TWI445238B - 雙極板與燃料電池 - Google Patents
雙極板與燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI445238B TWI445238B TW097119123A TW97119123A TWI445238B TW I445238 B TWI445238 B TW I445238B TW 097119123 A TW097119123 A TW 097119123A TW 97119123 A TW97119123 A TW 97119123A TW I445238 B TWI445238 B TW I445238B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- layer
- bipolar plate
- metal
- carbide
- carbon
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 59
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 59
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 15
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 7
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 4
- INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 1-(chloromethyl)-4-[4-(chloromethyl)phenyl]benzene Chemical compound C1=CC(CCl)=CC=C1C1=CC=C(CCl)C=C1 INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 11
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 11
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 11
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical group [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N azanylidynechromium Chemical compound [Cr]#N CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本發明係關於燃料電池，更特別關於燃料電池中之雙極板與其形成方法。
請參照第1圖，質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，以下簡稱PEMFC)是由一質子交換膜11夾於兩塊觸媒層13、氣體擴散層15、雙極板17(bipolar plate)、集電板18(current collector)、與端板19(end plate)間所組成。質子交換膜11分隔之兩邊分屬陽極(氫氣或重組氣體)與陰極(氧氣或空氣)。陽極進行氧化反應，陰極進行還原反應，當陽極之氫氣接觸到與質子交換膜11相鄰之觸媒13(一般為白金或白金合金)時，氫氣分子會解離成為氫離子及電子，其中電子會經由銜接陽極與陰極之電橋、與電橋串接之裝置16，自陽極游往陰極，氫離子則直接自陽極穿越薄膜電極組11到達陰極，特別強調的是此質子交換膜11為含濕性之薄膜，僅容許氫離子伴隨水分子穿越，而其他氣體分子均無法穿越。陰極端在觸媒的作用下，經由電橋到達之電子與氧結合成氧離子，與穿越質子交換膜11之氫離子合成形成水分子，此即電化學氧化與還原反應。
應用電化學反應使PEMFC發電系統具有效率高、無污染、反應快等特性，並可藉由串聯提高電橋電壓或增加電極反應面積以提高電流量，特別是在源源不斷的氫氣及氧氣(通常使用空氣)供給下，可持續提供電力供給裝置16的需求。在這樣的特點下，PEMFC除了可作為小型系統電力，亦可設計成為大型電廠、分散式電力及可移動電力。
雙極板是燃料電池中重要的零組件，其重量約占整個電池組之80%，成本亦占整個電池組之40%。目前燃料電池雙極板以材質分類大約有三種如高密度石墨板、複合碳板、以及金屬板。高密度石墨板的成本太高，且加壓易碎。而複合碳板質輕、成本低，且具有優異之抗腐蝕性，如中華民國專利申請號第094116957號所揭示之雙極板。雖然複合碳板具有上述優點，但其機械強度及導電性仍未達理想程度，且製程複雜，耗工費時。而另一種金屬雙極板之厚度較薄，可縮減燃料電池體積，且具有高機械強度及優良導電性等優點。如中華人民共和國之發明專利申請號第01124228.0號所揭示之金屬製波浪狀雙極板。上述之雙極板厚度較薄，可大幅降低燃料電池之尺寸。但金屬雙極板在燃料電池工作過程中，由於處於高溫酸性環境下，金屬雙極板不耐酸腐蝕而溶解為金屬離子。上述之金屬離子將阻礙高分子質子膜導通質子，造成燃料電池之性能及使用壽命下降。若採用耐酸腐蝕之貴金屬製作雙極板，則有成本過高無法商業化的問題。目前改善金屬雙極板的抗酸腐蝕性多在其表面鍍上一層抗酸腐蝕及耐熱性佳之金屬氮化
物薄膜如氮化鈦或氮化鉻。然而這些薄膜本身之導電性不佳，且為了達到耐熱抗酸腐蝕的效果必需有幾十微米之厚度，造成整個燃料電池組之效能降低。在中華民國專利申請號第094113066號中，在金屬基體上形成複合材料層。上述之複合材料層厚度大、製作步驟複雜、且成本高。綜上所述，目前亟需厚度薄、導電度高、製作方法單純、且耐熱抗酸腐蝕之雙極板。
