜燃料电池类型，其通过氢气和氧气的反应生成电能。

图2是图1示出的燃料电池堆中的发电单元的分解透视图。参照图1和图2，发电单元20包括膜电极组件30以及紧邻膜电极组件30的两个表面的位置定位的一对分离器40。

图3示出了图2示出的发电单元的拆卸横截面视图，而图4示出了图2示出的发电单元的装配横截面视图。参照图3和图4，膜电极组件30包括电解质层31、位于电解质层31的一个表面处的阳极32、位于电解质层31的另一个表面处的阴极33、以及位于阳极32的外表面以及阴极33的外表面处的气体扩散层34。

阳极32将所提供的燃料分离为电子和质子，且电解质层31将质子移至阴极33。阴极33与从电解质层31传送的电子和质子起反应，并分离地提供氧气以生成湿气和热。气体扩散层34具有统一给阳极32提供燃料并给阴极33提供氧气的功能。

密封垫35根据膜电极组件30的边缘来定位。密封垫35支撑膜电极组件30，并保持分离器40以及膜电极组件30之间的气密性。密封垫35可由具有弹性的硅橡胶或聚合物材料例如PET制成。

布置在膜电极组件30的两个表面处的分离器40具有支持和分散燃料至阳极32并分散氧气至阴极33的功能。为此，分离器40包括通道41以接收燃料或者氧气并且统一将它们提供至膜电极组件30。

参照图1与图2，分离器40包括板状的主体42、在主体42的朝着膜电极组件30的一个表面处凹入地形成并且提供燃料或者氧气的移动路径的通道41、以及连接到通道41同时定位在主体42的边缘处并向通道41提供燃料或氧气的歧管43a和43b。主体42可由碳材料例如石墨或金属制成。

歧管43a和43b包括提供燃料的一对燃料歧管43a以及提供氧气的一对氧气歧管43b。面向阳极32的分离器40的通道41连接到一对燃料歧管43a，面向阴极33的分离器40的通道41连接到一对氧气歧管43b。在图2中，面向阳极32的分离器40在左侧示出，而面向阴极33的分离器40在右侧示出。

图2示出了一种结构的分离器40的一个例子，其中多个肋以其间的间隔被布置在主体42的朝着膜电极组件30的一个表面处，从而在肋44间形成多个通道41，并且通道41的端部彼此连接。然而，通道41的形状并不局限于以上所描述的例子，且能够提供燃料或者氧气的移动路径的所有形状都可被应用。

参照图3和图4，对于以上描述的发电单元20，包括纳米级的微凹槽45并且形成具有超亲水性的通道41的表面的金属层46位于通道41的表面上。在这里，通道41的表面意指包括底面411以及侧面412(在图3中的放大圆中示出)的通道41的整个表面，并且纳米级意指大于1nm并小于1000nm的尺寸范围。

氧化层47在金属层46的表面处形成，且纳米级的微凹槽45位于氧化层47处。氧化层47与微凹槽45通过将稍后描述的阳极氧化过程形成。金属层46可由铝形成，而氧化层47可由氧化铝形成。

一般金属是具有小于90°的与液体的接触角的亲水性材料。如果纳米级的微凹槽45在金属层46的表面处形成，接触角减小到小于5°，使得亲水性被最大化。

在本示例性实施方式中，微凹槽45可以具有20nm到200nm的直径和在大于10到小于2000的范围内的长宽比。当微凹槽45的直径大时，长宽比高，以便呈现很好的亲水性，然而如果长宽比小于10，亲水性弱。当微凹槽45的直径小时，亲水性使长宽比变大，然而如果长宽比超过2000，亲水性不会很大地提高，所以当考虑到处理时间时，微凹槽45的长宽比小于2000是优选的。

如上所述，包括金属层46的通道41由于微凹槽45而具有超亲水性表面，使得在燃料电池操作期间在膜电极组件30中生成的水沉积到通道41，并且直接被吸收至形成有微凹槽的通道41的表面。

