CN108063264B - 一种石墨-金属边框复合双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨‑金属边框复合双极板及其制备方法，所述双极板分为阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板均由金属边框和石墨板粘接而成；其中，整个石墨板通过金属边框上的粘接区粘接在金属边框的内部，所述阴极板和阳极板密封连接后，形成石墨‑金属边框粘结复合双极板。所述制备方法包括石墨板的制备、阳极板的金属边框制备、阴极板的金属边框制备。本发明制备本发明的石墨‑金属边框粘结复合双极板，具有强度高、导电性能优良、耐腐蚀性强等特点，由于本发明的石墨‑金属边框复合双极板主体为石墨板、边框为金属板，省去了大面积金属板的涂层处理，避免了大面积涂层工艺繁琐以及涂覆不均匀导致性能不一等问题，极具应用前景。

Description

一种石墨-金属边框复合双极板及其制备方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种石墨-金属边框复合双极板及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种电化学能量转化装置，其能量转换效率不受卡诺循环限制，可高效、清洁地把化学能直接转化为电能，并且生成物为纯水，真正做到零排放、零污染。质子交换膜燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空航天及水下潜器等民用与军用领域都展现出了广阔的应用前景。

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件，是构成PEMFC电池体积和重量的主要部分，在燃料电池中主要起分隔氧化剂与还原剂、收集电流、传导反应热量、排水等作用。双极板占了整个燃料电池堆总质量的60％～80％和电堆成本的30％～45％，双极板的成本与性能对推进燃料电池的市场应用与产业化进程有很大影响。

目前，PEMFC中广泛使用的双极板材料是石墨板、复合材料板和金属板。

(1)石墨双极板具有导电导热性能高、耐腐蚀、易于加工、密度较低等优点，因此是燃料电池中最常用的双极板。但是传统石墨板由于石墨化温度高(>2500℃)，故制备程序严格繁琐、机械加工周期长。同时，石墨脆性大、强度低、组装也较困难，且存在气密性差等不足。

(2)针对石墨双极板存在的缺陷，碳基复合双极板添加树脂材料作为粘结剂，以石墨作基体材料，经过模压成型、注射成型和挤压成型等方式制得复合双极板，可以在增强石墨板强度的同时提高双极板的气密性，多种加工方式也利于此复合双极板批量生产、降低成本。碳基复合双极板质量轻、强度大、耐腐蚀，但也可能存在导电性能较差的问题，多数此类双极板都添加炭黑颗粒、金属粒子等导电填料以此增强导电性。

(3)金属双极板相较于石墨双极板，具有良好的导电导热性、机械加工性、致密性，适合批量生产，但是金属材料存在着单位密度大、易腐蚀等缺点。因此，就需要采用电镀、化学镀、物理/化学气相沉积等工艺对金属双极板进行表面改性。目前研究的涂层表面改性主要两类，碳基涂层和金属基涂层表面改性。虽然表面改性涂层可以在一定程度上提高金属板的耐腐蚀性，但是多数工作仅在模拟环境下对双极板耐蚀性和接触电阻进行考察，而实际PEMFC的运行环境与模拟环境存在较大差异。另一方面，要做到无缺陷的改性层制备，对设备、技术的要求很高，目前的一些尖端技术可以满足此要求，但同时成本就会较高。

结合金属材料和碳基复合材料的特点，人们开发出了以金属薄板为支撑体，石墨板为流道的金属基复合双极板，如专利CN 2429919Y公开了一种镶嵌结构的质子交换膜燃料电池双极板，由金属材料制作导电不透气液的分隔板，石墨材料制作气体反应流道板，板面加工成凹凸沟槽结构相互嵌合成双极板，此镶嵌结构的双极板在实际运行性能上会明显优于纯石墨和纯金属材料双极板。但是，此双极板制备需要对金属分隔板与两个石墨流道板分别加工凹凸沟槽结构，制备工序略复杂且紧实度无法保证。

专利CN 106848362A公开了一种金属波纹板和石墨板构成的一体化金属-石墨复合双极板，该双极板以金属波纹板为阴极板，石墨板为阳极板且其一侧加工成波纹结构，两板通过结构嵌合连接为一体，此双极板可以降低接触电阻，利于气体均匀扩散。然而，这种双极板的制备需要进行多次金属薄板与石墨板的波纹结构压制，以致双极板的制备步骤多且时间长，不利于批量化制备。

