CN102437301A

CN102437301A - 用于聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板及其制造方法

Info

Publication number: CN102437301A
Application number: CN2010106217894A
Authority: CN
Inventors: 李大吉; 庾哈纳; 金炳澈; 金富基; 林俊佑; 徐正焘
Original assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: US8748055B2; US20140242497A1; KR20120032749A; CN102437301B; US20120077107A1; KR101173059B1; US9147889B2

Abstract

本发明提供一种聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的复合隔板及其制造方法。该创造性方法包括当石墨箔被堆叠在碳纤维强化复合材料预浸料的两侧时，使石墨箔层彼此直接接触，因而提高隔板沿厚度方向的导电性能。

Description

用于聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板及其制造方法

技术领域

本申请涉及用于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的复合隔板。本申请更具体涉及用于PEMFC的复合隔板及其制造方法。该创造性方法包括当石墨箔被堆叠在碳纤维强化复合材料预浸料的两侧时，使石墨箔层彼此直接接触，因而提高隔板沿厚度方向的导电性能。

背景技术

一般而言，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气和氧气(或空气)作为反应气体、通过电化学反应产生电，且同时产生热和水的装置。PEMFC具有很多优势，例如，高能量效率、高电流密度、高功率密度、短启动时间和相比于其他类型燃料电池对负载变化的快速反应。基于这些原因，它可用于多种应用，例如，零排放车辆的能源、独立能量装置、便携式能量源、军事能源，以及其他应用。

图1示出一种常规燃料电池组，具体描述如下：

常规燃料电池组包括膜电极组件(MEA)，其位于燃料电池组的每个单元电池的中心。MEA包括通过氢离子(质子)传输的固体聚合物电解质膜60，和位于固体聚合物电解质膜60两侧的电极/催化剂层。电极/催化剂层可包括空气电极(阴极)61和燃料电极(阳极)62，氢气和氧气在其中发生电化学反应。

此外，气体扩散层(GDL)40和垫片41依次叠置在阴极60和阳极62所在的MEA的两侧上。隔板30，包括提供燃料并排出反应产生水的流场，位于GDL40的外侧上。用于支撑上述组件的端板50与其两端连接。

因此，在燃料电池组的阳极62，氢气通过氧化反应离解为氢离子(质子，H⁺)和电子(e^-)。氢离子和电子分别穿过电解质膜60和隔板30传输到阴极61。在阴极61，通过从阳极62传输的氢离子和电子的电化学反应产生水。空气中的氧气同时参与，电子流动产生电流。

在上述燃料电池组中，隔板分隔燃料电池的单元电池，同时，作为单元电池之间的电流通道。隔板上形成的流场作为用来提供氢气和氧气的通道，并排出反应所产生的水。

由于反应所产生的水阻碍了在燃料电池电解质膜中的化学反应，因此应该将水迅速排到外部。因此，隔板材料可具有较大的表面能以使水能迅速地铺满隔板表面(亲水性)，也可具有较小的表面能以使水从隔板表面滚落(疏水性)。因此，有必要使流场的亲水性或疏水性最大，以便使隔板之间的电接触电阻最小，从而利于产物水的循环。

考虑到这些因素，常规隔板由石墨、薄不锈钢板或由膨胀碳颗粒或石墨颗粒与聚合物基质混合得到的复合材料制成。

相比之下，不锈钢板的电阻显著低于石墨的电阻。

然而，由于电接触电阻与接触面积、压力和刚度有关，因此石墨的电接触电阻低于不锈钢的电接触电阻。然而，石墨在满足隔板在电和化学方面条件的同时，却容易因受冲击而损坏并且难以处理。

因此，可改进电、化学和机械性能的连续碳纤维复合隔板，是本领域的一个进步。此外，需要一种燃料电池用隔板的制造方法，其可减小单元电池之间的接触电阻，这是最重要的电性能之一，并且控制连续碳纤维复合隔板的表面能以方便排出反应产生的水。

