CN1607688A - 用于燃料电池的双极板 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池的双极板，它与至少一个电极相对并具有供气体流动的流体流动通道，它是由其中分散了导电性碳的聚合物制成。所述导电性碳根据X射线衍射法测得的晶面间距d002大于3.4，且具有等于或大于4m2/g的比表面积。在双极板流体流动通道中的气体与至少一个电极之间的接触面积比例为双极板总面积的40～70％。

Description

用于燃料电池的双极板
                         优先权要求
本申请参考、引用并要求下列申请在35U.S.C§119下产生的所有权益，该申请的标题是“用于燃料电池的双极板”，于2003年9月26日提交给韩国知识产权局，且申请号为2003-66899。
                         技术领域
本发明涉及用于燃料电池的双极板，尤其涉及这样的用于燃料电池的双极板，其可以通过优化双极板流体流动通道中的气体与电极之间的接触面积而提高气体供应的效率，进而提高电能的转换效率。
                         背景技术
燃料电池是将燃料的氧化反应生成的能量转化成电能的电化学电池。目前，商业上的燃料电池包括磷酸燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。作为高效率电池，还开发出了聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)。
PEMFC包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括阳极层、阴极层及放置在两个电极层之间的聚合物电解液膜(PEM)。膜电极组件是利用其上形成有流体流动通道的双极板进行层合的。燃料电池是通过分别将燃料和氧化材料提供给阳极和阴极，并借助于阳极与阴极间的电化学反应而产生电能的。
作为PEMFC的聚合物电解质，可以使用含氟的聚合物，该聚合物具有离子交换官能团和诸如磺酸、碳酸、磷酸、亚磷酸等的基团。含氟聚合物电解液膜，比如杜邦公司制造的全氟碳磺酸膜(NafionTM)，具有化学稳定性、高离子导电性和良好的机械性能，因而通常是优选的。
一个燃料电池的阳极和阴极之间所生成的电压一般为0.7V。因此，为了获得合适的可用的电压(10～100V)，需要将许多燃料电池层叠在一起，以形成电池堆，且优选相邻的燃料电池之间由双电极隔开。双电极提供阴极和阳极之间的电连接，并为阴极提供气体的流动通道，且具有强的耐腐蚀性和气体不渗透性。
                         发明内容
一方面，本发明提供一种用于燃料电池的双极板，通过优化双极板流体流动通道中的气体与电极之间接触面积，该双极板可以提高气体的供应效率，进而提高电能转换效率。
另一方面，本发明一种包括上述双极板的燃料电池。
为了实现本发明的各个方面，本发明提供一种用于燃料电池的双极板，该双极板包括：其中分散有导电性碳的聚合物，所述导电性碳根据X射线衍射法测得的晶面间距d002大于3.4并具有等于或大于4m2/g的比表面积；及排列于其中的供气体流动的流体流动通道，其中在排列双极板使之与燃料电池的至少一个电极相对时，在双极板流体流动通道中的气体与至少一个电极之间的接触面积比例为双极板总面积的40～70％。
优选接触面积比例大于50％且小于60％。
按双极板的重量计，优选聚合物中的导电性碳的含量为5～45％重量。
优选聚合物选自氟基树脂、酚醛树脂和聚氧氮杂萘。
为实现本发明的各个方面，本发明还提供一种燃料电池，该燃料电池包括多个膜电极组件，每个膜电极组件包括：阴极、阳极和放置在阴极与阳极之间的电解液膜，以及与至少一个电极相对并且其中形成有供气体流动的流体流动通道的双极板；所述双极板包含其中分散有导电性碳的聚合物，该导电性碳根据X射线衍射法测得的晶面间距d002大于3.4，且具有等于或大于4m2/g的比表面积；其中在双极板流体流动通道中的气体与至少一个电极之间的接触面积比例为双极板总面积的40～70％。
优选接触面积比例大于50％且小于60％。
按双极板的重量计，优选聚合物中的导电性碳的含量为5～45％重量。
优选聚合物选自氟基树脂、酚醛树脂和聚氧氮杂萘。
                         附图说明
通过参考结合附图考虑的下述详细描述，本发明更完整的理解及其附带的益处，将会变得更好理解，附图中相同的附图标记表示相同的或相似的部件，其中：
图1是聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)的图。
图2是根据本发明具体实施方案的双极板的平面图。
                         具体实施方式
图1图示了PEMFC的构造。PEMFC1包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件包括阳极5和阴极6电极层，以及介于两电极之间的聚合物电解液膜(PEM)4。膜电极组件是利用其上形成有流体流动通道(未示出)的双极板2和3进行层合的。燃料电池是通过经由双极板2和3分别将燃料(氢气)和氧化材料(氧气)提供给阳极5和阴极6，并借助于阳极5与阴极6之间的电化学反应而产生电能的。
