[發明專利]納米碳纖維、燃料電池、及其形成方法

有效

• 申請號: 200910118321.0
• 申請日: 2009-02-27
• 公開（公告）號: CN101817518A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發明（設計）人: 張孝全;鄭淑蕙;陳琬琡;陳中屏
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;H01M8/10;H01M4/88;H01M4/86;H01M4/96
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 陳紅;徐金國

技術領域

本發明是涉及燃料電池，更特別涉及燃料電池中的氣體擴散層與其形成方法。?

背景技術

請參照圖1，燃料電池(fuel?cell，以下簡稱FC)是由一質子傳導膜11夾于兩塊催化劑層13、氣體擴散層15、雙極板17(bipolar?plate)、集電板18(currentcollector)、與端板19(end?plate)間所組成。質子傳導膜11分隔的兩邊分屬陽極(氫氣或重組氣體或甲醇)與陰極(氧氣或空氣)。陽極進行氧化反應，陰極進行還原反應，當陽極的氫氣(或甲醇)接觸到陽極催化劑13(一般為白金或白金合金)時，會解離成為質子及電子，其中電子會經由銜接陽極與陰極的電橋、與電橋串接的裝置16，自陽極游往陰極，質子則直接自陽極穿越薄膜電極組11到達陰極，特別強調的是此質子傳導膜11為含濕性的薄膜，僅容許質子伴隨水分子穿越，而其它氣體分子均無法穿越。陰極端在催化劑的作用下，經由電橋到達的電子與氧結合成氧離子，與穿越質子傳導膜11的質子合成形成水分子，此即電化學氧化與還原反應。?

應用電化學反應使PEMFC或DMFC發電系統具有效率高、無污染、反應快等特性，并可通過串聯提高電橋電壓或增加電極反應面積以提高電流量，特別是在源源不斷的氧氣(通常使用空氣)供給下，可持續提供電力供給裝置16的需求。在這樣的特點下，燃料電池除了可作為小型系統電力，也可設計成為大型電廠、分布式電力及可移動電力。?

大部份形成氣體擴散層基板的方法為抄紙制備工藝，包含形成碳纖維紙后浸入熱塑性樹脂，接著熱壓處理后再熱碳化上述紙片，最后裁切成適當大小。在JP06-20710A、JP07-32362A、及JP07-220735A中的燃料電池的氣體擴散層的形成方法為碳化樹脂粘合碳纖維。然而上述方法繁復，增加生產成本并降低電池效能。?

美國專利公開號US?2005100498公開以有機高分子化合物粘合不同微米級直徑及毫米級長度的短碳纖維形成碳紙，其碳纖維含量占重量百分比40％以上。此碳紙含浸熱塑型樹酯經熱壓處理后，于1600至2000℃的惰性氣體下加熱制成多孔碳電極。其碳纖維直徑介于4至7微米，碳纖維長度為3-6毫米，其體積密度(bulk?density)介于0.3至0.8g/cm³，其碳纖維穿透電阻率小于10mΩ·cm²，其透氣度為350至6000cm³/cm²/hr/mmAq。由于其切短的碳纖維以PVA纖維粘合后含浸于酚醛樹脂，接著碳化成碳紙，因此紙質較硬。此外，此專利的加工程序多且碳化溫度高(2000℃)。?

在中國專利第CN?1417879號中，公開了以不同微米級直徑與毫米級長度的短碳纖維作為造紙紙漿原料，其含量占重量百分比96％至99％。接著以傳統抄紙法形成紙后作為燃料電池的氣體擴散層。其碳纖維的長度介于0.5至5mm之間，基重為50至150g/m²，碳纖維體積電阻小于20mΩ·cm；碳紙體積電阻小于65mΩ·cm。?

綜上所述，本發明以新的方法制備氣體擴散層可簡化生產步驟及降低生產成本。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種新的形成納米碳纖維的方法，來制備氣體擴散層，以此簡化生產步驟及降低生產成本。?

本發明的另一目的在于提供上述的納米碳纖維，及使用其的燃料電池。?

本發明提供一種形成納米碳纖維的方法，包括提供聚丙烯腈溶液；紡絲聚丙烯腈溶液以形成多條納米纖維；熱氧化納米纖維以形成納米氧纖維；以及碳化納米氧纖維以形成納米碳纖維，其中納米碳纖維迭合成網狀。?

本發明也提供一種形成燃料電池方法，包括提供質子傳導膜；依序形成催化劑層、氣體擴散層、雙極板、集電板、以及端板于質子傳導膜的兩側，即形成燃料電池；其中氣體擴散層包括上述形成納米碳纖維的方法。?

本發明也提供一種納米碳纖維，迭合成網狀，其直徑介于100至800nm之間，且平均纖維直徑介于200至600nm之間。?

本發明更提供一種燃料電池包括質子傳導膜夾設于兩端板間；其中質子傳導膜與端板之間依序為催化劑層、氣體擴散層、雙極板、以及集電板；其中?氣體擴散層包括上述的納米碳纖維。?

本發明的優點在于：本發明的納米纖維具有高導電性，可進一步提升燃料電池的表現性能。?

附圖說明

圖1是已知的燃料電池剖面圖；?

圖2是本發明一實施例中的網狀納米碳纖維的上視圖；?