CN107394228A - 一种双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种双极板及其制备方法。该双极板的加工工艺简单，成本低，能够实现批量化生产，为燃料电池的发展和应用创造了条件。本发明实施例提供一种双极板，包括：基板；以及，通过印刷形成在所述基板表面的用于形成流道的肋条，所述肋条由导电浆料固化成型后的导电材料构成。本发明实施例用于制备燃料电池。

Description

一种双极板及其制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种双极板及其制备方法。

背景技术

燃料电池简称为电堆，主要由双极板、膜电极、集流板、端板等组成。其中，双极板作为反应物均匀传质，产物输出，电子导流等功能实现的载体，在电堆整体结构中起到非常重要的作用。

目前，通常采用石墨材料、金属材料或者复合材料加工制成基板，然后经机械加工(包含铣削，冲压等)后制成具有多个流道(flow channel)的双极板，流道的作用是为燃料电池提供反应气体(如氢气和氧气)并为反应产物(如水)的排出提供通道。

在实际应用中，燃料电池双极板需同时满足较好的导电导热性能，耐酸性防腐蚀性能，热稳定性能和物理机械性能，同时还要兼顾材料的加工工艺以及材料的成本等问题。

现有技术中，通过铣削或者冲压在三种材料的双极板上形成流道时，由于各种材料物理性能的影响，加工工艺均较为复杂，制作成本高，难以实现批量化生产应用。例如，石墨双极板由于机械强度较低，在通过铣削加工流道时对加工机械精度要求较高，工艺复杂，制作成本高，而金属双极板虽然机械强度较高，但是在通过铣削或者冲压加工流道时，加工工艺复杂，设备投资较大，并且冲压和铣削后的金属表面的防腐蚀处理难度较大，复合双极板在加工流道时同样存在加工工艺复杂，成本高等问题。综上所述，现有技术中双极板的流道的加工工艺制约了燃料电池的发展。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种双极板及其制备方法，该双极板的加工工艺简单，成本低，能够实现批量化生产，为燃料电池的发展和应用创造了条件。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种双极板，包括：

基板；以及，

通过印刷形成在所述基板表面的用于形成流道的肋条，所述肋条由导电浆料固化成型后的导电材料构成。

可选的，所述基板为金属板。

可选的，所述基板为镀碳金属板、镀金金属板、复合金属板或者合金板。

可选的，所述基板的厚度介于0.005mm-0.5mm之间。

可选的，所述导电浆料的粘度为300-800dPa·S，电阻小于等于20Ω/20um。

可选的，所述导电浆料为导电碳浆、导电金属浆或者复合导电浆。

可选的，所述流道的宽度与所述肋条的宽度之比为1:4-4:1。

可选的，所述肋条的宽度与厚度之比为1:4-4:1。

可选的，所述肋条的厚度为20-500微米。

可选的，所述基板上设有分别与所述流道的两端连通的流体入口和流体出口。

可选的，所述基板的上下两个表面中的其中一个表面的流道为反应气体流道，另一个表面的流道为冷却介质流道；其中，所述反应气体流道为燃料气流道和空气或氧气流道中的其中一个；或者，

所述基板的上下两个表面中的其中一个表面的流道为燃料气流道，另一个表面的流道为空气或氧气流道。

另一方面，本发明实施例提供一种燃料电池，包括:

依次层叠设置的至少两个双极板；以及，

位于每两个相邻的双极板之间的膜电极；

其中，至少一个所述双极板选自如上所述的双极板。

可选的，每两个相邻的双极板相对设置的两个表面分别设置有燃料气流道和空气或氧气流道中的其中一个。

再一方面，本发明实施例提供一种双极板的制备方法，包括：

步骤1)根据流道的结构加工印刷网板；

步骤2)将导电浆料通过所述印刷网板印刷在基板的表面，形成用于形成流道的肋条；

步骤3)烘干，获得所述双极板。

可选的，所述印刷网板为丝印网板。

可选的，在所述步骤3)之前，所述方法还包括：

对印刷到所述基板表面的导电浆料的厚度进行检测，若所述导电浆料的厚度未达到设定值，则不断重复所述步骤2)，直至所述导电浆料的厚度达到设定值。

本发明提供一种双极板及其制备方法，通过印刷在基板的表面形成用于形成流道的肋条，与现有技术中通过铣削和冲压需要考虑基板的材料相比，能够降低对基板的材料要求，并且印刷工艺较为成熟，成本低，能够降低流道的加工工艺难度，实现批量化生产，并能够实现微型化流道结构的加工，为燃料电池的发展和应用创造了条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种双极板的侧视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种双极板的表面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种双极板的侧视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种双极板的侧视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种双极板的表面结构示意图；