综上，现有技术中，质子交换膜燃料电池的双极板结构及其制备方法仍然存在工艺繁杂、成本高、性能差等问题，因此，有必要对现有的质子交换膜燃料电池的双极板做进一步的改进，以克服上述缺陷。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种石墨-金属边框复合双极板及其制备方法，本发明制备本发明的石墨-金属边框粘结复合双极板，具有强度高、导电性能优良、耐腐蚀性强等特点，解决了大面积金属板表面改性处理困难、成本高的问题，适合产业化，极具应用前景。

本发明的目的之一是提供一种石墨-金属边框复合双极板。

本发明的目的之二是提供一种石墨-金属边框复合双极板的制备方法。

本发明的目的之三是提供上述石墨-金属边框复合双极板及其制备方法的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种石墨-金属边结复合双极板，所述双极板分为阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板均由金属边框和石墨板粘接而成；其中，整个石墨板通过金属边框上的粘接区粘接在金属边框的内部，所述阴极板和阳极板密封连接后，形成石墨-金属边框粘结复合双极板。

所述阳极板的金属边框上设置有燃料入口、燃料出口、燃料出口分配槽、燃料入口分配槽、定位销孔、密封槽。

所述阴极板的金属边框上设置有氧化剂入口、氧化剂出口、氧化剂出口分配槽、氧化剂入口分配槽、定位销孔、密封槽。

所述燃料入口设置在阳极板的金属边框的一端，且燃料入口为两组，第一燃料入口和第二燃料入口沿阳极板的金属边框的水平轴线对称分布；所述燃料出口设置在阳极板的金属边框的另一端，且燃料出口为两组，第一燃料出口和第二燃料出口沿阳极板的金属边框的水平轴线对称分布。

所述第一燃料入口分配槽和第一燃料入口连接，第二燃料入口分配槽和第二燃料入口连接；所述第一燃料出口分配槽和第一燃料出口连接，第二燃料出口分配槽和第二燃料出口连接，上述燃料入口分配槽和燃料出口分配槽的主要作用是对进入阳极板的燃料量进行分配。

所述氧化剂入口设置在阴极板的金属边框的一端，且氧化剂入口为两组，第一氧化剂入口和第二氧化剂入口沿阴极板的金属边框的水平轴线对称分布；所述氧化剂出口设置在阴极板的金属边框的一端，且氧化剂入口为两组，第一氧化剂出口和第二氧化剂出口沿阴极板的金属边框的水平轴线对称分布。

所述第一氧化剂入口分配槽和第一氧化剂入口连接，第二氧化剂入口分配槽和第二氧化剂入口连接；所述第一氧化剂出口分配槽和第一氧化剂出口连接，第二氧化剂出口分配槽和第二氧化剂出口连接；上述氧化剂入口分配槽和氧化剂出口分配槽的主要作用是对进入阴极板的氧化剂量进行分配。

所述定位销孔对称地分布在金属边框的四角，用于将阴极板和阳极板固定连接。

所述密封槽与粘结区连接，密封槽设置在粘结区的外侧。

所述阳极板的石墨板上设置有燃料流道，阴极板的石墨板上设置有氧化剂流道。

所述金属边框的厚度为0.1～0.2mm。

所述石墨板的厚度为0.8～1.2mm。

所述燃料流道和氧化剂流道均为凹凸形结构，燃料流道和氧化剂流道的深度均为0.3～0.4mm，宽度为1mm。

其次，本发明公开了一种石墨-金属边框复合双极板的制备方法，具体的，所述制备方法包括以下步骤：

1)石墨板的制备：将石墨基材、粘结剂和添加剂混合、搅拌均匀，然后在模具内压制成石墨板，石墨板上分布有燃料流道和氧化剂流道。

2)阳极板的金属边框制备：将金属板在模具内冲压成形，冲压成形后的阳极板的金属边框上分布有第一燃料入口、第二燃料入口、第一燃料出口、第二燃料出口、第一燃料入口分配槽、第二燃料入口分配槽、第一燃料出口分配槽、第二燃料出口分配槽、定位销孔、密封槽、粘结区。

3)阴极板的金属边框制备：将金属板在模具内冲压成形，冲压成形后的阴极板的金属边框上分布有第一氧化剂入口、第二氧化剂入口、第一氧化剂出口、第二氧化剂出口、第一氧化剂入口分配槽、第二氧化剂入口分配槽、第一氧化剂出口分配槽、第二氧化剂出口分配槽、定位销孔、密封槽、粘结区。