本發明提供一種雙極板，包括金屬基體；金屬層，位於金屬基體上；金屬碳化物層，位於金屬層上；以及碳層，位於金屬碳化物層上。
本發明亦提供一種燃料電池，包括質子交換膜夾設於兩端板間；其中質子交換膜與端板之間依序為觸媒層、氣體擴散層、上述之雙極板、以及集電板。
第2圖係本發明一實施例中，雙極板之結構剖視圖。雙極板17之總厚度約介於1.0mm至1.5mm之間，若大於1.5mm會造成燃料電池太重且成本增加，若小於1.0mm則無法在表面形成厚度約0.8mm之流道。形成雙極板17的步驟如下：首先提供金屬基體171，其材質可為鋁、銅、鎂、不鏽鋼、或上述之合金。接著形成金屬層173金屬基體上。金屬層173之厚度約介於50nm至200nm之間。金屬層173的厚度需考慮材料的導電性。導電效果佳之金屬材質可具
有較厚的厚度，而導電效果差之金屬材質則需較薄的厚度。金屬層173之形成方式可為蒸鍍法如脈衝式陰極真空電弧法。金屬層173需能與碳及金屬基體171形成良好鍵結，在本發明一實施例中，金屬層173可為鈦、鎳、釩、或鉛。接著形成金屬碳化物層175於金屬層上。金屬碳化物層175之厚度約介於50nm至200nm之間，其形成方式可為蒸鍍法如脈衝式陰極真空電弧法。金屬碳化物層175可為碳化鈦、碳化鎳、碳化釩、或碳化鉛。金屬碳化層175與金屬層173具有對應關係，舉例來說，當金屬層173採用鈦時，金屬碳化物層175為碳化鈦；當金屬層173採用鎳時，金屬碳化物層175為碳化鎳，以此類推。最後，形成一碳層177於金屬碳化物層上。碳層177之厚度約介於50nm至200nm之間，其形成方法可為高能量離子電漿，優點在於室溫下即可形成緻密性之薄膜表面，進而提高碳層177與金屬碳化層175之附著性。由上述方法形成之碳層177主要為sp2
鍵結之石墨碳，少部份為sp3
鍵結之類鑽碳。
上述金屬層173、金屬碳化物層175、以及碳層177均為導電材質，在顧及雙極板17之耐熱性及抗酸腐蝕性的同時，不會降低雙極板17之導電性。由於碳層177與金屬基體171之間夾設了金屬層173及金屬碳化物層175，可有效改善碳層177與金屬基體171之間附著性低的問題。上述之雙極板17其表面粗度(roughness)介於200nm至300nm之間，在0.5M之硫酸70℃條件下其抗酸腐性之酸腐電流
介於3.3x10－7
~6.3x10－7
A/cm2
，以及導電率介於1000－1300 S/cm。
在本發明一實施例中，可進一步以機械加工法於雙極板17表面上刻出氣體及液體之流道31，如第3圖所示。流道31之兩端分別為流體入口33及流體出口35。以厚度1mm至1.5mm之間的雙極板為例，流道之深度及寬度約介於0.5mm至1.0mm之間如0.8mm。
上述之雙極板17可應用於第1圖所示之燃料電池。在第1圖中，質子交換膜11夾於兩塊觸媒層13、氣體擴散層15、本發明之雙極板17、集電板18(current collector)、與端板19(end plate)間所組成。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例作詳細說明如下：
取不鏽鋼片(15mm*15mm*2mm，規格為SS316L)，以機械加工法於不鏽鋼片之表面劃出流道。此不鏽鋼片之厚度為2mm、抗酸腐蝕性在溫度70℃及濃度0.5M H2
SO4
下的腐蝕電流為2.426×10－6
A/cm2
~9.145×10－6
，以及導電率為1300 S/cm。
接著利用脈衝式陰極真空電弧法蒸鍍200nm之鈦金屬層於不鏽鋼片上。接著利用脈衝式陰極真空電弧法蒸鍍200nm之碳化鈦層於金屬鈦層上。最後以高能量離子電漿蒸鍍200nm之碳層於碳化鈦層上，即完成雙極板。
上述雙極板之外觀良好，蒸鍍薄膜厚度為600nm、表
面粗度(roughness)為100至200nm，抗酸腐蝕性在溫度70℃及濃度0.5M H2
SO4
下之腐蝕電流為3.3x10－7
~6.3x10－7
A/cm2
，以及導電率1202.5 S/cm。與未處理之不鏽鋼片相較，本發明之雙極板在未犧牲導電性的情況下大幅提升了耐抗酸腐蝕性的效果。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
11‧‧‧質子交換膜
13‧‧‧觸媒層
15‧‧‧氣體擴散層
16‧‧‧裝置
17‧‧‧雙極板
18‧‧‧集電板
19‧‧‧端板
171‧‧‧金屬基體
173‧‧‧金屬層
175‧‧‧金屬碳化物層
177‧‧‧碳層
31‧‧‧流道
33‧‧‧流體入口
35‧‧‧流體出口
第1圖係習知之質子交換膜燃料電池剖面圖；第2圖係本發明一實施例中，雙極板之結構剖視圖；以及第3圖係本發明一實施例中，雙極板之結構上視圖。
171‧‧‧金屬基體
173‧‧‧金屬層
175‧‧‧金屬碳化物層
177‧‧‧碳層
17‧‧‧雙極板
Claims (9)
- 一種雙極板，包括：一金屬基體；一金屬層，位於該金屬基體上；一金屬碳化物層，位於該金屬層上；以及一碳層，位於該金屬碳化物層上，其中該碳層具有緻密性之薄膜表面，該碳層包括sp2 鍵結之石墨碳與sp3 鍵結之類鑽碳，且該碳層係由一高能量離子電漿形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙極板，其中該金屬基體包括銅、鋁、鎂、不鏽鋼、或上述之合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙極板，其中該金屬層包括鈦、鎳、釩、或鉛。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙極板，其中該金屬碳化物層包括碳化鈦、碳化鎳、碳化釩、或碳化鉛。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙極板之厚度介於1mm至1.5mm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙極板，其中該金屬層、該金屬碳化物層、以及該碳層之厚度各自介於50nm至200nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙極板，更包括一流道位於該雙極板表面。