图6为本发明实施例提供的再一种双极板的表面结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种双极板的侧视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的再一种双极板的侧视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种燃料电池的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种双极板的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

一方面，本发明实施例提供一种双极板，参见图1，包括：

基板1；以及，

通过印刷形成在所述基板1表面的用于形成流道2的肋条3，所述肋条3由导电浆料固化成型后的导电材料构成。

本发明实施例提供一种双极板，通过印刷在基板1的表面形成用于形成流道2的肋条3，与现有技术中通过铣削和冲压需要考虑基板的材料相比，能够降低对基板的材料要求，并且印刷工艺较为成熟，成本低，能够降低流道的加工工艺难度，实现批量化生产，并能够实现微型化流道结构的加工，为燃料电池的发展和应用创造了条件。

其中，所述基板1的材料可以为石墨材料，也可以为金属材料，还可以为复合材料。当所述基板1的材料为石墨材料时，与现有技术中需要在石墨材料的表面刻蚀加工流道相比，仅需要将石墨板作为承印物将导电浆料印刷在其表面即可，能够降低对石墨的机械性能的要求，降低加工成本；当所述基板1的材料为金属材料时，与现有技术中采用冲压或者铣削工艺在金属板表面加工流道相比，仅需要将金属板作为承印物将导电浆料印刷在其表面即可，使得金属板可保持表面平整，能够降低防腐蚀处理难度；当所述基板1为复合材料时，也仅需要将复合材料作为承印物将导电浆料印刷在其表面即可，同样能够简化加工工艺，降低加工成本。

由于金属板具有良好的导电导热性能，有利于电子的传输及反应过程中产生的热量的散失，可有效提高燃料电池电堆的性能及稳定性，且金属板与石墨板和复合板相比，机械强度较高，加工方便，可以做到轻薄化，从而能够获得更高的燃料电池功率密度，因此，优选的，所述基板1为金属板。

进一步优选的，所述基板1为镀碳金属板、镀金金属板、复合金属板或者合金板。通过选用上述金属板，根据需要对金属板的表面进行耐腐蚀加工处理，能够进一步提高双极板的耐腐蚀性，以及导电导热性能。

进一步优选的，所述基板1的厚度D介于0.005mm-0.5mm之间，如0.008mm、0.01mm、0.03mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm。能够最大程度上满足双极板的轻薄化需求。

其中，对所述导电浆料的材料不做限定，在实际应用中，由于流道2的作用是为燃料电池提供反应气体(如氢气和氧气)并为反应产物(如水)的排出提供通道。而所述流道2由形成在所述基板1表面的肋条3构成，因此，所述导电浆料应当具备一定的耐腐蚀性(耐酸性、耐碱性等)，抗氧化性以及固化稳定性。而由于燃料电池在工作过程中会产生热量，因此，所述导电浆料应当具有一定的耐高温和低温性能以及耐压性能。更进一步地，由于所述导电浆料通过印刷形成在所述基板1的表面，因此，所述导电浆料还应当具有一定的粘度。

优选的，所述导电浆料的粘度为300-800dPa·S，如400dPa·S、500dPa·S、600dPa·S、700dPa·S，电阻小于等于20Ω/20um，如5Ω/20um、10Ω/20um、15Ω/20um。这样一来，能够满足印刷需求，提高双极板的牢固性，并且，还能够提高双极板的导电性能。

进一步优选的，所述导电浆料为导电碳浆、导电金属浆或者复合导电浆。

其中，对所述流道2的具体结构不做限定，所述流道2可以为直线，也可以为蛇形或者波浪形，还可以沿延伸方向直线与波浪形周期性变化，还可以沿延伸方向渐缩或者渐扩。

对所述流道2的截面形状也不做限定，所述流道2的截面可以为矩形(如图1所示)、梯形(如图3所示)、U型(如图4所示)或者其他有利于介质传输和流通的截面形状。

其中，由于流道2由肋条3构成，因此，通常情况下，两条并行排列的肋条3之间的间隙构成一条流道，三条并行排列的肋条3两两相邻分别构成一条流道，依次类推，n+1条并行排列的肋条3可构成n条流道。

在实际应用中，可以根据实际需要对流道2的条数以及宽度进行合理设置，以最大程度上使反应气体的流通和反应产物的排出提供方便。

本发明的一实施例中，所述流道2的宽度W1与所述肋条3的宽度W2之比为1:4-4:1，如1:2、3:4、4:5、1:1、6:5、7:5、3:2、7:4、2:1。将所述流道2的宽度W1和所述肋条3的宽度W2限定在以上范围内，能保证反应气体和反应产物的顺畅流通，又能够减小加工难度，提高燃料电池的传质传热性能。

