CN1925196A

CN1925196A - 燃料电池系统及其所使用的单元电池和双极板

Info

Publication number: CN1925196A
Application number: CNA2006101123748A
Authority: CN
Inventors: 徐晙源
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: US20070048590A1; DE602006015573D1; CN100454624C; KR20070026049A; EP1760813B1; JP2007066901A; JP4723437B2; EP1760813A1; KR100748304B1

Abstract

一种双极板，包括设置在双极板相反的第一表面和第二表面中的至少两个通道，所述的至少两个通道适于允许相应的流体流过；所述双极板的相反表面的第一表面具有疏水性，并且所述双极板的相反表面的第二表面具有亲水性；一种单元电池包括这种双极板；并且一种燃料电池系统也包括这种双极板。采用这种构造，单元电池的化学反应所产生的二氧化碳和水可以轻易地排放出去，因此提高了单元电池的能量生成效率，并提高了燃料电池系统的能量生成效率。

Description

燃料电池系统及其所使用的单元电池和双极板

优先权声明

本发明参考、并入和要求2005年8月31日向韩国知识产权局提交并分配有10-2005-0080992序列号的燃料电池系统及其所使用的单元电池和双极板的在先申请的所有权利。

技术领域

本发明涉及一种利用氢氧之间的电化学反应来产生电能的燃料电池系统，具体涉及一种双极板和一种包括该双极板的单元电池和燃料电池系统，其中该双极板包括面向阳极的被处理成具有疏水性的一个表面和面向阴极的被处理成具有亲水性的另一表面。

背景技术

通常，燃料电池系统是一种将氢氧之间的化学反应转化成电能的能量发生器。燃料电池系统作为一种能够满足能量增长需要并解决环境问题的替代能源，已经被人们所研究并得以发展。其中，氢是从含氢燃料中提取的，含氢燃料包括诸如甲醇、乙醇等的酒精燃料；诸如甲烷、丙烷、丁烷等的氢化的烃类燃料；或诸如液化天然气等的天然气燃料。

燃料电池系统按照燃料种类分为磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)、高分子电解膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。而且，根据燃料种类、驱动温度和输出范围等，燃料电池系统可用于多种领域，例如移动设备、运输、能源分配等。

在各种燃料电池系统中，PEMFC和DMFC被广泛研究用于移动设备。每个这种燃料电池系统基本上都包括单元电池堆叠起来以产生电的堆。堆的结构如下：在端板之间堆叠的多个单元电池用螺栓和螺母固定。单元电池包括在阳极和阴极之间具有电解膜的膜电极组件(MEA)，和设置在电解膜两侧并形成有流体通道的分离器(如双极板)。

双极板分别给阳极和阴极提供含氢燃料和氧化剂。此外，双极板分别将二氧化碳和水从阳极和阴极排放出去。

如果不能平稳地排放水和二氧化碳，那么燃料电池系统的能量生成效率会降低。然而，双极板的这种排放功能并没有得到积极的研究。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种表面被处理成分别将二氧化碳和水有效地从阳极和阴极排放出去的双极板，一种包括该双极板的单元电池和一种具有该双极板的燃料电池系统。

本发明的上述和/或其它目的通过提供一种双极板实现，该双极板包括：分别设置在双极板相反的第一表面和第二表面中的至少两个通道，所述的至少两个通道适于允许相应的流体流过，所述双极板相反表面的第一表面具有疏水性，而所述双极板相反表面的第二表面具有亲水性。

所述双极板相反表面的第一表面具有疏水材料涂层，而所述双极板相反表面的第二表面具有亲水材料涂层。疏水材料包括酚或环氧化合物，亲水材料包括丙稀酸系化合物。

本发明的上述和/或其它目的也可以通过提供一种单元电池实现，该单元电池包括膜电极组件，其包括高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极；以及双极板，其包括面向阳极并具有疏水性的第一表面和面向阴极并具有亲水性的第二表面。

所述双极板的第一表面优选具有疏水材料层，而所述第二表面优选具有亲水材料层。所述疏水材料优选包括酚或环氧化合物，所述亲水材料优选包括丙稀酸系化合物。

所述双极板的第一表面优选包括适于给阳极提供含氢燃料的燃料供给通道，而所述双极板的第二表面优选包括适于给阴极提供氧的氧供给通道。

本发明的上述和/或其它目的进一步通过提供一种燃料电池系统实现，该燃料电池系统包括具有适于通过氢氧之间的化学反应来产生电能的电发生器的堆；适于给所述堆提供含氢燃料的燃料进料器；和适于给所述堆提供氧的氧进料器；所述电发生器包括具有相反的第一表面和第二表面的双极板，所述第一表面和第二表面具有各自的流体流动通道，所述相反表面的第一表面具有疏水性，所述相反表面的第二表面具有亲水性。

