TW200849702A - Hydrophilic inorganic aggregate, a method for preparing the same, hydrophilic composite material and bipolar plate for fuel cell comprising the same - Google Patents

Description

200849702 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種親水性無機聚集體、包含彼等之親水 性組合㈣、包含彼等之燃料電池雙極板、及製備彼等之方 法:更明確地說’本發明係種親水性無機聚集體及製 備该親水性無機聚集體之方法，其適用於製造具有改良導電 =與親水性之㈣電池錄^此外，本發日祕g|於各別包 3 5亥親水性無機聚集體之親錢合材料及㈣電池 板。 【先前技術】 天4)料中電種發電系統，其藉-物細如甲醇或 而將化學能直接轉換成電能， 干反應 15 20 其高效率能源轉換及環境友;性=熱。燃料電池由於 已吸引相當多注意以作 ⑽二高分子電解質膜燃料電池 與陰極氣體擴散層作為"刀子琶解質膜反端之各陽極 積於膜電極組;ΐ;::=另外’燃料電池可包括分別沉 陰極雙極板。 ” I7正與負極）之燃料電池陽極與 燃料電池之主要操作_將於町說明。 5 200849702 已栝氫（Η2) 應。作為燃料氣之氫（h2)在正極極板中的氣流通道供 f:子移動穿過高分子電解質膜至二電=3子。 經由外部電路被傳入負極。同時，勺 辽釋放之黾子亦 由負極雙極板中的氣流通道供廯。^ ，^02)之氧化氣係 成氧離子（0”。氧離子與被傳：氣'由電子還原以變 由高分子電解質膜反應以產生水 之氫料（H+)藉 化氣-起經由負極雙極板中的氣流通2放此的氧 學反應過程中，電子經由外部電 在重複的電化 10 15 20 在燃料電池中，為導電板因而產生電。 化氣、及由電化學反應所產生之電j板傳輸燃料氣、氧 ==電池堆。已知雙極板‘有=水= ，了確絲正極產生之氫離子有觀移動，氫離子的濕 t須連績不斷調整至理想水平。此外，高分子電解質膜的 =度必須維持理想水平。為了維持濕度，雙極板的親水化可 有利地影響制料料性。高分子電料麟祕有易損 性之缺點。因此，燃料電池在相#高溫操作的情況下，除了 f高分子電解質膜外，燃料電池之雙極板最妤親水化以保護 咼分子電解質膜免於高溫。 在電極化的燃料氣轉移穿過雙極板中氣流通道的情況 下’燃料氣、極性水、及來自由雙極板所组成聚合物之剩餘 離子聚合物轉在-起，因此提高流通道之流誠阻力，亦 即水塊（water slug)。水塊引起沉澱物形成，因此使流通道 6 200849702 阻塞。然而，雙極板之親水化引起水薄膜在流通道表面形 成，因此阻止水塊發生。在親水化雙極板中，自正極導入之 氫離子中濕氣在負極上形成水滴，因而抑制妨礙氧化氣流之 水滴效應，並使水由於水膜形成能夠經由負極雙極板中氣流 通道有利地排放。 基於上述優勢，有關於雙極板之親水化已有重複的嘗試 與研究。其中，已建議將親水性無機材料簡單添加至雙極 板。在此情況下，添加無機材料造成雙極板導電性的惡化。 另外，已建議在雙極板中使用以親水性有機材料（例如磺酸） 改質之碳黑表面。然而，此種雙極板難以在一系列氧化與還 原連續不’生之燃料電_部中確保親水性無機材料^ 化學穩定性。隨著時間流逝，親水性無機材料經歷 八 離或化學變異，因此造成雙極板親水性或導電性 刀 【發明内容】 w化。 15 根據本發明的-種態樣，提供一種親水性 ，包含：^交雛，_交雖具树黑難㈣於^ 1性 無機顆粒表面上之結構。 ”尺& 在親水性無機聚集體中，親水性無機 :二氧化欽、二氧化™、及其 碳黑顆粒可具有親水性無機雜麵之丨 直徑。 至1/10