其中，需要说明的是，当所述流道2的截面形状为矩形时，所述流道2的宽度W1是指矩形的宽度，而当所述流道2的截面形状为梯形、U型或者其他不规则的形状时，所述流道2的宽度W1是指流道2的底面宽度；同样地，所述肋条3的宽度也是指所述肋条3的底面宽度，即所述肋条3与所述基板1的表面结合的宽度。

本发明的又一实施例中，所述肋条3的宽度W2与厚度d之比为1:4-4:1，如1:2、3:4、4:5、1:1、6:5、7:5、3:2、7:4、2:1。能够提高燃料电池的传质传热性能和轻薄化。

本发明的一优选实施例中，所述肋条3的厚度d为20-500微米，如30微米、50微米、80微米、100微米、110微米、120微米、130微米、140微米、150微米、160微米、170微米、180微米、190微米、200微米、210微米、220微米、250微米、300微米、400微米。能够实现微型化流道的加工，进一步提高燃料电池的传质传热性能和轻薄化。

本发明的一实施例中，参见图2，所述基板1上设有分别与所述流道2的两端连通的流体入口4和流体出口5。

其中，所述流道2可以为反应气体流道，也可以为冷却介质流道，还可以既包括反应气体流道又包括冷却介质流道。

示例性的，参见图5，当所述流道2为反应气体流道21时，所述反应气体流道21的两端分别连通反应气体入口41和反应气体出口51；参见图6，当所述流道2为冷却介质流道22时，所述冷却介质流道22的两端分别连通冷却介质入口42和冷却介质出口52，参见图7，当所述流道2既包括反应气体流道21又包括冷却介质流道22时，相对应地，所述反应气体流道21的两端分别连通反应气体入口41和反应气体出口51，所述冷却介质流道22的两端分别连通冷却介质入口42和冷却介质出口52，这时，所述反应气体流道21和所述冷却介质流道22分别设置在基板上下表面。

其中，当所述流道2为反应气体流道21时，所述反应气体流道21根据反应气体不同可以包括燃料气流道和/或空气或氧气流道。当所述反应气体流道21既包括燃料气流道又包括空气或氧气流道时，所述燃料气流道和所述空气或氧气流道分别分布在所述基板1的上下两个表面中的其中一个表面。

当所述流道2为冷却介质流道22时，所述冷却介质流道22可以分布在所述基板1的上下两个表面，也可以仅分布于所述基板1的一个表面。

本发明的一优选实施例中，参见图7，所述基板1的上下两个表面中的其中一个表面的流道2为反应气体流道21，另一个表面的流道2为冷却介质流道22；其中，所述反应气体流道21为燃料气流道211和空气或氧气流道212中的其中一个；或者，

参见图8，所述基板1的上下两个表面中的其中一个表面的流道2为燃料气流道211，另一个表面的流道为空气或氧气流道212。

这样一来，在将该双极板应用于燃料电池时，能够将所述双极板按照流道的不同组装起来，以进行发电。即燃料电池中单电池包括阳极板和阴极板，阳极板选用设置有燃料气流道211的双极板，阴极板选用设置有空气或氧气流道212的双极板，并将设置有燃料气流道211的表面和空气或氧气流道212的表面相对设置。

另一方面，本发明实施例提供一种燃料电池，参见图9，包括:

依次层叠设置的至少两个双极板01；以及，

位于每两个相邻的双极板01之间的膜电极02；

其中，至少一个所述双极板01选自如上所述的双极板。

本发明实施例提供一种燃料电池，由于该双极板01通过印刷在基板1的表面形成用于形成流道2的肋条，与现有技术中通过铣削和冲压需要考虑基板的材料相比，能够降低对基板的材料要求，并且印刷工艺较为成熟，成本低，能够降低流道的加工工艺难度，实现批量化生产，并能够实现微型化流道结构的加工，为燃料电池的发展和应用创造了条件。

本发明的一实施例中，每两个相邻的双极板01相对设置的两个表面分别设置有燃料气流道211和空气或氧气流道212中的其中一个。

在本发明实施例中，每两个相邻的双极板01一个为阳极板，另一个为阴极板，在燃料电池工作时，阳极板上的燃料气流道211流过氢气，阴极板上的空气或氧气流道212流过空气。氢气在膜电极催化剂的作用下发生氧化反应，产生氢离子和电子，氢离子通过膜电极到达阴极，阴极空气中的氧气在催化剂作用下发生还原反应，产生氧负离子，氧负离子与氢离子结合生成水，生成的水随未反应的空气排出。氢气侧产生的电子通过外电路到达阴极空气侧。即当电子依次通过肋条3、基板1和外电路流向阴极时就产生了电流。