所述流体流动通道优选分别包括适于提供含氢燃料的燃料供给通道，和适于提供氧的氧供给通道。所述第一表面具有疏水材料涂层，所述第二表面具有亲水材料涂层。所述疏水材料优选包括酚或环氧化合物，亲水材料优选包括丙稀酸系化合物。

所述电发生器优选包括膜电极组件，该膜电极组件包括高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极。

所述阳极优选面向所述双极板的第一表面，所述阴极优选面向所述双极板的第二表面。

本发明的上述和/或其它目的进一步通过提供一种双极板实现，该双极板包括设置在双极板相反的第一表面和第二表面中的至少两个通道，所述至少两个通道适于允许相应的流体流过；所述相反的第一表面和第二表面分别具有不同的液体表面和固体表面之间的接触角。

所述相反的第一表面和第二表面之一上的接触角优选在60°至135°的范围内，所述相反的第一表面和第二表面的另一表面上的接触角优选小于60°。

所述相反的第一表面和第二表面之一优选包括适于提供含氢燃料的燃料供给通道，所述相反的第一表面和第二表面的另一表面优选包括适于提供氧的氧供给通道。

附图说明

结合附图参考以下详细的描述，本发明更加全面的评价和许多附加的优点将显而易见，同时本发明也变得更好理解。附图中相同的附图标记表示相同或相似组成部分，其中：

图1是按照本发明实施例的带有堆的燃料电池系统的示意图；

图2是按照本发明实施例的堆的示意图；

图3是按照本发明实施例的双极板的部分剖面图；

图4是包括双极板和膜电极组件的单元电池的部分剖面图；

图5示出疏水性和亲水性的概念。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的示例性实施例。

参见图1，根据本发明实施例的燃料电池系统包括堆叠有至少一个单元电池的堆10、给堆10提供含氢燃料的燃料进料器20和给堆10提供氧的氧进料器。

含氢燃料包括原燃料或氢，例如，诸如甲醇、乙醇等的酒精燃料；诸如甲烷、丙烷、丁烷等的氢化的烃类燃料；或诸如液化天然气等的天然气燃料。优选地，通过对原燃料的重整而获得氢。因此，燃料进料器可以只包括燃料储藏器(未示出)以存储原燃料，原燃料包括：诸如甲醇、乙醇等的酒精燃料；诸如甲烷、丙烷、丁烷等的氢化的烃类燃料；或诸如液化天然气等的天然气燃料。或者除了燃料储藏器以外，燃料进料器还可以包括重整器(未示出)以将原燃料重整为氢。

如图2所示，堆10包括膜电极组件(MEA)12，它包括高分子膜12a，以及设置在高分子膜12a两侧的阳极12b和阴极12c。在MEA 12中，通过在多孔载体例如复写纸上施以催化剂材料形成电极，并且电极包括阳极12b和阴极12c。在阳极12b中，含氢燃料中包含的氢气被氧化，以产生氢离子(H⁺)和电子(e^-)，并且二氧化碳作为副产品产生并被释放出去。在阴极12c中，从阳极12b通过高分子膜12a转移的氢离子与氧进料器30所提供的氧发生化学反应，并且该化学反应所生成的水被排放到外面。

此外，堆10包括双极板14，其设置在相邻的膜电极组件12之间，以分别给阳极12b和阴极12c提供氢和氧。堆10包括多个单元电池11a～11n，每个单元电池都包括相应的膜电极组件12和设置在膜电极组件12两侧的双极板14。

如图3和图4所示，在设置于相邻膜电极组件12之间的双极板14中，板主体14a包括形成有燃料供给通道A以提供含氢燃料的第一表面，和形成有氧供给通道B以提供氧的第二表面。

根据本发明的实施例，双极板14有一表面，即被处理成具有疏水性的疏水表面24。例如，疏水表面24通过涂覆具有疏水性的材料形成，例如，酚或环氧化合物。另一方面，双极板14还有另一表面，即被处理成具有亲水性的亲水表面22。例如，亲水表面22通过涂覆具有亲水性的材料形成，例如，丙稀酸系化合物。然而，表面的处理并不限于以上描述。

疏水表面24也提供在形成于板主体14a的第一表面上的燃料供给通道A的内部，而亲水表面22也提供在形成于板主体14a的第二表面上的氧供给通道B的内部。

疏水性是一种趋向于不溶于水的性质，而亲水性是一种对水具有亲合力的性质。通常，当液体在固体表面达到热力平衡时，如图5所示，在液体表面和固体表面之间就会形成一个预定的角度，称为接触角(θ)。在本实施例中，疏水性意味着接触角(θ)保持在大约60°到135°的范围内。另一方面，亲水性意味着接触角(θ)保持低于60°。

