CN1926704A - 燃料电池的分隔器和制造方法及具有该分隔器的燃料电池 - Google Patents
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Abstract
将薄片状结构石墨箔用作燃料电池的分隔器的材料,并且通过浸渍在石墨箔的流场槽上形成憎水层。通过蚀刻其上形成有掩膜图案的石墨箔以形成流场槽并且通过浸渍而形成憎水层,来制造所述分隔器。根据上述分隔器,增强了燃料电池堆的性能并且简化了分隔器的制造处理。
Description
技术领域
本发明一般涉及燃料电池。更具体地,本发明涉及使用石墨箔(graphite foil)的燃料电池的分隔器及其制造方法,以及包括这种分隔器的燃料电池堆。
背景技术
如本领域所公知的,燃料电池通过在阳极处的氧化反应和阴极处的还原反应来产生电力。阳极和阴极与具有用于加速氧化和还原反应的铂或铂钌合金的催化层形成在一起。
在阳极处,燃料气体(例如,氢气)被供应给阳极并且通过氧化反应分离为离子(例如,质子)和电子。在阴极处,分离的离子与还原气体(例如,氧气)结合而形成水。这些反应的最终产物是电流(即,从阳极到阴极的电子运动)、水(即,氢和氧的化学键)和热量。燃料电池堆通常配备有去除所述热量的冷却设备。
在阴极形成的水通常形成为水蒸气或液体,并且所述水被在阴极侧流动的强烈还原气体流(氧气或空气)去除。
图1是根据现有技术的示例性燃料电池堆的截面示意图。
通常,燃料电池堆是通过堆叠多个单元电池(unit cell)100而形成的。
所述单元电池100包括质子交换膜110(例如,聚合物电解质膜)。阳极121和阴极122在质子交换膜110的两侧形成。质子交换膜110与电极121和122通过热压形成膜电极组(MEA:membrane electrodeassembly)130。在MEA 130的电极121和122的外部形成流体扩散层125。
相邻的单元电池的多个MEA 130由分隔器150分隔和支撑。分隔器150形成有流场(flow field)151,用于将燃料气体(例如,氢气,或者在直接甲醇燃料电池的情况下是甲醇)供应给阳极。另外,分隔器150还形成有流场152,用于将氧气或者空气作为还原气体供应给阴极,并且其还用于排水。密封垫160应用于分隔器150和MEA130之间,用于防止流经流场151和152的气体/液体的泄漏。
包括MEA 130、分隔器150和密封垫160的单元电池100串联地堆叠以形成高电压。堆叠的单元电池经由例如集电器和设置在其端部的端板170联结在一起。
从上面的描述可以理解,燃料电池中的分隔器在燃料电池堆中散布反应气体(即,燃料气体和还原气体),分隔燃料气体(例如,氢气或者甲醇)和还原气体(例如,氧气或者空气),以及通过在相邻单元电池的阳极和阴极之间提供电子通道来电性连接相邻的单元电池。另外,分隔器具有热量排放结构以用于排放燃料电池堆的氧化-还原反应所产生的热量,并且提供机械强度以支撑堆叠的单元电池。
为了加速在阳极处产生的氢离子(即,质子)通过聚合物电解质膜到达阴极的运动,聚合物电解质膜应该被水合以包含适当量的水分。被水合的聚合物电解质膜阻止电子运动通过,而允许氢离子的运动。
当聚合物电解质膜未被充分地水合时,聚合物电解质膜的离子传导性降低,由此燃料电池的性能下降。相反,当聚合物电解质膜被过度水合时,形成反应三相界的小孔被阻塞(通常被称为溢流),从而电极的反应区域减少,导致燃料电池性能的下降。
因此,在阴极处形成的水没有被迅速地排放的情况下,无法向催化层供应充足的反应气体,从而燃料电池的性能会下降。
许多分隔器,包括美国专利No.4,988,583中所公开的示例性分隔器,具有蛇形流场以用于燃料和还原气体。这主要是为了利用沿着流场的压力下降来有效地排放在阴极处形成的水。
在阴极处形成的水以水蒸气形态位于还原气体流场槽的入口附近。然而,当其流经还原气体流场槽时,其变为液体和水蒸气相混合的两种状态。在这种情况下,液化水滴填充阴极的孔,从而催化层的有效反应区域减少。另外,需要高压还原气体来排放液化水。
因此,还原气体在流场入口和出口之间的压力下降造成能量损失,并且为了稳定地实现高流速下的还原反应,会大量地消耗还原气体。因此,如果具有蛇形流场的分隔器的排水变得更加稳定和有效,则其将保证由于在流场入口和出口之间还原气体的压力下降而导致的能量损失的减少,并减少还原气体的消耗。
石墨或碳的复合材料被广泛地用于聚合物电解质膜燃料电池的分隔器。石墨和碳的复合材料对于燃料电池的氧化-还原反应表现出很强的抗腐蚀性,并且与金属材料(例如,不锈钢)相比其还具有体积密度低的优点。
根据现有技术,当石墨或碳的复合材料被用作分隔器材料时,通常将诸如热固树脂或者热塑树脂的树脂添加到分隔器材料中,以便通过填充分隔器的微孔来防止氢气的运动,而且也易于在成型处理中成型。然而,相对于电子的移动,包含在分隔器中的树脂引起体积电阻的增加,由此使得燃料电池的性能下降。此外,树脂还会增加电池之间的接触电阻。
作为用于减少由分隔器中的树脂引起的电池之间接触电阻增加的示例性方法,欧洲专利公布No.EP1253657A1公开了一种方法,其中在碱性溶液中蚀刻分隔器流场的凸缘(rib)表面,从而可以去除凸缘表面区域中的树脂。
根据现有技术,使用石墨或碳的复合材料来制造稳定且实用的分隔器的处理已经非常复杂、产量低并且缺乏效率。因此,如果使用石墨或碳的复合材料的分隔器可以产生更高的性能且适合大规模生产,则其可保证分隔器生产成本的大幅降低,进而保证燃料电池生产成本的降低,并且能够增强分隔器的性能。