因此，当最小化燃料和氧气的移动干扰时，分离器40可向阳极32以及阴极33平稳地提供燃料和氧气，且作为结果，燃料电池的化学反应效率可能增加。金属层46在通道41的整个表面上形成，并且不被提供到定位成靠近膜电极组件30的肋44的表面。

图5是依照图4示出的金属层的另一个示例性实施方式的放大的横截面视图。

参照图5，金属层46形成了微米级的微凸起和微凹陷。同样，氧化层47根据微米级的微凸起和微凹陷而形成，并且因此纳米级微凹槽45在其表面上形成。在这里，微米级意指包括在大于1μm到小于1000μm的范围内的尺寸。

微米级的微凸起以及微凹陷具有增加通道41的表面的亲水性的功能。微凸起以及微凹陷可通过使用压缩空气压力将微粒注入到金属层46的表面的方法来形成。也就是说，微粒的碰撞能量改变金属层46的表面，由此形成微米级的微凸起和微凹陷。

同时，在操作期间，燃料电池堆100生成热，并且如图1所示，可提供冷却板21，该冷却板21为发电单元20提供冷却水。冷却板21形成通道22用于使冷却水在其一个表面处移动。提供冷却水的冷却水歧管23在冷却板21、分离器40和密封垫35的边缘处形成，且冷却板21的通道22连接到冷却水歧管23。

一个膜电极组件30与两个分离器40可形成一个发电单元。同时，如图6所示，通道41在分离器40的两个表面处形成，因此一个分离器40被布置在两个相邻的膜电极组件30之间。在这种情况下，包括纳米级微凹槽的金属层46在通道41的表面上形成以形成具有超亲水性的通道41的表面。

接着，燃料电池的分离器的制造方法将会被描述。图7是依照本发明的一个示例性实施方式的用于燃料电池的分离器的制造方法的过程流程图。

参照图7，燃料电池的分离器的制造方法包括在主体的至少一个表面处形成凹通道的第一步骤S100、在主体的除通道以外的表面上形成掩蔽层的第二步骤S200、将金属沉积在通道的表面上以形成金属层的第三步骤S300、将微粒注入到金属层以形成微米级的微凸起和微凹陷的第四步骤S400、通过金属层的阳极氧化处理形成氧化层以及纳米级的微凹槽的第五步骤S500、以及移除掩蔽层的第六步骤S600。如果有必要，第四步骤S400可以省略。

图8是示出了图7示出的第一步骤的分离器的横截面视图。

参照图8，制造由碳材料或者金属制成的主体42。在碳材料的情况下，主体42可以通过使用模具的挤压成型法来制造，且与通道41的形状相对应的凸形部分被形成，以同时形成主体42和通道41。在金属的情况下，主体42通过冲压工艺来处理，以形成凹通道41。

图9是示出了图7示出的第二步骤的分离器的横截面视图。

参照图9，掩蔽层50在主体42的除通道41以外的表面上形成。也就是说，掩蔽层50在面向膜电极组件30的肋44的整个表面上形成，使得只有通道41暴露在外面。通过用掩蔽层50覆盖肋44的表面，在第三步骤S300以及随后的第四步骤S400中，微凸起和微凹陷以及微凹槽可只在通道41的表面中形成。

图10是示出了图7示出的第三步骤的分离器的横截面视图。

参照图10，诸如铝的金属沉积在通道41的表面上以形成金属层46。在此时，肋44被掩蔽层50覆盖，使得金属层46不在肋44的表面上形成。

图11a是示出了在图7的第四步骤中使用的注入器，而图11b是示出了在第四步骤后的金属层的放大横截面视图。

参照图11a以及图11b，注入器60以预定的速度向分离器40的金属层46注入微粒。注射器60可以是使用压缩空气压力的气力注入器，并且可以通过控制空气的压力来控制微粒的注入速度以及注入压力。在这种情况下，注入器60可连接到压缩空气供应单元61、控制空气的压力的压力控制器62、贮存微粒63的贮存单元63、以及向注入器60提供微粒的泵64。

