TWI792667B - 電化學燃料電池雙極板製備方法 - Google Patents
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Abstract
本案提供了一種用於燃料電池的雙極板，由一基板壓合而形成，其中基板由軟性石墨板形成，軟性石墨板的密度為0.8~1.3g/cm
3、碳含量＞98%且灰分＜2%，且以壓合前的基板的厚度為基準，雙極板的厚度壓縮率為40~50%。
Description
本發明實施例係關於燃料電池，且特別關於燃料電池的雙極板。
隨著人口的增長和工業的發展，人類對於能源的需求也隨之暴增。一直以來，石化燃料被重度依賴為最主要的能量來源，石油的使用帶動了運輸、科技與文明的進展，卻也在各地造成了空氣污染、引發了環境危機。由於能源與環境的雙重壓力，燃料電池的發展越來越受到各國政府的重視與支持。
質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)為目前各種燃料電池中，發展較為成熟者。質子交換膜燃料電池將燃料和空氣中的化學能直接、連續地轉化成電能。它的基本原理是在陽極側通入燃料（例如氫氣或者甲醇等），在陰極側通入氧化劑（氧氣或者空氣等），並使之分別在催化劑的作用下發生電化學反應，生成水並產生電能。
雙極板（陽極板、陰極板）在質子交換膜燃料電池中主要負責輸送反應氣體至觸媒反應區進行電化學反應，並使反應氣體均勻分佈於膜電極組上，同時傳導電化學反應產生之電流，另外在電池堆中，雙極板亦有散熱之功能。在質子交換膜燃料電池運作時，其內部的工作溫度處於60-80℃之間，內部相對濕度通常為100%，且因電化學反應產生氫質子的關係，內部為一酸性環境(pH =2-3)。綜合以上幾點，可得知雙極板材質必須具高導電性、良好的導熱性及較佳的抗腐蝕能力，另外考量到雙極板上的流道加工，選用雙極板材料時亦須考量其加工特性。
目前最常用的雙極板材料是石墨，因其材料性質符合以上幾個特點，但其缺點是材料成本高、機械強度較差、易脆及受限的加工性。石墨之機械特性使得大部分廠商對石墨雙極板採取CNC（Computer Numerical Control）銑床加工，加工後的石墨雙極板有著板件厚、體積大、重量重(傳統石墨板重量約佔電池堆總重的50~60%)等缺點，難以作為未來小型化及輕量化燃料電池的雙極板材料。另外，由於CNC銑床加工過程複雜，加工週期較長，使石墨雙極板的加工成本也難以降低。
金屬材料同樣具有高導電性及良好的導熱性，而其優異的延展性使其能以沖壓或液壓等方式成型，使板件之厚度可有效降低，因此使用金屬雙極板可進一步減少電池堆之體積與重量，使電池堆單位體積和單位重量的功率密度能夠提升。另外，金屬雙極板具有較好的抗震能力，可增加燃料電池動力系統未來應用於載具上之競爭力。除了以上較佳之機械性質所帶來的優點外，金屬之成本亦較石墨低，沖壓成型方法亦可大幅縮短雙極板生產之時間，因此可降低量產階段之電池成本。但金屬雙極板的缺點是低抗腐蝕性，於高溫、高濕度及酸性的燃料電池環境下，金屬表面容易因腐蝕及氧化反應生成鈍化層，進而使得接觸阻抗增加，降低燃料電池發電效率，另一方面，金屬離子亦可能傷害膜電極組性能。
因此，目前雙極板的開發技術仍面臨許多問題。如何以低成本、高效率的方式提供耐久性的雙極板仍是業界亟待解決的課題。
本發明實施例提供一種用於燃料電池的雙極板，由一基板壓合而形成，其中基板由軟性石墨板形成，軟性石墨板的密度為0.8~1.3g/cm
3、碳含量＞98%且灰分＜2%，且以壓合前的基板的厚度為基準，雙極板的厚度壓縮率為40~50%。
在一些實施例中，以壓合前的基板的厚度為基準，雙極板的厚度變形量為0.5~1 mm。
在一些實施例中，軟性石墨板的含硫量＜1000 ppm且含氯量＜50 ppm。
在一些實施例中，雙極板的密度為1~3 g/cm
3。
在一些實施例中，雙極板的流道深度＜1 mm。
在一些實施例中，雙極板的流道為迴旋型流道、蛇型流道、指叉型流道、網格狀流道或平行流道。
本發明實施例更提供一種燃料電池，包括：質子交換膜；一對觸媒層，分別設置於質子交換膜的兩側；一對雙極板，分別設置於觸媒層的外側，將質子交換膜及觸媒層夾持於中間，其中雙極板為上述實施例中任一例之雙極板。
