TWI482349B - 金屬極板的表面改質方法及燃料電池極板 - Google Patents

金屬極板的表面改質方法及燃料電池極板 Download PDF

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Description

金屬極板的表面改質方法及燃料電池極板
本發明係有關一種金屬極板的表面改質方法及燃料電池極板，尤指一種利用石墨進行金屬極板表面之改質和具有石墨層之極板。
燃料電池(fuel cell)由於具有高效率反應快運作安靜及低污染等特性，因此已廣泛的應用於電力、工業、運輸、太空、軍事等各領域中。燃料電池係一種可將化學能連續不斷直接轉變為電能之發電裝置，燃料電池工作時，燃料氣體(如氫氣)與助燃劑(如氧氣)分別輸送至燃料電池的陽極與陰極，藉由氧化與還原反應將化學能轉變為電能。
習用的燃料電池單體結構大致是由一陽極板、一陰極板及包夾一片固態電解質膜所構成，稱為單電池。然而，於實際使用時，視需要將多個單電池相互串聯，以取得較大的輸出電壓，相鄰的燃料電池單體係共用同一電極板，係分別做為兩相鄰燃料電池單體的陽極與陰極，而此一電極板即稱作雙極板(bi-polar plate)。
第6,828,040號美國專利揭露一種燃料電池的雙極板結構，其不鏽鋼基板上以噴塗方式(spray-coating)披覆一高分子材料，並經由高溫裂解(pyrolysis)反應而與基板相結合，而此一高分子材料中添加有至少90%的導電石墨，藉以隔絕外界環境對不鏽鋼基板產生腐蝕與氧化作用，同時具備導電特性。但該專利以噴塗方式形成導電保護膜， 其高分子材料中的溶劑於高溫裂解過程中揮發，使得最後成型的導電保護膜內產生非常多的小氣孔，因而導致保護膜的緻密性不佳，而這些小氣孔即成為燃料電池的酸性溶液滲入雙極板內的通道。此外，由於金屬基板表面的流道具有水平方向與垂直方向的複雜結構，以塗覆製法所形成的披覆層在流道結構的特定角度上，無法有效成膜。因此，必須在不鏽鋼基板的表面上塗覆多層高分子材料，並經過多道高溫裂解工序，方可避免上述問題的產生，但卻使得雙極板的加工程序過於複雜，且製造成本亦過於昂貴。
第6,291,094號美國專利揭露一種氣體分離板，其係藉由錫膏將石墨層結合至不鏽鋼基板上。具體而言，該專利係利用加熱和加壓的方式使石墨層間隔一錫層結合於該不鏽鋼基板上。然而，含有錫的氣體分離板會毒化燃料電池，石墨層與錫層的異質接合，使得強度不足而導致層間脫層。
不同於具有金屬層之雙極板第200780002837.8號中國專利揭露一種由樹脂材料構成之雙極板，其係先準備複數個片狀模製板材，該板材中含有碳材料，接著再壓合該複數個片狀模製板材以得到雙極板。然，要將此複合碳板的厚度控制的極薄，將造成雙極板的氣密性不佳的問題。
一種金屬極板的表面改質方法，包括：提供一表面具有黏著層之金屬基板，且該金屬基板具有流道結構；於該黏著層上佈設膨脹石墨粉體；以及以對應該流道結構之模 具壓合該金屬基板和膨脹石墨粉體，使該膨脹石墨粉體形成石墨層，披覆於該金屬基板的表面。
本揭露復提供一種燃料電池極板，係包括：金屬基板，係具有流道結構；黏著層，係形成於該金屬基板上，該黏著層包括高分子黏著劑與複數導電粒子；以及石墨層，係對應該金屬基板之流道結構形成於該黏著層上，以藉由該黏著層黏合該石墨層與該金屬基板，其中，該石墨層主要係由膨脹石墨粉體所構成，且部分該膨脹石墨粉體係嵌入該黏著層中。
以下藉由特定的具體實施例說明實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
請參閱第1A至1E圖，係說明本實施例之金屬極板的表面改質方法。
如第1A圖所示，準備一金屬基板10，該金屬基板10表面可預先藉由例如，刮刀塗佈、旋轉塗佈、噴射塗佈、狹縫塗佈或滾壓塗佈之方式形成黏著層12。
前述之金屬基板的材質包括，但不限於鋁、銅、鎳、鉻及不鏽鋼所組成群組的至少一者。該金屬基板的材質亦可為不鏽鋼。該金屬基板可為一平板，亦或是表面上具有流道結構者。以燃料電池的金屬極板為例，該金屬極板可以是一具有流道結構的金屬基板，該流道結構可為Z形、蛇形或複數直流道。而該金屬基板的厚度可為0.03毫米至 10毫米。