4)将步骤1)中的包含燃料流道的石墨板卡和在步骤2)中的阳极板的金属边框的粘结区内后，通过导电胶进行粘接，得到阳极板；然后将步骤1)中的包含氧化剂流道的石墨板卡和在步骤3)中的阴极板的金属边框的粘结区内后，通过导电胶进行粘接，得到阴极板；最后，将阳极板和阴极板合并后通过定位销孔固定，再通过密封槽密封，即得石墨-金属边框复合双极板。

步骤1)中，所述石墨基材包括天然石墨、人造石墨、膨胀石墨等。

步骤1)中，所述粘结剂为热塑性树脂，优选的，所述粘结剂包括酚醛树脂、聚乙烯、聚丙烯。

步骤1)中，所述添加剂包括增强剂和导电填料。

优选的，所述增强剂包括碳纤维、碳纳米管。

优选的，所述导电填料包括炭黑、金属粉。

步骤1)中，所述石墨基材的质量百分数为65％～75％。

步骤1)中，所述粘结剂的质量百分数为15％～20％。

步骤1)中，所述添加剂的质量百分数为10％～15％。

步骤1)中，所述搅拌时间为20～30min。

步骤1)中，所述压制包括注射成型、挤压成型、模压。

步骤2)和步骤3)中，所述金属板包括不锈钢、钛合金。

最后，本发明公开了上述石墨-金属边框复合双极板及其制备方法的应用，所述应用包括用于质子交换膜燃料电池、交通运输、便携式电源、分散电站、航空航天及水下潜器领域中。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明制备的石墨-金属边框复合双极板具有良好的导电性、耐腐蚀性，且制备工艺简单。

(2)本发明制备的石墨-金属边框复合双极板和金属双极板需要复杂的良导电和耐腐蚀表面改性处理相比，由于本发明的石墨-金属边框复合双极板主体为石墨板、边框为金属板，省去了大面积金属板的涂层处理，避免了大面积涂层工艺繁琐以及涂覆不均匀导致性能不一的问题。

(3)现有技术中，金属双极板模具制作耗时、成本高，且需要精密冲压和激光焊接等精准工艺，而本发明的石墨-金属边框复合双极板提供了一种简单的双极板制备构型。

(2)本发明的石墨-金属边框复合双极板，金属边框还能够起到增强复合双极板边缘的弯曲强度的作用，因为石墨板在压制、石墨化等制备过程中，会由于模具、仪器等设备影响，使得石墨整板边缘部分易脆硬度低，添加金属边框恰好可以在边缘处进行加固，增加复合板整体强度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1制备的石墨-金属边框复合双极板的阳极板示意图。

图2为本发明实施例1制备的石墨-金属边框复合双极板的阴极板示意图。

图3为本发明实施例1制备的带有氧化剂流道的石墨板示意图。

图4为本发明实施例1制备的带有燃料流道的石墨板示意图。

图5为本发明实施例1制备的石墨-金属边结复合双极板的阳极板或阴极板的金属边框示意图。

附图中标记分别代表：101-第一燃料入口、102-第二燃料入口、201-第一燃料出口、202-第二燃料出口、301-第一燃料入口分配槽、302-第二燃料入口分配槽、303-第一燃料出口分配槽、304-第二燃料出口分配槽、4-金属边框、5-定位销孔、6-密封槽、7-粘结区、8-燃料流道、901-第一氧化剂入口、902-第二氧化剂入口、1001-第一氧化剂出口、1002-第二氧化剂出口、1101-第一氧化剂入口分配槽、1102-第二氧化剂入口分配槽、1103-第一氧化剂出口分配槽、1104-第二氧化剂出口分配槽、12-氧化剂流道。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，现有的质子交换膜燃料电池的双极板结构及其制备方法仍然存在工艺繁杂、成本高、性能差等问题，因此，本发明提出了一种石墨-金属边框复合双极板及其制备方法，现结合实施例对本发明进一步进行说明。

实施例1：

一种石墨-金属边框复合双极板的制备方法：

1)石墨板的制备：将65wt％的人造石墨、20wt％的酚醛树脂、15wt％的碳纳米管和炭黑等添加剂，放入到高速搅拌器中进行混合，搅拌时间为20min。然后，将混料放入双螺杆挤出机中进行混炼造粒，通过挤出压延的方式，分别制备出带有燃料流道8和氧化剂流道12的石墨板，石墨板的厚度为0.8mm，燃料流道和氧化剂流道均为凹凸形结构，其流道深度均为0.3mm，宽度为1mm。

