CN103178275A - 双极板与燃料电池 - Google Patents
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Abstract
一种双极板与燃料电池。所述用于燃料电池的双极板具有多个流道，其中两两相邻的流道之间定义为肋。为了提升燃料电池的放电性能，所述肋的顶面可为粗糙化表面或者具有多孔结构。
Description
技术领域
本发明是关于一种燃料电池技术，且特别是关于一种能提升燃料电池的放电性能的双极板与具有这种双极板的燃料电池。
背景技术
燃料电池一般是由双极板100及其间的膜电极组102构成，如图1A所示。双极板100的材料多为石墨材料或金属材料，经机械加工(包含铣削，冲压..等)后成为具有多个流道(flow channel)100a的双极板。流道100a的作用在于导引燃气(如氢气、氧气)，因此流道100a的长度、截面形状及大小等形态，均会影响到燃气与膜电极组102之间的化学反应状态，进而影响整体燃料电池的发电效率。至于双极板100内除流道100a之外尚有一大半部分为肋(rib)104，其主要功能在于支撑膜电极组102并与膜电极组102接触，传导燃料电池反应时所产生的电子。
图1B只显示图1A的肋104与膜电极组102接触的部份，其中膜电极组102包含气体扩散层(GDL)106、触媒108与电极薄膜110。由于肋104一般为石墨或金属材质，导致燃料气体无法通过，使燃料气体只在区域112内扩散。这样的现象造成与肋104重迭区域中的触媒108缺少燃料，而使其电化学反应遭受阻碍，无法提升触媒108的有效利用率，并且容易造成燃料缺乏区的材料劣化。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于燃料电池的双极板，能降低接触阻抗。
本发明再提供一种用于燃料电池的双极板，能提升流道内燃料的侧向扩散能力。
本发明另外提供一种燃料电池，能提升其放电性能。
本发明提供一种用于燃料电池的双极板，具有多个流道，其中两两相邻的流道之间定义为肋，这个肋的顶面为粗糙化表面。
在本发明的一实施例中，上述肋的粗糙化表面的孔径例如在20μm～200μm之间。
在本发明的一实施例中，上述肋的粗糙化表面的孔面积分率例如50％～90％。
在本发明的一实施例中，上述肋的粗糙化表面的粗糙度约0.1μm～10μm。
在本发明的一实施例中，上述肋的侧面为平面。
本发明再提供一种用于燃料电池的双极板，具有多个流道，其中两两相邻的流道之间定义为肋，这个肋的顶面具有多孔结构。
在本发明的再一实施例中，上述多孔结构是以导电材料及疏水材料混成。
在本发明的再一实施例中，上述导电材料例如碳、石墨、碳纤维或金属。
在本发明的再一实施例中，上述疏水材料例如聚四氟乙烯(PTFE)或其他适合的高分子材料。
在本发明的再一实施例中，上述疏水材料的添加量小于60wt％。
在本发明的再一实施例中，上述多孔结构的孔隙度范围为30％～80％且具有疏水特性。
本发明另提供一种燃料电池，包括上述肋的顶面具有多孔结构的双极板，以及位在这些双极板之间的至少一膜电极组(membrane electrodeassembly，MEA)，且上述多孔结构是经压缩而与膜电极组接触。
在本发明的另一实施例中，与上述经压缩的多孔结构接触的是上述膜电极组的一气体扩散层(GDL)。
在本发明的各实施例中，上述双极板的材料包括金属、石墨或复合材料。
基于上述，本发明凭借改变肋的表面及内部结构，来降低接触阻抗及提升流道内燃料的侧向扩散能力，因此能提升燃料电池的放电性能。
为让本发明的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1A是已知一种燃料电池的剖面示意图；
图1B是图1A的局部放大示意图；
图2是依照本发明的第一实施例的一种用于燃料电池的双极板的剖面示意图；
图3是依照本发明的第二实施例的一种用于燃料电池的双极板的剖面示意图；
图4是依照本发明的第三实施例的一种燃料电池的剖面示意图；
图5A是比较例的双极板的SEM相片；
图5B是实验例1的双极板的SEM相片；
图5C是实验例2的双极板的SEM相片；
图5D是实验例3的双极板的SEM相片；
图6是使用比较例和实验例的双极板制作的燃料电池于电池温度66℃，阳极加湿温度为60℃，阴极加湿温度为55℃的环境下的电池放电曲线图；
图7为控制燃气的湿度为65％RH，电池温度为70℃的环境下，使用比较例和实验例的双极板制作的燃料电池的放电性能曲线图。
附图标记
100、200：双极板
100a、200a：流道
102、400：膜电极组
104、202：肋
106、406：气体扩散层
108、404：触媒
110、402：电极薄膜
