[發明專利]燃料電池、碳材復合結構與其制備方法

有效

• 申請號: 201110221743.8
• 申請日: 2011-07-19
• 公開（公告）號: CN102873946A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 陳琬琡;韓姿嫻;鄭淑蕙
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: B32B27/04
• 分類號: B32B27/04;H01M8/02
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉

技術領域

本發明涉及燃料電池，特別是燃料電池中的氣體擴散層及其制備方法。

背景技術

請參照圖1，燃料電池(fuel?cell，以下簡稱FC)是由夾在兩塊觸媒層13、氣體擴散層15、雙極板17(bipolar?plate)、集電板18(current?collector)與端板19(end?plate)之間的一個質子傳導膜11所組成。質子傳導膜11分隔的兩邊分別為陽極(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)接觸到陽極觸媒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質子傳導膜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。陰極端在觸媒的作用下，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。

應用電化學反應使質子交換膜燃料電池(PEMFC)或直接甲醇燃料電池(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，亦可設計成為大型電廠、分布式電力及可移動電力。

大部分形成氣體擴散層基板的方法為抄紙制造方法，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中的燃料電池其氣體擴散層的制備方法為碳化樹脂黏合碳纖維。然而上述方法繁冗，增加生產成本并降低電池效能。

發明內容

本發明的一個實施例提供了一種碳材復合結構，包括納米碳纖網層；以及微米碳纖網層，疊合至納米碳纖網層上。

本發明的另一個實施例提供了一種燃料電池，包括夾設于兩端板間的質子傳導膜；其中質子傳導膜與端板之間依序為觸媒層、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碳材復合結構。

本發明的又一個實施例提供了一種碳材復合結構的制備方法，包括提供納米高分子纖維網；熱氧化納米高分子纖維網，形成納米氧纖網；疊合納米氧纖網與微米氧纖網后，浸入樹脂；氧化樹脂；高溫碳化納米氧纖網、微米氧纖網與氧化的樹脂，以形成碳材復合結構。

附圖說明

圖1是現有的燃料電池剖面圖；以及

圖2是本發明的一個實施例中，碳材復合結構的SEM切面照片。

【主要組件符號說明】

11～質子傳導膜；

13～觸媒層；

15～氣體擴散層；

16～裝置；

17～雙極板；

18～集電板；

19～端板；

20～碳材復合結構；

21～納米碳纖網；

23～微米碳纖網。

具體實施方式

本發明提供一種碳材復合結構的制備方法。首先，提供微米氧纖網。在本發明的一個實施例中，微米氧纖網可為市售的微米碳纖網如Toray-090或SGL-35EC高溫氧化后的產物。在本發明的另一個實施例中，可取直徑為微米等級的氧化碳纖維以針扎、抄紙或編織方式形成無紡布、抄紙或編織布，即微米氧纖網。在本發明的一個實施例中，可進一步薄化成型微米氧纖網，薄化成型的方式可以是熱壓薄化。

接著將高分子如聚丙烯腈、瀝青纖維或酚醛纖維溶于極性溶劑以形成高分子溶液。適用于溶解高分子的極性溶劑可為N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙胺、二甲基亞砜，其濃度約介于5重量％至30重量％之間。接著紡絲上述高分子溶液形成多條納米高分子纖維疊合(非交織)成網狀，纖維直徑介于100至800nm之間。紡絲法可為放電紡絲法或溶液噴絲法。放電紡絲法的施加電壓為20至50kV，而溶液噴絲法的紡嘴氣體壓力介于1-5kg/cm²。越強的施加電壓及紡嘴氣體壓力所形成的納米纖維越細，而越低濃度的高分子溶液所形成的納米纖維越細。