在本发明背景部分中公开的信息仅用于增加对本发明背景的理解,而不应该将其认为是对该信息形成了在本国内的本领域普通技术人员公知的现有技术的确认或者任何形式的建议。
发明内容
因此,本发明的提出旨在努力解决上述问题。本发明的目的是提供燃料电池的分隔器及其制造方法,以及包含这种分隔器的燃料电池,提供增强的排水性能、增强的耐用性,并且更适合大规模生产。
根据这样的目的,根据本发明的燃料电池分隔器是如下的一种用于燃料电池的分隔器,其能够紧密接触燃料电池的MEA(膜电极组)的阳极或者阴极并且插入流体扩散层,所述分隔器具有流场槽以允许流体在所述分隔器和所述流体扩散层之间流动,其特征在于:所述分隔器包括薄片状结构石墨箔;以及通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层。
所述薄片状结构石墨箔中包括不锈钢层。优选地,所述不锈钢层表面暴露地插入所述憎水层。
优选地,所述石墨箔基本不含有热固树脂或者热塑树脂。
优选地,所述石墨箔的体积密度位于1.5g/cm3到2.0g/cm3的范围内。
优选地,所述石墨箔的厚度位于0.5mm到3mm的范围内。
优选地,所述憎水层的厚度位于30μm到100μm的范围内。
优选地,在所述分隔器中形成至少一个导管;并且,密封件沿着所述至少一个导管的每个圆周以及接触所述流体扩散层的区域与所述分隔器成为一体。
优选地,所述密封件分别沿着闭合曲线包围所述至少一个导管中的每一个导管和接触所述流体扩散层的所述区域。
此外,用于制造根据本发明的分隔器的方法是如下一种方法,其用于制造燃料电池的分隔器,所述分隔器能够紧密接触燃料电池的MEA(膜电极组)的阳极或者阴极并且插入流体扩散层,所述分隔器具有流场槽以允许流体在所述分隔器和所述流体扩散层之间流动,所述方法包括:
准备具有预定大小的石墨箔;
在所述石墨箔上形成对应于所述流场槽的掩膜图案;
通过蚀刻其上形成有掩膜图案的所述石墨箔,在所述石墨箔上形成所述流场槽;
通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层;以及
从所述石墨箔上移除所述掩膜图案。
优选地,在所述石墨箔上形成掩膜图案的步骤包括:
利用干膜抗蚀剂涂覆所述石墨箔;
暴露所述被涂覆的石墨箔;以及
通过在所述石墨箔上移动喷射式显影设备的喷射喷嘴,在所述石墨箔上显影所述干膜抗蚀剂。
作为另一个实例,优选地,在所述石墨箔上形成所述掩膜图案的步骤包括在所述石墨箔上贴附掩膜,所述掩膜提供有对应于所述流场槽的图案并且由橡胶或者不锈钢制成。
优选地,在所述石墨箔上形成所述流场槽的步骤包括喷砂和超声波蚀刻中的至少一种。
优选地,通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层的步骤包括:
在贴附有所述掩膜图案且形成有所述流场槽的所述石墨箔上形成憎水层;以及
在50℃到90℃范围的温度中,干燥形成有所述憎水层的所述石墨箔。
优选地,在所述石墨箔上形成憎水层的步骤中,将憎水溶液喷射涂覆在所述石墨箔的表面上,或者将所述石墨箔浸入所述憎水溶液中。
对于双极分隔器,其中在所述分隔器的前侧面和后侧面中的每一侧上都形成所述流场槽,优选地:
所述掩膜图案包括前掩膜图案和后掩膜图案;
在所述前掩膜图案和后掩膜图案中的每一掩膜图案上都形成至少一对定位孔;
穿过所述石墨箔,与所述掩膜图案的所述定位孔相对应地形成至少一个定位孔;以及
所述掩膜图案的所述定位孔和所述石墨箔的所述定位孔是通过使用与其相对应的至少一对定位棒来校准的。
优选地,所述至少一对定位孔和所述至少一对定位棒分别包括对应于不同大小的多对定位孔和定位棒。
根据本发明的燃料电池堆是一种包括至少一个单元电池的燃料电池堆,其中所述至少一个单元电池包括:
MEA(膜电极组),包括聚合物电解质膜,以及在其两侧上形成的阳极和阴极;
一对流体扩散层,接触地设置到所述MEA两侧的所述阳极和所述阴极;以及
一对分隔器,用于紧密接触所述一对流体扩散层,在所述分隔器面向所述流体扩散层的侧面上形成流场槽以便形成反应区域,并且在所述反应区域外围形成导管区域;
其特征在于,
所述一对分隔器中的至少一个分隔器包括薄片状结构石墨箔,以及
通过浸渍,在所述一对分隔器中的至少一个分隔器的所述流场槽的内侧面上形成憎水层。
优选地,所述薄片状结构石墨箔中包括不锈钢层。在这种情况下,优选地,所述不锈钢层表面暴露地插入所述憎水层。
优选地,所述石墨箔基本不含有热固树脂或者热塑树脂。
优选地,所述石墨箔的体积密度位于1.5g/cm3到2.0g/cm3的范围内。
优选地,所述石墨箔的厚度位于0.5mm到3mm的范围内。
优选地,所述憎水层的厚度位于30μm到100μm的范围内。
优选地,密封件沿着所述导管的每个圆周和所述反应区域与所述分隔器成为一体。
附图说明
图1是示例性燃料电池堆的截面示意图。
图2是根据本发明实施例的燃料电池堆的分解透视图。
图3是示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池中MEA和流体扩散层的具体连接结构的截面图。
图4示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池200的阴极侧分隔器260的前侧面400(即,面对阴极的一侧)。
图5示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池200的阴极侧分隔器260的后侧面500(即,背对阴极的一侧)。