背景部分公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员已知的背景技术的信息。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题而提出本发明。因此，本发明提供一种用于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的复合隔板以及制造方法。根据本发明，当石墨箔被堆叠在碳纤维强化复合材料预浸料的两侧时，使石墨箔层通过位于因挤压膨胀石墨而形成的石墨箔之间的复合材料层中形成的多个孔，彼此直接接触。这种布置减小碳纤维强化复合材料的电接触电阻，增大石墨箔的亲水性，并改善隔板厚度方向的导电性。

一方面，本发明提供一种用于聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板，该隔板包括：包含多个孔的碳纤维强化复合材料；石墨箔，具有与碳纤维强化复合材料相同的尺寸并被堆叠在所述碳纤维强化复合材料的两侧；和连接部，由于石墨箔的一部分被填充到多个孔中而形成在碳纤维强化复合材料的每个孔中，从而导电地连接被堆叠在碳纤维强化复合材料两侧的石墨箔。

在一个优选实施方式中，当在高温和高压下挤压碳纤维强化复合材料和石墨箔时，利用石墨箔沿着厚度方向的变形使连接部填充到碳纤维强化复合材料的每个孔中。

在另一个优选实施方式中，多个孔可以形成在碳纤维强化复合材料的边缘上，该边缘与垫片所接合到的石墨箔的外表面相对应。

另一方面，本发明提供一种用于制造聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板的方法，该方法包括：提供预浸料形式的包含多个孔的碳纤维强化复合材料，和具有与碳纤维强化复合材料相同的尺寸的石墨箔；将石墨箔堆叠在碳纤维强化复合材料的两侧，并在其两端形成空气/氢气/冷却剂供应歧管；通过施加用于形成通道的高温和高压模具，在每个石墨箔的外表面上形成通道；以及通过在形成通道过程中所施加的高温和高压，使得由于石墨箔的一部分被填充到多个孔中，而在碳纤维强化复合材料的每个孔中形成连接部，其中堆叠在碳纤维强化复合材料两侧的石墨箔彼此导电地连接。

在一个优选实施方式中，当将碳纤维强化复合材料的少量过剩树脂渗透到石墨箔中时，碳纤维强化复合材料与石墨箔彼此机械连接。

后面将讨论本发明的其他方面和优选实施方式。

应当理解，在本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆(诸如包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车辆在内的客车)、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它替代燃料车(例如从除石油之外的能源中获得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车是指具有两种或者多种动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。

本发明的方法和装置还具有其他特征和优点，其在合并与此的附图和下面的具体实施方式中变得明显或被更详细描述，与具体实施方式一起用来解释本发明的基本原理。

附图说明

现在将参考通过附图示出的本发明的某些典型实施方式来详细描述本发明的上述及其它特征，其中附图将在下文中仅通过例证的方式给出，并且因此并非对本发明进行限制，其中：

图1是示出常规燃料电池组的结构的示意图；

图2是示出根据本发明一个优选实施方式的燃料电池隔板制造方法的示意图；

图3是电显微图像，示出构成根据本发明一个优选实施方式的构成燃料电池隔板的连续碳纤维强化复合材料与石墨箔之间的连接部的横截面；

图4是示出根据本发明一个优选实施方式的与垫片接合的燃料电池隔板的示意图。

附图中所列附图标记表示包括如下标记的部件：

10：碳纤维强化复合材料

11：石墨箔 12：形成通道的热压机

13：歧管 14：通道

15：连接部件 16：孔

17：垫片 30：隔板

40：气体扩散层 41：垫片

50：端板 60：聚合物电解质膜

61：阴极 62：阳极

应当理解，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由期望的特定应用和使用环境来确定。

附图标记在图中全部几个图形中，表示本发明相同或等同的部件。

优选实施方式

下面将详细参考本发明的多个实施方式，在附图和下文的描述中将示出这些实施方式的具体实施例。尽管将结合典型的实施方式对本发明进行描述，然而应该理解这些描述并不试图将本发明限制在这些典型的实施方式上。相反，本发明不仅涵盖典型实施方式，还涵盖包括在由权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种变型、改进、等价及其它实施方式。

为了更好地理解本发明，在下面的表1中对用来制备本发明燃料电池隔板所用的连续碳纤维强化复合材料和石墨，以及诸如炭粉复合材料和不锈钢(SUS)等其他材料的参数进行比较：

