[发明专利]导电复合材料

说明书

技术领域

本发明是关于高分子复合材料的配制，尤其是指一种利用末端乙烯修饰 橡胶-苯乙烯-二乙烯苯的共聚物、末端乙烯修饰橡胶-苯乙烯的共聚物或苯乙 烯-二乙烯苯的共聚物及导电填充物制成的导电复合材料，其可作为电化学 反应中的电极，多应用于燃料电池，以提供系统电力来源。

背景技术

请参照图1所示，质子交换膜燃料电池10(proton exchange membrane fuel  cell，以下简称PEMFC)是由一质子交换膜1夹于两块触媒层2、扩散层3、 双极板4(bipolar plate)、集电板5(current collector)、与端板6(end plate) 间所组成。薄膜电极组分隔的两边分属阳极(氢气或重组气体)与阴极(氧 气或空气)。阳极进行氧化反应，阴极进行还原反应，当阳极的氢气接触到 与质子交换膜1相邻的触媒层2(一般为白金或白金合金)时，氢气分子会 解离成为氢离子及电子，其中电子会经由衔接阳极与阴极的电桥、与电桥串 接的装置，自阳极游往阴极，氢离子则直接自阳极穿越薄膜电极组到达阴极， 特别强调的是此薄膜电极组为含湿性的薄膜，仅容许氢离子伴随水分子穿 越，而其它气体分子均无法穿越。阴极端在触媒的作用下，经由电桥到达的 电子与氧结合成氧离子，与穿越质子交换膜1的氢离子结合形成水分子，这 就是电化学氧化与还原反应。

应用电化学反应使PEMFC发电系统具有效率高、无污染、反应快等特 性，并可藉由串联提高电桥电压或增加电极反应面积以提高电流量，特别是 在源源不断的氢气及氧气(通常使用空气)供给下，可持续提供电力供给装 置的需求。在这样的特点下，PEMFC除了可作为小型系统电力外，亦可设 计成为大型电厂、分布式电力及可移动式电力。

燃料电池的双极板占整体体积与重量的大部分，因此双极板材料研究开 发是燃料电池发展的重要指标。双极板的作用包括：分配反应气体至反应区 域、分隔两侧的氢气与氧气等反应气体、电能与热能的传导、以及固定薄膜 电极组，由于双极板处于燃料电池的反应区域，因此需具备耐化学腐蚀性与 耐热性质。此外，提升双极板的体积使用率与降低其密度也是亟需研发的议 题。整体而言，双极板的基本需求为导电性、气密性、耐化学腐蚀性、耐热 性、轻量化与薄件化、高机械强度、以及低表面粗糙度。在特殊需求上必须 具有良好的加工性质。双极板除了符合上述的规格需求，更重要的必须降低 其成本，包含材料成本与工艺成本，而且必须有量产化的技术。具有低廉价 格且性质良好的双极板组件，将使燃料电池更具有市场竞争力。

传统技术的双极板包括高致密碳板、复合碳板与金属板，而在PEMFC 使用的双极板，其材料多为高致密石墨材料，除了材料成本昂贵外，流场沟 槽的机械加工费亦是昂贵的支出。因此，为降低双极板的成本，利用传统的 复合材料技术配合燃料电池为主流趋势。更改复合材料的配方与形成方式， 配合压模或射出成型技术，将可制造适用于燃料电池的双极板。以传统的复 合材料技术而言，材料多可使用已大量生产的化学品，原料成本便宜。再者， 高致密碳板多制作成平板状，必须经由机械加工才可使用，高分子复合材料 可直接成型设计的流道与孔位，便降低大量的加工成本。此外，高致密碳板 为多孔性材质，必须经由后处理以填塞孔洞，而后处理的成本与量产化皆是 其重大问题。反之，利用复合材料技术制成的材料本身气密性皆比碳板良好， 更毋须填塞孔洞。整体而言，以高分子复合碳板配合量产工艺为双极板的最 佳选择。

中国台湾专利公告号399,348揭露了一种制作燃料电池双极板的方法， 该方法包括混合导电材料、树脂与亲水剂，并在250℃至500℃的温度范围 与约500psi至4000psi压力范围内，成型双极板。其中树脂包含热塑型树脂、 热固型树脂，导电材料可为石墨粉、碳黑、碳纤维等等。

美国专利第6,436,315号揭露了一种燃料电池复合材料双极板，以改良 的射出成型技术，射出树脂与石墨粉末混合物成型为双极板，并对于各式添 加剂加以分类与定义。

美国专利第6,248,467号揭露了一种燃料电池复合材料双极板，利用乙 烯基酯基树脂(vinylester resin)与石墨粉末进行混合，其中石墨粉粒径主要 在80网目至325网目。