在本實施例中，該黏著層包括高分子黏著劑與複數導電粒子。高分子黏著劑例如是熱硬化樹脂、光硬化樹脂或化學硬化樹脂。具有複數導電粒子，其材質係係金屬、金屬合金、金屬碳化物、金屬氮化物、碳粒子或其組合。舉例而言，該金屬、金屬碳化物或金屬氮化物之金屬係獨立選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之一者；該金屬合金之金屬係選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之至少二種元素。通常，材質為該金屬、金屬合金、金屬碳化物或金屬氮化物之該複數導電粒子的粒徑範圍為10奈米至10微米。
於一實施例中，該碳粒子係選自下列組成群組之至少一者：石墨材料、碳球、碳黑、奈米碳管及碳纖維。該碳粒子的粒徑範圍亦可為10奈米至10微米。然而，可根據實際使用需求選用具有良好導電特性的粉體及適合的粒徑尺寸，並不以所揭露之實例為限。
通常，係以機械設備或人工方式對添加有導電粒子的熱硬化樹脂、光硬化樹脂或化學硬化樹脂進行攪拌，使該導電粒子散佈於該樹脂中，並以前述之刮刀塗佈、旋轉塗佈、噴射塗佈、狹縫塗佈或滾壓塗佈之方式形成黏著層，其中，該複數導電粒子係佔該黏著層體積之20%至80%。
接著，如第1B圖所示，於表面上具有黏著層12之金屬基板10上佈設膨脹石墨粉體14。該膨脹石墨粉體係由酸化及加熱鱗片石墨而得，酸化使用的酸可為硫酸、硝酸 或其組合。
此外，在一實施例中，該鱗片石墨係選用具有20至200之目數。於具體實施例中，目數小於20時，會造成所形成的石墨層表面粗糙，具有許多孔隙和細紋，用於燃料電池時，容易使酸液滲入而侵蝕金屬基板。當目數大於200時，所形成的石墨層亦具有許多孔隙，且石墨層強度變差，容易破裂。於另一實施例中，鱗片石墨係選用具有30至80之目數。
請一併參閱第2圖，其係說明使用32至200之目數的鱗片石墨之導電度測量結果，其中，32目數之鱗片石墨具有較高的導電度，而200目數之鱗片石墨的導電度雖然下降，但仍算良好。至於80目數之鱗片石墨的導電度則仍高於1400S/cm。
此外，佈設膨脹石墨粉體的方式並無特別限制，以機械或人工的方式將膨脹石墨粉體灑至黏著層上即可，該膨脹石墨粉體之用量較佳為5至50mg/cm2 。
請復參閱第1C及1D圖，在佈設膨脹石墨粉體14後，以對應該流道結構之模具16壓合該金屬基板10和膨脹石墨粉體14，以令該膨脹石墨粉體14形成石墨層14’，並藉由該黏著層12黏合該石墨層14’與金屬基板10。於一具體實施例中，該金屬基板係容置於該模具中。例如，可於形成黏著層之前就將該金屬基板置於模具中；或者在金屬基板上形成黏著層之後，再將金屬基板置於模具中。在本實施例中，該容置金屬基板10者為為下模具16a，故於壓合 時，係使用另一上模具16b壓制該膨脹石墨粉體14。
於另一具體實施例中，因金屬基板具有剛性，則可僅使用上模具壓制該膨脹石墨粉體(圖略)。
此外，當應用於燃料電池金屬極板時，因作為金屬極板的該金屬基板可具有流道結構，使用的模具結構係與該流道結構匹配對應，以形成石墨層，該石墨層可順應金屬基板的流道結構而完整披覆，構成一緻密的石墨保護層；尤其是不論金屬基板具有何種構型之流道結構，藉由本實施例之模具壓合方法，在流道結構的水平方向與垂直方向，皆可透過本壓合方法，確實形成石墨保護層，達到充分保護金屬基板的效果。通常，該模具壓合該金屬基板和膨脹石墨粉體之壓合應力為10至1000kg/cm2 。
於一具體實施例中，為使石墨層表面為一致密表面，該石墨層之厚度大於該黏著層之厚度。舉例而言，該石墨層之厚度為10至300微米；該黏著層之厚度為0.5至100微米。
再者，如第1E圖所示，該黏著層12為聚合物，故於壓合時，膨脹石墨粉體14會嵌入該聚合物中，可消除異質介面接合阻抗，避免酸液侵蝕金屬基板10，並提升接合強度。
根據前述之製法，本揭露復提供一種該燃料電池極板，包括：金屬基板，係具有流道結構；黏著層，係形成於該金屬基板上，該黏著層包括高分子黏著劑與複數導電粒子；以及石墨層，係對應該金屬基板之流道結構形成於 該黏著層上，以藉由該黏著層黏合該石墨層與該金屬基板，其中，該石墨層主要係由膨脹石墨粉體所構成，且部分該膨脹石墨粉體係嵌入該黏著層中，其中，該膨脹石墨粉體係由酸化及加熱具有20至200之目數的鱗片石墨而得。