表1

如表1所示，本发明所使用的连续碳纤维强化复合材料具有下列优点：(1)其比重约为金属材料(SUS)的四分之一，因此有助于减轻重量；(2)可减小板自身的厚度，增大单位体积的反应面积，因而增大能量密度；(3)耐压强度和耐腐蚀强度满足要求；(4)隔板最外层表面上形成的石墨具有高导热性和非常低的接触电阻；以及(5)具有高表面能(亲水性)以迅速将反应产生的水排到外面，这样可减少电流损失，因此显著提高燃料电池的效率。

基于以上发现，本发明旨在提供一种具有优秀导电性能的复合隔板，通过使石墨箔层通过在介于石墨箔层之间的复合材料层中形成的多个孔彼此直接接触来制成。当置于复合层任一侧的膨胀石墨箔层被挤压时，石墨箔层彼此直接接触，这导致覆盖复合材料上的多个孔的石墨箔的一部分局部变形进入孔中，在其中形成石墨箔的连接部。通过复合材料，这些石墨连接部形成从一箔到另一箔的导电通路。

因此，在一个实施方式中，本发明提供一种用于聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板，其中复合材料层与石墨层之间的界面电阻减小。当膨胀石墨被挤压至复合材料的任一侧上使石墨材料的一部分局部变形或膨胀进入复合材料的孔中时，使石墨箔层局部彼此直接接触。石墨箔层因而通过复合材料中的孔形成连接点，从而降低碳纤维强化复合材料的电接触电阻，并增大隔板表面的亲水性，以利于反应产生水的循环，因而降低能量损耗。

图2示出本发明的一个实施方式。如这里所示，提供预浸料形式的碳纤维强化复合材料10。复合材料包含沿边缘定间隔形成的多个孔16。还提供具有与复合材料相同尺寸的石墨箔11，将其堆叠在碳纤维强化复合材料10的两侧。

当石墨箔11堆叠在碳纤维强化复合材料10的两侧时，可采用冲压模具在其两端形成作为空气/氢气/以及冷却剂供应通道的歧管13。然后，可以利用用来形成通道的热压机12，在每个石墨箔11的外表面上形成用于空气/氢气/冷却剂流动的通道14。

这样，通过热压机12施加的高温压力将石墨箔11接合到碳纤维强化复合材料10。同时，石墨箔11的一部分局部变形并/或膨胀以从碳纤维强化复合材料10的两侧填充孔16，使得堆叠在碳纤维强化复合材料10两侧的石墨箔11彼此直接接触。

即，当利用热压机12在高温和高压下挤压碳纤维强化复合材料10和石墨箔11时，石墨箔11的一部分因石墨箔11在每个孔上沿着厚度方向变形而被填充到碳纤维强化复合材料10任一侧的孔16中，因而在碳纤维强化复合材料10的每个孔16中形成连接部15。因此，被接合到碳纤维强化复合材料10两表面上的石墨箔11通过连接部15彼此导电地连接。

同时，如图4所示，保持气密性的垫片17可与每个石墨箔11的边缘接合。因此，优选地，其中被石墨箔11的连接部15填充的多个孔16，沿着与垫片17接合的碳纤维强化复合材料10的边缘形成。这样做的原因在于，在紧固燃料电池组时，垫片17上用于固定燃料电池组的表面压力明显增大。并且，如果石墨箔11的连接部15位于垫片17上，则石墨箔11之间的接触电阻减小，因而增大导电性。

下面将参照图2进一步详细描述具有上述结构的本发明聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板的制造方法。

首先，提供预浸料形式的碳纤维强化复合材料10，其中利用热固性聚合物粘结剂将具有大约7μm直径的连续碳纤维粘结在一起。此外，提供石墨箔11。

在此，预浸料形式的碳纤维强化复合材料10包括沿边缘形成的多个孔16，之后垫片被接合到该边缘上。

将石墨箔11堆叠在碳纤维强化复合材料10的两侧，并对其进行冲压处理以在其两端形成空气/氢气/冷却剂供应歧管13。如此形成的具有叠层形式的隔板，其中形成空气/氢气/冷却剂供应歧管13。