- 如申請專利範圍第7項所述之雙極板，其中該流道之寬度及深度介於0.5至1.0mm之間。
- 一種燃料電池，包括：一質子交換膜夾設於兩端板間；其中該質子交換膜與該端板之間依序為一觸媒層、一氣體擴散層、如申請專利範圍第1項所述之雙極板、以及一集電板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW097119123A TWI445238B (zh) | 2008-05-23 | 2008-05-23 | 雙極板與燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW097119123A TWI445238B (zh) | 2008-05-23 | 2008-05-23 | 雙極板與燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW200950196A TW200950196A (en) | 2009-12-01 |
| TWI445238B true TWI445238B (zh) | 2014-07-11 |
Family
ID=44871234
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW097119123A TWI445238B (zh) | 2008-05-23 | 2008-05-23 | 雙極板與燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI445238B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI426652B (zh) * | 2011-04-22 | 2014-02-11 | Univ Yuan Ze | Guidance structure of electrode plate for fuel cell |
-
2008
- 2008-05-23 TW TW097119123A patent/TWI445238B/zh active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW200950196A (en) | 2009-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101604756B (zh) | 双极板与燃料电池 | |
| CN1672274B (zh) | 一种导电的流体分配部件 | |
| CN110284102B (zh) | 一种金属碳化物晶体复合涂层及其制备方法 | |
| CN100492745C (zh) | 质子交换膜燃料电池电堆的制造方法 | |
| CN101937997A (zh) | 质子交换膜燃料电池金属双极板及其构成的单池和电堆 | |
| JP2006156386A (ja) | 燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法とこれを含む燃料電池スタック | |
| CN102201582A (zh) | 燃料电池用金属分离板及其制造方法 | |
| JP2007329131A (ja) | バイポーラプレートの低品位ステンレス鋼／合金上に親水性耐食被膜を作製する方法 | |
| JP4920137B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池の運転方法 | |
| CN112838232A (zh) | 一种全通孔金属纤维烧结体燃料电池双极板及燃料电池堆 | |
| KR20110139825A (ko) | 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법 | |
| CN104157895A (zh) | 聚合物电解质膜燃料电池轻型电堆及其制造方法 | |
| CN115029663A (zh) | 金属极板复合涂层、金属极板及其制备方法和燃料电池 | |
| CN115198293A (zh) | 一种包含双功能多孔层的质子交换膜电解槽 | |
| JP5054049B2 (ja) | 電解装置 | |
| CN103703597B (zh) | 燃料电池用隔离物材料、使用它的燃料电池用隔离物及燃料电池堆、以及燃料电池用隔离物材料的制造方法 | |
| CN110120530A (zh) | 高透气性复合金属燃料电池双极板及制备方法 | |
| JP2019197667A (ja) | バイポーラプレート | |
| CN105322184A (zh) | 质子交换膜燃料电池用金属双极板的制备工艺 | |
| JP2008056521A5 (zh) | ||
| JP7424323B2 (ja) | 燃料電池 | |
| TWI445238B (zh) | 雙極板與燃料電池 | |
| JP2000182640A (ja) | 車載用燃料電池 | |
| JP2018055945A (ja) | 燃料電池スタック | |
| CN1667859A (zh) | 一种固体氧化物燃料电池连接体的制备方法 |