2)阳极板的金属边框制备：将0.1mm厚的不锈钢316板材在模具内冲压成形，冲压成形后的阳极板的金属边框401上分布有第一燃料入口101、第二燃料入口102、第一燃料出口201、第二燃料出口202、第一燃料入口分配槽301、第二燃料入口分配槽302、第一燃料出口分配槽303、第二燃料出口分配槽304、定位销孔5、密封槽6、粘结区7。

3)阴极板的金属边框制备：将0.1mm厚的不锈钢316板材在模具内冲压成形，冲压成形后的阴极板的金属边框402上分布有第一氧化剂入口901、第二氧化剂入口902、第一氧化剂出口1001、第二氧化剂出口1002、第一氧化剂入口分配槽1101、第二氧化剂入口分配槽1102、第一氧化剂出口分配槽1103、第二氧化剂出口分配槽1104、定位销孔5、密封槽6、粘结区7。

4)将步骤1)中的包含燃料流道8的石墨板卡和在步骤2)中的阳极板的金属边框401的粘结区7内后，通过导电胶进行粘接，得到阳极板；然后将步骤1)中的包含氧化剂流道12的石墨板卡和在步骤3)中的阴极板的金属边框402的粘结区内后，通过导电胶进行粘接，得到阴极板；最后，将阳极板和阴极板合并后通过定位销5孔固定，再通过密封槽6密封，即得石墨-金属边框复合双极板。

实施例2

一种石墨-金属边框复合双极板的制备方法：

1)将70wt％的膨胀石墨、15wt％的聚丙烯、15wt％的碳纳米管和铜粉等添加剂，放入到高速搅拌器中进行混合，搅拌时间为30min。然后，将混料通过模压的方式，分别制备出带有燃料流道8和氧化剂流道12的石墨板，石墨板的厚度为1.0mm，燃料流道和氧化剂流道均为凹凸形结构，其流道深度均为0.4mm，宽度为1mm。

2)阳极板的金属边框制备：同实施例1，区别在于：将0.1mm厚的不锈钢316板材换为0.2mm厚的钛合金TC4板材。

3)阴极板的金属边框制备：同实施例1，区别在于：将0.1mm厚的不锈钢316板材换为0.2mm厚的钛合金TC4板材。

步骤4)同实施例1。

实施例3

1、石墨-金属边框复合双极板的制备

1)将75wt％的天然石墨、20wt％的聚乙烯、10wt％的碳纤维和炭黑等添加剂，放入到高速搅拌器中进行混合，搅拌时间为30min。然后，将混料通过注射成型的方式，分别制备出带有燃料流道8和氧化剂流道12的石墨板，石墨板的厚度为1.2mm，燃料流道和氧化剂流道均为凹凸形结构，其流道深度均为0.3mm，宽度为1mm。

2)阳极板的金属边框制备：同实施例1，区别在于：将0.1mm厚的不锈钢316板材换为0.2mm厚的不锈钢304板材。

3)阴极板的金属边框制备：同实施例1，区别在于：将0.1mm厚的不锈钢316板材换为0.2mm厚的不锈钢304板材。

步骤4)同实施例1。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种石墨-金属边框复合双极板，所述双极板分为阴极板和阳极板，其特征在于：所述阴极板和阳极板均由金属边框和石墨板粘结而成；其中，整个石墨板通过金属边框上的粘结区粘结在金属边框的内部，所述阴极板和阳极板密封连接后，形成石墨-金属边框复合双极板；

所述阳极板的金属边框上设置有燃料入口、燃料出口、燃料出口分配槽、燃料入口分配槽、定位销孔、密封槽；

所述阴极板的金属边框上设置有氧化剂入口、氧化剂出口、氧化剂出口分配槽、氧化剂入口分配槽、定位销孔、密封槽；

所述燃料入口设置在阳极板的金属边框的一端，且燃料入口为两组，第一燃料入口和第二燃料入口沿阳极板的金属边框的水平轴线对称分布；所述燃料出口设置在阳极板的金属边框的另一端，且燃料出口为两组，第一燃料出口和第二燃料出口沿阳极板的金属边框的水平轴线对称分布；

燃料入口分配槽包括第一燃料入口分配槽和第二燃料入口分配槽，燃料出口分配槽包括第一燃料出口分配槽和第二燃料出口分配槽，所述第一燃料入口分配槽和第一燃料入口连接，第二燃料入口分配槽和第二燃料入口连接；所述第一燃料出口分配槽和第一燃料出口连接，第二燃料出口分配槽和第二燃料出口连接；

