CN103123973A - 一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，包括以下步骤：首先按照双极板各叠合组件的粘结面形状制备等厚、形状固定的热熔胶膜，热熔胶膜面积占整个粘结面的30~90%，将制备好的热熔胶膜贴覆在加热至50℃~90℃的双极板组件的粘结面，所述热熔胶膜贴覆处，胶膜距离双极板上的流体分配口、内部流体流动空间的边缘距离≥胶膜距离双极板组件外边缘的距离，然后在上述温度下将需粘结的各组件按粘结顺序逐层进行初步粘结，最后将双极板各组件在温度为80-150℃、压力为0.1-5MPa/cm2的条件下进行整体压合，得到成型的生产效率高、厚度均匀性好的双极板。

Description

一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法
技术领域
本发明主要涉及质子交换膜燃料电池堆，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池单节工作电压低，只有0.6-0.8V左右，难以直接满足现有设备对电压的要求，因而多采用串联方式将单电池串联以获得可满足实际需求的电压，双极板为用于分隔单电池的隔板，双极板性能的好坏对于电堆整体性能有着重要的影响，因为双极板不但承担着传导电子、分配气体的作用，还起着带走反应过程中热量的作用，尤其是对于大功率的燃料电池电堆来说。因此，燃料电池双极板一般均由燃料气分配部分、氧化剂分配部分和冷却剂分配部分组成，具体由阳极板、阴极板、冷却剂流场叠合密封构成，实际使用过程中，需采用方法将这3部分结合为一起，目前采用的方法多为涂胶密封，尤其是对于复合双极板来说，如专利200910183781.1、200910183782.6、200480022545.7所述，还有采用复合密封结构的，如专利201010147810.1所示，但无论哪种方法，均需涉及将液体粘结剂涂敷于双极板零件表面的步骤，虽然采用机械化方法可以提高效率和均匀性，如专利200910183781.1、200910183782.6所述，分别采用网印机和点胶机进行涂胶，但都无法完全避免胶黏剂在使用过程中由于粘度增大而导致影响生产的问题，而且，胶水性质的变化，会对胶层均匀性产生影响，而双极板制作过程中由此而导致的厚度不均匀性对于电堆内部流体分配会产生明显的影响，从而影响燃料电池电堆性能。
热熔胶膜作为一种具有特有均一性和可加工性的粘合膜，在复合板备等领域已经广泛使用，但复合板之间的粘合均为两平面之间直接整面粘合，如中国专利200720086138.3、200810161613.8所述，其对于热熔胶层在粘合过程中的流动变化等无需加以考虑，而应用于质子交换膜燃料电池双极板制备时，不但要考虑合适的熔点，而且由于质子交换膜燃料电池含有多个流体分配口，还要保证粘合过程中不会对分配口和内部流体的流动区域产生影响，简单应用虽然可以满足粘结要求，但对双极板性能会产生较明显的影响，有待改进。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供了一种生产效率高、厚度均匀性好的质子交换膜燃料电池双极板制备方法。
本发明为解决上述技术问题，提供了以下技术方案：一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先按照双极板各叠合组件的粘结面形状制备等厚、形状固定的热熔胶膜，热熔胶膜面积占整个粘结面的50~90%，将制备好的热熔胶膜贴覆在加热至50℃~90℃的双极板组件的粘结面上，所述热熔胶膜贴覆处，胶膜距离双极板上的流体分配口、内部流体流动空间的边缘距离≥胶膜距离双极板组件外边缘的距离，然后将需粘结的各组件在上述温度条件下按粘结顺序逐层进行初步粘结，最后将双极板各组件在温度为80-150℃、压力为0.1-5MPa/cm2的条件下进行整体压合，得到成型的双极板。
作为优选，所述的热熔胶膜为按粘结面区域制作一整块或分割成若干小块。
本发明的技术关键在于采用一种与现有双极板粘结技术不同的粘结方法进行粘结，利用热熔胶膜代替传统的流体胶黏剂，由于热熔胶膜在常温下不具有粘性，因而可以实现加工成合适的形状，可以按照需要涂胶区域（即粘结面）整体加工成型，也可以分解为几个区域分别加工，然后再拼接成型以达到节省材料的目的，而且由于热熔胶膜本身厚度的均一性，从而保证了粘结时胶层厚度的一致。还在于对应双极板内部结构的特征性，控制适当的温度、压制压力、并合理的设置热熔胶膜的位置以及与双极板流体分配口、内部流体流动空间的距离，有效防止由于胶水溢出堵塞流体流动空间导致内部液体流动不畅，提高双极板的性能。
作为本发明的优选，所述的整体压合的温度为100-120℃、压力为0.1-2MPa/cm2。
上述技术方案初步粘结时加热温度优选为70-90℃，温度过低胶层粘结力差，过高会使胶层过早融化，影响后期效果，将胶层粘结到双极板各组件上，对于热熔胶膜为按粘结面区域分割成若干小块的胶层来说，可以粘结至同一组件上，也可以粘结至相互粘结的两个组件上以方便操作。在双极板内部各组件初步粘结完毕后，再将双极板在较高温度，较好为100-120℃和0.1-2MPa/cm2压力条件下下整体压合，温度和压力过低会影响最终粘结效果，过高则会造成胶水大量溢出。
由于胶层在压合过程中会流动，需要控制胶层的覆盖面积以保证不会堵塞双极板分配孔和内部的流体流通通道，一般控制胶层覆盖面积为需要涂胶面积的30%-90%，较好为50%-80%（即热熔胶膜面积占整个粘结面的50~80%），同时，胶层距离分配孔和内部流体流道的距离要等于或大于胶层距离涂胶区域外边缘的距离，一般按（1-3）：1分配，较好为（1-1.5）：1。
