[发明专利]流场板

说明书

本发明涉及用于包含流体电解质的燃料电池、电解槽和电池的流场板及其制备。

燃料电池是把化学能直接转变成电能的电化学装置。燃料电池采用包括阳极和阴极的电极、常支撑在电极上的电催化剂以及电解质。燃料和氧化剂分别供给阳极和阴极。

固体聚合物燃料电池(SPFC)采用薄膜电极组件(MEA)，由具有外加的电催化剂层的固体聚合物电解质组成，该电催化剂层夹在两个导电板之间，导电板具有穿过电极活性区分布燃料和氧化剂的流体流场。这些流场板也公知为集电板或双极板，可为MEA额外提供机械支撑。流体孔道形成在流场板表面上，以引导燃料和氧化剂分别流向流体流场。流场板中的流体排除孔道能够清除未反应的燃料和氧化剂以及在阴极形成的反应产物(例如氧/氢燃料电池中的水)。

燃料电池的性能部分取决于把燃料和氧化剂有效供给电极以及电池运行期间反应产物的有效清除。因此，流场板上的流场设计和制备是燃料电池最佳运行的重要条件。

对于大多数应用，燃料电池可串联连接，形成“叠层”，从而提高电压输出。电池之间的流场板可以是双极性，从而在板的相对表面上经流场分别分布燃料和氧化剂。在叠层中，流场板应不能透过反应物，以防止相邻电池之间的干扰。

用于燃料电池叠层中的流场板由多种材料组成。该材料需要如下性能：

i)与电解质的化学相容性；

ii)低电阻率(接触电阻和体电阻)，以便降低能量损耗；

iii)不能透过H₂和O₂

iv)板容易制备

v)重量轻；和

vi)有足够强度，可承受加工和高冲压。

有报道碳基流场板用于低温燃料电池特别是SPFC。碳是该应用的优良材料，具有优良的化学耐性、低密度和高的导电以及导热性。

利用模压，用片状石墨来制备流场板，其上凸起流体流动结构。例如，US5521018提供了细粒石墨(GRAFOIL)制备的流场板。

US4301222和EP784352描述了应用树脂以形成板，机械强度得到改善，但这些绝缘树脂会降低板的整体导电率，导致燃料电池叠层的损耗增大。在另一发明中，碳纤维已加入到聚合物/石墨材料中，提高板强度和导电率。然而，US4339322所公开的板的电阻系数远远高于只由石墨制备的板。

如US5686199所述，可加工细粒石墨板，形成流体流动图案。然而，由于该材料的机械强度低，这些板厚得令人难于接受。同时，在碳板上加工流体流场是个慢工序，该材料对工具磨损快。与标准碳材料相比，碳纤维复合材料更耐磨，更易损伤切割工具。由于采用高价的专业设备，应避免这些材料。

因此，对于由理想材料制备流场板，目前的技术尚不能提供快速、低成本的工艺。

对于一些特定应用，以前描述过砂磨、珠磨或喷砂，例如在石头、木头、陶瓷品、塑料、玻璃和玻璃加强塑料上作记号和装饰图案(例如US4 828 893和US4 985 101)以及表面清洁或弄糙处理。也已采用砂磨来形成等离子体显示装置(EP0 722 179)和制备磁转换头(US4 188247)。

本发明提供制备电化学电池元件例如流场板的新颖、有效和改进的方法。该方法采用低成本、快速的侵蚀蚀刻，能形成流体流动图案、流体进入孔道和流体排出孔道以及密封凹槽。

因此，按照本发明，提供了流场板的制备方法，包括：利用颗粒蚀刻剂、颗粒蚀刻加速器和耐颗粒蚀刻剂图案掩模对板材料进行颗粒蚀刻，，从而由所述掩模上的图案设计确定的流体流动图案形成在所述板材料上。

用于本发明的板材料可包括导电材料。该导电材料可包括碳基材料。此外，板材料可包括碳纤维复合材料。该碳纤维复合材料可用聚合物填料例如环氧树脂使其致密。惊奇地发现，碳纤维复合材料中的碳纤维和基质的颗粒蚀刻速率相同，从而未对形成在这种材料中的构图凹槽的最终结构产生不利影响。

颗粒蚀刻包括砂磨，颗粒蚀刻加速器可包括砂磨枪。颗粒蚀刻也可包括喷砂。此外，颗粒蚀刻可包括磨料水射喷砂(也称为磨料水射切割)。本发明需要颗粒蚀刻剂包含磨料介质，它比要蚀刻的板材料具有更大硬度。颗粒蚀刻剂可以是直径180-220μm的硅石砂，用于蚀刻石墨化碳-碳复合材料的板材料。

本工艺使用了耐颗粒蚀刻剂掩模，掩模被适当构图并覆盖要蚀刻的材料表面。掩模可以由能承受颗粒蚀刻所引起的侵蚀磨损的材料组成。掩模应紧靠近板材料，以便能形成精细图案，从而通过粘合物质可将掩模与板材料保持接触。