微粒与金属层46的表面碰撞，因此导致金属层46表面的变形。作为结果，微米级的微凸起以及微凹陷48在金属层46的表面中形成。微粒可以是金属球、沙粒、或称为焙苏打的碳酸氢钠颗粒。微粒可以具有10μm到50μm的直径。如果微粒的尺寸小于10μm，则很难形成微米级的微凸起和微凹陷48，而如果微粒的尺寸超过50μm，则微凸起和微凹陷48的尺寸增加，使得金属层46的亲水性降低。

在微粒是水溶性碳酸氢钠颗粒的情况下，微粒被注入以形成微凸起和微凹陷48，且然后用水清洗金属层46，使得附到金属层46的表面的微粒可以容易被移除。如果有必要，在第四步骤S400的中间过程中，金属层46可以被清洗至少一次。如果使用水溶性微粒，保留在金属层46的表面上的外来金属可有效地被抑制。

此外，水溶性微粒以及干冰可使用注入器60一起被注入。当干冰与金属层46的表面碰撞时，由于与金属层46的温度差异而生成湿气，且该湿气将溶解水溶性微粒。此外，通过使用注入器60的注入压力，水和水溶性微粒的混合物可以容易从金属层46的表面移除。因此，金属层46的水清洁过程可被省略，使得整个过程都可以简化。

微凸起和微凹陷48的尺寸，即，凸出部分481的高度，凹陷部分482的深度，或者凸出部分481间的间隔可以根据微粒的种类、直径、注入速度以及注入压力而改变，并且微凸起和微凹陷48的形状可通过适当地控制这些来控制。

图12是示出了在图7的第五步骤中使用的阳极氧化装置。

参照图12，阳极氧化装置70包括冷却水被循环的循环电解槽71、以及以预定速度搅拌电解槽71中的电解质溶液的磁性搅拌器72。分离器40的通道以及反电极73浸泡到电解槽71中的电解质溶液，并且分离器40和反电极73分别被施加了正电压和负电压以执行阳极氧化过程。电解质溶液可包括磷酸(H₃PO₄)或者草酸(C₂H₂O₄)，并且反电极73可以是铂(Pt)或者铝(Al)。

例如，微凹槽45可在0.3M草酸、40V电压以及15℃温度的条件下通过在电解质溶液中进行阳极氧化处理110分钟而形成。接着，可在0.1M磷酸、165V到195V电压以及0.1℃到2℃温度的条件下在电解质溶液中执行阳极氧化处理10分钟以扩大微凹槽45的直径。

第四步骤S400可被省略，且金属层46可直接经历阳极氧化处理。在这种情况下，在0.3M草酸、40V电压以及24℃到30℃温度的条件下在电解质溶液中执行阳极氧化处理24小时，从而在金属层46上形成氧化层47以及微凹槽45.

参照图5，当执行阳极氧化过程时，氧化层47在金属层46的表面上形成，并且纳米级的微凹槽在氧化层47中形成。根据微凸起以及微凹陷，形成氧化层47以及微凹槽45。可通过控制电解液的浓度、施加电压密度或者蚀刻时间来控制微凹槽45的直径以及深度。

如上所述，在微凹槽45或者微凸起和微凹陷48以及微凹槽45在金属层46中形成后，移除掩蔽层50以移除分离器40

图13是示出了通过将一滴水滴到分离器的金属层的表面上而形成的接触角的实验结果的视图，在该分离器中，在金属层中形成微凸起和微凹陷以及微凹槽，并且图14是示出了通过将一滴水滴到分离器的金属层的表面上而形成的接触角的实验结果的视图，在该分离器中，在金属层中只形成微凹槽。

