TWI464952B - 雙極板製造方法 - Google Patents

Description

雙極板製造方法

本提案係關於一種雙極板製造方法，尤其是一種以複合材料製成之雙極板製造方法。

隨著時代的演進，人類不斷在以消耗能源的方式生活。早期人類燃燒具有化學能之能源物質，如煤、石油及瓦斯等，使加熱水使其轉換為水蒸氣，再利用水蒸氣推動所要推動的物品，以轉換為動能或進一步轉換為電能，例如蒸汽機之運用。後來，人類利用燃燒能源物質時所產生的氣體，推動所要推動的物品，例如汽車引擎。然而，因燃燒會產生大量的熱能，使得具有化學能的能源物質在經由燃燒轉換成動能、電能或其他能量時，所達到的能源轉換效率極低。

因此，學者開始尋找能夠將化學能直接轉換為電能的方法，而發展出利用物質本身化學能的能量差以及電解質的質子傳遞，以釋放出電能的燃料電池。由於避免了傳統燃燒的方式，而使化學能得以大部分換為電能。然而，燃料電池的電解質含有酸根離子，且燃料電池操作在溫度較高的環境下。倘若使用金屬做為雙極板的材料，雖然具有良好的導電性，但雙極板在高溫強酸環境下極為容易腐蝕，且容易產生鈍化層影響導電性，而使燃料電池容易效率降低或損壞。若使用碳材料做為雙極板的材料，雖然具有良好的抗腐蝕性，卻因碳延展性較差的緣故，而無法具有較薄 的厚度以及較佳的機械強度。故業界發展一種以金屬板為基板且表面形成碳層的複合材料的雙極板。

目前雙極板的製造方法中，有將碳材料塗佈於金屬板上，再以熱壓方式使碳層固定於金屬板上的方式製成的雙極板。然而，所形成的碳層厚度往往過厚(難以小於200微米)，而影響燃料電池的重量及能量轉換效率。

另外一種雙極板的製造方法，是將塗佈有碳材料之金屬板放置於真空且高溫的烤箱中進行碳的高溫裂解處理。雖然此種做法能得到較薄的碳層，但如此的處理中，容易使金屬板因高溫而變形，進而使碳層破裂。而且，為了避免碳在高溫下與氧燃燒，必須於烤箱中建造真空或是充滿惰性氣體的環境。再者，以此製造方法製造長與寬各20公分的雙極板，必須花上12小時的時間才能夠完成。如此將會大幅提高雙極板的成本。

因此，提供一種能夠製造出高導電性，高抗腐蝕性，厚度較薄且成本低廉的雙極板的製造方法，為業界急須面臨的課題。

有鑑於上述問題，本提案提供一種雙極板製造方法，能夠製造出不易腐蝕且導電性佳的複合材料雙極板。

本提案提供一種雙極板製造方法，包括以下步驟。將一混合材料設置於一金屬板上，混合材料包括碳材料與樹脂。並且，以一雷射光照射混合材料以對混合材料進行改質。

根據本提案之雙極板製造方法，因避免單獨使用熱壓處理使 混合材料設置於金屬板上，而使得混合材料能夠以較薄的厚度設置於金屬板上，進而降低雙極板的厚度及重量。經過雷射改質之混合材料還能夠具有較佳的導電性及抗腐蝕性。且因避免長時間高溫及真空製程，而得以較低廉的成本製造雙極板。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之精神與原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。

請參照第1圖，繪示本提案之實施例之雙極板製造系統10之示意圖。本提案之雙極板製造系統10包括一雷射源11、一聚焦鏡12及一工作台13。同時參照第2圖，繪示本提案之實施例之雙極板製造方法之流程圖。

於步驟S1中，將碳材料與樹脂混合成為一混合材料22。於本實施例中，碳材料之材質選自球狀石墨、薄片石墨、石墨烯、奈米碳管及其組合之其中一者。樹脂為含碳樹脂。樹脂之材質例如選自酚醛樹脂、環氧樹脂及其組合之其中一者。混合材料22中之 碳材料之重量百分比為百分之20至80。