本發明實施例又提供一種用於燃料電池的雙極板的製造方法，包括：刀模裁切步驟，將軟性石墨板裁切成基板；匹配步驟，將基板放置於模具中；壓合步驟，將放置有基板的模具進行壓合；以及脫模步驟，將壓合後的基板與模具分離，以得到雙極板，其中軟性石墨板的密度為0.8~1.3g/cm
3、碳含量＞98%且灰分＜2%，且以壓合前的基板的厚度為基準，雙極板的厚度壓縮率為40~50%。
在一些實施例中，模具具有1~10°的拔模角。
在一些實施例中，壓合步驟的壓合磅數為300~1500 kg/cm
2。
在一些實施例中，壓合步驟在常溫下進行。
在一些實施例中，壓合步驟的持續時間為0.05~3 min。
以下揭露提供了許多的實施例或範例，用於實施所提供的標的物之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下，以簡化本發明實施例之說明。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本發明實施例。舉例而言，敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上，可能包含第一和第二元件直接接觸的實施例，也可能包含額外的元件形成在第一和第二元件之間，使得它們不直接接觸的實施例。此外，本發明實施例可能在各種範例中重複參考數值或字母。如此重複是為了簡明和清楚之目的，而非用以表示所討論的不同實施例或配置之間的關係。
再者，其中可能用到與空間相對用詞，例如「在……之下」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」等類似用詞，是為了便於描述圖式中一個（些）部件或特徵與另一個（些）部件或特徵之間的關係。空間相對用詞用以包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時（旋轉90度或其他方位），其中所使用的空間相對形容詞也將依轉向後的方位來解釋。
本揭露提供一種用於燃料電池的雙極板，其特徵在於所述雙極板是由軟性石墨板直接壓合而形成，可以低成本、高效率的方式提供高耐久性的燃料電池雙極板。
本案中所稱之「軟性石墨板」是指密度0.8~1.3g/cm
3、抗拉強度40~50 kg / cm
2、碳含量＞98%、灰分＜2%的石墨板。根據一些實施例，軟性石墨板可以為例如膨脹石墨材料製作而成。根據一些實施例，膨脹石墨材料可為例如，由天然鱗片石墨經插層處理、水洗、乾燥、高溫膨脹製得。膨脹石墨特殊的結構和特性使其擁有天然石墨的性質外，還具有其它優良的性質，例如：高耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤滑性；高抗高溫、低溫、抗腐蝕、抗輻射特性；高抗震特性；高電導率；高抗老化、抗扭曲的特性等。根據一些實施例，軟性石墨板的密度為約0.8~1.3 g/cm
3（例如0.9~1 g/cm
3、0.95~1.2 g/cm
3）。根據一些實施例，軟性石墨板的碳含量＞98%（例如＞98.5%、＞99%、＞99.5%）且灰分＜2%（例如＜1.5%、＜1 %、＜0.5%）。本案藉由軟性石墨板高含碳量之性質達到高導熱及導電特性，以符合燃料電池電化學反應之需求。
根據一些實施例，軟性石墨板經過裁切而形成基板。根據一些實施例，軟性石墨板中不含樹脂，故裁切後的基板直接壓合而形成的雙極板能夠維持高電導率的特性。根據一些實施例，軟性石墨板的抗拉強度為約40~50 kg/cm
2（例如42~45 kg/cm
2、43~48 kg/cm
2）。根據一些實施例，軟性石墨板的壓縮率＞40%（例如＞50%、＞60%）。
跟據一些實施例，以壓合前的基板的厚度為基準，雙極板的厚度壓縮率為40~50%（例如42~45%、43~48%），即以壓合前的基板的厚度為比較基準，壓合後形成的雙極板的厚度減少了40~50%。其中，所述基板的厚度為基板整體的最大厚度，所述雙極板的厚度為雙極板整體的最大厚度。根據一些實施例，以壓合前的基板的厚度為基準，雙極板的厚度變形量為0.5~1 mm（例如0.6~0.9 mm、0.7~0.8 mm）。一般而言，軟性石墨需要經過樹脂的浸漬，以獲得較高的機械強度，然而，本案藉由控制雙極板的厚度壓縮率及／或雙極板的厚度變形量，可使軟性石墨形成的雙極板獲得足夠的鋼性的前提下保持不碎裂。若雙極板的厚度壓縮率過低，則會造成雙極板的強度過低、阻抗值過高。若雙極板的厚度壓縮率過高，則會造成雙極板脫模難度增加，且容易在壓縮過程中碎裂。根據一些實施例，雙極板的密度為約1~3 g/cm
