CN104716329B - 一种固态聚合物电解质水电解池双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固态聚合物电解质（SPE）水电解池的双极板，具体地说是一种SPE水电解池双极板及其制备方法。该方法制备的双极板为分体式结构，具体包括三个步骤：首先单独加工双极板各组件；再将分隔板进行导电处理；最后，将其固定成型后焊接成完整的双极板。它具有优异的导热性、导电性、耐蚀性、阻气性和耐6MPa工作压力，且双极板重量轻，平整度高，满足SPE水电解池工作要求。

Description

一种固态聚合物电解质水电解池双极板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种固态聚合物电解质（SPE）水电解池双极板及其制备方法，属于固态聚合物电解质水电解池技术领域。

背景技术

双极板是SPE水电解池的核心部件，占电池组重量和成本的绝大部分，不仅要求具备有很好的导电性、导热性、耐腐蚀，还要有较高的机械强度和气体不可渗透性等特点，所以一直是开发的重点和难点。固态聚合物电解质水电解池双极板常用材料为金属，金属材料不仅强韧性好，而且机械加工性能、导电性、导热性、致密性均较好。现有技术中的代表文献如下：

CN1966777A中描述了一种质子交换膜电解水装置，该装置所用极板采用一体式结构。具体为：其阴极板和阳极板采用1-4mm的钛合金或其他耐腐蚀合金板材，加工过程中先在金属板上加工出沟槽、流道、导流槽和密封槽部分，使其阴极板和阳极板双面都有流道沟槽。随后再加工出电解水、气体进出口方形通孔，氢氧流场板设计为线性流道，流道深0.3-0.6mm，宽0.5-1.0mm。

日本专利JP2000273681A1提出了一种金属超塑成型技术，该技术将金属薄板冲压成型，使得极板两侧表面形成流道，经过导电处理后完成极板的加工。

本发明的双极板不同于以上两种工艺，极板平整度高，平板涂层较耐腐蚀，对其批量化生产有着至关重要的意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种满足固态聚合物电解质水电解池使用的金属双极板及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种固态聚合物电解质水电解池双极板为分体式三层结构，其外侧两层为放置密封胶线的边框，中间为分隔板，该极板制备方式包括以下步骤：

（1）首先加工边框和分隔板；

（2）其次将分隔板进行导电处理；

（3）最后将两层边框和步骤（2）的分隔板粘合后焊接，或者直接将三层组件焊接。

所述的边框和分隔板材质可以是不锈钢、钛、钛合金的一种，或几种的组合。

所述的步骤（1）的边框的通孔、导流槽及外形可采用冲压、锻压、模压、机加工或电加工的一种或几种组合的方式加工；而分隔板可以是整体的片状平板，也可以在环状内边框内部区域形成波纹状流场板，所用加工方式包括冲压、模压、机加工或电加工的一种或几种组合。

所述的步骤（2）的导电处理工艺为电镀、烧结或真空溅射；所述涂层材料为Ag、Pt、Au、氧化铱、铱钌氧化物、铱锡氧化物、氮化钛或碳化钛。

所述的氢（或氧）侧边框，包括：一个环状外边框，两个氧气（或氢气）通孔环状边框，一体式结构的二个氢气（或氧气）通孔环状边框与环状内边框。其中，一体式结构的二个氢气（或氧气）通孔环状边框与环状内边框的连接处有气水流道，或称导流槽，位于靠近分隔板一侧。

所述的步骤（3）的两层边框和分隔板的三层组件可以先粘合成一体，然后进行全部焊接或局部焊接；也可以用夹具将三层组件固定，然后再进行全部焊接。其中，外侧两层环状外边框与分隔板可以采用全部焊接或局部焊接。而气体通孔环状边框，一体式的二个气体通孔环状边框和环状内边框，与分隔板可以只用粘合的方式形成一体，也可以采用粘合与焊接的方式形成一体。