因此，含氢燃料，特别是甲醇，可以平稳地在具有疏水表面24的燃料供给通道A内从双极板14的一个表面传输到阳极12b，水则可以平稳地在具有亲水表面22的氧供给通道B内从阴极12c传输到双极板14的另一表面。

参见图4，阳极12b和阴极12c的外表面面向双极板14，以分别提供含氢燃料和氧。板主体14a具有第一表面和第二表面，第一表面面向阳极12b，并形成有供含氢燃料流过的燃料供给通道A，第二表面面向阴极12c，并形成有引入空气中的氧的氧供给通道B。

面向板主体14a的第一表面的阳极12b包括催化剂层，以更加容易地将通过形成在第一表面中的燃料供给通道A提供的含氢燃料转化为氢离子和电子；和气体扩散层(GDL)，以均匀地将含氢燃料扩散至催化剂层，并将二氧化碳释放出去。同样地，面向板主体14a的第二表面的阴极12c包括催化剂层，以方便氢离子和通过形成在第二表面的氧供给通道B提供的氧之间进行化学反应；和气体扩散层，以均匀地将氧扩散至催化剂层，并将化学反应所生成的水排放出去。

由于板主体14a的第一表面具有疏水表面24，燃料供给通道A中的含氢燃料可以平稳地提供到阳极12b的气体扩散层，所以在阳极12b中作为副产品生成的二氧化碳可以很容易地通过燃料提供通道A释放出去。另一方面，板主体13a的第二表面具有亲水表面22，所以在阴极12c中作为副产品生成的水可以很容易地从阴极12c传输至板主体14a的第二表面，并排放出去。

高分子膜12a是导电的高分子电解膜，它不仅具有将生成于阳极12b的催化剂层中的氢离子传输到阴极12c的催化剂层的离子交换作用，还具有阻止含氢燃料流过的作用。高分子膜12a优选具有大约50μm至200μm的厚度。此外，高分子膜12a包括由全氟磺化树脂(Nafion)制成的全氟磺化树脂膜，具有用全氟磺酸或类似的树脂溶液涂覆的多孔聚四氟乙烯薄膜载体的膜，具有用阳离子交换树脂和无机硅酸盐涂覆的多孔绝缘高分子载体的膜等。

在堆10中，为了方便，将多个单元电池11a至11n堆叠的部分称为电发生器11。堆10包括提供在电发生器11两侧的端板18。在堆10的一侧设置的端板18包括引入含氢燃料的燃料入口，和向外部提供堆10的单元电池11a至11n所产生的直流(DC)电的输出端子。另一方面，设置在堆10另一侧的端板18包括引入空气的空气入口，和将二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)排放出去的排放部分。

电发生器11最外侧的双极板14面向并电连接到端板18。此外，供给通道提供在与双极板14面向端板18的表面相反的表面上。供给通道根据所面向的电极用作燃料供给通道或氧供给通道。例如，邻近阳极12b的供给通道用作提供含氢燃料的燃料供给通道，而邻近阴极12c的供给通道用作提供氧的氧供给通道。

在上述结构的堆10中，还提供一紧固装置(未示出)，用于避免提供给电发生器11的含氢燃料和空气泄漏，并用于施加预定的压力以将形成电发生器11的多个单元电池装配进燃料电池系统10。

例如，紧固装置包括分别穿透形成在端板18周边的多个通孔(未示出)的多个穿透杆(未示出)；和连接安装于穿透杆对端的螺纹部分的多个螺母(未示出)。因此，螺母连接到穿透杆的端部，并且穿透杆穿过通孔，以便电发生器11保持被端板18气密地压住。

根据上述本发明实施例的燃料电池系统的操作如下。

含氢燃料从燃料进料器20平稳地提供给电发生器11，特别是，通过堆10中双极板14的燃料供给通道A提供给膜电极组件12的阳极12b。而且，氧从氧进料器30平稳地提供给电发生器11，特别是，通过堆10中双极板14的氧供给通道B提供给膜电极组件12的阴极12c。

由于阳极12b中的氢氧化，产生氢离子和二氧化碳。氢离子通过电解膜12a传输至阴极12c，二氧化碳则通过双极板14的燃料供给通道A释放出去。此外，由阴极12c中的氧还原生成的水从阴极12c平稳地传输至双极板14，并通过氧供给通道B排放出去。而且，阳极12b中生成的电子被传输至阴极12c，因而产生电。各个单元电池11a至11n中所生成的电经过彼此电连接的双极板14由提供在端板18中的输出端子提供给外部负载。

