CN100517832C - 双极板，其制造方法及具有该双极板的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双极板的制造方法，其包括以下步骤：提供一金属基体；在金属基体上生长碳纳米管阵列；向碳纳米管间填充一高分子树脂材料；进行压模成型制得双极板。本发明的双极板，采用金属材料作基体，厚度小、质量轻，金属基体上形成有含纳米碳材的复合材料膜层，使得双极板具有优良的导电性、耐腐蚀性以及高温稳定性等，可广泛用于各种高低温燃料电池。

Description

双极板，其制造方法及具有该双极板的燃料电池

【技术领域】

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池用双极板及其制备方法。

【背景技术】

燃料电池是一种可将化学能连续不断直接转变为电能的发电装置，其效率高、污染低，自开发以来一直广受观注。燃料电池工作时，燃料气体(如氢气)与助燃剂(如氧气)分别输送至电池的阳极与阴极，发生氧化与还原反应将化学能转变为电能输出。电池持续工作时，要连续不断向电池内输送燃料与氧化剂方可得到持续电能，同时连续不断排出反应产物与热量。

燃料电池单体结构大体包括阳极板、阴极板、气体扩散层、电解质膜等。实际应用的燃料电池，通常是将多个燃料电池单体串联起来，以获得足够发电功率。燃料电池单体组中，相邻电池单体可共享一电极板，其分别充当两相邻电池的阳极与阴极，该共享的电极板被称作双极板。

双极板是影响燃料电池商业化的关键因素之一，双极板的材料、流场结构、加工成本均存在许多亟待解决的问题。目前技术水平下，双极板的制造成本占整个燃料电池成本的40％～60％以上。

双极板材料主要为石墨、复合碳材及金属基材。石墨、复合碳材双极板具有导电性及耐蚀性等优点，但是其制程复杂、耗费工时，且该种材料制成的双极板厚度限制于3mm左右，不利于燃料电池的微型化。

金属材料双极板厚度小、质量轻，可缩减燃料电池的体积及质量。2003年3月26日公开的申请号为01124228.0中国发明专利申请揭示一金属制波浪状双极板，该双极板包括一中央区域及一外围区域，中央区域设置为连续凹凸波浪状，以使其两侧面分别形成互相平行的延伸沟槽。该双极板厚度较薄，可大幅度降低燃料电池的尺寸及重量，制造过程简单且成本较低。但是，燃料电池工作过程中，燃料或氧化剂发生反应会腐蚀金属双极板，因此，必然造成燃料电池性能下降，使用寿命减短。而采用耐腐蚀的贵金属制作双极板，成本又太高。

因此，提供一种厚度小、质量轻，且具有较好耐腐蚀性的双极板是非常必要的。

【发明内容】

以下，将以实施例说明一种双极板，其制造方法及具有该双极板的燃料电池。

为实现上述内容，提供一双极板的制造方法，其包括以下步骤：提供一金属基体；在金属基体上生长碳纳米管阵列；向碳纳米管间填充一高分子树脂材料；压模成型制得双极板。

本技术方案的双极板，采用金属材料作基体，厚度小、质量轻；金属基体上形成有含纳米碳材的复合材料层，使得双极板具有优良的导电性、耐腐蚀性以及高温稳定性等；此外，金属基体所用材质为普通金属材料，成本低，且可广泛用于各种高低温燃料电池。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例的燃料电池结构示意图。

图2是本发明第一实施例金属基体上形成复合材料的示意图。

图3是本发明第一实施例所制得的双极板示意图。

图4是本发明第二实施例金属基体上生长碳纳米管阵列示意图。

图5是本发明第二实施例金属基体形成复合材料的示意图。

图6是本发明第二实施例所制得的双极板示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及多个实施例对上述双极板，其制造方法及具有该双极板的燃料电池作进一步详细说明。

如图1所示，本发明第一实施例的燃料电池10，其具有多个电池单体，该燃料电池10包括多个电解质膜11，至少一双极板13，一气体扩散层12设置于电解质膜11与双极板13之间。通常情况下，电解质膜11与气体扩散层12之间会设置催化剂层(图中未示)。

如图2、图3所示，本实施例的双极板13，其包括一金属基体131，一复合材料132形成于该金属基体131上，该复合材料132包括高分子树脂与纳米碳材，其中，该高分子树脂材料通常包括热固性树脂、热塑性树脂等，该纳米碳材通常包括碳纳米管、碳纳米球、碳纤维等。

金属基体131可以为一金属板，所用金属材料包括不锈钢、金属及其合金等，如铜、铝、镍及其合金等。金属板厚度可为0.1mm～0.5mm，相对于石墨、复合碳材制成的双极板(厚度约3mm)，比较轻薄。

燃料电池工作过程，要在双极板上发生氧化还原反应，金属基双极板常会被腐蚀，因此，需要在金属基双极板上设置一耐腐蚀膜层，即，复合材料132，其由高分子树脂、纳米碳材等成分复合形成。