112：区域
202a：粗糙化表面
202b：侧面
T0、Tr、Tx：厚度
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。
图2是依照本发明的第一实施例的一种用于燃料电池的双极板的剖面示意图。
请参照图2，第一实施例的双极板200具有多数个流道200a，其中两两相邻的流道200a之间定义为肋202，其顶面为粗糙化表面202a。而且，肋202的粗糙化表面202a的孔径如在20μm～200μm之间，将有利于增加燃料供给(燃料侧向扩散)能力，进而达到提升燃料电池整体的性能。
在第一实施例中，肋202的粗糙化表面202a的孔面积分率如为50％-90％，同样能增加燃料供给能力。所谓的「孔面积分率」是以下公式计算得到：
AP/(AR+AP)×100％
上述公式中，AR是肋202的顶面面积；AP是肋202的粗糙化表面202a的孔面积。
此外，在第一实施例中，肋202的粗糙化表面202a的粗糙度如在0.1μm～10μm之间，同样能增加燃料供给能力，进而达到提升燃料电池整体的性能。
至于肋202的侧面202b可为平面，但并不局限于此。流道200a一般是经机械加工形成的，所以整个双极板200是一体成型的结构。
在第一实施例中，双极板200的材料例如金属、石墨或复合材料。举例来说，可使用铝、钛、不锈钢等金属作为双极板200的材料，且为防止金属氧化，可在双极板200的所有表面形成一保护膜。譬如使用钛金属为双极板200时，可在其表面沉积一层氮化钛薄膜，以防止钛金属氧化并维持导电率。
图3是依照本发明的第二实施例的一种用于燃料电池的双极板的剖面示意图。
请参照图3，第一实施例的双极板300具有多数个流道300a，其中两两相邻的流道300a之间定义为肋302，其顶部具有多孔结构304，孔隙度范围例如在30％～80％，且具有疏水特性。多孔结构304的厚度T0约占整个肋302的厚度Tr的1/10～3/10。
在第二实施例中，多孔结构304是以导电材料及疏水材料混成，但并不局限于此。前述导电材料例如碳、石墨、碳纤维或金属等；疏水材料则包括聚四氟乙烯等适合的材料。疏水材料的添加量譬如是小于60wt％。至于双极板300的材料则可参照上一实施例。
图4是依照本发明的第三实施例的一种燃料电池的剖面示意图，其中使用第二实施例的元件符号来代表相同或相似的元件。
请参照图4，第三实施例的燃料电池包括两个双极板300与一个膜电极组(MEA)400。膜电极组400至少包括电极薄膜402、触媒404与气体扩散层(GDL)406。位在双极板300之间的膜电极组400是凭借气体扩散层406与其相接触，尤其是在肋302的顶部的多孔结构304是经压缩而与膜电极组400接触。如此一来不但能增加燃料供给(燃料侧向扩散)能力，还能确保肋302与气体扩散层406之间的导电率。举例来说，多孔结构304的孔隙度是与多孔结构304的压缩程度成反比，其孔隙度愈小，则压缩程度愈大；反之，亦然。
所谓的「压缩程度」是指多孔结构304的原本厚度T0减掉制成燃料电池后的厚度Tx与原本厚度T0的比例(T0-Tx)/T0；举例来说，第三实施例的多孔结构304的压缩程度约在40％～80％。
以下列举几个实验结果来验证上述实施例的效果。
比较例
使用石墨碳板做为双极板，并经机械加工形成为流道。结果得到图5A的SEM相片。
实验例1
实施例1和比较例一样，使用石墨碳板做为双极板，但在流道形成后，采用表面研磨与超音波震荡技术，仅将肋的顶面粗糙化，结果得到图5B的SEM相片。比较图5A与图5B可得知，利用表面加工技术可将肋与膜电极组接触的表面粗化，孔径大小约在20μm。
实验例2
实施例2和比较例一样，使用石墨碳板做为双极板，但在流道形成后，采用放电加工技术，仅将肋的顶面粗糙化，结果得到图5C的SEM相片。比较图5A与图5C可得知，利用表面加工技术可将肋与膜电极组接触的表面粗化，孔径大小＞50μm。
实验例3
实施例3和比较例一样，使用石墨碳板做为双极板，但在流道形成后，采用多孔材料贴合技术，仅将肋的顶部结构改变成多孔结构，而利用改变肋表面结构，结果得到图5D的SEM相片。由图5D中可得知，该多孔材料结构为导电碳粉与碳纤维与疏水材料组成。该多孔材料的原始孔隙度为80％，疏水程度为23％。经压合后，该多孔材料压缩程度为50％，孔隙度则为60％。
量测一
分别自比较例和实验例1～2的双极板的SEM相片计算其「孔面积分率」，并以仪器量测其粗糙度。结果显示于下表一。
表一
量测二
分别将比较例和实验例1～3的双极板，与膜电极组成单电池进行性能测试。
图6为控制阳极温度为60℃、电池温度66℃与阴极温度55℃的环境下，使用比较例和实验例1～3的双极板制作的燃料电池于全加湿环境下的电池放电曲线。从图6可明显观察：实验例1～3的性能明显优于比较例的双极板。