於一具體實施例中，該石墨層之厚度大於該黏著層之厚度。舉例而言，該石墨層之厚度為10至300微米；該黏著層之厚度為0.5至100微米。
該黏著層中之複數導電粒子之材質係金屬、金屬合金、金屬碳化物、金屬氮化物、碳粒子或其組合。例如，該金屬、金屬碳化物或金屬氮化物之金屬係獨立選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之一者；該金屬合金之金屬係選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之至少二種元素。材質為該金屬、金屬合金、金屬碳化物或金屬氮化物之該複數導電粒子的粒徑範圍為10奈米至10微米。
於一實施例中，該碳粒子係選自下列組成群組之至少一者：石墨材料、碳球、碳黑、奈米碳管及碳纖維。該碳粒子的粒徑範圍亦可為10奈米至10微米。又，該複數導電粒子係佔該黏著層體積之20%至80%。
測試例
請參閱第3A及3B圖，係說明無石墨層之極板和覆有石墨層之極板的電壓衰退率。
本測試例係使用燃料電池測試儀器，根據定電流放電測試方法測量。
如第3A圖所示，僅以316L不鏽鋼做為極板時，至第1000小時時，電壓衰退率已大於60μV/h。
至於第3B圖所示之極板，係使用厚度為40μm的黏著層，其中，復包含60%之含碳導電粒子，該黏著層上覆蓋石墨層，由膨脹石墨所製得，此膨賬石墨係由30目數之鱗片石墨酸化加熱，並以壓合應力為500kg/cm2 壓合而得。該極板經測試1000小時，其電壓衰退率仍小於10μV/h。
上述實施例係用以例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧金屬基板
12‧‧‧黏著層
14‧‧‧膨脹石墨粉體
14’‧‧‧石墨層
16‧‧‧模具
16a‧‧‧下模具
16b‧‧‧上模具
第1A至1E圖係本揭露燃料電池極板之製法示意圖，其中，第1E圖係燃料電池極板之剖視照片；第2圖係鱗片石墨目數與導電度之關係圖；以及第3A及3B圖係說明有無石墨層覆蓋時之極板的電壓衰退率。
10‧‧‧金屬基板
12‧‧‧黏著層
14‧‧‧膨脹石墨粉體
16‧‧‧模具
16a‧‧‧下模具
16b‧‧‧上模具

Claims (25)

  1. 一種金屬極板的表面改質方法，係包括：提供一表面具有黏著層之金屬基板，且該金屬基板具有流道結構；於該黏著層上佈設膨脹石墨粉體；以及以對應該流道結構之模具壓合該金屬基板和膨脹石墨粉體，使該膨脹石墨粉體形成石墨層，披覆於該金屬基板的表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該膨脹石墨粉體係由酸化及加熱具有20至200之目數的鱗片石墨而得。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該膨脹石墨粉體的用量為5至50mg/cm2 。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該模具壓合該金屬基板和膨脹石墨粉體之壓合應力為10至1000kg/cm2 。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該黏著層包括高分子黏著劑以及複數導電粒子。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該複數導電粒子之材質係金屬、金屬合金、金屬碳化物、金屬氮化物、碳粒子或其組合。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該金屬、金屬碳化物或金屬氮化物之金屬 係獨立選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之一者。