根據本發明的另一種態樣，提供一種製 A 集體之方法，财料含形絲交齡，叫韻 7 200849702 ^親水丨4無機雜的表面上，此 表面上對碳黑顆粒施予物理力。 I，、機顆粒的 在製造親水性無機聚集體中，雜交顆粒之形成可麵 水性無機難射黑齡間之齡雜交作料行。、二- 5 10 15 20 根據本發明的另一種態樣，提供-麵水性组合材料 其包含：由熱塑性或熱固性樹脂組成之樹脂黏結劑;7導電性 真料及根據本發明第一種態樣之親水性無機聚集體。 親水性組合材料可由：i S 45重量％樹脂黏結劑、刈 =^%__料'^5至45重量％親水性無機聚 在親水性組合材料中，熱塑性樹脂可選自由聚偏二氟乙 烯、聚碳酸酯、耐綸、聚四氟乙烯、聚胺曱酸酯、聚酯聚 乙烯、聚丙烯、聚苯硫、及其混合物所组成之組群，熱固性 樹脂可選自由環氧及紛樹腊所組成之組群。 導電性填料可為一種選自由碳黑、碳纖維、碳奈米管、 石墨、及其混合物所組成組群之含碳材料。 根據本發明的另一種態樣，提供一種燃料電池雙極板， 其係由本發明另一種態樣之親水性組合材料所製造。 根據本發明的再一種態樣，提供一種燃料電池雙極板， 其包含.由熱塑性或熱固性樹脂、组成之樹脂基體、分散於樹 脂基體中之導電性填料、及分散於樹脂基體中根據本發明第 一種態樣之親水性無機聚集體。 下列詳細說明中包括本發明其它態樣及示範具體實例 之細節。 8 200849702 【詳細說明】 現在，本發明β範減實娜參 明，以使熟習技藝者可輕易實施本發明。 = 供用以說明本發明，廿τ产切膝 髓，如餘料料發3狀範疇與精 知士下列申°月專利範圍所揭示者。 根據本發明一項具體實例之親水性無機聚隼 ^含雜父顆粒，該雜交顆粒具有碳黑顆粒HG舰於親I 性無機顆粒100表面上之結構。 口兄明雜又顆粒具有碳黑雜UG嵌埋於親水性無機顆 粒100表面上結構之圖i僅供於例證用途。換言之，碳黑顆 粒110之〜，方去亚無限制。更㈣地說，視似顆粒的形 狀與31式而定’可h助任何方法使破黑顆粒嵌埋於親水性益 機顆粒表面上而製得雜交顆粒。例如，碳黑齡係部分或: 部包覆於親水性無機顆粒的表面上。 15 20 親水性無絲集體包含雜交雛，其巾導電性破黑顆粒 110係嵌埋於親水性域齡刚的表面h在親水性無機 聚集體係用於燃料電池雙極板之情況下，親水性無機聚集體 能改良親水性，而未造成導電性的惡化。此外，將碳黑顆粒 110嵌埋於親水性無機難⑽表面上麵_成分間之強 大鍵聯’使幾乎未受氧倾_影#之親水性錢顆粒能在 燃料電池内部維熟學齡。因此，❹親水性無機聚集體 確保對燃料電池雙極板的導電性及親水性有穩定的改良。 在親水性無機聚集體中’親水性無機材料係選自由二氧 化錯、二氧化鈦、二氧切、氧她、及其混合物所組成之 9 200849702 之無機材料並無限制^在無 ，只要其熟知為親水性且有 組群。可用於親水性無機聚集體 特別限制下可使用任何無機材料 相當化學穩定性即可。 因為m嫌110必須舰於親水性錢雛_ 面上，所以碳黑顆粒具有較親水性無機齡1GM、的直= ，佳者’礙黑顆粒110可具有較親水性無機顆/粒刚直徑之 1/10或更小直徑。更佳者，瑞里觀ψ 百反…、顆粒可具有親水性無機 顆粒100直徑之1/500至1/10亩僻。点b 山奶 成 3 Ί ί/1ϋ直仫。例如，碳黑顆粒具有l〇nm 至100#m直徑。 10 15 根據本發㈣-項具體實例，提供—種製造親水性無機 艰市體之方法’該方法包含形成雜交顆粒之步驟，以致礙里 ，粒嵌埋魏水性無機顆㈣表面上，此係料在親水性無 機顆粒的表面上對碳黑顆粒施予物理力。 