TW201110451A - Fuel cells - Google Patents

Description

201110451 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明較佳的是有關於液態電解質燃料電池’但不排 除鹼性燃料電池，以及有關於適用於這樣的燃料電池之電 極。 【先前技術】 燃料電池已被視爲一種相對乾淨且有效的電源。鹼性 燃料電池係特別受關注的，因爲它們在相對低溫下操作、 係有效的且在機械及電化學方面係耐用的。酸性燃料電池 及使用其它水性電解質之燃料電池亦是受關注的。這樣的 燃料電池通常包括與一氣體燃料室（包含氣體燃料，通常是 氫氣）及另一氣體室（包含氧化劑氣，通常是空氣）隔離之一 電解質室。使用電極，使該電解質室與該等氣體室隔離。 鹼性燃料電池之典型電極包括一導電金屬網狀物（通常是 鎳），其對該電極提供機械強度。沉積像聚四氟化乙烯（PTFE) 的微粒、活性碳及觸媒金屬（通常是鉑）之漿液或分散液的 觸媒至該金屬網狀物上。這樣的電極係昂貴且在電方面係 無效率的’以及遭遇觸媒之不規則分佈。再者，該鎳網狀 物有破損之傾向及因該網狀物之金屬線間的接點上之電阻 而造成電場之局部不規則性及不需要的變動。 這樣的電極之另一問題是’需要在該電極之周圍提供 密封，以防止從該相鄰氣體室之漏氣，以及上述對於一網 狀結構物具有固有的困難度。 201110451 【發明內容】 本發明之電極爲處理或減輕習知技藝之一個以上 題。 於是，在第一態樣中，本發明提供一種具有用以 一電解質室之裝置及包括兩個電極之液態電解質燃 池，一電極係在該電解質室之任一側上，每一電極包 導電材料薄片，穿過該導電材料薄片界定有許多貫穿 該薄片具有一沒有貫穿孔之周圍邊緣，該等電極可從 解質室界定裝置移除。 該電極亦必須包括一觸媒，其使氣相化學反應之 成爲可能。在某些情況中，該導電材料之表面因此可 分觸媒作用，但是更平常的是，該電極亦合倂成一觸 料之塗層。該等貫穿孔確保該電極係可滲透的，以便 液態電解質、該觸媒材料及該氣相間之緊密接觸成 能，且具有一氣態/液態界面與該觸媒材料接觸。該觸 料可以設置在一微粒支撐材料上。 雖然一導電聚合物材料亦是適合的，但是該導電 較佳的是一金屬。較佳的是，該導電材料具有在1.5 ohm m 與 5xl0·4 ohm m 間（更佳的是在 5xl0-8 ohm 1 x 1 (Γ6 o h m m間）之電阻率的室溫値。 較佳的是，該等貫穿孔（through-pores)係藉由餓刻 鑽洞來界定，所以具有分離洞（discrete holes)。在另 擇中’可以藉由電鑄（electro-forming)或甚至藉由燒結 的問 界定 料電 括一 孔， 該電 發生 起充 媒材 使該 爲可 媒材 材料 X 1 0'8 m與 洞或 一選 形成 -4 - 201110451 該金屬薄片，雖然後者製程很難在製造薄 成一 3維連接網孔而不是分離洞。藉由雷 結構。該導電薄片之厚度可以是在0.1mm 佳的是在〇 . 2 m m與0.4 m m之間，例如， 0.25mm(25(^m);以及該等洞可以具有在 之寬度或直徑，較佳的是小於5 0 μιη，例如 以及介50μηι與10mm間之分離地間隔。這 雷射鑽孔來產生。在一些情況中，該洞之 之厚度而逐漸減少，所以該等洞稍微成錐 面，該等洞可以例如是圓形、卵形或橢圓 以藉由一蝕刻製程來形成。 在該電極之周圍設置一無孔邊緣區域 電池之相鄰組件的密封。相較於一金屬網: 本發明之導電薄片提供較佳的導電，因爲 至金屬線接觸；它亦提供更均勻的電流分 數値之多孔率而言，該結構係比較硬的， 相對移動之交錯金屬線。