发明概述
为了达到上述目的，发明人经过认真研究后注意到：当石墨集电极挤 压金属隔板上的导电涂层时将使之受损，这将引起涂层腐蚀并降低燃料 电池的性能。基于这样的知识，发明人发现：(1)通过在集电极和金属隔 板之间提供具有耐蚀性、弹性、导电性和透气性的纤维状或泡沫状缓冲 层，或者通过提供耐蚀性集电极和导电缓冲涂层，而不是使用将用于气 体扩散电极的集电极与金属隔板表面直接接触的方法，可以保护金属隔 板上的导电涂层，这样在很大程度上减少了对金属隔板的腐蚀并且可以 保持燃料电池的发电性能。
他们还发现：(2)特别是当金属隔板是用硬度较低的铝或其合金制成 的时，或者当金属隔板上的导电涂层是非常薄的Au涂层时，使用上述缓 冲层明显可以抑制任何燃料电池性能的降低。发明人基于上述发现完成 了本发明。
更具体地说，本发明的固体聚合物电解质燃料电池单元包括：(a)聚 合物电解质膜，(b)固定在聚合物电解质膜的相对表面上的一对气体扩散 电极，(c)接触性地固定在电极外侧上的一对可气体扩散的多孔导电石墨 集电极，(d)用于将燃料气和含氧气体导向相互隔开的电极的一对金属隔 板，和(e)设置在金属隔板和石墨集电极之间的具有弹性和透气性的多孔 导电缓冲层。
缓冲层优选是用金属、炭、导电树脂或导电陶瓷制成的导电纤维的纺 织物或者无纺布，或者是具有互连孔以具有透气性的泡沫板。
优选至少在与金属隔板接触的缓冲层表面上涂覆有金属或导电树脂， 以使孔隙率不受妨碍。形成缓冲层的导电纤维上优选涂覆有金属或导电 树脂。
涂覆缓冲层表面或者形成缓冲层的导电纤维的表面的金属，优选是至 少一种选自Au、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Ti、Cu、Pb、Ni、Cr、Co、Fe的金属及其合金。缓冲层的孔隙率优选是20％-90％。缓冲层厚度优选是 0.01mm-1.0mm，更优选是0.05mm-0.2mm。
优选至少在与缓冲层接触的金属隔板表面上涂敷有由至少一种选自 Au、Pt、Ag、Pd、Ir、Ni、Cr的金属及其合金制成的导电涂层。金属隔 板表面上的导电涂层厚度优选为0.01μm-20μm。金属隔板优选由铝或其合 金制成。
根据本发明的一个实施方案，石墨集电极还作为缓冲层。
一种本发明优选的固体聚合物电解质燃料电池单元，其包括：(a)聚 合物电解质膜，(b)固定在聚合物电解质膜的相对表面上的一对气体扩散 电极，(c)接触性地固定在电极外侧上的一对可气体扩散的多孔导电石墨 集电极，(d)一对用于将燃料气和含氧气体导向相互隔开的电极的、由 铝或其合金制成的金属隔板，和(e)设置在金属隔板和石墨集电极之间的 具有弹性和透气性的多孔导电缓冲层，至少一个表面与缓冲层接触的隔 板上被提供有厚度为0.01μm-20μm的导电涂层。
本发明的另一种固体聚合物电解质燃料电池单元，其包括：(a)聚合 物电解质膜，(b)固定在聚合物电解质膜的相对表面上的一对气体扩散电 极，(c)接触性地固定在电极外侧上的一对可气体扩散的多孔部件，(d)一 对用于将燃料气和含氧气体导向相互隔开的电极的金属隔板。至少在与 金属隔板接触的多孔部件上被提供有由耐腐蚀金属、导电树脂或导电陶 瓷制成的导电涂层。
多孔部件优选由多孔导电石墨集电极制成，更优选由碳纤维的纺织物 或者无纺布或复写纸板制成。多孔部件优选由树脂纤维或天然纤维的纺 织物或者无纺布或者多孔树脂板制成。
在此，如果多孔部件具有弹性且被用作缓冲层，则导电涂层一定不能 具有弹性。相反，如果多孔部件是刚性材料如常规的复写纸，则导电涂 层应当具有弹性且被用作缓冲层。
附图说明
图1是一幅示意性剖视图，其示出在本发明一个实施方案的燃料电池 单元中排列的层结构；
图2是一幅示意性剖视图，其示出在本发明另一个实施方案的燃料电 池单元中排列的层结构；
图3是一幅示意性剖视图，其示出在传统的燃料电池单元中排列的层 结构；
图4是示出在实施例1-3和对比实施例1中开始发电前和发电100小 时后的发电性能的对比图；
图5是示出在实施例4和5及对比实施例2中开始发电前和发电100 小时后的发电性能的对比图；和
图6是示出在实施例6和7中开始发电前和发电100小时后的发电性 能的对比图。
发明详述
