CN108666585A - 燃料电池的极板制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的双极板制作方法，包括：在母版进行多个穿孔制作，其中，所述穿孔方向与所述母版的平面垂直；将导电剂和固化剂混合补入所述多个穿孔；在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面，形成极板。应用本发明实施例，在极板制作中，穿孔制作和穿孔中导电层的填充能够使极板保持了良好的导电性和导热性，而采用耐腐蚀的碳材料通过沉积法在极板表面进行镀层处理，以从根本上消除了被腐蚀隐患，因此，本发明实施例制作的燃料电池的极板具有良好导电导热性能，且耐腐蚀性较好。

Description

燃料电池的极板制作方法
技术领域
本发明实施例涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池的极板制作方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。质子交换膜燃料电池的零污染的优势，被广泛应用于包括新能源汽车等领域。
质子交换膜燃料电池的反应核心膜电极会在反应过程中需要气体的输送并生成电和热，因此其需要能够适应复杂电化学反应中强氧化还原反应和导热导电的极板，以适应其反应输出。
相关技术中，燃料电池的极板从材料上划分可以有石墨材料极板和经镀层处理金属材料极板。而这两种材料的极板均不能满足强氧化还原反应和导热导电的双性能要求，例如，就石墨材料极板而言，一般采用石墨粉与树脂混合并热压成型的制作方式，树脂会降低导电和导热性，而就经镀层处理金属材料极板而言，在实际加工过程中，由于金属板是冲压制作，其压力释放过程以及冲压缺陷，往往使得防腐镀层不均匀甚至出现裂纹，而无法耐受电化学腐蚀。
发明内容
本发明提供一种燃料电池的双极板制作方法，实现燃料电池极板厚度大幅降低、保证燃料电池良好导电导热性能，且具有耐腐蚀性能。
具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种燃料电池的双极板制作方法，包括：
在母版进行多个穿孔制作，其中，所述穿孔方向与所述母版的平面垂直；
将导电剂和固化剂混合补入所述多个穿孔；
在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面，形成极板。
示例性地，所述方法还包括：
将石墨粉和酚醛树脂混合，并加入铸造模具，以制作所述母版。
示例性地，所述铸造模具包括垂直与所述铸造模具平面的贯穿柱，以及
所述在已完成极板沟槽制作的母版进行穿孔制作包括：
通过所述贯穿柱在所述母版上实现穿孔制作。
示例性地，所述导电剂包括石墨粉或者炭黑，固化剂包括酚醛树脂，
所述将导电剂和固化剂混合补入所述多个穿孔包括：
将石墨粉与酚醛树脂按照10:1-8:1重量比混合后，得到第一混合材料；
将所述第一混合材料填入所述母版的多个穿孔中；
在第一预设温度下经过第一预设时长加热固化所述母版的多个穿孔中的所述第一混合材料。
示例性地，所述在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面包括：
在电场作用下，采用等离子体增强化学气相沉积法，在第二预设温度、预设沉积率、预设压力以及沉积反应气体为He/C3H6的环境下，将所述碳镀层沉积在所述母版的表面。
示例性地，所述方法还包括：
将聚四氟乙烯颗粒采用吹塑成型工艺以制作所述母版。
示例性地，所述导电剂包括石墨粉或者碳纤维，固化剂包括酚醛树脂，
所述将导电剂和固化剂混合补入所述多个穿孔包括：
将石墨粉或者碳纤维与酚醛树脂按照重量比例为10:1-8:1范围混合，得到第二混合材料；
将所述第二混合材料填入所述母版的多个穿孔中；
在第二预设温度下经过第二预设时长加热固化所述母版的多个穿孔中的所述第二混合材料。
示例性地，所述在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面包括：
采用等离子渗碳工艺，电场作用下使碳镀层沉积在所述母版的表面。
示例性地，所述等离子渗碳工艺中所采用等离子气体源为甲烷或乙烯，等离子化产生频率为2Mhz,掺杂电场的电压值为12-15KVDC，掺杂轰击时间为60-70微秒，频率1-5Hz。
示例性地，所述穿孔的直径大小范围为0.1mm-0.2mm，所述多个穿孔中任意两个穿孔的排布间隔为0.5mm-2mm。
应用本发明实施例，在极板制作中，穿孔制作和穿孔中导电层的填充能够使极板保持了良好的导电性和导热性，而采用耐腐蚀的碳材料通过沉积法在极板表面进行镀层处理，以从根本上消除了被腐蚀隐患，因此，本发明实施例制作的燃料电池的极板具有良好导电导热性能，且耐腐蚀性较好。
附图说明
图1为本发明提供的一种燃料电池的母版的结构示意图。
图2为本发明提供的一种燃料电池的母版的剖面结构示意图之一。
图3为本发明提供的一种燃料电池的母版的剖面结构示意图之二。
图4为本发明提供的一种燃料电池的母版的剖面结构示意图之三。