图6示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池200的阳极侧分隔器250的后侧面600(即,面对阳极的一侧)。
图7是沿着线VII-VII得到的图4的截面图。
图8是沿着线VIII-VIII得到的图6的截面图。
图9是示出用于制造根据本发明实施例的燃料电池分隔器的方法的流程图。
图10是说明在制造根据本发明实施例的分隔器的方法中向石墨箔贴附掩膜的处理的视图。
图11是根据本发明第二实施例沿着线XI-XI得到的图6的截面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。
为了便于解释,在下面的描述中使用了诸如上部/下部和前侧/后侧这样的表示方向的术语。然而,这些术语仅是为了便于描述和更好的理解,所以根据本发明不应该认为特定元件应该设置在这些方向上。
图2是根据本发明实施例的燃料电池堆的分解透视图。
如图2中所示,根据本发明实施例的燃料电池堆包括多个单元电池200的堆叠。单元电池200的堆叠由位于其末端的端板290联结。端板290形成有集电器295,从而提供由整个燃料电池堆产生的电流。
在向燃料电池堆施加联结压力的端板290处,形成大量连接孔270,以用于向燃料电池堆供应反应气体,并从燃料电池堆排放反应气体等。连接孔270包括氢气供应孔271、冷却剂供应孔272、空气供应孔273、空气排放孔274、冷却剂排放孔275和氢气排放孔276。连接孔271-276中的每一个与燃料电池堆100中的相应导管相连。
对于每个单元电池200,将流体扩散层225贴附到MEA 230的前侧面和后侧面,并且将分隔器250和260设置在MEA 230的前侧面和后侧面且将其贴附到流体扩散层255。在下文中,图2的左侧被称作单元电池200的前方,图2的右侧被称作单元电池200的后方。
上述流体扩散层225在本领域中通常被称作气体扩散层(GDL)。然而,通过流体扩散层225扩散/散布的材料不必须是气体,所以在下文中用术语流体扩散层代替常用术语气体扩散层。
图3是示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池200中MEA 230和流体扩散层225的具体连接结构的截面图。
如图3所示,根据本发明的实施例,在聚合物电解质膜210的前侧面和后侧面通过按压分别形成阳极221和阴极222,并且在阳极221和阴极222各自的外侧形成流体扩散层225。
再次参考图2,阴极侧分隔器260与具有流体扩散层225的MEA230的阴极紧密接触,并且阳极侧分隔器250与阳极紧密接触。
在对本发明实施例的以下描述中,阳极侧分隔器250被描述为具有单极结构,而阴极侧分隔器260被描述为具有双极结构。然而,不应该认为本发明的保护范围限制于此,因为本发明的精神可以应用到多种其它的在MEA230的前侧面和后侧面设置分隔器的方案。
分隔器250和260紧密地联结到流体扩散层225的外表面,并且在其紧密地面对流体扩散层的表面上具有多个流场槽。将分隔器250和260的流场槽用作在流体扩散层225与分隔器250和260之间的反应气体的通道。
分隔器250和260在燃料电池堆中散布反应气体,分离燃料气体和还原气体,并且通过在相邻单元电池的阳极和阴极之间提供电子通道来电性连接相邻的单元电池。另外,分隔器具有热量排放结构以用于排放燃料电池堆的氧化-还原反应产生的热量,并且提供机械强度以支撑堆叠的单元电池。
在下文中更加详细地描述了根据本发明实施例的分隔器250和260。
图4示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池200的阴极侧分隔器260的前侧面400(即,面对阴极的一侧)。
如图4中所示,在阴极侧分隔器260的上部,形成穿过分隔器260的分别对应于氢气供应孔271、冷却剂供应孔272和空气供应孔273的氢气供应导管471、冷却剂供应导管472和空气供应导管473。
另外,在阴极侧分隔器260的下部,形成穿过分隔器260的分别对应于空气排放孔274、冷却剂排放孔275和氢气排放孔276的空气排放导管474、冷却剂排放导管475和氢气排放导管476。
为了防止来自导管471-476的反应气体/冷却剂的泄漏,分别在导管471-476中每个导管周围形成用于施加密封剂的导管密封沟槽481-486。
在阴极侧分隔器260前侧的燃料电池反应区域(即,与流体扩散层225接触的区域),通过定义路线的凸缘420来形成向MEA230供应空气的空气流场槽410。这种空气流场槽410形成为具有预定深度的沟槽。
图4示出根据本发明实施例的分隔器260的空气流场槽410具有蛇形的形状。然而,这仅是本发明的精神可以应用的示例性形状,因而不应该认为本发明的保护范围限制于此。
在空气流场槽410的入口端,穿过分隔器260形成用于向空气流场槽410供应空气的空气供应孔450,并且在空气流场槽410的出口端,穿过分隔器260形成用于从空气流场槽410排放空气的空气排放孔460。
通过在分隔器260的后侧面形成的空气供应通道550(参考图5),将供应给空气供应导管473的空气供应给空气供应孔450。通过在分隔器260的后侧面形成的空气排放通道560(参考图5),将从空气排放孔460排放的空气排放到空气排放导管474。
