[发明专利]燃料电池、碳材复合结构与其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别是燃料电池中的气体扩散层及其制备方法。

背景技术

请参照图1，燃料电池(fuel cell，以下简称FC)是由夹在两块触媒层13、气体扩散层15、双极板17(bipolar plate)、集电板18(current collector)与端板19(end plate)之间的一个质子传导膜11所组成。质子传导膜11分隔的两边分别为阳极(氢气或重组气体或甲醇)与阴极(氧气或空气)。阳极进行氧化反应，阴极进行还原反应，当阳极的氢气(或甲醇)接触到阳极触媒13(一般为白金或白金合金)时，会解离成为质子及电子，其中电子会经由衔接阳极与阴极的电桥、与电桥串接的装置16，自阳极游往阴极，质子则直接自阳极穿越质子传导膜11到达阴极，特别强调的是此质子传导膜11为含湿性的薄膜，仅容许质子伴随水分子穿越，而其它气体分子均无法穿越。阴极端在触媒的作用下，经由电桥到达的电子与氧结合成氧离子，与穿越质子传导膜11的质子合成形成水分子，此即电化学氧化与还原反应。

应用电化学反应使质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)发电系统具有效率高、无污染、反应快等特性，并可通过串联提高电桥电压或增加电极反应面积以提高电流量，特别是在源源不断的氧气(通常使用空气)供给下，可持续提供电力供给装置16的需求。在这样的特点下，燃料电池除了可作为小型系统电力，亦可设计成为大型电厂、分布式电力及可移动电力。

大部分形成气体扩散层基板的方法为抄纸制造方法，包含形成碳纤维纸后浸入热塑性树脂，接着热压处理后再热碳化上述纸片，最后裁切成适当大小。在JP06-20710A、JP07-32362A及JP07-220735A中的燃料电池其气体扩散层的制备方法为碳化树脂黏合碳纤维。然而上述方法繁冗，增加生产成本并降低电池效能。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种碳材复合结构，包括纳米碳纤网层；以及微米碳纤网层，叠合至纳米碳纤网层上。

本发明的另一个实施例提供了一种燃料电池，包括夹设于两端板间的质子传导膜；其中质子传导膜与端板之间依序为触媒层、气体扩散层、双极板以及集电板；其中气体扩散层包括上述的碳材复合结构。

本发明的又一个实施例提供了一种碳材复合结构的制备方法，包括提供纳米高分子纤维网；热氧化纳米高分子纤维网，形成纳米氧纤网；叠合纳米氧纤网与微米氧纤网后，浸入树脂；氧化树脂；高温碳化纳米氧纤网、微米氧纤网与氧化的树脂，以形成碳材复合结构。

附图说明

图1是现有的燃料电池剖面图；以及

图2是本发明的一个实施例中，碳材复合结构的SEM切面照片。

【主要组件符号说明】

11～质子传导膜；

13～触媒层；

15～气体扩散层；

16～装置；

17～双极板；

18～集电板；

19～端板；

20～碳材复合结构；

21～纳米碳纤网；

23～微米碳纤网。

具体实施方式

本发明提供一种碳材复合结构的制备方法。首先，提供微米氧纤网。在本发明的一个实施例中，微米氧纤网可为市售的微米碳纤网如Toray-090或SGL-35EC高温氧化后的产物。在本发明的另一个实施例中，可取直径为微米等级的氧化碳纤维以针扎、抄纸或编织方式形成无纺布、抄纸或编织布，即微米氧纤网。在本发明的一个实施例中，可进一步薄化成型微米氧纤网，薄化成型的方式可以是热压薄化。

接着将高分子如聚丙烯腈、沥青纤维或酚醛纤维溶于极性溶剂以形成高分子溶液。适用于溶解高分子的极性溶剂可为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙胺、二甲基亚砜，其浓度约介于5重量％至30重量％之间。接着纺丝上述高分子溶液形成多条纳米高分子纤维叠合(非交织)成网状，纤维直径介于100至800nm之间。纺丝法可为放电纺丝法或溶液喷丝法。放电纺丝法的施加电压为20至50kV，而溶液喷丝法的纺嘴气体压力介于1-5kg/cm²。越强的施加电压及纺嘴气体压力所形成的纳米纤维越细，而越低浓度的高分子溶液所形成的纳米纤维越细。