图5为本发明提供的一种燃料电池的极板制作方法的流程示意图。
图6为本发明提供的一种燃料电池的极板制作方法的工艺原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
下面结合附图和附图对应的实施例对本发明进行清楚、详细的说明，以使本领域技术人员能够清楚、正确地理解本发明的技术方案。
图1为本发明提供的一种燃料电池的母版的结构示意图。图2为本发明提供的一种燃料电池的母版的剖面结构示意图之一。图3为本发明提供的一种燃料电池的母版的剖面结构示意图之二。图4为本发明提供的一种燃料电池的母版的剖面结构示意图之三。
在燃料电池的极板制造过程中，可以先进行母版制作，其中母版的结构示意图可以参见图1至图4所示。本发明实施例中所述的母版可以理解为燃料电池的双极板中的任一个极板的雏形，即并未完全成型的极板，在母版进行导电剂处理、镀层处理等工艺处理后，形成极板。如图1所示，母版可以包括公共通道1、密封槽道2、反应区域3、和穿孔4。在本发明实施例中，主要在对穿孔4中导电剂的处理等进行改进。如图2所示，为母版的剖面图，从图中可以看到母版的密封槽道1、反应区域2和穿孔4。如图3所示，是在图2基础上，母版剖面图的局部区域放大图，可以了解到穿孔4的结构。如图4所示，也为母版剖面图的局部区域放大图，其中，图中深颜色区域为极板的导电区域。
上述极板的基本结构，下面通过附图和实施例对本发明燃料电池的极板制作方法进行详细描述。
图5为本发明提供的一种燃料电池的极板制作方法的流程示意图。
如图5所示，一种燃料电池的极板制作方法包括如下步骤：
步骤110、在母版进行多个穿孔制作，其中，穿孔方向与母版的平面垂直。
根据本发明一实施例，将石墨粉和酚醛树脂混合，并加入铸造模具，以制作母版。示例性地，可以将石墨粉与酚醛树脂按照重量比例1:1-1:5混合，并加入铸造模具中，加热完成模具成型铸造，形成母版。石墨粉与酚醛树脂混合的重量比例可以为1:1混合，也可以是1:5混合，或者1:1-1:5之间的任意重量比例混合，具体可以根据实际应用调整。树脂可以增强极板的强度，按照本发明实施例提供的混合的重量比例，还能够使极板具备良好的导电性和导热性。进一步地，为了进一步提高强度和导电性，还可以加入碳纤维等材料，即可以将石墨粉、酚醛树脂和碳纤维等材料混合，进一步提高极板的强度和导电性。
在本步骤中，为了能够在制造母版时给母版形成多个穿孔，可以采用模具打孔的方法，例如，铸造模具可以包括垂直与铸造模具平面的贯穿柱，通过贯穿柱在铸造过程中在母版上形成穿孔。在一些实施例中，可以在已经完成铸造的母版上，通过激光打孔、机械钻孔等方式在母版上形成穿孔。
示例性地，模具材料可以包括环氧树脂含量高的石墨和树脂混合材料、PVC、聚四氟乙烯、环氧树脂等。
根据本发明另一实施例，将聚四氟乙烯颗粒采用吹塑成型工艺以制作母版。并可以通过激光打孔、机械钻孔等方式在母版上形成穿孔。
根据本发明实施例，母版上的任一个穿孔的直径大小范围为0.1mm-0.2mm，以及任意两个穿孔的排布间隔为0.5mm-2mm。穿孔的孔径和穿孔的孔密度由模具材料和导电剂母版材料决定。
步骤120、将导电剂和固化剂混合补入多个穿孔。
根据本发明一实施例，导电剂可以包括石墨粉或者炭黑。固化剂可以例如为酚醛树脂。在本步骤中，可以将石墨粉(或者炭黑)与酚醛树脂按照10：1－8：1重量比混合后，得到第一混合材料；将第一混合材料填入母版的多个穿孔中；在第一预设温度下经过第一预设时长加热固化母版的多个穿孔中的所第一混合材料。示例性地，将石墨粉与酚醛树脂按照10：1(或者8：1)重量比混合后，将混合后的材料填入母版的穿孔中(若有残留粉末在母版表面，需将其清理掉)，经高温150℃及1小时加热，固化穿孔中的混合材料，从而将穿孔填满导电剂，使得母版具有导电性，而在本发明实施例中采用石墨粉或者炭黑作为导电剂，其导电性能较好，从而使制作出的极板具备良好的导电性。
根据本发明另一实施例，导电剂可以包括石墨粉或者碳纤维，固化剂可以包括酚醛树脂。在本步骤中，将石墨粉或者碳纤维与酚醛树脂按照重量比例为10：1－8：1范围混合，得到第二混合材料；将第二混合材料填入母版的多个穿孔中；在第二预设温度下经过第二预设时长加热固化所述母版的多个穿孔中的所述第二混合材料。示例性地，将石墨粉(或者碳纤维)与酚醛树脂混合，重量比例为10：1(或者8：1)，压入母版垂直穿孔内(如流道槽有参与粉末，则需清理表面)，然后在150℃的温度下固化1小时，以将导电剂固化至母版穿孔中。使制作出的极板具备良好的导电性。若使用碳纤维，使制作出的极板不仅能够具有良好的导电性，其硬度也将会更好。
在第二预设温度下经过第二预设时长加热固化所述母版的多个穿孔中的所述第二混合材料。
如图6所示，为一在制作过程中的母版示意图。其中，母版7夹在导电层5和导电层6之间，母版7上有穿孔，穿孔中填充有本步骤中所述的向穿孔中填充的导电剂7。
步骤130、在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面，形成极板。