在具有空气流场槽410、空气供应孔450和空气排放孔460的反应区域周围,形成用于施加密封剂的反应区域密封沟槽480,以防止空气从反应区域泄漏。
密封沟槽480-486具有闭合回路的形式,所述闭合回路分别包围导管和与流体扩散层紧密接触的区域。
在分隔器260上的密封沟槽480-486之间的区域中,穿过分隔器260形成至少一对定位孔,用于对分隔器260的前侧面和后侧面的流场槽进行校准。
所述至少一对定位孔形成为具有不同大小的多个定位孔对(431和432对,以及433和434对)。通过形成具有不同大小的定位孔对,较大直径的定位孔431和432能够粗略校准(即,能够简单校准),而较小直径的定位孔433和434能够精确校准。
作为实例,图4示出在分隔器的上部和下部形成的较大直径定位孔对431和432,并且较小直径定位孔对433和434形成于较大直径定位孔431和432的内侧。
同样作为实例,图4示出在氢气供应导管471的密封沟槽481和冷却剂供应导管472的密封沟槽482之间形成位于上部的定位孔431和433,以及在氢气排放导管476的密封沟槽486和冷却剂排放导管475的密封沟槽485之间形成位于下部的定位孔432和434。
在对根据本发明实施例的分隔器的制造方法的描述中,更详细地描述了使用定位孔431、432、433和434来校准在双极分隔器260的前侧面400和后侧面500上的流场槽。
图5示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池200的阴极侧分隔器260的后侧面500(即,背对阴极的一侧)。
如图5中所示,空气供应导管473和空气供应孔450通过空气供应通道550相互连接,并且空气排放导管474和空气排放孔460通过空气排放通道560相互连接。空气供应通道550和空气排放通道560以沟槽的形式在分隔器260的后侧面500上形成。
另外,形成氢气供应通道555,其与氢气供应导管471相连,并且形成氢气排放通道565,其与氢气排放导管476相连。氢气供应通道555和氢气排放通道565以沟槽的形式在分隔器260的后侧面500上形成。
以闭合回路的形式,分别在导管471、473、474和476中的每一个导管周围形成用于施加密封剂的密封沟槽581、583、584和586,所述闭合回路分别包围导管及与导管相连的通道。
在分隔器的后侧面500上的中央部分,通过定义路线的凸缘520来形成用于循环由冷却剂供应导管472供应的冷却剂的冷却剂流场槽510。在分隔器的后侧面500上形成的所述冷却剂流场槽510与分隔器的前侧面400上的空气流场槽410对齐。
燃料电池冷却剂通过冷却剂供应导管472供应给冷却剂流场槽510,在分隔器260的后侧面上循环,然后通过冷却剂排放导管475排放。
形成用于施加密封剂以防止冷却剂泄漏的密封沟槽580,其包围冷却剂供应导管472、冷却剂流场槽510和冷却剂排放导管475。
图6示出根据本发明实施例的燃料电池堆的单元电池200的阳极侧分隔器250的后侧面600(即,面向阳极的一侧)。
阳极侧分隔器250的后侧面与阴极侧分隔器260的前侧面400具有相似的构造。
即,如图6所示,在分隔器250的上部,穿过分隔器250形成氢气供应导管671、冷却剂供应导管672和空气供应导管673。另外,在分隔器250的下部,穿过分隔器250形成空气排放导管674、冷却剂排放导管675和氢气排放导管676。另外,在导管671-676中的每个导管周围分别形成用于施加密封剂的导管密封沟槽681-686。
在阳极侧分隔器250的后侧面中的燃料电池反应区域处,通过定义路线的凸缘620来形成用于将氢气供应给MEA 230的氢气流场槽610。
在氢气流场槽610的入口端,穿过分隔器250形成用于将氢气供应给氢气流场槽610的氢气供应孔650,并且在氢气流场槽610的出口端,穿过分隔器260形成用于从氢气流场槽610排放氢气的氢气排放孔660。
通过在相邻单元电池的阴极侧分隔器260的后侧面形成的氢气供应通道555(参考图5),将供应给氢气供应导管671的氢气供应给氢气供应孔650。通过在相邻单元电池的阴极侧分隔器260的后侧面形成的氢气排放通道565(参考图5),将从氢气排放孔660排放的氢气排放到氢气排放导管676。
在具有氢气流场槽610、氢气供应孔650和氢气排放孔660的反应区域周围,形成反应区域密封沟槽680,用于施加密封剂以防止氢气从反应区域泄漏。
穿过阳极侧分隔器250,形成与阴极侧分隔器260的定位孔431、432、433和434具有相同位置和相同大小的定位孔631、632、633和634。定位孔431、432、631和632可以使单元电池200的堆叠易于完成。
在上面的描述中,主题为根据本发明实施例的分隔器250和260的外部特征及反应气体/冷却剂的传递。
在下文中,详细描述分隔器250和260的材料、内部结构和制造方法。
图7是沿着线VII-VII得到的图4的截面图,图8是沿着线VIII-VIII得到的图6的截面图。
根据本发明的实施例,将石墨箔700和800用作分隔器250和260的材料。
制造石墨箔的处理通常伴随有压制处理,利用高压压制的石墨箔具有内部薄片状结构。
因此,根据本发明的实施例,可以将用于分隔器250和260的材料称为薄片状结构石墨箔。
用于根据本发明实施例的分隔器250和260的材料的石墨箔700和800的薄片状结构可参看图7的放大部分A和图8的部分B。
对于普通石墨箔,其热传导性在单元电池的堆叠方向上超过250W/mK。因此,这可以有助于增强燃料电池堆的热量排放性能,并且有助于实现燃料电池堆的温度分布的均匀性。