图1是示出本发明的一个实施方案的固体聚合物电解质燃料电池单元 的示意图。图3是示出传统的固体聚合物电解质燃料电池单元的示意图。 图3所示的传统的固体聚合物电解质燃料电池单元1包括聚合物电解质 膜(固体聚合物电解质)2、在膜2的相对两侧上形成的阴极3和阳极4、 电极3和4上的集电极5、与各个集电极5接触的金属隔板7。作为对比， 图1所示的固体聚合物电解质燃料电池单元1包括固体聚合物电解质2、 在电解质2的相对两侧上形成的阴极3和阳极4、电极3和4上的集电极 5、各个集电极5外侧上的缓冲层6、与各个缓冲层6接触的金属隔板7。 因此，本发明的电池单元1包括设置在每一个集电极5和每一个金属隔 板7之间的具有高弹性、导电性和透气性的纤维状或泡沫板类缓冲层6。 用这种方法可以使金属隔板7的导电涂层不会因其与集电极5的接触而 受损，从而可以保持其耐蚀性。
图2是示出本发明的另一个实施方案的固体聚合物电解质燃料电池单 元的示意图。电池单元1包括固体聚合物电解质2、在电解质2的相对两 侧上形成的阴极3和阳极4、电极3和4上的多孔部件5、各个集电极5 外侧上的导电涂层8、与各个导电涂层8接触的金属隔板7。在该实施方 案中，如果多孔部件5具有弹性且用作缓冲层，则导电涂层8一定不能 具有弹性。相反，如果多孔部件5是刚性材料如常规的复写纸，则导电 涂层8应当具有弹性且用作缓冲层。这样，由于多孔部件5具有弹性或 者在每一个多孔部件5与金属隔板7接触的表面上形成有导电涂层8，所 以用这种方法可以使金属隔板7不受腐蚀。
在固体聚合物电解质燃料电池单元的部件中，固体聚合物电解质2、 阴极3和阳极4都与传统的电池单元中的相同，所以不再详述。下面详 细说明缓冲层、隔板、多孔导电石墨集电极和另一种多孔部件。 (1)缓冲层
缓冲层必须具有高的导电性，以与金属隔板7和石墨集电极5电连接。 为了缓冲石墨集电极5与金属隔板7接触时产生的冲击力，缓冲层还必 须具有高弹性。另外，由于缓冲层用于燃料电池，其还必须具有高的导 热性和耐蚀性。
必须具有上述性能的缓冲层6优选是金属纤维、碳纤维或导电树脂纤 维的纺织物或者无纺布，或者是任何这些导电材料的泡沫板。金属纤维 可以是不锈钢、镍等的纤维。优选使用碳纤维，因为碳纤维导电且耐腐 蚀。可以用商购的碳纤维作为碳纤维。导电树脂纤维可以是分散有金属 的聚烯烃基树脂、聚酯基树脂、氟树脂、或者类似物质的纤维。只要求 这些纤维的平均直径是约0.5μm至约20μm。
当用于缓冲层6的纤维或泡沫板是用不导电材料如树脂制成的时，该 纤维或泡沫板的表面上可以涂敷有导电材料如金属或导电树脂。
从图1可以看出：燃料电池的气体从隔板7的气体流动槽7a流过， 流向各个电极3、4与聚合物电解质2之间的界面，因此，这些气体还必 须流经缓冲层6。因此，缓冲层6必须具有高的透气性。如果气体流经缓 冲层6的阻力很大，则燃料电池的任何大电流输出性能将受到影响。因 此，缓冲层6优选对气体通过的阻力很低。缓冲层6的孔隙率优选是 20％-90％，更优选30％-80％。当缓冲层6的孔隙率小于20％时，缓冲层6 不具有足够高的透气性，其弹性(减震性能)也不足以缓冲石墨集电极与 金属隔板相互接触时产生的冲击力。当缓冲层6的孔隙率大于90％时，缓 冲层6不具有足够高的机械强度，堆叠电池单元时产生的压力将使缓冲 层6变薄。
一般来说，虽然缓冲层6的厚度随孔隙率而变化，但优选是0.01mm- 1.0mm，更优选是0.05mm-0.2mm。当缓冲层6的厚度小于0.01mm时，不 能得到足够高的弹性(减震性能)，难以装入电池单元。当缓冲层6的厚 度大于1.0mm时，不仅金属隔板7和石墨集电极5之间的电阻值太大， 而且电池单元太厚，不能使电池单元叠堆紧凑化。
为了提高缓冲层6的导电性，缓冲层6的表面上(至少是与金属隔板 7相接触的一侧上)或形成缓冲层6的导电纤维的表面上，优选涂敷有至 少一种选自Au、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Ti、Cu、Pb、Ni、Cr、Co、Fe 的金属及其合金。从导电性和耐蚀性方面考虑，特别优选使用至少一种 选自Au、Pt、Ir、Ag、Pb、Co的金属及其合金。