3（例如1.2~2.5 g/cm
3、1.6~2 g/cm
3）。
根據一些實施例，軟性石墨板的含硫量＜1000 ppm且含氯量＜50 ppm，通過控制軟性石墨板中含硫量及含氯量，可以抑制對燃料電池中觸媒的影響，從而提高燃料電池的耐久性。
可以根據不同的模具設計而獲得具有不同流道的雙極板。參考第1A~E圖，根據一些實施例，雙極板10具有流道12、流道入口14及流道出口16等。流道12可為例如迴旋型流道（如第1A圖）、蛇型流道（如第1B圖）、指叉型流道（如第1C圖）、網格狀流道（如第1D圖）或平行流道（如第1E圖）等。根據一些實施例，雙極板10的流道深度約＜1 mm（例如＜0.8mm、＜0.5mm）。
根據一些實施例，本案的雙極板可以作為燃料電池的雙極板（陽極板及／或陰極板）。根據一些實施例，本案雙極板上的流道可以作為氣體流道（例如氫氣、空氣等）及／或液體流道（例如冷卻液或甲醇等）。根據一些實施例，雙極板可以在兩面上皆具有流道。根據一些實施例，雙極板可以在單面上具有流道。
參照第2圖，根據一些實施例，第2圖為使用本案雙極板的燃料電池100的局部示意圖。根據一些實施例，燃料電池100可為多個單電池串接而成。根據一些實施例，燃料電池100包括質子交換膜20。根據一些實施例，燃料電池100包括一對觸媒層（陽極觸媒層30a及陰極觸媒層30b），分別設置於質子交換膜20的兩側。根據一些實施例，燃料電池100包括一對雙極板（陽極板10a及陰極板10b），分別設置於陽極觸媒層30a及陰極觸媒層30b的外側，並將質子交換膜20、陽極觸媒層30a及陰極觸媒層30b夾持於中間。根據一些實施例，氫氣從陽極板10a的進氣口進入流道12a，並通過氣體擴散層（未繪示）擴散至陽極觸媒層30a。根據一些實施例，空氣從陰極板10b的進氣口進入流道12b，並通過氣體擴散層（未繪示）擴散至陰極觸媒層30b。經由陽極觸媒層30a的作用，使陽極的氫原子分解成兩個氫質子與兩個電子，其中質子被『吸引』到質子交換膜20的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在陰極觸媒層30b之作用下，氫質子、氧及電子反應形成水分子。根據一些實施例，陽極觸媒層30a可包括例如Pt、Ru、Ni等。根據一些實施例，陰極觸媒層30b可包括例如Pt、Ni等。根據一些實施例，燃料電池100的陽極板10a及陰極板10b還可分別具有流道13a及流道13b。根據一些實施例，流道13a及流道13b為冷卻液的流道。雖然燃料電池較傳統內燃機有較佳轉移效率，但仍有約50%的能量以廢熱形式逸散。因此，流道13a及13b可使冷卻液分別在陽極板10a及陰極板10b的表面上流量分布均勻，達到散熱均勻的效果。應可理解的是，燃料電池100可更包括集電板、端板、密封層等其他習知元件，為簡化起見，在此不予詳述。
以下，將進一步描述雙極板的製造方法。
根據一些實施例，雙極板的製造包括刀模裁切步驟，將軟性石墨板裁切成基板。軟性石墨板可以直接使用市售的軟性石墨板。根據一些實施例，裁切前的軟性石墨板的尺寸可為例如長約20~40cm（例如約23~35 cm、25~30 cm）、寬約20~40cm（例如約23~35 cm、25~30 cm）、高約0.3~3cm（例如約1~2.8 cm、1.5~2.5 cm）。裁切後的基板的大小可以根據需求而設定，可為例如長約3~30cm（例如約10~28 cm、15~20 cm）、寬約3~30cm（例如約10~28 cm、15~20 cm）、高約0.3~3cm（例如約1~2.8 cm、1.5~2.5 cm）。另外，可以裁切出流道出口、流道入口（氣體出、入口及／或冷卻液出、入口），並可根據實際產品需求，設定裁切的流道出口、流道入口的位置及大小。