在製造親錄無卿錢巾，碳黑顆粒舰於親水性無 機顆粒表面上之雜交顆粒係由親水性無機顆粒與碳黑顆粒 ^之顆粒雜父作用所形成。此顆粒雜交作用藉由在親水性無 =顆粒的表面上施予物理壓緊力或剪力，將碳黑顆粒嵌埋於 ’見水性無機顆粒的表面上。顆粒雜交作用之實例包括，但不 限於·藉由美國專利號6,892,475所揭示氣流之顆粒雜交作 用，及藉由美國專利號4,789，105所揭示葉片之顆粒雜交作 用此等美國專利各揭示用以實施顆粒雜交作用之特定方法 ，裝置。此等热知的顆粒雜交作用可用於本發明另一項具體 貫例之製造親水性無機聚集體，其包含碳黑顆粒嵌埋於親水 十生無機顆粒表面上之雜交顆粒。 20 200849702 在，特別限制下可使用任何熟知的顆粒雜交作用，只要 其適合藉由施予物理力，將碳黑顆減埋於親水性無機顆粒 的表面上即可。 5 10 15 20 根據上述方法所製造親水性無機聚集體之組成成分係 與上文說明相同。 ^ 根據本發明另一項具體實例，提供一種親水性組合材 料’其包含：由熱塑性或熱固性樹脂組成之樹脂黏結劑、導 電丨生填料、及根據本發明第一項具體實例之親水性無機聚集 〇& 〇 隹趟除了導電性填料外，親水性組合材料包含親水性無機聚 集體。在親水性組合材料用於燃料電池雙極板的情況下，親 水性叙合材料可展現充分的導電性。當應用於製造燃料電池 又木板8守親水性組合材料中包括親水性無機聚集體能改良 而無造成導電性之惡化。此外，親水性無機顆粒可 f二系列氧化與還原連續不斷發生之燃料電池中具有化學 釔定陡。因此，使用親水性組合材料可達到燃料電池雙極板 有利改良之導電性與親水性。 98舌卒 1水性組合材料係由1至45 ί#%樹脂黏緒劑、5〇至 導電性填料、及〇·5至45重量％親水性無機聚集 成。以定義範圍内之用量使用親水性組合材料之各組 水可對燃料電池雙極板給予理想特性，亦即導電性及親 ，，水性組合材料中，熱麵樹脂係選自由聚偏二敗乙 邓氟蛟酸醋、耐綸、聚四氟乙烯、聚胺曱酸酯、聚_、聚 11 200849702 5 10 15 乙烯、聚_、聚苯硫、及其混合物所組成之組群。熱固性 樹脂係選自由環氧及轉脂所組成之組群。可用於親水性組 合材料之熱_或熱·_並無_卜在無特職制下可 使用任何熱塑性或熱固性樹脂，只要其熟知適合作為燃 池雙極板之樹脂基體即可。 導電性填料給予燃料電池雙極板理想的導電性， 75至l〇〇S/cm。在無特別限制下可使用任何導電性填料，口 要其熟知適合㈣料電池懸㈣可。更明確魏「導ς 填料可為含碳導電性填料或金屬性填料。含碳導電性填 選自由碳黑、碳纖維、碳奈米管、石墨、及其混合物所組^ 之組。 根據本發明另一項具體實例，提供一種由本發明另一項 具體實例之親水性組合材料所製造之祕電池雙極板。 電池雙極板係由下列組成：由熱塑性或熱固性樹脂組成: 月曰基體、及各別分散於樹脂基體巾之導電性填料與根據本發 明第一項具體實例之親水性無機聚集體。 由於親水性無«集體之㈣分散，燃料電池雙極板且 有理想的親水性，絲經歷導電性之惡化。燃料電池雙極板 之親水性係由在親水性無機料體關形成之細微孔隙所 造成。此外，親水性無絲集體德學穩定性能維持燃料電 池雙極板之親水性及導電性。因此，燃料電池雙極板展現改 良之親水性及導電性。此等特性可被穩定地維持。 燃料電池雙極板可根據製造以樹脂為基的雙極板之傳 統方法獲得。更明確地說，燃料電池雙極板可由加熱親水性 20 200849702 、、且a材料而使樹脂黏合劑固化予以製造。在製造燃料電池雙 極板中，可使用熱壓機等。 