缓冲层6的导电涂层厚度优选为0.05μm-10μm。当导电涂层厚度小于 0.05μm时，不能得到足够高的导电性。当导电涂层厚度大于10μm时，导 电性不能成比例地提高，只能是增加成本。应当注意的是，可以用溅射 法、物理气相沉积法、电镀法或者类似方法形成缓冲层6的导电涂层。
当石墨集电极5还起到缓冲层6的作用时，反之亦然，电池单元的结 构可以简化，集电极5的电阻可以降低。在这种情况下，不需要提供缓 冲层6，只是在上述结构中形成集电极5。 (2)隔板
隔板可以用金属如铝、铝合金、不锈钢、镍或铜制成。用铝或其合金 制成的金属隔板7可以很好地与缓冲层6电连接，从而可以改善燃料电 池单元的功率密度/重量、机械强度等。
但是铝或其合金的耐蚀性差，因此，至少与缓冲层6接触的隔板表面 部分上优选涂敷有至少一种选自Au、Pt、Ag、Pd、Ir、Ni、Cr的金属及 其合金。其中，优选用Au、Ag、Pt或其合金形成涂层，因为这样可以得 到高的导电性和耐蚀性。
考虑到生产成本和涂层功能，金属隔板7的导电涂层厚度优选为 0.01μm-20μm。当导电涂层厚度小于0.01μm时，不能得到足够高的耐蚀 性。当导电涂层厚度大于20μm时，耐蚀性不能成比例地提高，只是增加 成本。导电涂层厚度更优选为0.1μm-1.0μm。应当注意的是，可以用溅射 法、物理气相沉积法、电镀法等方法形成如此厚度的导电涂层。
具有上述结构的金属隔板7不仅重量轻，而且具有高的机械强度、导 电性和导热性。 (3)多孔导电石墨集电极
当电池单元中存在缓冲层时，石墨集电极优选是碳纤维的纺织物或者 无纺布，或者是复写纸板。碳纤维因为具有导电性和耐蚀性而优选使用。 可以用商购的碳纤维作为碳纤维。复写纸板优选是用造纸-石墨化方法或 者类似方法生产的。作为造纸-石墨化方法的一个例子，在1000℃-1800 ℃的温度范围内烘烤用纤维素纤维作原料并用纸浆废水、聚乙烯醇或类 似物作为粘结剂而制成的纸或者其孔径受到控制的商购纤维素基滤纸以 生产复写纸。 (4)多孔部件
当电池单元中不存在缓冲层时，在电极和金属隔板之间设置多孔部 件。在该实施方案中，如果多孔部件具有弹性且用作缓冲层和集电极， 则在与金属隔板接触的多孔部件表面上形成的导电涂层一定不能具有弹 性。相反，如果多孔部件是刚性材料如常规的复写纸，则导电涂层应当 具有弹性且用作缓冲层(后面称之为“导电缓冲涂层”)。多孔部件可以 是多孔导电石墨集电极或者树脂纤维或天然纤维的纺织物或者无纺布， 或者是多孔树脂板。当多孔部件是石墨集电极时，其材料可以与(3)多孔 导电石墨集电极中所述的那些材料相同，因此不再说明。
当多孔部件是树脂纤维或天然纤维的纺织物或者无纺布，或者是多孔 树脂板时，多孔部件的材料可以导电，也可以不导电。因为多孔部件上 有导电涂层，所以无论多孔部件的材料导电与否，多孔部件都可用作多 孔导电集电极。导电树脂可以是分散有金属的聚烯烃基树脂、分散有金 属的聚酯基树脂、分散有金属的氟树脂、碳纤维或类似物。不导电树脂 可以是尼龙基树脂、聚丙烯基树脂或聚酯基树脂或类似物。天然纤维可 以是纤维素或类似物。只要求这些纤维的平均直径是0.5μm-20μm。
多孔部件本身必须具有良好的透气性以使燃料电池的气体通过。特别 是当不存在缓冲层时，多孔部件还必须具有高弹性以使隔板不受腐蚀。 更具体地说，多孔部件的孔隙率优选是20％-90％，更优选30％-80％。多孔 部件的厚度优选是0.01mm-1.0mm，更优选是0.05mm-0.2mm。如果多孔部 件的孔隙率和厚度落在上述范围内，则多孔部件可以用作缓冲层。
至少在与金属隔板接触的多孔部件上形成有导电涂层，以使孔隙率不 受妨碍，导电涂层由金属、导电树脂或导电陶瓷制成。当导电涂层是由 金属制成时，该金属优选是至少一种选自Au、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、 Ti、Cu、Pb、Ni、Cr、Co的金属及其合金。从导电性和耐蚀性方面考虑， 特别优选的金属是至少一种选自Au、Pt、Ir、Ag、Pb、Co的金属及其合 金。形成导电涂层的导电树脂可以是如其中分散有金属的聚烯烃基树脂、 聚酯基树脂或氟树脂。导电陶瓷可以是如氧化铟锡(ITO)。
