CN109638310B - 燃料电池用超薄复合双极板及包含其的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超薄复合双极板，由超薄金属基材以及采用丝网印刷方式在其上涂覆的聚合物基导电胶层所形成的具有超细流道的流体流场构成。与传统双极板相比，所述双极板既具有超薄厚度，又具有超细流道，可以有效降低燃料电池体积，提高膜电极电流密度，进而提高电池堆能量密度。本发明还涉及这种复合双板的制备方法及以其制备的燃料电池。

Description

燃料电池用超薄复合双极板及包含其的燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用复合双极板以及以其制备的燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种高效的绿色发电装置，可以直接将储存在燃料如氢气和氧化剂如空气中的化学能高效、对环境友好地转化为电能。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效节能、工作稳定、运行温度适中、冷启动时间短等优点,在车用、船用动力电源、备用电源、热电联供、特殊军用等领域具有重要应用前景。
目前，如何提升PEMFC的能量密度，降低生产成本，是其大规模商业化面临的重要课题。主要措施包括选择更低成本的材料、减少材料的用量、简化或改变电池结构、优化电池及其各部件的生产工序并实现批量化生产。
构成PEMFC电池堆的主要部件包括膜电极、扩散层、双极板、端板，在这几种部件中，端板仅在数十或数百单电池构成的电堆两端各有二片，而膜电极仅为数十微米，这两者在整个PEMFC电池堆中体积仅占很小一部分(约 20％)，而传统的PEMFC电池堆所用石墨双极板厚度为3-8微米，因此，双极板占据了电堆体积的绝大部分(70-80％左右)，因此，要降低PEMFC体积，提高能量密度，制备尽量薄的双极板是最为重要措施。双极板(又称流场板)是燃料电池的核心部件，起着气体阻隔、气体的导流及分配、导电、支撑膜电极等作用。一般地，燃料和氧化剂进入由膜电极、扩散层和双极板、密封件组装成的燃料电池，都需要先通过双极板上的流场分配到的气体扩散层,再进入到催化层发生电催化反应，转化为电能，生成的水扩散到气体扩散层表面，再通过流场排出燃料电池。
传统的PEMFC双极板是在石墨光板上通过机加工雕刻流道而成，由于石墨性脆，机械强度有限，因此石墨双极板的厚度及在其上雕刻的流场的沟槽和脊的尺寸都较大，多在几个毫米量级，因此导致PEMFC电堆既厚且重，能量密度低。之后，人们将石墨或碳材料与树脂混合后采用模铸成型方法，直接制备带有流道的复合双板，虽能降低制造成本，但只适于大批量生产，同时由于制备工艺问题，这种模铸双极板多残留微孔，气体阻隔能力较差，受材料限制，其整体厚度仅能降低到2-4毫米。
另一种双极板材料是金属双极板，多以不锈钢或钛合金薄板冲压成带有流道部件，再与其他部件通过粘接或焊接工艺组装双极板，这种方法亦可以大规模制备，但工艺较更为复杂。且初期制备模具投入巨大，且受模具精度限制，其厚度也仅能在1-2毫米左右，并且如何控制好金属片材成型过程中的应力、变形也是一个很大的问题。
在燃料电池中，流道的尺寸对电池性能具有重要作用，近年来世界各国新开发设计的流场板中或多或少存在不足之处。例如流场板的气流分布不够均匀、反应生成的水易积聚不易排出、流场结构设计易造成反应死区、膜电极局部温度过高等影响电池运行性能。一般来说，流道越窄，有效工作区内流道越窄，气体分配及热量传递越均匀，电池可以获得更高的电流密度。而模铸的复合石墨板或冲压的金属双极板，因受模具精度限制，流道宽度大多只能达到0.3-1.0毫米量级，还是难以满足电池要求。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术存在的上述问题，确有必要提供一种制备超薄、超细流道双极板的工艺，以及应用该超薄双极板的质子交换膜燃料电池 (PEMFC)。