該等孔之尺寸、 協助使用毛細管力來控制該電解質/氣相j 擇該等洞之尺寸及間隔，以確保反應物I 復該界面有良好的擴散。 本發明之電極較佳的是具有20 mbar 起泡點（bubble point)，例如約 40 mbar。 片時使用，及形 射鑽孔形成較佳 與3 m m之間，更 0.3mm(300pm)或 5μιη 與 500μιη 間 ，20μιη 或 30μπι， 樣的洞可以藉由 直徑隨著該薄片 形的。在剖面方 形。該等洞亦可 ，以簡化該燃料 伏物，將察覺到， 沒有包含金屬線 佈；以及就相同 因爲沒有可彼此 形狀及表面可以 ί面之位置。亦選 i (氣體或液體）往 與lOOmbar間之 201110451 該金屬薄片之金屬可以是鎳，或者可以是不銹鋼；亦 可以使用不受該電解質顯著影響之其它金屬。在一些情況 中，它更好的是可以使用一像銀、金或鈦之金屬，以形成 該薄片或在該薄片上提供一塗層。如果該金屬係包含鉻及 錳之鋼，則該鋼之熱處理可以在該表面上產生一鉻錳尖晶 石氧化物塗層，該塗層本身係導電的且用以保護該下層金 屬。可以在一由其它金屬所製成之電極上或者可以使用已 知沉積技術（例如，電沉積）來形成相似保護塗層。在該表 面上提供一保護塗層，可以提高該金屬薄片之化學耐久 性；在沒有這樣的保護層存在之情況下，將減少該金屬薄 片之耐久性。該較佳材料係鎳，因爲這個在與例如氫氧化 紳溶液之鹼性電解質接觸時可抗腐蝕》 在第二態樣中，本發明供一種電極，其包括一導電材 料薄片，穿過該導電材料薄片界定有許多分離貫穿洞及具 有一沒有貫穿洞之周圍邊緣；一微粒觸媒材料層，在該導 電薄片之一表面上；以及一可滲透聚合物材料層，覆蓋該 微粒觸媒材料層。 這樣的電極亦可以倂入一燃料電池中。如果該聚合物 材料係親水性的’則該導電層較佳的是在該電極之遠離該 電解質之側上，然而如果該聚合物材料係疏水性的，則該 導電層較佳的是在與該電解質接觸之側上。 現在將僅經由範例及參考所附圖式進一步及更具體地 描述本發明。 -6- 201110451 【實施方式】 參考第1圖，一電極10包括一肥粒不銹鋼（ferritic stainless-steel)薄片。該薄片具有〇 3inm的厚度。藉由雷 射鑽孔穿過該薄片之大部分區域（中心區域丨2)，以產生非 常大量的貫穿洞14，每一貫穿洞具有30μπι之平均直徑及 100-150μιη之間隔；由於該雷射鑽孔製程，每一洞14實際 沿著它的長度稍微成錐形的。一在該薄片10之周圍的具有 5mm寬度之邊緣15沒有被穿過。（在此經由範例來提供洞 之尺寸及間隔，以及在一替代中，該等洞可以具有1〇〇 pm 之平均直徑及50-1〇0μπι之間隔。） 在形成該等貫穿洞14後，該薄片1〇經歷一熱處理， 其中將它保持在6 5 0至8 5 0°C間之溫度的空氣（含氧之氣體） 中有3 0分鐘至2個小時間，以便形成一導電鉻錳尖晶石氧 化物之保護表面塗層。然後，以一觸媒混合物之塗層16覆 蓋該被穿過中心區域1 2之一表面。該電極1 0可以使用於 陰極或陽極；唯一的差異係該觸媒混合物之成分，以及更 確切地，某些觸媒成分可以同時適用於陽極及陰極。該觸 媒混合物之至少二部分可以在該等洞1 4內。 舉例來說，陰極及陽極電極用之觸媒混合物可以使用 觸媒、黏結劑及溶劑之組合’其係被噴塗至該薄片10之該 表面上。該黏結劑可以例如是以一像碳氫化合物（通常是在 C6至C12間）之液體來熱處理而變成發黏的聚烯（像聚乙 烯），該液體因而充當該觸媒粒子該黏結劑之分散劑及在該 201110451 塗佈步驟後蒸發。