燃料电池的分隔器和制造方法及具有该分隔器的燃料电池技术

将薄片状结构石墨箔用作燃料电池的分隔器的材料，并且通过浸渍在石墨箔的流场槽上形成憎水层。通过蚀刻其上形成有掩膜图案的石墨箔以形成流场槽并且通过浸渍而形成憎水层，来制造所述分隔器。根据上述分隔器，增强了燃料电池堆的性能并且简化了分隔器的制造处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及燃料电池。更具体地，本专利技术涉及使用石墨箔(graphite foil)的燃料电池的分隔器及其制造方法，以及包括这种分隔器的燃料电池 堆。
技术介绍
如本领域所公知的，燃料电池通过在阳极处的氧化反应和阴极处的还 原反应来产生电力。阳极和阴极与具有用于加速氧化和还原反应的铂或铂 钌合金的催化层形成在一起。在阳极处，燃料气体(例如，氢气)被供应给阳极并且通过氧化反应 分离为离子(例如，质子)和电子。在阴极处，分离的离子与还原气体(例 如，氧气)结合而形成水。这些反应的最终产物是电流(即，从阳极到阴 极的电子运动)、水(即，氢和氧的化学键)和热量。燃料电池堆通常配备 有去除所述热量的冷却设备。在阴极形成的水通常形成为水蒸气或液体，并且所述水被在阴极侧流 动的强烈还原气体流(氧气或空气)去除。图1是根据现有技术的示例性燃料电池堆的截面示意图。 通常，燃料电池堆是通过堆叠多个单元电池(unitcell) 100而形成的。 所述单元电池100包括质子交换膜110 (例如，聚合物电解质膜)。阳 极121和阴极122在质子交换膜110的两侧形成。质子交换膜110与电极 121禾卩122通过热压形成膜电极组(MEA: membrane electrode assembly) 130。在MEA 130的电极121和122的外部形成流体扩散层125。相邻的单元电池的多个MEA130由分隔器150分隔和支撑。分隔器150 形成有流场(flowfield) 151，用于将燃料气体(例如，氢气，或者在直接 甲醇燃料电池的情况下是甲醇)供应给阳极。另外，分隔器150还形成有 流场152，用于将氧气或者空气作为还原气体供应给阴极，并且其还用于排 水。密封垫160应用于分隔器150和MEA 130之间，用于防止流经流场151 和152的气体/液体的泄漏。包括MEA 130、分隔器150和密封垫160的单元电池100串联地堆叠 以形成高电压。堆叠的单元电池经由例如集电器和设置在其端部的端板170 联结在一起。从上面的描述可以理解，燃料电池中的分隔器在燃料电池堆中散布反 应气体(即，燃料气体和还原气体)，分隔燃料气体(例如，氢气或者甲醇) 和还原气体(例如，氧气或者空气)，以及通过在相邻单元电池的阳极和阴 极之间提供电子通道来电性连接相邻的单元电池。另外，分隔器具有热量 排放结构以用于排放燃料电池堆的氧化-还原反应所产生的热量，并且提供 机械强度以支撑堆叠的单元电池。为了加速在阳极处产生的氢离子(即，质子)通过聚合物电解质膜到 达阴极的运动，聚合物电解质膜应该被水合以包含适当量的水分。被水合 的聚合物电解质膜阻止电子运动通过，而允许氢离子的运动。当聚合物电解质膜未被充分地水合时，聚合物电解质膜的离子传导性 降低，由此燃料电池的性能下降。相反，当聚合物电解质膜被过度水合时， 形成反应三相界的小孔被阻塞(通常被称为溢流)，从而电极的反应区域减 少，导致燃料电池性能的下降。因此，在阴极处形成的水没有被迅速地排放的情况下，无法向催化层 供应充足的反应气体，从而燃料电池的性能会下降。许多分隔器，包括美国专利No.4,988,583中所公开的示例性分隔器， 具有蛇形流场以用于燃料和还原气体。这主要是为了利用沿着流场的压力 下降来有效地排放在阴极处形成的水。在阴极处形成的水以水蒸气形态位于还原气体流场槽的入口附近。然 而，当其流经还原气体流场槽时，其变为液体和水蒸气相混合的两种状态。 在这种情况下，液化水滴填充阴极的孔，从而催化层的有效反应区域减少。6另外，需要高压还原气体来排放液化水。因此，还原气体在流场入口和出口之间的压力下降造成能量损失，并 且为了稳定地实现高流速下的还原反应，会大量地消耗还原气体。因此， 如果具有蛇形流场的分隔器的排水变得更加稳定和有效，则其将保证由于 在流场入口和出口之间还原气体的压力下降而导致的能量损失的减少，并 减少还原气体的消耗。