在图13以及图14中，左侧的视图示出了在滴水滴之前的状态，而右侧的视图示出了在滴水滴之后的状态。在附图上部分中的长方块代表用于滴水滴的仪器。参照图13以及图14，当在金属层中一起形成微凸起和微凹陷以及微凹槽时，可以得到小于大约5°的瞬时低接触角，且当在金属层中只形成微凹槽时，水滴一接触到金属层就被吸收了。

如上所述，本示例性实施方式的分离器形成拥有超亲水性表面的通道，使得水在膜电极组件中被直接吸收，并且从而传送燃料以及空气的效率提高了。作为结果，燃料电池堆的化学反应效率增加了，以便可生成大量的电能。

尽管结合目前被认为可行的示例性实施方式描述了本发明，应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，而相反意在覆盖包括在所附的权利要求的精神和范围内的各种修及等效布置。

Claims (13)

1.一种用于燃料电池的分离器，包括：

板状的主体；

通道，其在所述主体的至少一个表面上凹入地形成，并且向膜电极组件提供燃料或者氧气；以及

金属层，其被设置到所述通道的表面，并包括通过阳极氧化处理形成的氧化层以及在所述氧化层中形成的纳米级的微凹槽，从而将所述通道的表面形成为超亲水的。

2.如权利要求1所述的分离器，其中

所述金属层包括微米级的微凸起和微凹陷，并且所述氧化层和所述微凹槽根据所述微凸起和微凹陷来形成。

3.如权利要求1或权利要求2所述的分离器，其中

所述微凹槽具有20nm到200nm的直径以及10到2000的长宽比。

4.如权利要求1所述的分离器，其中

所述主体形成燃料歧管和氧气歧管，且所述通道连接到所述燃料歧管和所述氧气歧管中的一个。

5.如权利要求4所述的分离器，其中

所述通道在所述主体的两个表面处形成，在所述主体的一个表面处形成的所述通道连接到所述燃料歧管和所述氧气歧管中的一个，且在所述主体的另一表面处形成的所述通道连接到所述燃料歧管和所述氧气歧管中的另一个。

6.一种制造用于燃料电池的分离器的方法，包括：

在主体的至少一个表面中形成凹通道；

在所述通道的表面处形成金属层；以及

对所述金属层进行阳极氧化处理以形成纳米级的微凹槽，从而将所述通道的表面形成为超亲水的。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

在形成所述金属层之前，在所述主体的除所述通道以外的表面处形成掩蔽层，以及

在形成所述微凹槽后移除所述掩蔽层。

8.如权利要求6或权利要求7所述的方法，还包括：

在形成所述金属层后，将微粒注入到所述金属层以在所述金属层的表面处形成微米级的微凸起和微凹陷。

9.如权利要求8所述的方法，其中

所述微粒是水溶性微粒，以及当注入所述水溶性微粒时，干冰也被注入，以在所述金属层的表面处生成湿气。

10.如权利要求8所述的方法，其中

所述微粒具有10μm到50μm的直径。

11.一种燃料电池堆，包括具有膜电极组件的发电单元以及定位成紧邻所述膜电极组件的两个表面的分离器，

其中所述分离器包括：

板状的主体；

通道，其在所述主体的至少一个表面上形成，并且向所述膜电极组件提供燃料或者氧气；以及

金属层，其被设置到所述通道的表面，并且包括通过阳极氧化处理形成的氧化层以及在所述氧化层中形成的纳米级的微凹槽，从而将所述通道的表面形成为超亲水的。

12.如权利要求11所述的燃料电池堆，其中

所述金属层包括微米级的微凸起和微凹陷，并且所述氧化层和所述微凹槽根据所述微凸起和所述微凹陷来形成。

13.如权利要求11或者权利要求12所述的燃料电池堆，其中所述微凹槽具有20nm到200nm的直径和10到2000的长宽比。

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