根據一些實施例，在刀模裁切步驟之後進行匹配步驟，如第3A圖所示，將基板50放置於模具300中，其中基板50的厚度為d1。根據一些實施例，可以根據需求製造並挑選合適的模具300，通過設定模具300上的紋路，可以決定壓合後所形成的雙極板的流道形狀，並通過模具外框設定雙極板的大小。
根據一些實施例，在匹配步驟之後進行壓合步驟，將放置有基板50的模具300進行壓合。通過壓力的施加，使基板50隨著模具300的紋路變形，從而形成具有特定流道的形狀。根據一些實施例，壓合步驟的壓合磅數約為300~1500 kg/cm
2（例如500~1300 kg/cm
2、650~1200 kg/cm
2、700~1000 kg/cm
2）。通過將壓合磅數控制在此範圍內，可控制雙極板的厚度壓縮率及／或厚度變形量，使雙極板具有足夠剛性。根據一些實施例，壓合步驟在常溫下進行且壓合步驟的持續時間約為0.05~3 min（例如1~2.5 min、1.5~2.3 min）。
根據一些實施例，在壓合步驟之後進行脫模步驟，通過大力往下撞擊脫模底座，將壓合後的基板50與模具300分離，得到具有流道12及流道13的雙極板10，如第3B圖所示，其中雙極板10整體的最大厚度為d2。根據一些實施例，以壓合前的基板50的厚度d1為基準，雙極板10的厚度壓縮率為40~50%，即(d2/d1) ×100% = 40~50%。根據一些實施例，整個製程的過程不超過5 min（例如1~4 min、2~3 min），大大縮短了雙極板的加工時間。
根據一些實施例，壓力合磅數與雙極板的厚度變形量具有如[表1]的關係。其中，實施例中使用的基板的長約5~25cm、寬約5~25cm、高約0.5~2cm，壓合時間為1~2min。
[表1]
| 油壓缸總輸力(kgf) | 壓合磅數(kg/cm 2) | 厚度變形量(mm) |
| 0 | 0 | 0 |
| 5,000 | 312.5 | 0.803 |
| 10,000 | 625 | 0.919 |
| 15,000 | 937.5 | 0.946 |
| 20,000 | 1,250 | 0.989 |
根據一些實施例，模具具有1~10°的拔模角。根據一些實施例，模具更具有導/圓角的設計。拔模角也就是脱模斜度，是為了方便出模而在模膛兩側設計的斜度。為了讓成型品可以順利頂出脱離模具，在與模具開閉相同方向的壁面，必須設定拔模角以利脱模。由於軟性石墨板較容易沾黏在模具上，通過將模具的拔模角設定在1~10°的範圍，可以降低脫模時的摩擦力，使雙極板完整脫離。傳統直角設計的模具，不具拔模角，在之後的脫模上較為困難。以下參照第4A~B圖。根據一些實施例，第4A圖為模具300的局部側視圖。其中模具300側壁與其垂直方向上的夾角即為拔模角s。具有拔模角s的模具300在脫模時可以減少模具與被壓合材料在垂直方向上的摩擦力，因此可以使被壓合材料在脫模上更為容易。根據一些實施例，拔模角s可為約1~約10°（例如約2~8°、約3~6°）。根據一些實施例，模具300除了拔模角之外，還具有導/圓角的設計，如第4B圖所示，進一步降低了摩擦力。
根據一些實施例，在脫模後，可透過各個物理檢測，以確認雙極板的成品規格符合產品的要求。例如，可利用厚度計對雙極板進行厚度檢測；利用深度規對雙極板進行流道深度的檢測；利用卡尺對雙極板進行長度的檢測。根據一些實施例，可將雙極板貼合進行漏氣檢測。根據一些實施例，可對雙極板進行抗阻試驗及電性測試。
由於石墨材質易碎，故石墨所製造的雙極板加工難度大，且加工時間長，一片純石墨雙極板需要數小時的加工時間。相對於此，本案的軟性石墨板具有較高的可塑性，僅需在常溫下進行短時間的壓合即可完成雙極板的加工（例如＜5 min），大大降低了雙極板加工的時間及成本，節省了至少90%的加工時間，90.2%的加工成本。且由於軟性石墨板的柔韌性，比起石墨材料，具有較佳的抗震性，更適合運用在例如電動車等的載具上。另外，石墨的價格較高，一片純石墨雙極板僅材料費就需要上千元，而軟性石墨板所製作的雙極板之材料費只需幾十元，節省了至少90%的材料成本。另外，本案藉由軟性石墨板製造的雙極板可藉由氣密檢測及電性測試證明其材料對燃料電池性能不會造成影響。即，通過本案藉由軟性石墨板壓合而形成的雙極板，可以在不降低燃料電池性能的情況下，節省製造費用，並且縮短製造時間。
