CN109873178A - 一种低内阻金属双极板及其制备方法 - Google Patents

一种低内阻金属双极板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低内阻金属双极板及其制备方法，包括金属薄板、超低接触电阻导电层，所述的超低接触电阻导电层覆盖在不锈钢金属薄板的外表面，形成带超低接触电阻导电层的金属薄板。低内阻金属双极板制备包括柔性石墨或石墨烯薄膜复合金属薄板基材制作、极板冲压加工、氢氧极板焊接或粘结、极板表面改性，获得的金属双极板不仅极大地降低了氢氧极板之间的接触电阻，同时也降低了金属双极板冷却通道内部的腐蚀速率，提高了燃料电池电堆的性能，延长金属双极板的使用寿命，本发明的制备工艺简单、成本低、双极板电阻小、耐腐蚀、使用寿命长，具有实用价值。

Description

一种低内阻金属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，具体涉及一种低内阻金属双极板及其制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。随着新能源技术的不断发展，以氢气为主要燃料的质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)近年来已经成为研究的热点之一。由于其能量转换过程不必经过热机过程，因此能量转换效率不受卡诺循环限制，电池组的发电效率可以达到50％以上，而且其唯一产物是水，对环境十分友好。质子交换膜燃料电池的工作温度低、启动速度快、比功率高、工作寿命长，是理想的移动电源和独立电源装置，在交通工具、电子产品、国防军事和固定电站等领域具有广泛的应用前景。
传统的PEMFC电堆主要包括膜电极、双极板等结构，其中，双极板占去了电堆的大部分质量和成本。作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，双极板具有以下功能：(1)分隔氧化剂与还原剂；(2)收集电流并承担电池系统的散热；(3)为反应气体的流入和水的流出提供通道(即流场)；(4)支撑膜电极。因此，理想的双极板材料必须是电和热的良导体，具有良好的阻气性，在一定工作温度和电位范围内具有良好的耐腐蚀性，密度低，强度高，并且易于加工成型和大批量生产。目前，PEMFC的双极板材料主要有三种：石墨材料、复合材料和金属材料。其中，石墨材料的热导性和电导性良好，化学性质稳定，耐腐蚀性能好，但由于石墨材料脆性大，机械性能差，不易于大批量生产；复合材料双极板制造工艺简单、质量轻、抗腐蚀性能好，但同时存在导电性能差和气体渗透等问题；金属材料双极板具有高强度和良好的导电、导热性能，并且原材料便宜，适合大批量加工生产，是目前公认的燃料电池产业化首选。然而，金属极板在燃料电池的强酸、高温工作环境中极易发生腐蚀，污染催化剂，严重降低燃料电池的使用寿命，而且金属极板在酸性环境中会在表面形成钝化膜，进而增大了极板和气体扩散层的接触电阻。因此，提高金属极板的抗腐蚀性能、降低极板接触电阻是金属极板发展的主要方向。同时由于目前金属双极板材料主要采用不锈钢或钛合金，该两种材料如不进行表面处理，与氢氧直接接触，接触电阻会很大，严重影响极板内阻，影响燃料电池性能；如果进行表面处理，如镀耐腐涂层，则会大幅增加极板的制造成本。
石墨烯或柔性石墨具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料；同时石墨烯膜和柔性石墨薄膜，具有较强的拉伸空间和高柔韧性。将石墨烯膜和柔性石墨薄膜用于氢氧极板之间作为导电层，可以极大降低双极板的内阻，提高燃料电池性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种低内阻金属双极板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种低内阻金属双极板，包括金属薄板、超低接触电阻导电层，所述的超低接触电阻导电层覆盖在不锈钢金属薄板的外表面，形成带超低接触电阻导电层的金属薄板。
金属材料双极板具有高强度和良好的导电、导热性能，并且原材料便宜，适合大批量加工生产，是目前公认的燃料电池产业化首选。然而，金属极板在燃料电池的强酸、高温工作环境中极易发生腐蚀，污染催化剂，严重降低燃料电池的使用寿命，而且金属极板在酸性环境中会在表面形成钝化膜，进而增大了极板和气体扩散层的接触电阻，本发明通过在金属薄板表面黏附一层超低接触电阻导电层，极大地降低了氢氧极板之间的接触电阻，同时也降低了金属双极板冷却通道内部的腐蚀速率，提高了燃料电池电堆的性能，延长金属双极板的使用寿命。
作为本发明的低内阻金属双极板的优选实施方式，所述超低接触电阻导电层为柔性石墨薄膜或石墨烯薄膜。
作为本发明的低内阻金属双极板的优选实施方式，所述超低接触电阻导电层的厚度为0.05～0.15mm。
作为本发明的低内阻金属双极板的优选实施方式，所述金属薄板为所述的金属薄板为不锈钢、铜、铝及钛合金中的一种。
作为本发明的低内阻金属双极板的优选实施方式，所述金属薄板的厚度为0.08～0.1mm。
作为本发明的低内阻金属双极板的优选实施方式，所述的超低接触电阻导电层黏附在不锈钢金属薄板的外表面。
作为本发明的低内阻金属双极板的优选实施方式，所述的低内阻金属双极板的表面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