、可含於燃料電池雙極板中之熱塑性樹脂、熱固性樹脂、 及‘電性填料的完整細節係與上文說明相同。 5 【實施方式】 自下列實施例將更好瞭解本發明。然而，此等實施例不 應解釋為限制本發明之範蜂。 實施例 如表1及2所示用量使用熱塑性樹脂、導電性填料、及 10 親水性無機聚集體，製造如下列實施例1至6及比較例1至 7之各燃料電池雙極板。 (1) 熱塑性樹脂 使用聚苯硫樹脂（PPS)作為熱塑性樹脂以形成燃料電 池，極板之樹脂基體。此處所用之聚苯硫為Ryt〇n pR_n@ 15 (得自 Chevron PhilHps Chemical ( CPC ) Company，LLC，）， 其在315.5 C與氮氣壓下測量具有3〇〇p零黏性。 (2) 導電性填料 使用人造石墨（平均直徑：1〇〇//m)作為燃料電池雙 極板之含碳導電性填料。 2〇 (3)親水性無機聚集體 使用包含雜交顆粒之親水性無機聚集體，其中奈米級碳 黑顆粒係嵌埋於微米級二氧化鈦顆粒的表面上。奈米級碳黑 顆粒根據ASTMD3037-89測量具有70m2/g表面積，及在超 音波發射器發射之超音波暴露1〇分鐘後具有35nm平均直 13 200849702 徑。微米級二氧化欽顆粒具有m平均直徑，其係根據 J.Phys· Chem. 98 (1994) 1366所揭示方法之控制水解四異丙 氧化鈦而獲得。 雜交顆粒之製造係根據美國專利號6,892,475所揭示之 5 顆粒雜交作用。 根據表1及2所示之含量，將各組成成分（1)至（3) 混合一起以製備親水性組合材料。此時，比較例2至4中， 使用未經歷任何嵌埋於親水性無機顆粒表面上之傳統碳 黑。比較例5至7中，單獨使用二氧化鈦。使用Haake混合 1〇 器以製備親水性組合材料。接著，借助於熱壓機，自親水性 組合材料製造實施例1至6及比較例1至7之燃料電池雙極 板。 各燃料電池雙極板之導電性係由4針探針所測量。各燃 料電池雙極板之親水性係根據吸水量（w)評估。各燃料電 15 純極板之樣品係在贼烘射乾燥12小時，然後稱重 (WO。接著，各燃料電池雙極板之樣品在25乞下浸潰於 水，中8小時’然後稱重（W2)。將％與1間差額除以^ 計=吸水量，以重量百分率（％)表示，其以下列方程式 示範說明： 20 W (%) =l〇〇x (W2~W1) /W!.......⑴ 表1 實施例 Ί ---—_ 2 3 4 5 測量各雙極板之導電性及吸水量係如表】及 14 200849702 熱塑性樹脂（重量％) 25 25 25 25 25 25 導電性填料（重量％) --S--- 70 65 60 70 65 60 親水性無機聚集體Α1〕（重量％) 5 10 15 一 一 親水性無機聚集體β2)(重量％) 一 一 — 5 10 15 導電性（S/Cm) 99 113 117 94 83 71 進水量（重量％) 7.3 8.2 9.1 7.5 8.9 10.7 1) 親水性無機聚集體A—碳黑顆粒：二氧化鈦顆粒=1 : 1(重 量/重量） 2) 親水性無機聚集體B —碳黑顆粒··二氧化鈦顆粒=i · 2(重 量/重量） 5 表2 ——--- 比較例 1 2 3 4 5 6 7 熱塑性樹脂（重量％) 25 25 25 25 25 25 25 導電性填料（重量％) 75 70 65 60 72,5 70 67.5 碳黑（重量％) ——〜__ ^ 一 5 10 15 一 — —·- =氧化鈦（重量％) — — 一 — 2,5 5 7.5 導電性（s/cm) —---- —. 