本发明双极板粘结方法，相对于现有技术，由于采用胶层加工成型后直接粘结于需要涂胶粘结面，避免了流体胶水涂敷的过程，而且也省略了流体胶水的干燥过程，在提高了胶层均匀性的同时，也提高了生产效率。对涂胶区域按一定比例进行胶层覆盖，并探索合适的处理温度和压力，在保证粘结性能的同时，避免了胶层融化后溢出导致的分配口和流体流动空间被堵塞的问题，而且，由于胶层形状的可控制性，也保证了产品质量的稳定性。
以下结合两个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具备相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。
附图说明
图1为双极板需粘结区域示意图。
粘结面001、流体分配口002、内部流体流动空间003。
具体实施方式
实施例1：按粘结面区域整体制备热熔胶膜
一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，首先按照双极板各叠合组件的粘结面001形状制备等厚、形状固定的热熔胶膜，热熔胶膜面积占整个粘结面的60%，将制备好的热熔胶膜贴覆在加热至70℃的双极板组件的粘结面上，所述热熔胶膜贴覆处，胶膜距离双极板上的流体分配口002、内部流体流动空间003的边缘距离：胶膜距离双极板组件外边缘的距离为1:1，然后将需粘结的各组件在上述温度下按粘结顺序逐层进行初步粘结，最后将双极板各组件在温度为120℃、压力为0.7MPa/cm2的条件下进行整体压合，得到成型的双极板，热熔胶膜为聚酯。
实施例2：参照实施例1，热熔胶膜面积占整个粘结面001的50%，将制备好的热熔胶膜贴覆在加热至90℃的双极板组件的粘结面，所述热熔胶膜贴覆处，胶膜距离双极板上的流体分配口002、内部流体流动空间003的边缘距离：胶膜距离双极板组件外边缘的距离为1.5：1，然后将需粘结的各组件在相同温度条件下按粘结顺序逐层进行初步粘结，最后将双极板各组件在温度为80℃、压力为1MPa/cm2的条件下进行整体压合，得到成型的双极板。
实施例3：参照实施例1，热熔胶膜面积占整个粘结面001的30%，将制备好的热熔胶膜贴覆在加热至50℃的双极板组件的粘结面，所述热熔胶膜贴覆处，胶膜距离双极板上的流体分配口002、内部流体流动空间003的边缘距离：胶膜距离双极板组件外边缘的距离为1.5：1，然后将需粘结的各组件在相同温度条件下按粘结顺序逐层进行初步粘结，最后将双极板各组件在温度为110℃、压力为5MPa/cm2的条件下进行整体压合，得到成型的双极板。
实施例4：按粘结面区域分割为3块
一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，首先按照双极板各叠合组件的粘结面001形状制备等厚、形状固定的热熔胶膜：将粘结面001分成三个区域，包含分配口的上下两端和中间部分，中间部分两端适当加长1cm，制备成3块热熔胶膜，胶膜面积占粘结面积的80%。将制备好的热熔胶膜贴覆在加热至70℃的双极板组件的粘结面001上，即将按上下两部分制备的热熔胶膜粘结于需粘结组件件的一个面上，中间部分制备的热熔胶膜粘结于与该粘结组件相对的另一组件表面，然后进行初步粘合，所述热熔胶膜贴覆处，胶膜距离双极板上的流体分配口002、内部流体流动空间003的边缘距离：胶膜距离双极板组件外边缘的距离为1:1，然后将需粘结的各组件按粘结面逐层进行初步粘结，最后将双极板各组件在温度为110℃、压力为0.4MPa/cm2的条件下进行整体压合，得到成型的双极板，热熔胶膜为聚氨酯。
实施例5：参照实施例3，其他条件不变，最后将双极板各组件在温度为150℃、压力为0.1MPa的条件下进行整体压合，得到成型的双极板。
实施例6：参照实施例3，其他条件不变，将粘结面001分成三个区域，包含分配口的上下两端和中间部分，中间部分两端适当加长1cm，制备成3块热熔胶膜，胶膜面积占粘结面积的90%。最后将双极板各组件在温度为120℃、压力为2MPa的条件下进行整体压合，得到成型的双极板。
上述实施例的双极板在制作过程中仅需进行胶膜离型纸的去除，单次铺设胶膜时间仅需十几秒钟，使用性能与现有技术相比增加了30%~80%。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先按照双极板各叠合组件的粘结面形状制备等厚、形状固定的热熔胶膜，热熔胶膜面积占整个粘结面的30~90%，将制备好的热熔胶膜贴覆在加热至50℃~90℃的双极板组件的粘结面上，所述热熔胶膜贴覆处，胶膜距离双极板上的流体分配口、内部流体流动空间的边缘距离≥胶膜距离双极板组件外边缘的距离，然后在上述温度下将需粘结的各组件按粘结顺序逐层进行初步粘结，最后将双极板各组件在温度为80-150℃、压力为0.1-5MPa/cm2的条件下进行整体压合，得到成型的双极板。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，其特征在于所述初步粘接温度为70~90℃。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，其特征在于所述的整体压合的温度为100-120℃、压力为0.1-2MPa/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，其特征在于所述热熔胶膜为按粘结面区域制作一整块或分割成若干小块。
5.根据权利要求1或4所述的一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，其特征在于热熔胶膜为聚酯或聚氨酯。
6.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，其特征在于热熔胶膜面积占整个粘结面的50~80%。
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