根据本发明的实施例，双极板具有一个被处理成具有疏水性的表面和另一个被处理成具有亲水性的表面，以致在单元电池中由化学反应而生成的二氧化碳和水平稳地排放出去，因而提高了单元电池的能量生成效率。此外，也提高了燃料电池系统的能量生成效率。

尽管已经示出和描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例做修改，而本发明的原理和精神由权利要求限定。

Claims

1、一种双极板，包括：

至少两个通道，分别设置在该双极板相反的第一表面和第二表面中，所述的至少两个通道适于允许相应的流体流过；

其中所述双极板相反表面的第一表面具有疏水性，所述双极板相反表面的第二表面具有亲水性。

2、根据权利要求1所述的双极板，其中所述双极板相反表面的第一表面具有疏水材料涂层，并且所述双极板相反表面的第二表面具有亲水材料涂层。

3、根据权利要求1所述的双极板，其中疏水材料包括酚或环氧化合物，并且所述亲水材料包括丙稀酸系化合物。

4、一种单元电池，包括：

膜电极组件，其包括高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极；和

双极板，其包括面向阳极并具有疏水性的第一表面和面向阴极并具有亲水性的第二表面。

5、根据权利要求4所述的单元电池，其中所述双极板的第一表面具有疏水材料涂层，并且所述双极板的第二表面具有亲水材料涂层。

6、根据权利要求5所述的单元电池，其中所述疏水材料包括酚或环氧化合物，并且所述亲水材料包括丙稀酸系化合物。

7、根据权利要求4所述的单元电池，其中所述双极板的第一表面包括适于给所述阳极提供含氢燃料的燃料供给通道，并且所述双极板的第二表面包括适于给所述阴极提供氧的氧供给通道。

8、根据权利要求5所述的单元电池，其中所述双极板的第一表面包括适于给所述阳极提供含氢燃料的燃料供给通道，并且所述双极板的第二表面包括适于给所述阴极提供氧的氧供给通道。

9、根据权利要求6所述的单元电池，其中所述双极板的第一表面包括适于给所述阳极提供含氢燃料的燃料供给通道，并且所述双极板的第二表面包括适于给所述阴极提供氧的氧供给通道。

10、一种燃料电池系统，包括：

具有适于通过氢氧之间的化学反应产生电的电发生器的堆；

适于给所述堆提供含氢燃料的燃料进料器；和

适于给所述堆提供氧的氧进料器；

其中所述电发生器包括具有相反的第一表面和第二表面的双极板，相反的表面具有各自的流体流动通道，所述相反表面的第一表面具有疏水性，并且所述相反表面的第二表面具有亲水性。

11、根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述流体流动通道分别包括适于提供含氢燃料的燃料供给通道，和适于提供氧的氧供给通道。

12、根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述包括燃料供给通道的第一表面具有疏水性，并且所述包括氧供给通道的第二表面具有亲水性。

13、根据权利要求12所述的燃料电池系统，所述第一表面具有疏水材料涂层，并且所述第二表面具有亲水材料涂层。

14、根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述疏水材料包括酚或环氧化合物，并且所述亲水材料包括丙稀酸系化合物。

15、根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述电发生器包括含有高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极的膜电极组件。

16、根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中所述阳极面向所述双极板的第一表面，并且所述阴极面向所述双极板的第二表面。

17、根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述电发生器包括含有高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极的膜电极组件。

18、根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述阳极面向所述双极板的第一表面，并且所述阴极面向所述双极板的第二表面。

19、根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述电发生器包括含有高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极的膜电极组件。

20、根据权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述阳极面向所述双极板的第一表面，并且所述阴极面向所述双极板的第二表面。

21、根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述电发生器包括含有高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极的膜电极组件。

22、根据权利要求21所述的燃料电池系统，其中所述阳极面向所述双极板的第一表面，并且所述阴极面向所述双极板的第二表面。

23、根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述电发生器包括含有高分子膜和设置在该高分子膜两侧的阳极和阴极的膜电极组件。

24、根据权利要求23所述的燃料电池系统，其中所述阳极面向所述双极板的第一表面，并且所述阴极面向所述双极板的第二表面。

25、一种双极板，包括：

分别设置在双极板相反的第一表面和第二表面中的至少两个通道，所述的至少两个通道适于允许相应的流体流过；

其中所述相反的第一表面和第二表面分别具有不同的液体表面和固体表面之间的接触角。

26、根据权利要求25所述的双极板，其中所述相反的第一表面和第二表面之一上的一个接触角在60°至135°的范围内，并且所述相反的第一表面和第二表面的另一表面上的另一接触角小于60°。

27、根据权利要求26所述的双极板，其中所述相反的第一表面和第二表面之一包括适于提供含氢燃料的燃料供给通道，并且所述相反的第一表面和第二表面的另一表面包括适于提供氧的氧供给通道。