另一方面，本发明实施例提供一种双极板的制备方法，参见图10，包括：

步骤1)根据流道的结构加工印刷网板；

步骤2)将导电浆料通过所述印刷网板印刷在基板的表面，形成用于形成流道的肋条；

步骤3)烘干，获得所述双极板。

本发明实施例提供一种双极板的制备方法，通过根据流道的结构加工印刷网板，并将导电浆料通过印刷网板印刷在基板的表面，能够在基板的表面形成流道结构，从而获得由基板和形成在该基板表面的形成流道的肋条组成的双极板，与现有技术中通过铣削和冲压需要考虑基板的材料相比，能够降低对基板的材料要求，并且印刷工艺较为成熟，成本低，能够降低流道的加工工艺难度，实现批量化生产，并能够实现微型化流道结构的加工，为燃料电池的发展和应用创造了条件。

其中，对所述印刷网板的类型不做限定，只要将导电浆料印刷在所述基板表面后，能够在所述基板的表面形成流道即可。所述印刷网板可以为丝网网板、钢网网板或者其他二维或三维印刷用网板等。

优选的，所述印刷网板为丝印网板，以获得微型化流道。

具体的，这里以丝网印刷为例对双极板的制备方法进行详细说明。

1)用无水乙醇对印刷网板及基板进行擦拭，以保持其表面清洁；

2)启动丝网印刷机，安装印刷网板；

3)调整丝网印刷机工作台位置，在工作台固定基板并定位，保证流道可完整地印刷在基板表面；

4)设置印刷压力，涂墨压力以及背压，保证流道印刷清晰完整；

5)将制备好的导电浆料置于印刷网板的一端，启动设备，完成一次印刷；

6)将印刷导电浆料后的基板置于烘干机中烘干，使得导电浆料固化成型，获得所述双极板。

本发明的一优选实施例中，所述印刷压力为0.15-0.5MPa，所述涂墨压力为0.15-0.6MPa，所述背压为0.15-0.5MPa。

进一步优选的，所述烘干的温度为50-200℃，时间为5min-90min。

其中，需要说明的是，在实际应用中，通过一次印刷之后所述肋条的厚度往往达不到设计厚度，这时，可以经过多次印刷来达到设计厚度。因此，本发明的一优选实施例中，在所述步骤3)之前，所述方法还包括：对印刷到所述基板表面的导电浆料的厚度进行检测，若所述导电浆料的厚度未达到设定值，则不断重复所述步骤2)，直至所述导电浆料的厚度达到设定值。

在实际应用中，可以通过控制所述印刷网板的过墨量和丝网厚度来对印刷的厚度以及印刷次数进行控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种双极板，其特征在于，包括：

基板；以及，

通过印刷形成在所述基板表面的用于形成流道的肋条，所述肋条由导电浆料固化成型后的导电材料构成。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，

所述基板为金属板。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，

所述基板为镀碳金属板、镀金金属板、复合金属板或者合金板。

4.根据权利要求1-3任一项所述的双极板，其特征在于，

所述基板的厚度介于0.005mm-0.5mm之间。

5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，

所述导电浆料的粘度为300-800dPa〃S，电阻小于等于20Ω/20um。

6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，

所述导电浆料为导电碳浆、导电金属浆或者复合导电浆。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，

所述流道的宽度与所述肋条的宽度之比为1:4-4:1。

8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，

所述肋条的宽度与厚度之比为1:4-4:1。

9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，

所述肋条的厚度为20-500微米。

10.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，

所述基板上设有分别与所述流道的两端连通的流体入口和流体出口。

11.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，

所述基板的上下两个表面中的其中一个表面的流道为反应气体流道，另一个表面的流道为冷却介质流道；其中，所述反应气体流道为燃料气流道和空气或氧气流道中的其中一个；或者，

所述基板的上下两个表面中的其中一个表面的流道为燃料气流道，另一个表面的流道为空气或氧气流道。

12.一种燃料电池，其特征在于，包括:

依次层叠设置的至少两个双极板；以及，

位于每两个相邻的双极板之间的膜电极；

其中，至少一个所述双极板选自如权利要求1-11任一项所述的双极板。

13.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，

每两个相邻的双极板相对设置的两个表面分别设置有燃料气流道和空气或氧气流道中的其中一个。

14.一种双极板的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1)根据流道的结构加工印刷网板；

步骤2)将导电浆料通过所述印刷网板印刷在基板的表面，形成用于形成流道的肋条；

步骤3)烘干，获得所述双极板。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，

所述印刷网板为丝印网板。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，

在所述步骤3)之前，所述方法还包括：

对印刷到所述基板表面的导电浆料的厚度进行检测，若所述导电浆料的厚度未达到设定值，则不断重复所述步骤2)，直至所述导电浆料的厚度达到设定值。