作为PEMFC的聚合物电解液，可以使用含氟的聚合物，该聚合物具有离子交换官能团以及诸如磺酸、碳酸、磷酸、亚磷酸等的基团。含氟聚合物电解液膜，比如杜邦公司制造的全氟碳磺酸膜(NafionTM)，具有化学稳定性、高离子导电性和良好的机械性能，因而通常是优选的。
一个燃料电池的阳极和阴极之间所生成的电压一般为0.7V。因此，为了获得合适的可用的电压(10～100V)，需要将许多燃料电池层叠在一起，以形成电池堆，且优选相邻的燃料电池之间由双电极隔开。双电极提供阴极和阳极之间的电连接，并为阴极提供气体的流动通道，且具有强的耐腐蚀性和气体不渗透性。
在下面的详细描述中，仅简单地通过对发明人实施本发明所采取的最佳方式的描述，给出并说明本发明的示例性实施方案。下面的内容也是可以实现的，即在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可以在许多明显的方面对本发明进行修改。因此，附图和说明书仅应视为解释性的而不是限制性的。
本发明的双极板与阳极和阴极中的至少一个相对，且其中形成有供气体流动的流体流动通道，其中，按双极板的总面积计，双极板流体流动通道中的气体与电极之间的接触面积比例为40～70％，优选大于50％且小于60％。如图2所示，双极板11在气体与电极之间具有接触区域12，包括供流体流动同时又与电极(即膜电极组件)接触的二维蛇形区域，即反应区域。当接触面积小于40％时，则气体难于扩散；当接触面积大于70％时，则存在电子导电性问题。
双极板由其中分散了导电性碳的聚合物制成，导电性碳根据X射线衍射法测得的晶面间距d002大于3.4，并且具有等于或大于4m2/g、优选70m2/g的比表面积。其优选的实例包括Vulcan XC-72(比表面积：180m2/g)和乙炔黑(比表面积：70m2/g)。碳提高了双极板的导电性。
按双极板的重量计，聚合物中的导电性碳的含量为5～45％重量。如果碳的含量小于5％重量，则导电性恶化；如果碳的含量大于45％重量，则透气性升高，导致电池堆的制造中出现气体泄漏。
用于制造双极板的聚合物包括氟基树脂、酚醛树脂和聚氧氮杂萘等。其具体实例包括聚四氟乙烯(PTFE)，聚偏二氟乙烯(PVDF)等。
双极板是根据以下方法制作的：将导电性碳与聚合物的混合物注入其中设计有流体流动通道的模具中，随后进行压模或注模，及干燥。双极板也可以不用模具通过以下方法制作：将导电性碳与聚合物的混合物成形为双极板的骨架并干燥，且在其中通过切削方法形成流体流动通道。
下面的实施例将更详细地说明本发明，但不应视为是对本发明的范围的限制。
实施例1
将20g作为导电性碳的Vulcan XC-72R和80g的聚氧氮杂萘在室温下搅拌10小时，以得到均匀的混合物。将该混合物注入其其设计有流体流动通道的模具中，并通过压模和干燥该混合物制得双极板。如此设计流体流动通道设计，使气体与电极之间的接触面积比例为双极板总面积的30％，45％，60％和75％。使用双极板制作测试电池。测量电池的电流密度并示于表1中。
表1
    接触面积比例(％)     电流密度(对0.7V)
    30     326mA/cm2
    45     575mA/cm2
    60     605mA/cm2
    75     390mA/cm2
如表1所示，具有接触面积比例为45％和60％的双极板的电池比具有接触面积比例为30％和75％的双极板的电池有更好的电流密度。
双极板能改进电极上提供给电极的气体供应率和全体向催化剂层的扩散，因此，在电极上能有效的发生电化学反应。
当参考代表性实施例已给对本发明进行详细描述时，本领域技术人员将理解，并且在不脱离附带的权利要求所提出的本发明的精神和范围的情况下，可以对其作出各种修改和替换。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池的双极板，包括：
其中分散有导电性碳的聚合物，该导电性碳根据X射线衍射法测得的晶面间距d002大于3.4，且具有等于或大于4m2/g的比表面积；及
排列于其中的供气体流动的流体流动通道，
其中，在排列双极板使之与燃料电池的至少一个电极相对时，在双极板流体流动通道中的气体与至少一个电极之间的接触面积比例为双极板总面积的40～70％。
2.根据权利要求1的双极板，其中所述接触面积比例大于50％并小于60％。
3.根据权利要求1的双极板，其中按双极板的重量计，所述聚合物中的导电性碳的含量为5～45％重量。
4.根据权利要求1的双极板，其中所述聚合物选自氟基树脂、酚醛树脂和聚氧氮杂萘。
5.一种燃料电池，包括多个膜电极组件，每个膜电极组件包括：
阴极、阳极和放置在阴极与阳极之间的电解液膜，以及与至少一个电极相对并且其中形成有供气体流动的流体流动通道的双极板；
所述双极板包含其中分散有导电性碳的聚合物，该导电性碳根据X射线衍射法测得的晶面间距d002大于3.4，且具有等于或大于4m2/g的比表面积；
其中在双极板流体流动通道中的气体与至少一个电极之间的接触面积比例为双极板总面积的40～70％。
6.根据权利要求5的燃料电池，其中所述接触面积比例大于50％且小于60％。
7.根据权利要求5的燃料电池，其中按双极板的重量计，所述聚合物中的导电性碳的含量为5～45％重量。
8.根据权利要求5的双极板，其中所述聚合物选自氟基树脂、酚醛树脂和聚氧氮杂萘。
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