於步驟S2中，將混合材料22設置於一金屬板21上。於本實施例中，設置於金屬板21上之混合材料22之厚度小於200微米。更甚者，於其他實施例中，混合材料22之厚度能小於150微米。金屬板21之材質例如選自不鏽鋼、鋁、銅、鎳及其組合之其中一者。金屬板21之厚度小於0.5毫米。混合材料22能以一塗佈方式設置於金屬板21上。塗佈方式例如選自熱壓塗佈、旋轉塗佈、浸入塗佈、噴霧塗佈及滾壓塗佈之其中一者。當碳材料的重量百分比愈低，則混合材料22愈容易以較薄厚度塗佈於金屬板21上。

於步驟S3中，加熱混合材料22以揮發混合材料22中之液體，並將金屬板21及混合材料放置於工作台13上。於本實施例中，加熱溫度能約為或小於混合材料22中之液體的沸點。於混合材料22中之液體為水或丙酮時，加熱溫度能約為攝氏100度，時間能約為一分鐘。

於步驟S4中，控制雷射源11發出一雷射光111，並以此雷射光111經由聚焦鏡12聚焦後照射混合材料22，以對混合材料22進行改質，使混合材料至少部分形成玻璃碳結構。此時，雷射光111提供混合材料22之能量密度能為每平方公分0.05至1200焦耳。當碳材料的重量百分比愈高，則需雷射光111提供的能量密度能愈低。雷射光111之波長小於十萬奈米。其中，雷射源11能為紅外線雷射產生裝置。雷射光111能在二分鐘以內完成長與寬各20公分之混合材料22的改質。於本實施例中，雷射光111能 於空氣中對混合材料22進行改質。混合材料22進行一次改質後，亦能以雷射光111再重複對混合材料22進行改質。在每次改質中，雷射光111提供混合材料22之能量密度以不使金屬板變形為限。隨著改質次數的增加，玻璃碳結構會從較不緻密轉變為較緻密的結構。

於本實施例中，樹脂材料的導電性較低，但能使得混合材料22能以小於200微米，甚至小於150微米的厚度設置於金屬板上。混合材料22於照射雷射光111而進行改質時，樹脂中非碳的元素與碳元素之間的化學鍵會被打斷，使得碳材料中的碳元素以及樹脂中的碳元素會重新形成化學鍵，而非碳的元素如氫、氧、硫、氮等元素則會逸散至大氣中。當碳元素彼此以SP2軌域形成化學鍵時，則碳組成會接近石墨。當碳元素彼此以SP3軌域形成化學鍵時，則碳組成會接近鑽石。二者於金屬板上呈現玻璃碳結構。因此，以雷射光111對混合材料22進行改質時，會使得混合材料22中以石墨與鑽石的方式組成的碳增加，進而使混合材料22的導電性增加。

請參照第3A及3B圖，第3A圖繪示改質前之混合材料22的拉曼光譜圖(Raman Spectroscopy)，第3B圖繪示改質後之混合材料22的拉曼光譜圖。倘若混合材料22中具有石墨之碳組成，則會在波數約於1580 cm^-1 處產生之峰值(peak)。倘若混合材料22中具有鑽石之碳組成，則會在波數約於1332 cm^-1 處產生強度之峰值。此處波數代表每公分有多少個波，當波數愈大，則波長愈小。 當波數愈小，則波長愈大。強度之峰質愈高表示所對應的組成含量愈多。拉曼光譜圖中的強度為各個組成間的比值。如第3A圖所示，於改質前混合材料22中，對應於石墨的強度約具有520個單位，對應於鑽石的強度約僅具有150個單位。然而，於以雷射光111對混合材料22進行改質後，如第3B圖所示，對應於石墨的強度及對應於鑽石的強度各自皆約具有1600個單位。改質後的石墨含量約為改質前的3倍，而改質後的鑽石含量甚至多於改質前的10倍。由於石墨與鑽石和樹脂相比，石墨與鑽石的導電性較佳。故當混合材料22中石墨與鑽石的含量增加時，混合材料22的導電性會增加，使得由金屬板21及混合材料22所構成的雙極板的導電性也會隨之增加。