百分比重量係指該等乾材料之總質量。 —些範例成分係如下： 下面陰極觸媒混合物A至C包括一氧還原觸媒。 A .具有1 0 %黏結劑之活性碳。 B. 具有10%黏結劑之活性碳上的10%Pd/Pt。 C. 具有10%黏結劑之活性碳上的銀。 下面陽極觸媒混合物D至E包括一氫氣氧化觸媒。 D. 具有10%黏結劑之含有活性碳的已浸濾鎳-鋁合金粉末 (leached nickel-aluminum alloy powder) 〇 E，在活性碳上之l〇%Pd/Pt，具有10%黏結劑。 現在參考第2圖，在爲了清楚使組件分離下顯示一電池堆 疊2 00之結構組件的剖面圖。該堆疊200係由一堆疊交替 配置之模製塑膠板202及206所組成。該等板202界定一 由一框架 204 所包圍之一般矩形貫穿孔徑 (through-aperture)2 08 ;該等孔徑20 8提供電解質室；直 接包圍該孔徑208的是該框架之5mm寬的部分205，其 從該框架204之剩餘部分的表面上方突出0.5mm。該等板 206係雙極板；它們在相對面上界定矩形盲凹部207及 2〇9’每一凹部係約3mm深且被通常相似於該框架204之 框架210所包圍，但是其中，具有一 l.Omm深及5mm寬 之淺凹部 211包圍每一凹部。該等肓凹部（blind recesses)2 0 7及209提供氣體室。 -8 - 201110451 因此，將察覺到，在該堆疊200中之一雙極板 下一雙極板間（或者在該最後雙極板 206與一端 間），具有一電解質室208，在其相對側上具有一陽 及一陰極l〇b;以及在該陽極10a及該陰極l〇b之 上分別具有氣體室207及209。這些組件構成一單 池。 電極10a及10b位於每一雙極板206之相對側 等淺凹部211中，且該電極10a或10b之載有觸媒 別面對該個別肓凹部2 0 7或2 0 9。在該等堆疊組件 前，以墊片密封劑（gasket sealant)215覆蓋每一框 之相對表面（包括該突起部分20 5之相對表面）；此 該框架2 04及變乾，以提供一不發黏外表面，同時 性。然後，如上所述，組合該等組件，以便該等突 205位於該等淺凹部21 1中，以在適當位置固定該 10a及10b。該密封劑215確保：該等室208中之電 會洩漏出來，以及氣體不會在該等電極l〇a及l〇b 周圍洩漏進去，以及亦確保：氣體不會在相鄰框架 210間洩漏出來。每一電極板10之已穿孔中央部女 應於該電解質室208及該氣體室207或209之區域 無穿孔周圍邊緣15密封於該周圍淺凹部211中；以 媒劑塗層16係在該電極板1〇之最靠近該相鄰氣體 或209的面上。 2 06與 板 23 0 極 10a 相對面 燃料電 上的該 的面分 之組合 架 204 黏附至 保持彈 起部分 等電極 解質不 之邊緣 204及 卜12對 :將該 及該觸 室207 201110451 在該燃料電池堆疊2 00之一變型中，該等淺凹部211 具有大致相等於該等電極10之厚度的深度；在此情況中， 從該等板202省略該突起部分205，以致於在那個區域中 之框架204具有均勻厚度。可以再以墊片密封劑215覆蓋 該等板2 02之相對表面。在另一選擇中’可以將一可彎曲 及彈性墊片材料超模壓至該等板202之兩面上，亦模壓至 在該電解質室208周圍之該板202的邊緣上。 可以例如藉由無電沉積（electro-less deposition)使該 等雙極板206之框架210的表面（包括外邊緣表面）具有一 鎳塗層。此鎳塗層提供在一側上之陽極1 〇 a與在另一側上 之陰極1 Ob間之電連接，以致於使該堆之燃料電池以串聯 方式彼此連接。