103 115 123 110 83 68 41 進水量（重量％) 6.0 5.8 62 5.5 6·8 7.9 8·4 由表1及2之數據可發現，實施例1至6含有各親水性 體之雙極板展現改良之親水性，而幾乎没有經歷導 〜化。同時，與比較例5至7單獨使用親水性無機材 15 200849702 料（例如二氧化鈦）之雙極板相較，可證實實施例1至6之 雙極板展現相當改良之親水性，而經歷輕微導電性的惡化。 【圖式簡單說明】 從下列連同附圖之詳細說明將更清楚暸解上文與本發 5 明其它態樣、特徵、及其它優勢，其中： 圖1係說明本發明具體實例之親水性無機聚集體中所 含雜交顆粒之結構示意圖。 【主要元件符號說明】 100 親水性無機顆粒 110 碳黑顆粒 16

Claims (1)

1. 200849702 十、申請專利範圍： 1· 一種親水性無機聚集體，其包含： ::粒’其具有碳黑顆粒喪埋於親水性無機顆粒表面上 5 15 20 •如申#專峰圍第丨項之親水性無機 無機材料係選自由二氧储、二氧化鈦、=親倾 紹、及其混合物所组成之組群。 礼切、氧化 3.::::專利範圍第”貝之親水性無機聚集體 粒具有親水性無機顆粒直徑之U500至1/1〇直^ ^ 4·—種製造親賴域聚隸之方法，該方法包 3雜碳黑顆減埋於親水性無:顆粒的表 it里Γ 無機顆粒的表面上對碳黑顆粒施 1:了專利範圍第4項之方法，其,雜交顆粒之形成係經 由，性無機顆粒與碳黑顆粒間之顆粒雜交作用進行。、 .口凊，利範園第4項之方法，其中親水性無機材料係選 Lt: 二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、及其混合 物所組成之組群。 I =2,園第4項之方法’其中碳黑顆粒具有親水性 热械顆粒直杈之1/500至Κ10直徑。 8· —種親水性組合材料，其包含： 由熱塑性或熱固性樹脂組成之樹脂黏結齊j ; 導電性填料；及 如申請專利範圍第1項之親水性無機聚集體。 17 200849702 9·如申請專利範圍第8項之親水性組合好 合材料係由下列組成： ’其中親水性組 1至45重量％樹脂黏結劑； 5 10 15 20 50至98重量％導電性填料；及 〇·5至45重量％親水性無機聚集體。 Η).如申請專職圍第8項之親水性纟且合材料，其㈣塑 脂係選自由聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、耐认、二. 聚胺甲酸醋、聚醋、聚乙烯、聚丙稀、聚网苯硫、^其混合 物所組成之組群，熱固性樹脂係選自由 成之組群。 ^贼_脂所組 Η·如申請專職圍第8項之親水性組合材料，其中導電性填 料备、一種選自由破黑、竣纖維、碳奈米、 " 合物所組成組群之含碳材料。 ^ 八奶 一種燃料電池雙極板，其係由如切專鄕圍第8項 水性組合材料所製造。 13.—種燃料電池雙極板，其包含： 由熱塑性或熱固性樹脂組成之樹脂基體； 分散於樹脂基體中之導電性填料；及 分散於樹脂基體中之如申請專利範固第丨項之親水性盔 聚集體。 & 14·=^請專利範圍第13項之燃料電池雙極板，其中熱塑性 =脂係選自由聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、耐綸、聚四氣乙 ，入象胺曱酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫、及其 混合物所組成之組群，及熱固性樹脂係選自由環氧及酚^ 18 200849702 脂所組成之組群。 15.如申請專利範圍第13項之燃料電池雙極板，其中導電性 填料係一種選自由碳黑、碳纖維、碳奈米管、石墨、及其 混合物所組成組群之含碳材料。 19