請參照第4圖，繪示改質前及改質後之混合材料22的塔菲爾腐蝕測試圖(Tafel Corrosion Test)。改質前的混合材料22與金屬板21做為第一雙極板，改質前的混合材料22與金屬板21做為第二雙極板。於塔菲爾腐蝕測試中，分別對第一雙極板及第二雙極板進行恆電位法或動電位極化法之實驗測試。擷取實驗過程中的電位值及電流值的變化情形，可得到斜率大致上為正的陽極極化曲線及斜率大致上為負的陰極極化曲線。二極化曲線交接處所對應的電位為所測試的材料開始腐蝕的腐蝕電位，其對應的電流為腐蝕電流。當腐蝕電位愈高，腐蝕電流愈低，表示所測試的材料較不易腐蝕。如第4圖所示，虛線表示第一雙極板的陽極極化曲線及陰極極化曲線，實線表示第二雙極板(即本提案之雙極板製 造方法所製造之雙極板)的陽極極化曲線及陰極極化曲線。第一試片的腐蝕電位約為0伏特，腐蝕電流約為每平方公分5.1×10^-6 安培。第一試片的腐蝕電位約為0.2伏特，腐蝕電流約為每平方公分2.9×10^-8 安培。經由此測試可知，經由本提案之雙極板製造方法所製造之雙極板，具有比較高的腐蝕電位及較低的腐蝕電流，故此雙極板較不易發生腐蝕現象。

綜上所述，本提案因使用雷射改質而非單獨使用熱壓處理使混合材料設置於金屬板上，而使得混合材料能夠以小於200微米甚至小於150微米的厚度設置於金屬板上，進而降低雙極板的厚度及重量。經過雷射改質之混合材料還能夠具有較佳的導電性及抗腐蝕性。且因避免高溫及真空製程，而得以較低廉的成本及製造工時來製造雙極板。

雖然本提案以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案。在不脫離本提案之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本提案之專利保護範圍。關於本提案所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10‧‧‧雙極板製造系統

11‧‧‧雷射源

111‧‧‧雷射光

12‧‧‧聚焦鏡

13‧‧‧工作台

21‧‧‧金屬板

22‧‧‧混合材料

S1、S2、S3、S4‧‧‧步驟

第1圖繪示本提案之實施例之雙極板製造系統之示意圖。

第2圖繪示本提案之實施例之雙極板製造方法之流程圖。

第3A圖繪示改質前之混合材料的拉曼光譜圖。

第3B圖繪示改質後之混合材料的拉曼光譜圖。

第4圖繪示改質前及改質後之混合材料的塔菲爾腐蝕測試圖。

S1、S2、S3、S4‧‧‧步驟

Claims (13)

1. 一種雙極板製造方法，包括：將一混合材料設置於一金屬板上，該混合材料包括一碳材料與一樹脂；以及以一雷射光照射該混合材料以對該混合材料進行改質。
2. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該碳材料之材質選自球狀石墨、薄片石墨、石墨烯、奈米碳管及其組合之其中一者。
3. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該樹脂為含碳樹脂。
4. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該樹脂之材質選自酚醛樹脂、環氧樹脂及其組合之其中一者。
5. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該金屬板之材質選自不鏽鋼、鋁、銅、鎳及其組合之其中一者。
6. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該金屬板之厚度小於0.5毫米。
7. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該混合材料中之碳材料之重量百分比為百分之20至80。
8. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該混合材料之厚度小於200微米。
9. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該混合材料以一塗佈方式設置於該金屬板上。
10. 如請求項9所述之雙極板製造方法，其中該塗佈方式選自熱壓塗佈、旋轉塗佈、浸入塗佈、噴霧塗佈及滾壓塗佈之其中一者。
11. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中於以該雷射光照射該混合材料以對該混合材料進行改質之前，該雙極板製造方法還包括加熱該混合材料以揮發該混合材料中之液體。
12. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中於以該雷射光照射該混合材料以對該混合材料進行改質時，該雷射光提供該混合材料之能量密度為每平方公分0.05至1200焦耳。
13. 如請求項1所述之雙極板製造方法，其中該雷射光之波長小於十萬奈米。