一种超薄双极板的制备方法，包括以下步骤：(1)通过丝网印刷技术，按照设计氢气(阳极)、氧气(空气)(阴极)及冷却液体流场的形状制作相应图案的丝网版，在超薄金属基材的一侧或双侧，丝网印刷上很薄一层含超细沟槽的聚合物基导电胶层，经热处理，得到阴极或阳极单极板。所述沟槽为未涂覆导电胶区域，构成作为流体通道。所述电胶层厚度在20-300微米，脊宽度及沟槽(流道)宽度为20-500微米，(2)取上述阴极、阳极单极板，在背面边缘密封区涂以密封粘结胶，将阴极、阳极单极板对齐、压合，待密封粘结胶固化后得到本发明所述超薄双极板。
一种质子交换膜燃料电池，将膜电极、扩散层、上述方法制备的双极板以及端板等辅助部件叠加，得到燃料电池。
与现有技术相比，该方法制备的燃料电池双极板既具有超薄厚度，又具有超细流道，可以有效降低燃料电池体积，提高膜电极电流密度，从而提升电池堆能量密度。此外，该工艺还可以实现工业化批量制备，降低燃料电池成本。
附图说明
图1为本发明实施例中的阴极流场示意图；
图2为本发明实施例中的阳极流场示意图；
图3为本发明实施例中的冷却液体流场示意图；
图4为本发明实施例中的不带液体流场的单极板(a)带有液体流场的单极板(b)及双极板(c)截面示意图。
附图标记说明：
①氧气(空气)进口，②冷却液体进口，③氢气进口，④氢气出口，⑤冷却液体出口，⑥氧气(空气)出口，⑦边缘密封区，⑧流场，⑨脊，⑩流道，L1金属基板，L2气体流场，L3液体流场。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的超薄复合双板板及其制备方法，以及质子交换膜燃料电池作进一步的详细说明。
需要指出的是，本发明的附图仅是为了方便表述本发明的实施方式而提供的示意图，并非是按比例绘制的，所公开的实施方式仅是可能以多种替代形式被实施的本发明的示范。所以,这里所公开的具体细节不被解释为限制，而仅是本发明任何方面的基本代表或教导本领域技术人员多样地利用本发明的基本代表。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
本发明提供一种超薄复合双板板的制备方法，其包括以下步骤：
S1，将制备双极板的超薄金属基材按照双极板设计尺寸及形状，采用激光切割或机械冲切等方式，在流体进出口位置裁出相应孔，并裁切出相应大小片材，洗净、晾干备用。
S2，按照设计氢气(阳极)、氧气(空气)(阴极)及冷却液流场的形状 (如图1-3所示)制作相应图案的丝网版，然后在丝网版一侧导入聚合物基导电胶浆料,调节、定位好相应位置，将聚合物基导电胶料印刷到不锈钢箔或钛金属箔的一侧或两侧，经热处理后，得到阴极单极板或阳极单极板(如图4中a,4中b)。
S3，取上述阴极、阳极单极板，在气体流场的背面侧(即液体流场侧) 边缘密封区(如图1-4中，区域⑦，所示)涂以密封粘结胶，将阴极、阳极单极板的背面侧对齐、紧密压合一定时间，待密封粘结胶固化后，得到本发明所述超薄双极板。
在上述S1步骤中：
所述的双极板由超薄金属基材(图4，L1)以及采用丝网印刷方式在其上涂覆的聚合物基导电胶层(如图4中L2,L3)组成。
所述金属基材为超薄金属箔材，包括但不仅限于不锈钢箔、金箔、银箔、铜箔、钛金属箔等，其厚度为20-400微米，所述金属箔材需经过表面处理，以达到燃料电池使用环境的抗腐蚀要求，本案所述箔材可采用商品化的已处理过的金属箔材。
所述的双极板上一定形状、尺寸的氢气、氧气(空气)、冷却液体进出口及流体流道(如图1-3中，①-⑥所示)，在燃料电池工作时，上述流体经进口进入，再进入流道，最后经出口排出电池。流道在电池中起到均匀分配流体，使膜电极表面电化学反应均匀，电流均匀化，同时还承担着带走电池生成的水、热的作用。流道类型(如蛇形流道、平行流道、直型流道、交趾型流道、岛型流道)、流道尺寸(流道宽度、深度，脊宽度)、流体进出口尺寸、位置等都会电池性能产生重要影响。一般来说，不同电池类型、应用场景，所需的双极板流场的设计都有所不同。本发明附图仅为了方便描述本工艺过程，其他流场型式也可依据本发明所述工艺实现，也在本发明保护范围之内。
所述双极板在制备之前，基材按照双极板的设计尺寸及形状，采用激光切割或机械冲切等方式，裁切出相应大小片材，然后在流体进出口位置裁出相应孔，将所得片材洗净、晾干备用。
在上述S2步骤中：
所述双极板的制备过程，首先，分别制备阴极和阳极单极板，具体如下：