所述氧化剂入口设置在阴极板的金属边框的一端，且氧化剂入口为两组，第一氧化剂入口和第二氧化剂入口沿阴极板的金属边框的水平轴线对称分布；所述氧化剂出口设置在阴极板的金属边框的另一端，且氧化剂出口为两组，第一氧化剂出口和第二氧化剂出口沿阴极板的金属边框的水平轴线对称分布；

氧化剂入口分配槽包括第一氧化剂入口分配槽和第二氧化剂入口分配槽，氧化剂出口分配槽包括第一氧化剂出口分配槽和第二氧化剂出口分配槽，所述第一氧化剂入口分配槽和第一氧化剂入口连接，第二氧化剂入口分配槽和第二氧化剂入口连接；所述第一氧化剂出口分配槽和第一氧化剂出口连接，第二氧化剂出口分配槽和第二氧化剂出口连接；

所述阳极板的石墨板上设置有燃料流道，阴极板的石墨板上设置有氧化剂流道；

所述燃料流道和氧化剂流道均为凹凸形结构，燃料流道和氧化剂流道的深度均为0.3～0.4mm，宽度为1mm；

所述金属边框的厚度为0.1～0.2mm；所述石墨板的厚度为0.8～1.2mm。

2.如权利要求1所述的石墨-金属边框复合双极板，其特征在于：所述定位销孔对称地分布在金属边框的四角；所述密封槽与粘结区连接，密封槽设置在粘结区的外侧。

3.如权利要求1所述的石墨-金属边框复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

1)石墨板的制备：将石墨基材、粘结剂和添加剂混合、搅拌均匀，然后在模具内压制成石墨板，石墨板上分布有燃料流道或氧化剂流道；

2)阳极板的金属边框制备：将金属板在模具内冲压成形，冲压成形后的阳极板的金属边框上分布有第一燃料入口、第二燃料入口、第一燃料出口、第二燃料出口、第一燃料入口分配槽、第二燃料入口分配槽、第一燃料出口分配槽、第二燃料出口分配槽、定位销孔、密封槽、粘结区；

3)阴极板的金属边框制备：将金属板在模具内冲压成形，冲压成形后的阴极板的金属边框上分布有第一氧化剂入口、第二氧化剂入口、第一氧化剂出口、第二氧化剂出口、第一氧化剂入口分配槽、第二氧化剂入口分配槽、第一氧化剂出口分配槽、第二氧化剂出口分配槽、定位销孔、密封槽、粘结区；

4)将步骤1)中的包含燃料流道的石墨板卡和在步骤2)中的阳极板的金属边框的粘结区内后，通过导电胶进行粘结，得到阳极板；然后将步骤1)中的包含氧化剂流道的石墨板卡和在步骤3)中的阴极板的金属边框的粘结区内后，通过导电胶进行粘结，得到阴极板；最后，将阳极板和阴极板合并后通过定位销孔固定，再通过密封槽密封，即得石墨-金属边框复合双极板；

所述添加剂选自增强剂和导电填料。

4.如权利要求3所述的石墨-金属边框复合双极板的制备方法，其特征在于：所述石墨基材包括天然石墨、人造石墨、膨胀石墨；

所述粘结剂为热塑性树脂。

5.如权利要求3所述的石墨-金属边框复合双极板的制备方法，其特征在于：所述粘结剂包括酚醛树脂、聚乙烯、聚丙烯。

6.如权利要求3所述的石墨-金属边框复合双极板的制备方法，其特征在于：所述增强剂包括碳纤维、碳纳米管。

7.如权利要求3所述的石墨-金属边框复合双极板的制备方法，其特征在于：所述导电填料包括炭黑、金属粉。

8.如权利要求3所述的石墨-金属边框复合双极板的制备方法，其特征在于：所述石墨基材的质量百分数为65％～75％；

所述粘结剂的质量百分数为15％～20％；

所述添加剂的质量百分数为10％～15％。

9.如权利要求3所述的石墨-金属边框复合双极板的制备方法，其特征在于：所述搅拌时间为20～30min；所述压制包括注射成型、挤压成型、模压；所述金属板包括不锈钢、钛合金。

10.如权利要求1或2所述的石墨-金属边框复合双极板和/或如权利要求3-9任一项所述的制备方法在交通运输、便携式电源、分散电站、航空航天及水下潜器中的应用。

11.如权利要求1或2所述的石墨-金属边框复合双极板和/或如权利要求3-9任一项所述的制备方法在质子交换膜燃料电池中的应用。

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