接着，将叠层形式的隔板布置在热压机12上以形成通道，其中在上、下模上形成用于形成通道的图案(pattern)，施加大约150-200℃的高温以及约1-30MPa的高压，以便在石墨箔11的外表面上形成用于空气/氢气/和冷却剂供应路径的通道14。然后，可以对所得到的碳纤维强化复合材料10进行固化，该复合材料10与所得到的石墨箔11接合在一起。

在此，由于利用热压机12向隔板施加高温和高压以形成通道，因此碳纤维强化复合材料10和石墨箔11在边缘间彼此互相连接(如图3所示)。

更具体地，图3所示，碳纤维强化复合材料10的少量过剩树脂被渗透到堆叠在碳纤维强化复合材料10最外层表面上的石墨箔11中，使得彼此机械接合，同时，在隔板的最外层表面上形成石墨层。

由于石墨箔11局部变形并被填充到多个孔16中，因此使连接部15形成在复合材料10的孔16中。因此，与碳纤维强化复合材料10的两个表面均接合的石墨箔11通过形成在每个孔16中的连接部15彼此直接接触。

通常，由于在热压挤压过程中，石墨箔在厚度方向上的变形高达43％，因此在碳纤维强化复合材料10的孔16中形成连接部15。因而，如图4的放大图所示，石墨箔11通过连接部15彼此直接接触，由此形成导电通路。

因此，可减小碳纤维强化复合材料10与石墨箔11之间的界面电阻和电接触电阻，并且由于置于其上的石墨箔具有高表面能，因而有助于反应产生水的循环而增大隔板表面的亲水性，因此减少能量损失。

如上所述，本发明具有以下效果：

根据本发明，石墨箔以此方式被接合到碳纤维强化复合材料的两侧，即石墨箔的一部分被填充到形成于碳纤维强化复合材料中的多个孔中，使石墨箔彼此直接接触，由而减小电阻并增大隔板表面的亲水性，因而有利于去除燃料电池组中因反应产生的水。

上面已经参照优选实施方式对本发明进行详细说明。然而，本领域技术人员应理解，在不背离本发明的原理和主旨的情况下，还可以对这些实施方式进行修改，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等效物来限定。

Claims

1.一种用于聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板，所述隔板包括：

包含多个孔的碳纤维强化复合材料；

石墨箔，具有与所述碳纤维强化复合材料相同的尺寸并被堆叠在所述碳纤维强化复合材料的两侧；和

连接部，由于所述石墨箔的一部分被填充到所述多个孔中而形成在所述碳纤维强化复合材料的每个孔中，从而导电地连接被堆叠在所述碳纤维强化复合材料两侧的石墨箔。

2.如权利要求1所述的隔板，其中当在高温和高压下挤压所述碳纤维强化复合材料和石墨箔时，利用所述石墨箔沿着厚度方向的变形使所述连接部填充到所述碳纤维强化复合材料的每个孔中。

3.如权利要求1所述的隔板，其中所述多个孔形成在所述碳纤维强化复合材料的边缘上，所述边缘与垫片所接合到的所述石墨箔的外表面相对应。

4.一种用于制造聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板的方法，所述方法包括：

提供预浸料形式的包含多个孔的碳纤维强化复合材料，和具有与所述碳纤维强化复合材料相同的尺寸的石墨箔；

将石墨箔堆叠在所述碳纤维强化复合材料的两侧，并在其两端形成空气/氢气/冷却剂供应歧管；

通过施加用于形成通道的高温和高压模具，在每个所述石墨箔的外表面上形成通道；以及

通过在形成通道过程中所施加的高温和高压，使得由于所述石墨箔的一部分被填充到所述多个孔中，而在所述碳纤维强化复合材料的每个孔中形成连接部，其中堆叠在所述碳纤维强化复合材料两侧的所述石墨箔彼此导电地连接。

5.如权利要求4所述的方法，其中当将所述碳纤维强化复合材料的少量过剩树脂渗透到所述石墨箔中时，所述碳纤维强化复合材料与所述石墨箔彼此机械连接。