根据本发明一实施例，在电场作用下，采用等离子体增强化学气相沉积法，在第二预设温度、预设沉积率、预设压力以及沉积反应气体为He/C3H6的环境下，将碳镀层沉积在母版的表面。示例性地，在电场作用下，采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积法)工艺，工作温度例如为275℃，沉积率例如为3750A/MIN，沉积反应气体He/C3H6，压力5T以将碳镀层沉积在母版的表面，从而使极板表层为碳镀层。使极板具备强耐腐蚀性。
根据本发明另一实施例，采用等离子渗碳工艺，电场作用下使碳镀层沉积在母版的表面。示例性地，等离子渗碳工艺中所采用等离子气体源为甲烷或乙烯，等离子化产生频率为2Mhz，掺杂电场的电压值为12－15KVDC，掺杂轰击时间为60－70微秒，频率1－5Hz。在等离子渗碳工艺进行母版表面碳镀层期间，用遮蔽环覆盖非流场活性区，避免碳镀层进入非流场活性区，而影响最终极板的导电性。
应用本发明实施例，在极板制作中，穿孔制作和穿孔中导电层的填充能够使极板保持了良好的导电性和导热性，而采用耐腐蚀的碳材料通过沉积法在极板表面进行镀层处理，以从根本上消除了被腐蚀隐患，因此，本发明实施例制作的燃料电池的极板具有良好导电导热性能，且耐腐蚀性较好。
综上所述，本发明实施例提供的燃料电池的极板制作方法，具有如下有益效果：
1、制作的极板所有材料均为耐腐蚀材料，从根本上消除了被腐蚀隐患，满足强氧化还原反应和导热导电的双性能要求；
2、铸造模具材料为绝缘材料，能够实现轻薄强度高的要求，以及绝缘材料的加工方法成熟，容易实现复杂流场板设计要求，并更容易达到量产；
3、导电层侧制作工艺可以精准控制极板导电区域在电极反应区内，有效预防相邻双极板之间由于膜电极边框失效或者外部误操作导致的短路；
4、相邻双极板之间的冷却液桥接长度可以较传统工艺有大幅度增加，可以使用电导率更高的去离子水或防冻液，能够节省更多使用成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池的极板制作方法，其特征在于，包括：
在母版进行多个穿孔制作，其中，所述穿孔方向与所述母版的平面垂直；
将导电剂和固化剂混合补入所述多个穿孔；
在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面，形成极板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将石墨粉和酚醛树脂混合，并加入铸造模具，以制作所述母版。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铸造模具包括垂直与所述铸造模具平面的贯穿柱，以及
所述在已完成极板沟槽制作的母版进行穿孔制作包括：
通过所述贯穿柱在所述母版上实现穿孔制作。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述导电剂包括石墨粉或者炭黑，固化剂包括酚醛树脂，
所述将导电剂和固化剂混合补入所述多个穿孔包括：
将石墨粉与酚醛树脂按照10：1－8：1重量比混合后，得到第一混合材料；
将所述第一混合材料填入所述母版的多个穿孔中；
在第一预设温度下经过第一预设时长加热固化所述母版的多个穿孔中的所述第一混合材料。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面包括：
在电场作用下，采用等离子体增强化学气相沉积法，在第二预设温度、预设沉积率、预设压力以及沉积反应气体为He/C3H6的环境下，将所述碳镀层沉积在所述母版的表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将聚四氟乙烯颗粒采用吹塑成型工艺以制作所述母版。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述导电剂包括石墨粉或者碳纤维，固化剂包括酚醛树脂，
所述将导电剂和固化剂混合补入所述多个穿孔包括：
将石墨粉或者碳纤维与酚醛树脂按照重量比例为10：1－8：1范围混合，得到第二混合材料；
将所述第二混合材料填入所述母版的多个穿孔中；
在第二预设温度下经过第二预设时长加热固化所述母版的多个穿孔中的所述第二混合材料。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述在电场作用下，通过预设沉积法使碳镀层沉积在所述母版的表面包括：
采用等离子渗碳工艺，电场作用下使碳镀层沉积在所述母版的表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述等离子渗碳工艺中所采用等离子气体源为甲烷或乙烯，等离子化产生频率为2Mhz，掺杂电场的电压值为12－15KVDC，掺杂轰击时间为60－70微秒，频率1－5Hz。
10.根据权利要求1任一所述的方法，其特征在于，所述穿孔的直径大小范围为0.1mm－0.2mm，所述多个穿孔中任意两个穿孔的排布间隔为0.5mm－2mm。
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