[发明专利]燃料电池隔板,其制备方法及包括该隔板的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明的各方面涉及燃料电池系统，更具体地涉及用于燃料电池的隔板，该隔板可以平稳地供给氧化剂和燃料，并可容易地释放燃料电池电化学反应期间产生的反应产物，从而可改进燃料电池的性能；以及制备该隔板的方法；和包括该隔板的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是通过氧化剂和烃类物质中的氢进行电化学氧化还原反应产生电能的发电系统，所述烃类物质例如甲醇、乙醇或天然气。这样的燃料电池是一种能替代化石燃料的清洁能源。燃料电池典型地包括由单位电池组成的电池堆，并产生各种范围的功率输出。由于典型的燃料电池具有小型锂电池四到十倍的能量密度，已重点用作小型便携能源。

典型的示例性的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池可以是以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池。

聚合物电解质燃料电池虽然具有高能量密度的优点，但缺点在于需要谨慎处理氢气，并需要辅助设备，例如用于重整甲烷或甲醇、天然气等以产生作为燃料气的氢气的燃料重整处理器。

相反，直接氧化燃料电池的能量密度比聚合物电解质燃料电池低，但是它的优点是燃料易于处理，并且由于其较低的操作温度因而可在室温下操作，而且不需额外的燃料重整处理器。

在上述燃料电池中，发电的电池堆基本包括几个到几十个在多层中堆叠的单元电池。每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)形成。膜电极组件由阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)构成，该阳极和阴极被聚合物电解质膜分隔。

燃料被提供到阳极并吸附在阳极催化剂上，该燃料被氧化以产生质子和电子。电子通过外部电路移动到阴极，质子则通过聚合物电解质膜也移动到阴极。此外，氧化剂被提供到阴极，然后氧化剂、质子和电子在阴极催化剂上反应产生电流和水。

发明内容

本发明的若干方面和实施方式提供一种用于燃料电池的隔板，该隔板可通过顺利释放在燃料电池的电化学反应期间产生的反应产物来平稳地供给氧化剂和燃料，从而改进燃料电池的特性；还提供一种制造该隔板的方法；以及一种包括该隔板的燃料电池系统。

根据本发明示例性的实施方式，提供一种用于燃料电池的隔板，该隔板包括基片，该基片包括液流沟槽和设置在液流沟槽上的表面处理层。当用水测定时，该表面处理层具有30°或更小的接触角。该实施方式的一个方面中，接触角为小于等于20°。

该表面处理层包括含有选自由氧、氮、硫及其组合所组成组中的元素的亲水官能团。所述亲水官能团的例子包括至少一个选自由羟基(OH)、氨基(NH₂)、羧基(COOH)、羰基(CO)、磺酸基(SO₃H)、烷氧基及其组合所组成的组中的官能团。

所述基片由至少一种选自由金属、石墨、碳-树脂复合材料及其组合所组成组中的材料制成。该基片可用选自如下组中的方法进行表面预处理：使用放射线的极化、氧化、沙纸处理、电晕处理(corona treatment)、摩擦、压制及其组合。

根据本发明另一个示例性的实施例，提供一种用于燃料电池的隔板的制备方法，该方法包括：在基片上形成液流沟槽；在该液流沟槽上用含有具有亲水官能团的硅烷化合物的组合物形成表面处理层；和洗涤并干燥该包括表面处理层的基片。

该基片可用选自如下组中的方法进行表面预处理：使用放射线的极化、氧化、沙纸处理、电晕处理、摩擦处理、压制及其组合。在本发明的一个示例性的实施方式中，包括在酸处理后进行紫外线辐照的氧化处理可为适合的预处理。

具有亲水官能团的硅烷化合物由如下化学式1表示：

[化学式1]

X-Si(R¹)₃

在上述化学式1中，X是含有选自由氧、氮、硫及其组合所组成组中的元素的亲水官能团，或被所述该亲水官能团取代的烷基基团；R¹是氢、烷基基团、烷氧基基团或卤素。

X可为至少一个选自由羟基(OH)、氨基(NH₂)、羧基(COOH)、羰基(CO)、磺酸基(SO₃H)、烷氧基及其组合所组成的组中的亲水官能团，或被所述该亲水官能团取代的烷基基团。

具有亲水官能团的硅烷化合物包括至少一个选自由3-氨基烷基三烷氧基硅烷、2-(羧基烷基硫代)烷基三烷基硅烷、(3-六氟烷氧基)烷基三卤代硅烷及其组合所组成组中的化合物。该含有亲水官能团的硅烷化合物的浓度为5～500mmol/L。