此塗層在另一選擇中可以是其它導電材 料。可以以替代方式完成在該堆疊中之連續電極間之電連 接。例如，每一電極可以具有一個以上的延伸超過該等相 鄰框架210之邊緣的突出物，以致於可藉由外部連接器連 接在—雙極板206之相對側上的電極10a及10b。 往復該等電解質室（孔徑2 08 )之電解質的流動及往復 該等氣體室（凹部207及209)之氣體的流動，係遵循由穿過 該等板202及206之對準孔徑所界定之流體流動導管；只 顯示一組這樣的孔徑2 1 6及2 1 8。此組孔徑2 1 6及2 ] 8經 由窄橫向導管220提供電解質至該等電解質室208。該密 封劑2 1 5係設置成不會阻擋該等孔徑2 1 6。在該堆200之 一端上係一極板230，該極板230在一表面上界定一盲凹 -10- 201110451 部2 0 9，但是它在外表面係空白的。在外側係一端板2 4 0， 該端板24〇亦是由聚合物材料所模製而成’以及該端板240 界定與該等板202及206中之孔徑216及21 8對準之孔徑 242;在外表面上’該端板240亦界定與該等孔徑相通及因 而與可藉以使該等氣體及電解質流向或流出該堆疊200之 該等流體流動導管相通之璋244’每一堉· 244包括一在外 表面上之圓柱形凹部。在該堆疊200之另一端係用以界定 一盲凹部2〇7之另一極板（未顯示）。然後，具有另一端板（未 顯示），該另一端板在外表面上可以是空白的及沒有界定貫 穿孔徑；在另一選擇中’它可以界定用於氧化劑氣體、燃 料氣體及電解質中之一個以上的貫穿孔徑。 在該堆疊200之組合後，可以例如在該整個堆疊200 周圍使用一帶子235(以部分斷離方式來表示）一起固定該 等組件。亦可以使用其它用以固定該等組件之裝置（例如， 螺栓）。 將察覺到，該電池堆疊200係經由範例所提供，以及 它可以被修改。例如’可以在該燃料堆疊200中使用一在 第3圖所示之修改電極來取代。參考第3圖，該電極300 包括一肥粒不銹鋼薄片310。該薄片310具有0.2mm之厚 度。藉由雷射鑽孔穿孔該薄片之一中心區域3 1 2，以產生 非常大量貫穿洞314，每一洞具有25μιη之直徑及150μιη 之平均間隔。一在該薄片31〇周圍之具有6mm寬度的邊緣 3 1 5沒有被穿孔。以一具有一黏結劑之微粒觸媒材料層3 1 6 覆蓋該已穿孔區域312之一表面。 -11 - 201110451 以一聚丙烯塑膠材料（SciMAT 700/70，TM)之微孔薄 片3 20覆蓋該觸媒層316，該微孔薄片3 2 0係親水性的以 及具有約25至400μπι間之厚度（例如，Ι25μπι)，及8.0至 15.0 kPa(絕對壓）間之起泡點。此材料每600秒有90mm之 毛細滲濕率（wicking rate)。不同不織布聚合物材料之範圍 係適用於此目的；例如，可藉由以強酸（像硫酸或丙烯酸） 處理，使各種聚嫌塑膠材料（例如，來自Dupont之TyvekTM) 成爲親水性的。較佳的是，在沉.積該觸媒層3 1 6後，立即 在該觸媒層316上放置該微孔薄片，然而該黏結劑仍然是 濕的，以致於將該觸媒層316夾在該金屬薄片之已穿孔部 分3 1 2與該親水性微孔薄片3 20間，以將它們黏合在一起。 該電極3 0 0可以朝相反於第2圖所述之方位安裝，所以該 聚合物微孔薄片320係最靠近該電解質，然而該已穿孔部 分3 1 2係相鄰於該氣體室。此可提供該電解質流向及水流 離電解質、氣體及觸媒間之3相界面的改良管理。此能減 少該電解質室界定度2 02之厚度。該聚合物薄片3 2 0亦可 以提高在該電極上之氣體管理。 