按照预先设计的氧气(空气)流场(阴极)、氢气流场(阳极)以及冷却液体流场形状，分别制作三种相应图案的丝网版。
取S1步骤所述裁好的片材两片，分别在其一侧，应用两种气体流场对应的网版，印刷一层聚合物基导电胶浆料，热处理后，所印制的导电胶层分别形成氧气(空气)流场(阴极)和氢气流场(阳极)；然后取上述阴极板或阳极板，在其背面侧，应用冷却液流场对应的网版印刷一层导电胶层，热处理后形成冷却液体流场。(注：液体流场仅印刷在阴极板或阳极单板的任意一块的背面侧即可，对应的另一单极板背面侧无需印刷)
所述的阴极或阳极单极板，涂覆导电胶层部分，为密封区域和气体或液体流道的脊(如图4中⑨所示)，未施胶区域形成气体或液体的运行通路，脊与脊之间形成的沟槽构成气体或液体的流道(如图4中⑩所示)，所述涂胶厚度(也即脊的厚度)为20-300微米，脊宽度及流道宽度为20-500微米。
所述的导电胶浆料可为市售商业化产品，也可根据使用要求委托专业厂家配制，其主要成分为聚合物(如酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂、PEFT 树脂、脲醛树脂等中的一种或多种的混合物)与导电填料(如银粉、石墨粉、中间相炭微球、短切碳纤维、导电碳粉、石墨烯、碳纳米管等中的一种或多种的混合物)的复合物。对所述导电胶料的性能要求如下：具有能够适用于丝网印刷的流动性(粘度在1000-20000厘泊)、合适的固化温度(50-150℃)、固化时间小于6小时，固化后的体积电阻率小于0.1Ωcm2。
所述热处理温度50-200℃，15分钟－6小时，热处理过程的作用是，一方面保证导电胶层完成固化，另一方面消除加工过程产生的应力。经丝网印刷及热处理过程，得到阴极单极板或阳极单极板。
在上述S3步骤中：
所述双极板由阴极单极板和阳极单极板，粘接压合得到。在阴极单极板和阳极单极板气体流场的背面一侧的边缘密封区(如图4中⑦所示)，涂以密封粘结胶，将阴极、阳极单极板背面严格对齐(即气体流场朝外)，放入压紧装置压紧,使两块阴极板和阳极板紧密贴合，在室温-80℃下，保持30 分钟－24小时，待密封粘结胶固化后，得到本发明所述超薄双极板，表面清洁后，得到所述的双极板。
如图4中c中L2所示，所述双极板外面两侧分别为气体流场，包括氢气流场(阳极)和氧气(空气)流场(阴极)，两块单极板粘合后中形成的内部空间构成冷却液体流场(如图4中c中L3)。
所述密封粘结胶为商品化的硅氧烷密封胶、环氧密封胶、酚醛密封胶等，为保证生产效率，要求其固化条件为室温-80℃，优选室温，固化时间在30 分钟-24小时内。
所述密封粘结胶施胶方式为刷涂、喷涂或点胶涂胶等方式。
所述制备好超薄双极板与膜电极、扩散层组成单电池,多个单电池与端板等辅助部件叠加得到PEMFC燃料电池电堆。
实施例1
(1)取表面处理过的不锈钢316L箔材(厚度50微米)，按照双极板设计尺寸及形状，采用激光切割方式，在图1-3所示流体进出口位置裁出相应孔，并裁切出相应大小片材，洗净、晾干备用。
(2)按照设计氧气(空气)(阴极)、氢气(阳极)及冷却液流场的形状制作相应图案的丝网版，然后在丝网版一侧导入环氧/银粉基导电胶浆料, 调节、定位好相应位置。取1片上述裁切好的片材，将导电胶料分别印刷到片材的两侧，一侧印刷氧气(空气)流场，背面侧印刷冷却液体流场，经150℃热处理30分钟后，得到阴极单极板，以相同工艺，在另一片材一侧印刷氢气流场，热处理后得到阳极单极板。所述导电胶涂层厚度为100微米，流道脊宽100微米，流道沟槽宽50微米。
(3)在图4中⑦所示的阴极单极板和阳极单极板气体流场的背面一侧的边缘密封区，通过刷涂方式，涂以硅烷密封胶粘结胶料，将阴极、阳极单极板严格对齐，放入压紧装置压紧，使两块阴极板和阳极板背面侧紧密贴合， 80℃下保压30分钟，待密封粘结胶固化后，得到本发明所述超薄双极板，表面清洁后，得到所述的超薄双极板。
本实施例制备的双极板厚度为400微米，经检测表明，体积电阻率为 0.05Ωcm2，将其与50微米厚度膜电极(Pt载量0.4mg/cm2)、200微米厚扩散层组成单电池,进行电性能测试,氢气，氧气(空气)入口压力0.8atm, 电池运行温度70℃条件下，测得电池电压0.65V时的电流密度高达2.1A /cm2。