如果多孔部件用作缓冲层，则导电涂层厚度优选为0.5μm-50μm。当 导电涂层厚度小于0.5μm时，不能得到足够高的导电性和耐蚀性。当导 电涂层厚度大于50μm时，导电性和耐蚀性不能成比例地提高。相反，导 电缓冲涂层的孔隙率优选是20％-90％，更优选30％-80％。一般来说，虽然 导电缓冲层的厚度随孔隙率而变化，但优选是5μm-100μm。当导电缓冲层 的厚度小于5μm时，不能得到足够高的弹性(减震性能)。当导电缓冲层 的厚度大于100μm时，弹性不能成比例地提高，只是增加成本。优选用 溅射法、真空气相沉积法、电镀法或非电解电镀法形成该导电涂层。
下面参考实施例更详细地说明本发明，但本发明并不局限于这些实施 例。
实施例
实施例1
压锻5mm厚的铝板，形成用于燃料电池的隔板形状。对铝隔板表面进 行蚀刻、清洁，然后依次进行辛酸盐转化工序、Ni非电解电镀和Au非电 解电镀。用这种方法可以在隔板表面上依次形成1μm厚的Ni涂层和0.4μm 厚的Au涂层。如图1所示，从外侧开始将一对铝隔板、一对厚为0.2mm、 孔隙率约为80％的用于缓冲层的碳布部件、一对用于集电极的复写纸板和 用Nafion制成的170μm厚的聚合物电解质膜组装在一起，用螺钉固定 隔板，形成电池单元。应当注意的是，在聚合物电解质膜的两个相对表 面上形成均含有Pt催化剂的氢电极和空气电极。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电 流。然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的 输出电流。结果示于图4。从该实施例的测量结果可以看出：发电100小 时后，输出电流几乎不变。
实施例2
压锻5mm厚的铝板，形成用于燃料电池的隔板形状。对铝隔板表面进 行蚀刻、清洁，然后依次进行辛酸盐转化工序、Ni非电解电镀和Au非电 解电镀。用这种方法可以在隔板表面上依次形成1μm厚的Ni涂层和0.4μm 厚的Au涂层。在厚度为0.2mm、孔隙率约为80％的碳布部件上涂覆约0.1μm 厚的Au涂层，从而得到集电极缓冲材料。如图1所示，将该缓冲材料安 装在隔板和集电极之间。除上述的那些不同外，按照与实施例1同样的 方法组装燃料电池单元。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电 流。然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的 输出电流。结果示于图4。从该实施例的测量结果可以看出：发电100小 时后，输出电流只有非常小的变化，并且集电极和缓冲层之间及缓冲层 和隔板之间的接触电阻降低。与实施例1相比，输出电流略有增加。
实施例3
按照与实施例1同样的方法，用5mm厚的铝板形成用于燃料电池的隔 板，在隔板表面上形成Ni涂层和Au涂层。用溅射法在厚度约为0.2mm、 孔隙率为70％的无纺布部件(棉型板)上涂覆约0.05μm厚的Au涂层，从而 得到集电极缓冲材料。如图1所示，将该缓冲材料安装在隔板和集电极 之间。除上述的那些不同外，按照与实施例1同样的方法组装燃料电池 单元。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电流。 然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的输出电 流。结果示于图4。从该实施例的测量结果可以看出：发电100小时后， 电流的变化非常小。 对比实施例1
按照与实施例1同样的方法，用5mm厚的铝板形成用于燃料电池的隔 板，在隔板表面上形成Ni涂层和Au涂层。如图3所示，隔板直接与作 为用于氢电极和空气电极的集电极的复写纸板接触，从而组装成燃料电 池单元。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电流。 然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的输出电 流。结果示于图4。在该对比实施例中，发电100小时后的输出电流明显 降低。
实施例4