在根据现有技术采用石墨/碳的复合材料的分隔器中,将诸如热固树脂或者热塑树脂的树脂包含于分隔器中,以防止反应气体的泄漏或者便于石墨材料的成型。
然而,根据本发明实施例的分隔器250和260,用于分隔器的石墨箔基本不含有所述树脂。目前大规模生产薄片状结构石墨箔,并且如果不需要包含现有技术的树脂,则石墨箔的大规模生产率可以进一步提高。因此,如果用这种薄片状结构石墨箔制造分隔器,有助于减少分隔器的生产成本。
此外,根据现有技术的采用包含树脂的石墨材料的分隔器很少用于在高于约100℃温度下工作的燃料电池,这是由于大多数树脂的热变形温度都低于约100℃。
因此,在可将不含有树脂的石墨箔用于分隔器的情况下,可以扩大燃料电池的工作温度范围,并且可以加强在燃料电池过热而超过100℃的情况下燃料电池的耐用性。
实际上,在分隔器250和260不含有树脂的情况下,其可以具有较高的用于例如在分隔器250和260上形成流场的可成形性。此外,在增强耐用性的同时,可以保持反应气体的泄漏防护以及憎水效应(hydrophobic effect)。稍后描述使用不含有树脂的石墨箔来制造稳定且高性能的分隔器的方法。
在堆叠燃料电池堆期间,燃料电池的分隔器应该保持均匀的压力且没有变形,并且其应该提供足够的电传导性。
因此,优选地,用作根据本发明实施例的分隔器260和250的材料的石墨箔显现出高于1.5g/cm3的体积密度。作为试验结果,在石墨箔的体积密度低于1.5g/cm3的情况下,已经发现由于当在燃料电池堆中堆叠分隔器时的过度变形,可能会发生反应气体的泄漏或者接触电阻的增加。
另外,过高的体积密度引起石墨箔生产成本的增加,即,分隔器生产成本的增加。因此,用于本发明实施例的分隔器250和260的石墨箔可以具有小于2.0g/cm3的体积密度。
在分隔器过薄的情况下,由于分隔器的透气性增强,燃料电池堆的性能和耐用性可能会下降。考虑到这点,优选地,用于根据本发明实施例的分隔器250和260的石墨箔的厚度D1和D2大于0.5mm。
通常,流场槽的最小深度为约0.2mm。因此,在石墨箔的厚度小于0.5mm的情况下,流场槽的厚度d2变为小于0.3mm。在这种情况下,已经发现石墨箔700和800的透气性变得过高。
因此,通过以最少0.5mm厚度的石墨箔来形成分隔器,在保证该最小厚度的情况下有望增强耐用性和性能。
然而,如果分隔器变得过厚,生产成本会增加而性能和耐用性不会有任何增加。作为试验结果,已经发现用于根据本发明实施例的分隔器的石墨箔的厚度不必大于3mm。
由于聚合物电解质膜燃料电池的正常工作温度小于100℃且大约为80℃,因而对反应产物即热量和水的有效且稳定的排放是非常重要的。
为了这样的目的,通过浸渍,在根据本发明实施例的分隔器260和250的流场槽410和610的内表面上形成憎水层710和810。在流场槽410和610上形成的憎水层还有助于通过流体扩散层225有效地向电极供应反应气体。
如图7和8所示,没有在凸缘420和620的表面上形成憎水层710和810。因此,在流体扩散层225与分隔器260和250之间的接触电阻不会因为憎水层710和810而增加。
对于根据现有技术的传统的憎水处理,只是将憎水层简单涂覆在加工件的表面上。在这种情况下,可以容易的刮掉或去除涂覆的憎水层。
然而,根据本发明实施例的憎水层710和810,首先将流场槽410和610的内侧面修改为几十微米(μm)的粗糙度,然后通过在粗糙表面上进行浸渍而形成憎水层710和810。因此,由于憎水层710和810形成在粗糙表面上,所以增强了憎水层710和810与流场槽410和610的内表面之间的贴附强度,并且因此增强了憎水层710和810的耐用性。
优选地,通过流场槽中的浸渍而形成的憎水层710和810的厚度位于30μm到100μm的范围内。考虑到在燃料电池堆的联结力下的反应气体和冷却剂流,优选地,憎水层710和810的厚度大于30μm以便耐久地提供憎水层710和810的憎水效应。相反地,在憎水层710和810的厚度超过100μm的情况下,用于憎水层的憎水溶液过度浸渍到流场槽410和610中。在这种情况下,当进行憎水效应的热处理(例如,在330℃的热处理)时,由于例如在薄片状结构石墨箔上形成的气泡,可能引起薄片的分离。
如参考图4到图6已经描述的,在导管471-476和671-676以及接触流体扩散层的区域周围形成密封沟槽481-486、681-686、480和680。
如图7和8所示,密封件790和890被施加到分隔器260和250的密封沟槽,并且与分隔器260和250成为一体。图7和8示出密封件790和890仅被施加到特定部分,然而,密封件790和890实际上可被施加到分隔器260和250的密封沟槽480-486、580-586和680-686中的每个沟槽。例如可将硅系、氟系和烯系的橡胶液体用作密封件790和890。
由于密封件在密封沟槽上施加于分隔器260和250并且与其成为一体,因而可以简化燃料电池堆的装配处理。
在下文中,针对制造分隔器的方法来详细描述本发明的实施例,所述分隔器由薄片状结构石墨箔制成,并且在其流场槽上具有通过浸渍而形成的憎水层。
图9是示出用于制造根据本发明实施例的燃料电池的分隔器的方法的流程图。
如图9中所示,根据用于制造根据本发明实施例的燃料电池的分隔器的方法,首先在步骤S910准备具有预定厚度和体积密度的石墨箔。
然后在步骤S920,在准备好的石墨箔上形成相应于导管、密封沟槽和流场槽的掩膜图案。
