[发明专利]燃料电池的分隔器和制造方法及具有该分隔器的燃料电池

说明书

本申请是申请日为2004年8月3日、申请号为200480042351.3的发明专利申请“燃料电池的分隔器和制造方法及具有该分隔器的燃料电池”的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及燃料电池。更具体地，本发明涉及使用石墨箔(graphitefoil)的燃料电池的分隔器及其制造方法，以及包括这种分隔器的燃料电池堆。

背景技术

如本领域所公知的，燃料电池通过在阳极处的氧化反应和阴极处的还原反应来产生电力。阳极和阴极与具有用于加速氧化和还原反应的铂或铂钌合金的催化层形成在一起。

在阳极处，燃料气体(例如，氢气)被供应给阳极并且通过氧化反应分离为离子(例如，质子)和电子。在阴极处，分离的离子与还原气体(例如，氧气)结合而形成水。这些反应的最终产物是电流(即，从阳极到阴极的电子运动)、水(即，氢和氧的化学键)和热量。燃料电池堆通常配备有去除所述热量的冷却设备。

在阴极形成的水通常形成为水蒸气或液体，并且所述水被在阴极侧流动的强烈还原气体流(氧气或空气)去除。

图1是根据现有技术的示例性燃料电池堆的截面示意图。

通常，燃料电池堆是通过堆叠多个单元电池(unit cell)100而形成的。

所述单元电池100包括质子交换膜110(例如，聚合物电解质膜)。阳极121和阴极122在质子交换膜110的两侧形成。质子交换膜110与电极121和122通过热压形成膜电极组(MEA：membrane electrode assembly)130。在MEA 130的电极121和122的外部形成流体扩散层125。

相邻的单元电池的多个MEA 130由分隔器150分隔和支撑。分隔器150形成有流场(flow field)151，用于将燃料气体(例如，氢气，或者在直接甲醇燃料电池的情况下是甲醇)供应给阳极。另外，分隔器150还形成有流场152，用于将氧气或者空气作为还原气体供应给阴极，并且其还用于排水。密封垫160应用于分隔器150和MEA 130之间，用于防止流经流场151和152的气体/液体的泄漏。

包括MEA 130、分隔器150和密封垫160的单元电池100串联地堆叠以形成高电压。堆叠的单元电池经由例如集电器和设置在其端部的端板170联结在一起。

从上面的描述可以理解，燃料电池中的分隔器在燃料电池堆中散布反应气体(即，燃料气体和还原气体)，分隔燃料气体(例如，氢气或者甲醇)和还原气体(例如，氧气或者空气)，以及通过在相邻单元电池的阳极和阴极之间提供电子通道来电性连接相邻的单元电池。另外，分隔器具有热量排放结构以用于排放燃料电池堆的氧化-还原反应所产生的热量，并且提供机械强度以支撑堆叠的单元电池。

为了加速在阳极处产生的氢离子(即，质子)通过聚合物电解质膜到达阴极的运动，聚合物电解质膜应该被水合以包含适当量的水分。被水合的聚合物电解质膜阻止电子运动通过，而允许氢离子的运动。

当聚合物电解质膜未被充分地水合时，聚合物电解质膜的离子传导性降低，由此燃料电池的性能下降。相反，当聚合物电解质膜被过度水合时，形成反应三相界的小孔被阻塞(通常被称为溢流)，从而电极的反应区域减少，导致燃料电池性能的下降。

因此，在阴极处形成的水没有被迅速地排放的情况下，无法向催化层供应充足的反应气体，从而燃料电池的性能会下降。

许多分隔器，包括美国专利No.4,988,583中所公开的示例性分隔器，具有蛇形流场以用于燃料和还原气体。这主要是为了利用沿着流场的压力下降来有效地排放在阴极处形成的水。

在阴极处形成的水以水蒸气形态位于还原气体流场槽的入口附近。然而，当其流经还原气体流场槽时，其变为液体和水蒸气相混合的两种状态。在这种情况下，液化水滴填充阴极的孔，从而催化层的有效反应区域减少。另外，需要高压还原气体来排放液化水。

因此，还原气体在流场入口和出口之间的压力下降造成能量损失，并且为了稳定地实现高流速下的还原反应，会大量地消耗还原气体。因此，如果具有蛇形流场的分隔器的排水变得更加稳定和有效，则其将保证由于在流场入口和出口之间还原气体的压力下降而导致的能量损失的减少，并减少还原气体的消耗。

石墨或碳的复合材料被广泛地用于聚合物电解质膜燃料电池的分隔器。石墨和碳的复合材料对于燃料电池的氧化-还原反应表现出很强的抗腐蚀性，并且与金属材料(例如，不锈钢)相比其还具有体积密度低的优点。