压锻5mm厚的铝板，形成用于燃料电池的隔板。在将要与集电极接触 的铝隔板表面上电镀5μm厚的Ni涂层，再在其上电镀约2μm厚的含95％(质 量)的Ag和5％(质量)的Au的合金涂层。将厚度约为0.15mm的碳布部件 浸泡在PTFE溶液中，然后在280℃下处理，使其具有防水性。如图1所 示，将如此得到的碳布部件作为集电极缓冲材料安装在燃料电池的隔板 和集电极之间。除上述的那些不同外，按照与实施例1同样的方法组装 燃料电池单元。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电流。 然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的输出电 流。结果示于图5。从该实施例的测量结果可以看出：发电100小时后， 输出电流的变化非常小，没有受到隔板腐蚀的影响。
实施例5
按照与上述实施例同样的方法，用5mm厚的铝板形成用于燃料电池的 隔板，用非电解电镀法在将要与集电极接触的铝隔板表面上涂覆1μm厚 的Au涂层。形成厚度为250μm、孔隙率约为50％的复写纸板，将其作为 与电极接触的集电极，用溅射法只在与隔板接触的集电极表面上涂覆 0.7μm厚的Ag涂层。将用这种方法得到的集电极和电极热结合，以此生 产用于燃料电池单元的电极-电解质膜结合体。如图2所示，将该电极- 电解质膜结合体和铝隔板装入燃料电池单元。在该实施例中，集电极还 作为缓冲层。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电流。 然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的输出电 流。结果示于图5。从该实施例的测量结果可以看出：发电100小时后， 输出电流的变化非常小，没有受到隔板腐蚀的影响。 对比实施例2
按照与实施例5同样的方法，用5mm厚的铝板形成用于燃料电池的隔 板。在铝隔板表面上涂覆1μm厚的Au涂层。如图3所示，隔板直接与作 为用于燃料电池的氢电极和空气电极的集电极的复写纸板接触，从而组 装成燃料电池单元。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电流。 然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的输出电 流。结果示于图5。在该对比实施例中，发电100小时后的输出电流降低 很多。
实施例6
压锻5mm厚的铝板，形成用于燃料电池的隔板形状。对铝隔板表面进 行蚀刻、清洁，然后依次进行辛酸盐转化工序、Ni非电解电镀和Au非电 解电镀。以此在隔板表面上依次形成1μm厚的Ni涂层和0.4μm厚的Au涂层。用于集电极的复写纸板的厚度为180μm、孔隙率约为60％。用溅射 法只在与隔板接触的复写纸板表面上涂覆1μm厚的Ag涂层，该Ag涂层 用作导电涂层。将集电极和隔板装入具有图2所示结构的燃料电池单元。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电流。 然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的输出电 流。结果示于图6。从该实施例的测量结果可以看出：发电100小时后， 输出电流没有降低。
实施例7
压锻5mm厚的铝板，形成用于燃料电池的隔板形状。对铝隔板表面进 行蚀刻、清洁，然后依次进行辛酸盐转化工序、Ni非电解电镀和Au非电 解电镀。以此在隔板表面上依次形成1μm厚的Ni涂层和0.4μm厚的Au涂层。用溅射法在平均纤维直径约为5μm、厚度为100μm、孔隙率为50％ 的尼龙布部件的两个表面上涂覆2μm厚的Ag涂层，该Ag涂层用作导电 涂层。用这种方法生产多孔导电集电极。将集电极和隔板装入具有图2 所示结构的燃料电池单元。
在温度为60℃、电压为0.65V的条件下测量燃料电池单元的输出电流。 然后使电池单元发电作业100小时，然后再次测量0.65V电压时的输出电 流。结果示于图6。从该实施例的测量结果可以看出：发电100小时后， 输出电流没有降低。
从上面的描述可以看出：本发明的固体聚合物电解质燃料电池单元包 括安装在金属隔板和集电极之间的具有导电性、透气性和弹性的缓冲层。 在这样的燃料电池单元中可以防止金属隔板受到腐蚀，从而可以长时间 保持燃料电池的发电性能。在多孔部件如集电极上形成导电缓冲涂层也 可以有效地防止金属隔板受到腐蚀。