然后在步骤S930,通过利用石墨箔上形成的掩膜图案选择性地干蚀刻石墨箔,在石墨箔上形成导管、密封沟槽和流场槽。
然后在步骤S940,通过浸渍在流场槽的各内侧面上形成憎水层。
最后在步骤S950,从具有浸渍的憎水层的石墨箔上移除掩膜图案,然后清洁并热处理石墨箔以便完成分隔器的制造。
通过上述处理制成单极分隔器。
对于双极分隔器,通过对准备好的石墨箔的一侧执行步骤S920和S930来形成流场槽等(即,导管、密封沟槽和流场槽),然后对石墨箔的另一侧也执行步骤S920和S930,以便在另一侧也形成流场槽等。
然后,根据步骤S940和S950处理在其两侧都具有流场槽等的石墨箔,从而完成双极分隔器的制造。
从对单极分隔器的制造方法的描述可以清楚地了解到双极分隔器的制造方法。
在下文中,针对示例性单极分隔器250详细描述上述步骤S910-S950。
首先,在准备石墨箔的步骤S910中,准备好的石墨箔的厚度为1.0mm,整体密度为1.78g/cm3,尺寸为10cm×15cm。通过在干燥器内以100℃对准备好的石墨箔干燥5分钟来从该石墨箔除去水分。在准备好的石墨箔上形成定位孔631、632、633和634。在这个阶段,由于石墨箔上还没有形成流场槽等,所以只需要注意定位孔631、632、633和634的直径及其之间的距离,以便能够按照预定规格而形成。
还可以以多种方式实现用于形成掩膜图案的步骤S920。例如,可以将具有对应于流场槽等的图案的橡胶或者不锈钢材料的掩膜贴附到石墨箔。
对于另一个实例,可以使用干膜。
在使用干膜(例如,BF410)的情况下,使用层合机装置将100μm厚的干膜(例如,BF410)涂覆在石墨箔上。对于层压处理,优选地,上滚轮温度大约70℃,下滚轮温度大约65℃,滚动速度大约60mm/sec。
将形成有用于流场槽等的图案的薄膜掩膜设置为与石墨箔接触,然后将带有薄膜掩膜的石墨箔在曝光机中以大约20mW/cm2的能量密度曝光大约18-23秒。
在使用干膜的情况下,当浸入液体显影剂中时可能膨胀。因此,为了使涂覆有干膜的石墨箔显影,优选地,当在喷射式显影机中喷射液体显影剂(例如,1~2%的Na2CO3溶液)的同时,喷射喷嘴移动。
优选地,将喷射式显影机的显影条件设置成液体显影剂的温度大约25℃,喷射压力大约2.7Kg/cm2,并且喷嘴移动速度大约80mm/sec。当在这种情况下显影时,优选地,以大约100℃在烤箱中烘烤5分钟。
形成掩膜图案的步骤S920包括在石墨箔上贴附掩膜的步骤。为了这样的目的,使用定位孔631、632、633和634以及定位棒。在下文中,详细描述使用定位孔631、632、633和634在石墨箔上贴附掩膜。
如图10中所示,在曝光机1000上的工作板1100上凸出地形成一对较大直径定位棒1021和1022以及一对较小直径定位棒1023和1024。工作板1100形成为透明板,使得曝光机1000的光源1005处生成的曝光光线可以穿透所述工作板。
形成带有定位孔1011、1012、1013和1014的准备好的掩膜1010,所述定位孔1011、1012、1013和1014位于与定位棒1021、1022、1023和1024对应的位置。另外,在准备石墨箔的步骤S910中,在石墨箔上与定位棒1021、1022、1023和1024对应的位置处形成定位孔631、632、633和634。
掩膜1010的厚度通常小于0.2mm,并且满足定位棒1021、1022、1023和1024自工作板1100的凸出高度h是0.2mm。较大直径的定位棒1021和1022比较小直径的定位棒1023和1024稍微更加凸出。因此,在使用较大直径定位棒1021和1022将分隔器定位在粗略校准位置之后,可以使用较小直径定位棒1023和1024将分隔器精确地校准在正确的位置。
将掩膜1010设置在工作板1100上,使得凸出的定位棒1021、1022、1023和1024可以插入在定位孔1011、1012、1013和1014中。在这种情况下,因为定位棒1021、1022、1023和1024的凸出高度h大于掩膜1010的厚度,所以定位棒1021、1022、1023和1024完全穿透掩膜1010并且从其中凸出。
因此,可以仅通过将准备好的石墨箔设置为使得定位棒1021、1022、1023和1024插入定位孔631、632、633和634,来精确地校准分隔器的前侧面和后侧面。通过按照上述校准处理将掩膜贴附在石墨箔上,精确校准了分隔器的前侧面和后侧面。
在形成流场槽的步骤S930中,使用例如喷砂设备来干蚀刻利用掩膜图案处理而处理过的石墨箔,使得流场槽的深度可以变为大约500μm。
优选地,将喷砂条件设置为分隔器移动速度大约40mm/分钟,喷嘴移动速度大约20m/分钟,喷嘴的喷射压力大约3.0kg/cm2,并且分隔器和喷嘴之间的距离大约60mm。例如,可将SiC用作研磨剂,使得流场槽底部的表面粗糙度可以变成几十微米。
可以执行超声波蚀刻处理,即使用研磨剂的蚀刻处理,来代替喷砂处理或者与喷砂处理一起执行。
在通过浸渍而形成憎水层的步骤S950中,在将石墨箔浸入憎水溶液(例如,20%的PTFE(聚四氟乙烯)溶液)2到4秒之后或者在通过喷射涂覆的处理之后,将具有流场槽且其上贴附有掩膜图案的石墨箔在50℃到90℃的范围内干燥。
在完成分隔器制造的步骤S950中,使用超声波清洁器在丙酮中去除掩膜图案,使得贴附在石墨箔上的干膜被去除,然后清洁和热处理石墨箔以完成分隔器。对于本领域的普通技术人员,清洁和热处理石墨箔的处理是显而易见的。对于橡胶或者不锈钢材料的掩膜,可以仅通过将其分离而去除。