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該金屬合金之金屬係選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之至少二種元素。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，材質為該金屬、金屬合金、金屬碳化物或金屬氮化物之該複數導電粒子的粒徑範圍為10奈米至10微米。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該碳粒子係選自下列組成群組之至少一者：石墨材料、碳球、碳黑、奈米碳管及碳纖維。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該複數導電粒子係佔該黏著層體積之20%至80%。
  12. 如申請專利範圍第5項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該高分子黏著劑為熱硬化樹脂、光硬化樹脂或化學硬化樹脂。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之金屬極板的表面改質方法，其中，該金屬基板的材質包括鋁、銅、鎳、鉻及不鏽鋼所組成群組的至少一者。
  14. 一種燃料電池極板，係包括：金屬基板，係具有流道結構；黏著層，係形成於該金屬基板上，該黏著層包括高分子黏著劑與複數導電粒子；以及 石墨層，係對應該金屬基板之流道結構形成於該黏著層上，以藉由該黏著層黏合該石墨層與該金屬基板，其中，該石墨層主要係由膨脹石墨粉體所構成，且部分該膨脹石墨粉體係嵌入該黏著層中。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池極板，其中，該膨脹石墨粉體係由酸化及加熱具有20至200之目數的鱗片石墨而得。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池極板，其中，該石墨層之厚度為10至300微米。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池極板，其中，該黏著層之厚度為0.5至100微米。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池極板，其中，該複數導電粒子之材質係金屬、金屬合金、金屬碳化物、金屬氮化物、碳粒子或其組合。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池極板，其中，該金屬、金屬碳化物或金屬氮化物之金屬係獨立選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之一者。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池極板，其中，該金屬合金之金屬係選自金、鉑、鈀、鎳及鉻所組成群組之至少二種元素。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池極板，其中，材質為該金屬、金屬合金、金屬碳化物或金屬氮化物之該複數導電粒子的粒徑範圍為10奈米至10微米。
  22. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池極板，其中， 該碳粒子係選自下列組成群組之至少一者：石墨材料、奈米碳管、碳球、碳黑及碳纖維。
  23. 如申請專利範圍第18項所述之燃料電池極板，其中，該複數導電粒子係佔該黏著層體積之20%至80%。
  24. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池極板，其中，該高分子黏著劑為熱硬化樹脂、光硬化樹脂或化學硬化樹脂。
  25. 如申請專利範圍第14項所述之燃料電池極板，其中，該金屬基板的厚度為0.03毫米至10毫米。
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