图7则为控制燃气的湿度为65％RH，电池温度为70℃的环境下，使用比较例和实验例1～3的双极板制作的燃料电池的放电性能曲线，同样可发觉使用实验例1～3的双极板其性能优于比较例的双极板。
综上所述，本发明针对肋的部分，利用表面结构加工技术，进行肋表面粗化及其多孔结构制作，分别可增加电子传导(降低接触阻抗)与燃料供给(燃料侧向扩散)能力，进而达到提升燃料电池整体的性能。
本发明的技术内容及技术特点已如上公开，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (21)
1.一种用于燃料电池的双极板，具有多数个流道，其中两两相邻的流道之间为一肋，该双极板的特征在于：该肋的顶面为粗糙化表面。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该肋的该粗糙化表面的孔径为20μm～200μm。
3.如权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该肋的该粗糙化表面的孔面积分率为50％～90％。
4.如权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该肋的该粗糙化表面的粗糙度为0.1μm～10μm。
5.如权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该肋的侧面为平面。
6.如权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该双极板的材料包括金属、石墨或复合材料。
7.一种用于燃料电池的双极板，具有多数个流道，其特征在于，两两相邻的流道之间为一肋，该双极板的特征在于：该肋的顶部具有多孔结构。
8.如权利要求7所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该多孔结构是以导电材料及疏水材料混成。
9.如权利要求8所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该导电材料包括碳、石墨、碳纤维或金属。
10.如权利要求8所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该疏水材料包括聚四氟乙烯。
11.如权利要求8所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该疏水材料的添加量小于60wt％。
12.如权利要求7所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该多孔结构的孔隙度范围为30％～80％且具有疏水特性。
13.如权利要求7所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，该双极板的材料包括金属、石墨或复合材料。
14.一种燃料电池，包括：
多数个双极板，其特征在于，每一双极板具有多数个流道，且两两相邻的流道之间为一肋；以及
至少一膜电极组，位在这些双极板之间，其中
该肋的顶部具有多孔结构，且该多孔结构经压缩而与该膜电极组接触。
15.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，该多孔结构是以导电材料及疏水材料混成。
16.如权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，该导电材料包括碳、石墨、碳纤维或金属。
17.如权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，该疏水材料包括聚四氟乙烯。
18.如权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，该疏水材料的添加量小于60wt％。
19.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，该多孔结构的孔隙度范围为30％～80％且具有疏水特性。
20.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，该双极板的材料包括金属、石墨或复合材料。
21.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，与经压缩的该多孔结构接触的是该膜电极组的一气体扩散层。
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