实施例2
(1)取表面处理过的钛金属箔(厚度200微米)，按照双极板设计尺寸及形状，采用激光切割方式，在图1-3所示流体进出口位置裁出相应孔，并裁切出相应大小片材，洗净、晾干备用。
(2)按照设计氧气(空气)(阴极)、氢气(阳极)及冷却液流场的形状制作相应图案的丝网版,然后在丝网版一侧导入酚醛/石墨粉基导电胶浆料,调节、定位好相应位置。取2片上述裁切好的片材。
取1片上述裁切好的片材，将导电胶料分别印刷到片材的两侧，一侧印刷氢气气流场，背面侧印刷冷却液体流场，经200℃热处理60分钟后，得到阳极极单极板；以相同工艺，在另一片材的单侧印刷氧气(空气)流场，热处理后得到阴极单极板。所述导电胶涂层厚度为20微米，流道脊宽200微米，流道沟槽宽150微米。
(3)在图4中⑦表示的阴极单极板和阳极单极板气体流场的背面一侧的边缘密封区，通过刷涂方式，涂以环氧基密封粘结胶料，将阴极、阳极单极板背面侧严格对齐，放入压紧装置压紧,使两块阴极板和阳极板背面侧紧密贴合，室温保压60分钟，待密封粘结胶固化后，得到本发明所述超薄双极板，表面清洁后，得到所述的超薄双极板。
本实施例制备的双极板厚度为460微米，经检测表明，体积电阻率为 0.08Ωcm2，将其与30微米厚度膜电极(Pt载量0.4mg/cm2)、100微米厚扩散层组成单电池,进行电性能测试,氢气，氧气(空气)入口压力1.2atm, 电池运行温度80℃条件下，测得电池电压0.65V时的电流密度高达2.3A /cm2。

Claims (4)

1.一种燃料电池用超薄复合双极板，其特征在于，复合双极板由超薄金属基材以及采用丝网印刷方式在其上涂覆的聚合物基导电胶层所形成的具有超细流道的流体流场组成；
所述超薄金属基材为表面处理过的金属箔材，包括但不仅限于不锈钢箔、金箔、银箔、铜箔、钛金属箔，其厚度为20-400微米，所述金属箔材需经过表面处理，以达到燃料电池使用环境的抗腐蚀要求；
所述聚合物基导电胶层的主要成分为聚合物与导电填料的复合物，所述聚合物包括酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂、PEFT树脂、脲醛树脂、三元乙丙树脂和聚酰亚胺中的一种或多种的混合物，所述导电填料为银粉、石墨粉、中间相炭微球、短切碳纤维、导电碳粉、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种的混合物，所述聚合物基导电胶层的粘度在1000-20000厘泊之间、固化温度50-150℃、固化时间小于6小时、固化后的体积电阻率小于0.1Ωcm2；
所述聚合物基导电胶层的厚度为20微米，所形成的流场的脊宽度及流道宽度为20微米；
所述双极板的制备过程是首先分别制作阴极和阳极单极板，然后将阴极、阳极单极板粘接压合得到，具体步骤如下：
1）将金属基材按照设计型式，采用激光切割或机械冲切方式，裁切出相应大小片材，并在流体进出口位置裁出相应孔；
2）按照设计氢气、氧气或空气及冷却液流场的形状制作相应图案的丝网版，然后在丝网版一侧导入聚合物基导电胶浆料，调节、定位好相应位置，将聚合物基导电胶料印刷到上述片材的单侧或两侧，经热处理后，得到阴极单极板或阳极单极板；
3）取上述阴极、阳极单极板，在气体流场的背面侧的边缘密封区涂以密封粘结胶，将阴极、阳极单极板的背面侧对齐、贴合，放入压紧装置，在室温-80℃下，压合30分钟-24小时，得到超薄双极板；
所述印刷后的热处理温度50-200℃，15分钟-6小时。
2.如权利要求1所述的燃料电池用超薄复合双极板，其特征在于，在步骤3）中，所述密封粘结胶为商品化的硅氧烷密封胶、环氧密封胶或酚醛密封胶，所述密封粘结胶的固化条件为室温-80℃，固化时间为30分钟-24小时。
3.如权利要求1所述的燃料电池用超薄复合双极板，其特征在于，在步骤3）中，所述密封粘结胶施胶方式为刷涂、喷涂或点胶涂胶。
4.一种质子交换膜燃料电池，由双极板与膜电极、扩散层组成单电池，多个单电池与端板叠加得到燃料电池堆，其特征在于，所述双极板为权利要求1-3任一所述的复合双极板。
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