金屬雙極板雖然可通過沖壓製程而迅速的完成加工，且金屬之成本亦較石墨低，但在燃料高溫、高濕度及酸性的環境下，金屬雙極板容易發生氧化，須另外施作(鍍)抗氧化表面處理，故其耐久性較低。而本案使用的軟性石墨板不會有氧化的問題，更適合在長期使用的產品中。
總上所述，本案由軟性石墨板製成的雙極板具有成本低廉、加工快速、耐久性佳等優點。
以上概述數個實施例之部件，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可更易理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解，他們能以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應理解到，此類等效的製程和結構並無悖離本發明的精神與範圍，且他們能在不違背本發明之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。
儘管已經用特定於結構特徵或方法動作的語言描述了標的物，但是應該理解，所請求範圍的標的物不必限於上述特定特徵或動作。而是，上述特定特徵和動作作為實現至少一些請求範圍的範例形式被揭露。
10:雙極板
10a:陽極板
10b:陰極板
12:流道
12a:流道
12b:流道
13:流道
13a:流道
13b:流道
14:流道入口
16:流道出口
20:質子交換膜
30a:陽極觸媒層
30b:陰極觸媒層
50:基板
100:燃料電池
300:模具
d1:厚度
d2:厚度
以下將配合所附圖式詳述本發明實施例。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，可任意地放大或縮小元件的尺寸，以清楚地表現出本發明實施例的特徵。
第1A~E圖係根據一些實施列，繪示出雙極板的流道的局部示意圖。
第2圖係根據一些實施列，繪示出燃料電池的局部示意圖。
第3A圖係根據一些實施列，繪示基板放置於模具中並進行壓合的示意圖。
第3B圖係根據一些實施列，繪示出脫模後所獲得雙極板的示意圖。
第4A~B圖係根據一些實施列，繪示出模具的局部側視圖。
10a:陽極板
10b:陰極板
12a:流道
12b:流道
13a:流道
13b:流道
20:質子交換膜
30a:陽極觸媒層
30b:陰極觸媒層
100:燃料電池
Claims (11)
- 一種用於燃料電池的雙極板，由一基板壓合而形成，其中該基板由軟性石墨板形成，該軟性石墨板的密度為0.8~1.3g/cm3、碳含量>98%且灰分<2%，且以壓合前的該基板的厚度為基準，該雙極板的厚度壓縮率為40~50%，其中該雙極板的流道深度<1mm。
- 如請求項1之雙極板，其中以壓合前的該基板的厚度為基準，該雙極板的厚度變形量為0.5~1mm。
- 如請求項1之雙極板，其中該軟性石墨板的含硫量<1000ppm且含氯量<50ppm。
- 如請求項1之雙極板，其中該雙極板的密度為1~3g/cm3。
- 如請求項1之雙極板，其中該雙極板的流道為迴旋型流道、蛇型流道、指叉型流道、網格狀流道或平行流道。
- 一種燃料電池，包括：一質子交換膜；一對觸媒層，分別設置於該質子交換膜的兩側；一對雙極板，分別設置於該對觸媒層的外側，將該質子交換膜及該對觸媒層夾持於中間，其中該對雙極板為如請求項1~5中任一項之雙極板。
- 一種用於燃料電池的雙極板的製造方法，包括： 一刀模裁切步驟，將一軟性石墨板裁切成一基板；一匹配步驟，將該基板放置於一模具中；一壓合步驟，將放置有該基板的該模具進行壓合；以及一脫模步驟，將壓合後的該基板與該模具分離，以得到該雙極板，其中該軟性石墨板的密度為0.8~1.3g/cm3、碳含量>98%且灰分<2%，且以壓合前的該基板的厚度為基準，該雙極板的厚度壓縮率為40~50%。
- 如請求項7之雙極板的製造方法，其中該模具具有1~10°的拔模角。
- 如請求項7之雙極板的製造方法，其中該壓合步驟的壓合磅數為300~1500kg/cm2。
- 如請求項7之雙極板的製造方法，其中該壓合步驟在常溫下進行。
- 如請求項10之雙極板的製造方法，其中該壓合步驟的持續時間為0.05~3min。
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