如图2及图3所示，本发明第一实施例的双极板13的制造方法，其包括以下步骤：提供一金属基体；向该金属基体上形成一含纳米碳材的复合材料；压模成型制得双极板。具体描述如下：

步骤1：提供一金属基体131，其材质通常包括：铜、铝、镍、铬及其合金以及不锈钢等。该金属基体131可为一厚度0.1mm～0.5mm的不锈钢板。

步骤2：在金属基体131上形成一复合材料132。该复合材料132包括高分子树脂与纳米碳材，其中，该纳米碳材通常包括碳纳米管、碳纳米球、碳纤维等。

复合材料132的制备方法，是将纳米碳材与高分子树脂在一定条件下进行混合形成。现有技术中，关于碳纳米管、碳纳米球、碳纤维等纳米碳材的制备技术比较成熟，如化学气相沉积法、电弧放电法、激光蒸发法等。将纳米碳材与高分子树脂，将两者于一定条件下进行混合、搅拌，形成复合材料132。

步骤3：将复合材料132形成于金属基体131上，并进行压模成型处理。

所制得的复合材料132可通过喷涂、浸涂等手段形成于金属基体131上，其厚度可根据需要而定，将其加热烧结，并在一定条件下进行压模成型处理，如热压成型出所需形状的双极板13。

本实施例所得的双极板13，以金属材料作基体，厚度小、质量轻；金属基体131上形成有含纳米碳材的复合材料132，具有优良导电性、耐腐蚀性以及高温稳定性等，可用于各种高低温燃料电池。

本发明第二实施例双极板13的制造方法与第一实施例类似，除在金属基体131上形成复合材料132方式不同。第二实施例双极板13的制造方法为：首先，提供一金属基体131；其次，在金属基体131上生长纳米碳材，再次，向纳米碳材之间填充高分子树脂材料；最后，压模成型制得双极板13。

如图4、图5及图6所示，以金属基体131上生长碳纳米管阵列为例，描述双极板13的制造方法：

首先，在金属基体131上生长碳纳米管阵列200。

金属基体131可选用铜、铝、镍、铬及其合金以及不锈钢等，其上生长碳纳米管阵列前，要进行电抛光，化学抛光等，使其表面具有一定平整度。且生长碳纳米管阵列的反应条件，要结合金属基材的性能，即，反应时金属基体131不会融化、不会发生碎裂等。

利用蒸发或电子束蒸发法在金属基体131表面蒸镀一过渡层，通常为硅层，厚度约几十纳米或根据情况设定。然后再利用电子束沉积、热沉积、溅射法等方法在过渡层上均匀沉积一催化剂层，其厚度为几纳米到几十纳米不等。催化剂材料可为铁、钴、镍及其合金等。氧化处理催化剂层，使其形成催化剂颗粒，在一定温度下，通入碳源气，生长出碳纳米管数组，其长度约几微米至几十微米，一定条件下甚至可达几毫米。碳源气可为乙炔、乙烯等气体，根据金属基体131上所需复合材料232的厚度，控制反应条件生长预定长度的碳纳米管阵列。有关碳纳米管阵列的生长技术比较成熟，可根据具体情况，选定所需生长方法。

其次，向碳纳米管数组200之间填充高分子树脂材料300，并压模成型制得双极板13。

将金属基体131浸入高分子树脂材料300中，或直接将碳纳米管数组200与高分子树脂材料300混合，只要使高分子树脂材料300均匀分散于碳纳米管之间便可，将其加热烧结，并在一定条件下进行压模成型处理，如热压成型出所需形状的双极板13。本实施例的双极板13，金属基体131上形成有碳纳米管阵列200的复合材料232，导电性、耐腐蚀性以及高温稳定性等更佳，且可广泛用于各种高低温燃料电池。

本技术方案的双极板，采用金属材料作基体，厚度小、质量轻；金属基体上形成有含纳米碳材的复合材料膜层，使得双极板具有优良的导电性、耐腐蚀性以及高温稳定性等；此外，金属基体所用材质为普通金属材料，成本低，且可广泛用于各种高低温燃料电池。

Claims (5)

1.一种双极板的制造方法，其包括以下步骤：

提供一金属基体；

在金属基体上生长碳纳米管阵列；

向碳纳米管之间填充一高分子树脂材料；

压模成型制得双极板。

2.如权利要求1所述的双极板的制造方法，其特征在于，该金属基体的材质包括铜、铝、镍及其合金或不锈钢。

3.如权利要求1所述的双极板的制造方法，其特征在于，该金属基体之厚度为0.1mm～0.5mm。

4.如权利要求1所述的双极板的制造方法，其特征在于，生长碳纳米管阵列之前预先在金属基体上形成一过渡层。

5.如权利要求4所述的双极板的制造方法，其特征在于，该过渡层为硅层。

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