本发明具有如下特性：

1.耐高压。所制备的极板能承受最高压力6MPa。

2.极板薄、重量轻。由于各个组件可以单独加工，所以每个组件的厚度能够降到最低，整个极板重量可以降低。

3.易批量化制备。各组件可以用模具加工，加工周期短，成本低。

总之，本发明制备的极板对促进SPE水电解池的市场化具有重要的意义。

附图说明

图1双极板三层结构图；

图2双极板立体图；

图3应用本发明双极板的电解池在内部压力5MPa时的保压曲线；

图4应用本发明双极板的电解池的升压曲线。

图1给出了固态聚合物电解质（SPE）水电解池的双极板三层结构图，1为氢气侧（阴极）环状外边框，2为氧气通孔的环状边框，3为一体式的氢气通孔环状边框与环状内边框，4为分隔板，5为一体式的氧气通孔环状边框与环状内边框，6为氢气通孔的环状边框，7为氧气侧（阳极）环状外边框。1、2和3三个组件构成了氢气侧（阴极）密封件边框，5、6和7三个组件构成了氧气侧（阳极）密封件边框。图2给出了三层组件经过粘合、焊接而形成一体的双极板立体图。

具体实施方式

实施例1

采用基材为0.6mm的不锈钢板，用冲压的方式将其加工为一体式的氢气通孔环状边框与环状内边框，环状外边框、氧气通孔的环状边框、氧气通孔的环状边框与环状内边框、环状外边框、氢气通孔的环状边框。采用0.3mm的不锈钢板冲压成带有两个氢气和两个氧气通孔的分隔板，并电镀Ag。将以上的各组件粘到分隔板上，然后将焊枪垂直于边框，使分隔板和两侧边框熔焊接，焊点距离为0.5cm，完成SPE水电解池的双极板制备。图3给出了分体式双极板组装的SPE水电解池的保压曲线。可以看出，电解池保压3h，压力基本维持在5MPa不变，极板无变形、突出等现象。

实施例2

采用基材为0.3mm的钛板，机加工为一体式的氢气通孔环状边框与环状内边框，环状外边框、氧气通孔的环状边框、氧气通孔的环状边框与环状内边框、环状外边框、氢气通孔的环状边框。再采用0.2mm的钛合金板，将中间区域模压出波纹，再将粘边框的部分机加工出两个氢气通孔、两个氧气通孔。将以上各组件用夹具固定，将焊枪沿着分隔板和两侧的环状外边框钎焊接，再把其它组件与分隔板铆焊接，制备成一个整体双极板。最后将双极板环状内边框区域真空溅射氮化钛,完成适合于SPE水电解池双极板的制备。图4给出了分体式双极板组装的SPE水电解池的升压曲线。可以看出，在130min内电解池压力从1MPa升到6MPa，并在6MPa压力维持30min，极板无变形、突出等现象。

以上实例说明，该方法生产的极板能够满足固态聚合物电解质（SPE）水电解池中高压工作的要求。

Claims (8)

1.一种固态聚合物电解质水电解池双极板的制备方法，其特征在于：所述的双极板为分体式三层结构，其外侧两层为边框，中间为分隔板，其中边框内放置密封件；

所述的边框，包括：一个环状外边框、两个氢气通孔环状边框、一体式结构的二个氧气通孔与环状内边框；另一个为一个环状外边框、两个氧气通孔环状边框、一体式结构的二个氢气通孔与环状内边框；

所述双极板的制备方法包括以下步骤：

(1)加工边框和分隔板；

(2)将分隔板进行表面处理；

(3)将两层边框和步骤(2)的分隔板粘合后焊接，或直接将两层边框和步骤(2)的分隔板焊接。

2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的边框和分隔板是不锈钢、钛、钛合金或其组合。

3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)的边框和分隔板的加工方式采用冲压、锻压、模压、机加工或电加工的一种或几种组合。

4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)的表面处理工艺为电镀、烧结或真空溅射；所用的表面处理材料为：Ag、Pt、Au、氧化铱、氧化钌、铱钌氧化物、铱锡氧化物、氮化钛或碳化钛。

5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的焊接为对所有组件，或对一部分组件进行焊接；焊接位置为沿着边框与分隔板的边缘，或垂直于边框方向。

6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于:

所述的边框，其一体式结构的二个氢气或氧气通孔环状边框与环状内边框的连接处有气水流道，或称导流槽，位于靠近分隔板一侧。

7.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的焊接为熔焊或钎焊。

8.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的分隔板的环状内边框内部区域是平板或波纹板，与边框接触的区域是平板。