[发明专利]燃料电池隔板材料及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池隔板材料(例如聚合物电解质燃料电池)及其制造工艺。

背景技术

燃料电池以高转换效率将燃料的化学能直接转换成电能。例如，聚合物电解质燃料电池可以在较低的温度下输出高功率。因此，期待聚合物电解质燃料电池可成为小型的便携式电源，例如汽车电源。

聚合物电解质燃料电池包括由单电池层叠而成的电池组(stack)，以及电池组外侧设置的两个集电体等，该单电池各自包括电解质膜、负载有诸如铂等催化剂的催化剂电极、隔板等，其中，该电解质膜由具有磺酸基的氟树脂离子交换膜等聚合物离子交换膜构成；所述负载有诸如铂等催化剂的催化剂电极设置在电解质膜的两侧；而在所述隔板上设置了用于向电极供应燃料气体(如氢)或氧化剂气体(如氧气或空气)的气体供应凹槽。

如图1所示，单电池包括一对电极3和4(阴极3和阳极4)、隔板1和橡胶密封材料6；所述电极3和4置于由氟树脂离子交换膜构成的电解质膜5的两侧；隔板1由致密的碳材料构成，并在其中设置了电极3和4；橡胶密封材料6设置在与气体凹槽平行的隔板端部上。电极3、4由多孔质体构成，该多孔质体构由负载了铂等催化剂的炭短纤维构成，所述负载了铂等催化剂的炭短纤维是通过用树脂等粘接负载了催化剂的炭黑制得的产物。

隔板1中形成了多个凹槽2。在凹槽2与阴极3之间形成的空间作为氧化剂气体(如氧气或空气等含氧气体)的通路，在凹槽2与阳极4之间形成的空间作为燃料气体(例如，氢气或以氢气作为主成分的混合气体)的通路。利用燃料气体和氧化剂气体与电极接触时发生的化学反应，使电流于电极间流动。通过层叠数十至数百层单电池组装成电池组。

燃料电池的发电机理如下所示。具体而言，当供应至电池阳极的燃料气体(如氢气)和供应至电池阴极的氧化剂气体(如氧气)与电极接触时发生如下反应，且反应所生成的电子(e^-)以电能形式向外迁移。

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总反应：H₂+(1/2)O₂→H₂O

因此，由于必需使燃料气体和氧化剂气体完全独立地供应至电极，所以，要求隔板具有优异的气密性。另外，为了提高发电效率，其可以有效减小电池的内阻，因此在要求隔板缩减厚度的同时还要求高的导电性。

通过组装电池组，使各单电池紧密地粘附，并在发电过程中保持良好的接触状态，以防止隔板与电极之间的接触电阻的增加，同时防止单电池间的气体渗漏或单电池向外渗漏气体对于提高电池的性能是很重要的。具体而言，为使组装时不发生破损或缺陷，隔板材料必需具有高强度，而且，即使在电池的工作温度(约80～120℃)下隔板材料仍必需具有足够的强度。

满足上述特性的碳质材料适合作为隔板材料。石墨材料的可加工性和密封性低，且气密性不足。玻璃碳材料具有致密的质地和优异的气密性，然而，由于其硬度高且脆，其机械性差。

因此，碳和通过使用热固性树脂(粘合剂)与碳粉(如石墨)粘合，将所得产品成型制得的固化树脂成型品已被适合地作为隔板材料。各种有关这种碳和固化树脂成型品的发明已被广泛报导。

例如，JP-A-2000-021421公开了一种聚合物电解质燃料电池用隔板元件及其制造工艺，其中所述隔板元件由石墨和固化树脂成型品构成，所述固化树脂成型品为板状成型品，其含有由60～85wt％石墨粉和15～45wt％热固性树脂，该石墨粉具有平均粒径为50μm或以下且最大粒径为100μm或以下的粒度分布，且其面方向电阻为300×10^-4Ω·cm或以下，厚度方向电阻/面方向电阻的比率为7或以下，挠曲强度为300kgf/cm²或以上。

JP-A-2000-243409公开了一种聚合物电解质燃料电池用隔板元件及其制造工艺，其中所述隔板元件由碳和固化树脂成型品构成，所述固化树脂成型品含有40～90wt％碳粉和10～60wt％热固性树脂，其在室温下的挠曲强度为30MPa或以上，且从室温至100℃的挠曲强度降低率为30％或以下。