在以上本发明实施例的描述中,分隔器被描述为使用具有一致结构的石墨箔。然而,由于实施例可进行变化,诸如将不锈钢层插入到用于分隔器的石墨箔内的情况,所以不应该认为本发明的保护范围被限定于此。
在下文中,参考图11来描述本发明的第二实施例,该实施例涉及在用于分隔器的石墨箔中包括不锈钢层的情况。
图11是根据本发明第二实施例的沿着线XI-XI得到的图6的截面图。
如在图11中所示,在用于根据本发明第二实施例的分隔器1150的薄片状结构石墨箔1140中包括不锈钢层1160。
例如通过将具有预定厚度的石墨层压到不锈钢层1160的前侧面和后侧面,可以容易地制造这种包括不锈钢层1160的石墨箔1140。
不锈钢层1160可以是例如SUS304或者SUS316,并且优选地,其厚度t是0.1mm到0.3mm。考虑到流场槽610的深度,在不锈钢层1160的前侧面和后侧面形成的石墨层的厚度d3优选地大于0.2mm,而考虑到生产成本,厚度d3优选地小于3mm。
也就是说,根据所述本发明第二实施例的分隔器1150使用石墨箔1140,在该石墨箔1140中间形成有0.1mm厚度的不锈钢层1160,在不锈钢层1160的前侧面和后侧面中的每一侧处形成0.2mm厚度的石墨层(因此,石墨箔的总厚度D3变成0.5mm)。通过干蚀刻石墨箔1140的一侧(例如,图11的上侧)形成流场槽610。
使用其中包括不锈钢层1160的石墨箔1140制造分隔器1150的方法与参考图10描述的根据本发明第一实施例的制造分隔器250和260的方法相同。
在形成流场槽610的干蚀刻处理中,蚀刻石墨层使得不锈钢层1160暴露出来。对于干蚀刻处理(例如,上面描述的喷砂蚀刻处理),不锈钢层1160具有比在不锈钢层1160的前侧面和后侧面形成的石墨层小得多的蚀刻率。因此,所述不锈钢层1160起到蚀刻处理中停止蚀刻的作用。
根据上述特征,分隔器的制造处理变得更容易,并且可以使用较低精确度的制造设备来生产具有同样高性能和精确度的分隔器。
虽然不锈钢层1160的硬度比石墨层的硬度更高,但在蚀刻处理中使用的研磨剂仍可以容易地在其上形成例如在第一实施例中所描述的几十微米的粗糙度。
另外,在形成憎水层的处理中(指图9中的步骤S940),在不锈钢层1160暴露于流场槽610中的同时形成憎水层810。因此,对于完成的分隔器1150,因为在不锈钢层1160暴露于流场槽610中的同时形成憎水层810,所以不锈钢层1160变成表面暴露地插入憎水层810中。
在上面的描述中,已经结合聚合物电解质燃料电池示例性地描述了本发明。然而,不应该认为本发明的保护范围被限制于此。相反,可以将本发明的精神应用在正常工作温度处于低于石墨箔热变形温度(例如,低于250℃)的范围内的任意燃料电池。作为实例,本发明的精神也可以应用于DMFC(直接甲醇燃料电池)。
因此,在上面的描述中以及在所附的权利要求中,涉及聚合物电解质燃料电池的术语不应该被理解为严格地指定聚合物电解质燃料电池的特定元件。
例如,术语燃料气体应该被理解为综合性的含义,其含义包括以液体形式供应的甲醇燃料以及以气体形式供应的氢气。另外,对于除聚合物电解质燃料电池之外的燃料电池,应该认为术语MEA指的是燃料电池的相应元件。
如上所述,根据本发明的实施例,将薄片状结构石墨箔用作燃料电池分隔器的材料,并且通过浸渍而在分隔器的流场槽的内壁上形成憎水层。
因此,通过例如加速反应气体向催化层的扩散,可以有效地排放在阴极产生的水,并且由此可以提高燃料电池的性能。相应地,可以提高燃料电池堆的每单位体积的功率密度。
另外,由于在已经通过干蚀刻而形成的分隔器流场槽的内壁上通过浸渍而形成了憎水层,因而加强了憎水层的耐用性,从而加强了燃料电池的耐用性和可靠性。
此外,由于石墨箔的内部基本不含有诸如热固树脂或者热塑树脂的树脂,并且利用掩膜图案防止在接触MEA的分隔器表面上形成憎水层,因而不需要用于减少电池之间接触电阻的附加处理。
此外,由于这种石墨箔显示出较高的热传导性,因而加强了燃料电池堆的冷却效果并且燃料电池堆的温度分布变得均匀。
此外,由于用作分隔器材料的薄片状结构石墨箔可以大规模生产,所以可以降低分隔器的生产成本,从而相应地降低燃料电池的生产成本。
此外,由于分隔器的制造处理可以被简化并且其更加适合于大规模生产,因此可以降低分隔器的生产成本,从而相应地降低燃料电池的生产成本。
尽管已经结合当前认为是最具实用性且优选的实施例对本发明进行了描述,但是,应该理解本发明不限于所公开的实施例,相反,本发明旨在包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效配置。
在说明书及其后的权利要求书中,除非明确地进行相反描述,词语“包括”或其变形将被理解为指示包含所述元件,但并不排除任何其它元件。
Claims (25)
1.一种用于燃料电池的分隔器,其能够紧密接触燃料电池的MEA(膜电极组)的阳极或者阴极并且插入流体扩散层,所述分隔器具有流场槽以允许流体在所述分隔器和所述流体扩散层之间流动,其特征在于:
所述分隔器包括薄片状结构石墨箔;以及
通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的分隔器,其中所述薄片状结构石墨箔中包括不锈钢层。
3.如权利要求2所述的用于燃料电池的分隔器,其中所述不锈钢层表面暴露地插入所述憎水层。
4.如权利要求1所述的用于燃料电池的分隔器,其中所述石墨箔基本不含有热固树脂或者热塑树脂。
