[发明专利]亲水性无机聚集体、制备其的方法、包含其的亲水性组合材料及用于燃料电池的双极板

说明书

技术领域

本发明涉及一种亲水性无机聚集体、包含其的亲水性组合材料、包含其的燃料电池双极板、及制备其的方法。更具体地，本发明涉及一种亲水性无机聚集体及制备该亲水性无机聚集体的方法，其适用于制造具有改良导电性与亲水性的燃料电池双极板。此外，本发明涉及分别包含该亲水性无机聚集体的亲水性组合材料及燃料电池双极板。

背景技术

燃料电池为一种发电系统，其经由烃物质(例如甲醇或天然气)中所含氢(H₂)与空气中氧(O₂)之间的电化学反应，而将化学能直接转换成电能。燃料电池为一种高效清洁能量转换器，其在无任何燃烧下，利用由燃料气与氧化气(oxidizing gas)之间的电化学反应所产生的电，以及作为其副产物的热。燃料电池由于其高效率能量转换及环境友好(即，远离污染)的优势，已吸引相当多注意以作为下一代能源。

这样的燃料电池，例如高分子电解质膜燃料电池(PEMFC)可包括由高分子(聚合物)电解质膜(也称为“质子交换膜”)组成的膜电极组件，及布置在高分子电解质膜相对侧的各个负极与正极气体扩散层，作为电极。而且，燃料电池可包括分别沉积在膜电极组件相对侧上(即正极与负极)的燃料电池负极与正极双极板。

燃料电池的主要操作机制将在以下说明。

包括氢(H₂)的燃料气由在负极双极板中的气流通道供应。作为燃料气的氢(H₂)在正极失去电子且变成氢离子。氢离子移动穿过高分子电解质膜至正极。从氢释放的电子也经由外部电路被传入负极。同时，包括氧(O₂)的氧化气由在负极双极板中的气流通道供应。氧化气由电子还原以变成氧离子(O^2-)。氧离子与被传入负极的氢离子(H⁺)在经由高分子电解质膜反应以产生水(H₂O)。该水与剩余的氧化气一起，经由在负极双极板中的气流通道排放。在重复的电化学反应过程中，电子流过外部电路，由此产生电。

在燃料电池中，为导电板之一的双极板传输燃料气、氧化气、以及由电化学反应所产生的电子和水。另外，双极板支持全部的燃料电池堆。已知双极板必须具有理想水平的导电性及弯曲强度。

为了确保在正极产生的氢离子有利地移动，氢离子的湿度必须连续不断地调整至理想水平。另外，高分子电解质膜的湿度必须维持理想水平。为了维持湿度，双极板的亲水化可有利地影响氢的离子导电性。高分子电解质膜具有对热易损性的缺点。因此，燃料电池在相对高温下操作的情况下，除了其高分子电解质膜外，燃料电池的双极板优选进行亲水化以针对高温保护高分子电解质膜。

在电极化的燃料气转移穿过双极板中的气流通道的情况下，燃料气、极性水、及来源于由双极板所组成的聚合物的剩余离聚物(离子交联聚合物，ionomer)聚集在一起，由此提高流动通道的流体流动阻力，即水锤(water slug)。水锤引起沉淀物形成，由此使流动通道阻塞。然而，双极板的亲水化引起水薄膜在流动通道表面上形成，由此阻止水锤发生。在亲水化双极板中，从正极导入的氢离子中的湿气在负极上形成水滴，由此抑制妨碍氧化气流的水滴效应，并使水由于水膜形成能够而通过负极双极板中的气流通道有利地排放。

基于上述优势，有关于双极板的亲水化已有重复的尝试与研究。其中，已建议将亲水性无机材料简单添加至双极板。在这种情况下，添加无机材料造成双极板导电性的恶化。而且，已建议在双极板中使用以亲水性有机材料(例如磺酸)表面改性的碳黑。然而，这种双极板难以在连续不断发生的一系列氧化与还原的燃料电池内部中确保亲水性无机材料的化学稳定性。随着时间流逝，亲水性无机材料经历与碳黑分离或化学变异，由此造成双极板亲水性或导电性的恶化。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种亲水性无机聚集体，其包含：杂交颗粒，该杂交颗粒具有其中碳黑颗粒嵌入在亲水性无机颗粒表面上的结构。

在亲水性无机聚集体中，亲水性无机材料可选自由二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、及其混合物所组成的组。

碳黑颗粒的直径可以为亲水性无机颗粒直径的1/500至1/10。

根据本发明的另一个方面，提供一种制造亲水性无机聚集体的方法，该方法包括通过在亲水性无机颗粒的表面上对碳黑颗粒施加物理力而形成杂交颗粒，以使碳黑颗粒嵌入在亲水性无机颗粒的表面上。

在制造亲水性无机聚集体中，杂交颗粒的形成可通过亲水性无机颗粒与碳黑颗粒之间的颗粒杂交作用进行。