石墨或碳的复合材料被广泛地用于聚合物电解质膜燃料电池的分隔 器。石墨和碳的复合材料对于燃料电池的氧化-还原反应表现出很强的抗腐 蚀性，并且与金属材料(例如，不锈钢)相比其还具有体积密度低的优点。根据现有技术，当石墨或碳的复合材料被用作分隔器材料时，通常将 诸如热固树脂或者热塑树脂的树脂添加到分隔器材料中，以便通过填充分 隔器的微孔来防止氢气的运动，而且也易于在成型处理中成型。然而，相 对于电子的移动，包含在分隔器中的树脂引起体积电阻的增加，由此使得 燃料电池的性能下降。此外，树脂还会增加电池之间的接触电阻。作为用于减少由分隔器中的树脂引起的电池之间接触电阻增加的示例性方法，欧洲专利公布No. EP1253657A1公开了一种方法，其中在碱性溶 液中蚀刻分隔器流场的凸缘(rib)表面，从而可以去除凸缘表面区域中的 树脂。根据现有技术，使用石墨或碳的复合材料来制造稳定且实用的分隔器 的处理已经非常复杂、产量低并且缺乏效率。因此，如果使用石墨或碳的 复合材料的分隔器可以产生更高的性能且适合大规模生产，则其可保证分 隔器生产成本的大幅降低，进而保证燃料电池生产成本的降低，并且能够 增强分隔器的性能。在本专利技术背景部分中公开的信息仅用于增加对本专利技术背景的理解，而 不应该将其认为是对该信息形成了在本国内的本领域普通技术人员公知的 现有技术的确认或者任何形式的建议。
技术实现思路
因此，本专利技术的提出旨在努力解决上述问题。本专利技术的目的是提供燃 料电池的分隔器及其制造方法，以及包含这种分隔器的燃料电池，提供增强的排水性能、增强的耐用性，并且更适合大规模生产。根据这样的目的，根据本专利技术的燃料电池分隔器是如下的一种用于燃料电池的分隔器，其能够紧密接触燃料电池的MEA (膜电极组)的阳极或 者阴极并且插入流体扩散层，所述分隔器具有流场槽以允许流体在所述分隔器和所述流体扩散层之间流动，其特征在于所述分隔器包括薄片状结构石墨箔；以及通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层。所述薄片状结构石墨箔中包括不锈钢层。优选地，所述不锈钢层表面暴露地插入所述憎水层。优选地，所述石墨箔基本不含有热固树脂或者热塑树脂。优选地，所述石墨箔的体积密度位于1.5 g/cm3到2.0 g/cm3的范围内。优选地，所述石墨箔的厚度位于0.5mm到3mm的范围内。优选地，所述憎水层的厚度位于30 pin到100 pm的范围内。优选地，在所述分隔器中形成至少一个导管；并且，密封件沿着所述至少一个导管的每个圆周以及接触所述流体扩散层的区域与所述分隔器成为一体。优选地，所述密封件分别沿着闭合曲线包围所述至少一个导管中的每 一个导管和接触所述流体扩散层的所述区域。此外，用于制造根据本专利技术的分隔器的方法是如下一种方法，其用于 制造燃料电池的分隔器，所述分隔器能够紧密接触燃料电池的MEA (膜电 极组)的阳极或者阴极并且插入流体扩散层，所述分隔器具有流场槽以允 许流体在所述分隔器和所述流体扩散层之间流动，所述方法包括准备具有预定大小的石墨箔；在所述石墨箔上形成对应于所述流场槽的掩膜图案； 通过蚀刻其上形成有掩膜图案的所述石墨箔，在所述石墨箔上形成所 述流场槽；通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层；以及从所述石墨箔上移除所述掩膜图案。优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造具有用于燃料电池的分隔器的燃料电池的方法，所述分隔器能够紧密接触燃料电池的ＭＥＡ（膜电极组）的阳极或者阴极，并且在所述分隔器和所述阳极或者阴极之间插入流体扩散层，所述分隔器具有流场槽以允许流体在所述分隔器和所述流体扩散层之间流动，所述方法包括：准备具有预定大小的薄片状结构石墨箔；在所述石墨箔上形成对应于所述流场槽的掩膜图案；通过蚀刻其上形成有所述掩膜图案的所述石墨箔，在所述石墨箔上形成所述流场槽；通过浸渍在所述流场槽的内侧面上形成憎水层；以及　从所述石墨箔上移除所述掩膜图案。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金淏硕，洪炳善，辛美男，
申请(专利权)人：燃料电池能量公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]