上述電極10及300之每一者，包括一具有以雷射鑽孔 所形成之洞14或314的肥粒不銹鋼薄片。在一變型中，以 一薄鎳層塗佈該不銹鋼；此可以在雷射鑽出穿過該不銹鋼 薄片之洞前或後實施。該鎳係一良好的導電體，以及亦可 避免該不銹鋼因該電解質而腐蝕》 -12- 201110451 在本發明之電極的使用中，電解質係出現在一表面上 及氣體係出現在另一表面上，以致於在該觸媒之鄰近具有 —氣體/液體界面。該氣體沒有起泡穿過該電極而進入該電 解質中，因爲該界面係在一大致固定位置上。 【圖式簡單說明】 桌1圖顯不一電極之剖面圖； 第2圖顯示一倂入第1圖所示之電極的燃料電池堆疊之剖 面圖；以及 第3圖顯示一替代電極之剖面圖。 【主要元件符號說明】

S 10 電極 10a 陽極 1 Ob 陰極 12 中心區域 14 貫穿洞 15 邊緣 16 塗層 200 電池堆疊 202 塑膠板 204 框架 205 突起部分 206 塑膠板 207 盲凹部 -13- 201110451 2 0 8 貫穿孔徑 2 09 盲凹部 2 10 框架 21 1 淺凹部 215 墊片密封劑 216 孔徑 218 孔徑 2 2 0 窄橫向導管 23 0 極板 23 5 帶子 240 端板 242 孔徑 244 ί阜 3 00 電極 310 肥粒不銹鋼，薄片 3 12 中心區域 314 貫穿洞 3 15 邊緣 316 微粒觸媒材料層 3 2 0 聚丙烯塑膠材料微孔薄片 -14-

Claims (1)

1. 201110451 七、申請專利範圍： 1 · 一種液態電解質燃料電池，其具有用以界定一電解質室 之裝置及包括兩個電極’一電極係在該電解質室之任一 側上’每一電極包括一導電材料薄片，穿過該導電材料 薄片界定有許多貫穿孔，該薄片具有一沒有貫穿孔之周 圍邊緣，該等電極可從該電解質室界定裝置移除。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，其中該導電薄 片之表面係起觸媒作用的。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池，亦包括一在該 導電薄片之一表面上的觸媒材料塗層。 4 ·如申請專利範圍第2項或第3項所述之燃料電池，亦包 括一覆蓋該觸媒表面之可滲透聚合物材料層。 5.如申請專利範圍前述項中任一項所述之燃料電池，其中 該等貫穿孔係藉由鈾刻或鑽洞所界定。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之燃料電池，其中該導電薄 片具有0.1mm至3mm間之厚度，以及其中該等涧具有5 μηι 至500μιη間之寬度》 7 _如申請專利範圍前述項中任一項所述之燃料電池，其中 該導電薄片係由一金屬所形成。 8_如申請專利範圍第7項所述之燃料電池，其中該金屬係 鎳或不鏡鋼。 9 ·如申請專利範圍第7項或第8項所述之燃料電池，其中 該金屬薄片之表面具有一保護導電塗層。 -15- 201110451 1 〇.如申請專利範圍第8項所述之燃料電池，其中該導電薄 片係由一包含鉻及錳之肥粒不銹鋼所製成且具有一包括 鉻錳尖晶石氧化物之表面。 11. 一種燃料電池堆疊，包括複數個如申請專利範圍前述項 中任一項之燃料電池。 12. —種電極，其包括一導電材料薄片，穿過該導電材料薄 片界定有許多貫穿孔及具有一沒有貫穿孔之周圍邊緣； 以及一微粒觸媒材料層，在該導電薄片之一表面上。 1 3 _如申請專利範圍第1 2項所述之電極，亦包括一覆蓋該 微粒觸媒材料層之可滲透聚合物材料層。 -16 -