5.如权利要求1所述的用于燃料电池的分隔器,其中所述石墨箔的体积密度位于1.5g/cm3到2.0g/cm3的范围内。
6.如权利要求1-5中任一项所述的用于燃料电池的分隔器,其中所述石墨箔的厚度位于0.5mm到3mm的范围内。
7.如权利要求1-5中任一项所述的用于燃料电池的分隔器,其中所述憎水层的厚度位于30μm到100μm的范围内。
8.如权利要求1-5中任一项所述的用于燃料电池的分隔器,其中:
在所述分隔器中形成至少一个导管;以及
密封件沿着所述至少一个导管的每个圆周以及接触所述流体扩散层的区域与所述分隔器成为一体。
9.如权利要求8所述的用于燃料电池的分隔器,其中所述密封件分别沿着闭合曲线包围所述至少一个导管中的每一个导管和接触所述流体扩散层的所述区域。
10.一种用于制造具有用于燃料电池的分隔器的燃料电池的方法,所述分隔器能够紧密接触燃料电池的MEA(膜电极组)的阳极或者阴极并且插入流体扩散层,所述分隔器具有流场槽以允许流体在所述分隔器和所述流体扩散层之间流动,所述方法包括:
准备具有预定大小的石墨箔;
在所述石墨箔上形成对应于所述流场槽的掩膜图案;
通过蚀刻其上形成有所述掩膜图案的所述石墨箔,在所述石墨箔上形成所述流场槽;
通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层;以及
从所述石墨箔上移除所述掩膜图案。
11.如权利要求10所述的制造燃料电池的方法,其中在所述石墨箔上形成掩膜图案的步骤包括:
利用干膜抗蚀剂涂覆所述石墨箔;
暴露所述被涂覆的石墨箔;以及
通过在所述石墨箔上移动喷射式显影设备的喷射喷嘴,在所述石墨箔上显影所述干膜抗蚀剂。
12.如权利要求10所述的制造燃料电池的方法,其中在所述石墨箔上形成所述掩膜图案的步骤包括在所述石墨箔上贴附掩膜,所述掩膜提供有对应于所述流场槽的图案并且由橡胶或者不锈钢制成。
13.如权利要求10所述的制造燃料电池的方法,其中在所述石墨箔上形成所述流场槽的步骤包括喷砂和超声波蚀刻中的至少一种。
14.如权利要求10-13中任一项所述的制造燃料电池的方法,其中通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层的步骤包括:
在贴附有所述掩膜图案且形成有所述流场槽的所述石墨箔上形成憎水层;以及
在50℃到90℃范围的温度中,干燥形成有所述憎水层的所述石墨箔。
15.如权利要求14所述的制造燃料电池的方法,其中,在所述石墨箔上形成憎水层的步骤中,将憎水溶液喷射涂覆在所述石墨箔的表面上,或者将所述石墨箔浸入所述憎水溶液中。
16.如权利要求10所述的制造燃料电池的方法,其中:
在所述分隔器的前侧面和后侧面中的每一侧上都形成所述流场槽;
所述掩膜图案包括前掩膜图案和后掩膜图案;
在所述前掩膜图案和后掩膜图案中的每一掩膜图案上都形成至少一对定位孔;
穿过所述石墨箔,与所述掩膜图案的所述定位孔相对应地形成至少一个定位孔;以及
所述掩膜图案的所述定位孔和所述石墨箔的所述定位孔是通过使用与其相对应的至少一对定位棒来校准的。
17.如权利要求16所述的制造燃料电池的方法,其中所述至少一对定位孔和所述至少一对定位棒分别包括对应于不同大小的多对定位孔和定位棒。
18.一种燃料电池堆,其包括至少一个单元电池,其中所述至少一个单元电池包括:
MEA(膜电极组),包括聚合物电解质膜,以及在其两侧上形成的阳极和阴极;
一对流体扩散层,接触地设置到所述MEA两侧的所述阳极和所述阴极;以及
一对分隔器,用于紧密接触所述一对流体扩散层,在所述分隔器面向所述流体扩散层的侧面上形成流场槽以便形成反应区域,并且在所述反应区域外围形成导管区域;
其中,所述一对分隔器中的至少一个分隔器包括薄片状结构石墨箔,以及
通过浸渍,在所述一对分隔器中的至少一个分隔器的所述流场槽的内侧面上形成憎水层。
19.如权利要求18所述的燃料电池堆,其中所述薄片状结构石墨箔中包括不锈钢层。
20.如权利要求19所述的燃料电池堆,其中所述不锈钢层表面暴露地插入所述憎水层。
21.如权利要求18所述的燃料电池堆,其中所述石墨箔基本不含有热固树脂或者热塑树脂。
22.如权利要求18所述的燃料电池堆,其中所述石墨箔的体积密度位于1.5g/cm3到2.0g/cm3的范围内。
23.如权利要求18-22中任一项所述的燃料电池堆,其中所述石墨箔的厚度位于0.5mm到3mm的范围内。
24.如权利要求18-22中任一项所述的燃料电池堆,其中所述憎水层的厚度位于30μm到100μm的范围内。
25.如权利要求18-22中任一项所述的燃料电池堆,其中密封件沿着所述导管的每个圆周和所述反应区域与所述分隔器成为一体。
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Owner name: DOOSAN CORP. Free format text: FORMER OWNER: FUELCELL POWER INC. Effective date: 20150127 |
|
C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150127 Address after: Seoul, South Kerean Patentee after: Doosan Corporation Address before: Gyeonggi Do, South Korea Patentee before: Fuelcell Power Inc. |