为实现上述目的，本发明还提供一种低内阻金属双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将超低接触电阻导电层黏附在钛合金薄板表面，形成超低接触电阻导电层金属薄板；
(2)将黏附有超低接触电阻导电层的金属薄板冲压出金属氢极板和金属氧极板，极板表面带有氢氧流道沟槽和冷却通道沟槽；
(3)将氢氧极板进行连接成金属双极板；
(4)对金属双极板表面进行改性处理。
作为本发明的低内阻金属双极板的制备方法的优选实施方式，所述超低接触电阻导电层黏附在氢极板水流场表面或/和氧极板水流场表面中。
本发明在极板水流场表面制备一层高导电、接触电阻小的柔性石墨(或石墨烯)薄膜，极大地降低了氢氧极板之间的接触电阻，同时也降低了金属双极板冷却通道内部的腐蚀速率，提高了燃料电池电堆的性能，延长金属双极板的使用寿命。
作为本发明的低内阻金属双极板的制备方法的优选实施方式，所述步骤(3)中采用粘结或焊接方式将氢氧极板进行连接成金属双极板，所述步骤(4)的表面处理方法为PVD、CVD、电镀和磁控溅射中的任一种。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种低内阻金属双极板及其制备方法，低内阻金属双极板通过在金属薄板表明黏附有廉价的超低接触电阻导电层(柔性石墨薄膜或石墨烯薄膜)，超低接触电阻导电层黏附于极板水流场表面，不仅极大地降低了氢氧极板之间的接触电阻，同时也降低了金属双极板冷却通道内部的腐蚀速率，提高了燃料电池电堆的性能，延长金属双极板的使用寿命，本发明的制备工艺简单、成本低、双极板电阻小、耐腐蚀、使用寿命长，具有实用价值。
附图说明
图1是本发明中黏附超低接触电阻层的金属薄板结构示意图。
图2是本发明超低接触电阻导电层黏附在氢极板的冷却通道沟槽的低内阻金属双极板的结构示意图；
图3为本发明超低接触电阻导电层黏附在氧极板的冷却通道沟槽的低内阻金属双极板的结构示意图；
图4为本发明的超低接触电阻导电层黏附在氢极板的冷却通道沟槽与氧极板的冷却通道沟槽的低内阻金属双极板的结构示意图。
图中：1、氢氧金属极板，11、氢极板，12、氧极板；2、超低接触电阻导电层。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
下述实施例中，未作特别说明的物质均从市场上购买得到。
实施例
本发明所述的低内阻金属双极板的实施例，如图1至4所示，本实施例所述的低内阻金属双极板包括金属薄板1、超低接触电阻导电层2，所述的超低接触电阻导电层2涂覆在金属薄板1的外表面，形成带表面柔性石墨薄膜金属薄板。
所述的超低接触电阻导电层2的厚度为0.05～0.15mm，优选地，超低接触电阻导电层2的厚度为0.1mm，金属薄板的厚度为0.08～0.1mm，所述的超低接触电阻导电层2的面积与金属薄板的表面面积相差不大，使得超低接触电阻导电层2能够完全覆盖在金属薄板的表面上。
本实施例的低内阻金属双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将超低接触电阻导电层2黏附在金属薄板表面，形成带表面超低接触电阻导电层薄膜金属薄板；
(2)将黏附有超低接触电阻导电层的金属薄板冲压出金属氢极板11和金属氧极板12，氢极板11表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板12表面带有氧流道沟槽和氧冷却通道沟槽，如图2～4所示，超低接触电阻导电层在氢极板的冷却通道沟槽、氧极板的冷却通道的中的至少一处。
(3)采用激光焊接或粘结将氢氧极板连接成金属双极板；
(4)对金属双极板表面进行改性处理。
本实施例制备得到的金属双极板的面积为长100mm×宽400mm。
所述超低接触电阻导电层为柔性石墨薄膜或石墨烯薄膜。
所述金属薄板为所述的金属薄板为不锈钢、铜、铝及钛合金中的一种。
所述的低内阻金属双极板的表面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
所述步骤(4)的表面处理方法为PVD、CVD、电镀和磁控溅射中的任一种。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种低内阻金属双极板，其特征在于，包括金属薄板、超低接触电阻导电层，所述的超低接触电阻导电层覆盖在不锈钢金属薄板的外表面，形成带超低接触电阻导电层的金属薄板。
2.根据权利要求1所述的低内阻金属双极板，其特征在于，所述超低接触电阻导电层为柔性石墨薄膜或石墨烯薄膜。
3.根据权利要求2所述的低内阻金属双极板，其特征在于，所述超低接触电阻导电层的厚度为0.05～0.15mm。
4.根据权利要求1所述的低内阻金属双极板，其特征在于，所述金属薄板为所述的金属薄板为不锈钢、铜、铝及钛合金中的一种。
5.根据权利要求4所述的低内阻金属双极板，其特征在于，所述金属薄板的厚度为0.08～0.1mm。
6.根据权利要求1所述的低内阻金属双极板，其特征在于，所述的超低接触电阻导电层黏附在不锈钢金属薄板的外表面。
7.根据权利要求1所述的低内阻金属双极板，其特征在于，所述的低内阻金属双极板的表面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的低内阻金属双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将超低接触电阻导电层黏附在钛合金薄板表面，形成超低接触电阻导电层金属薄板；
(2)将黏附有超低接触电阻导电层的金属薄板冲压出金属氢极板和金属氧极板，极板表面带有氢氧流道沟槽和冷却通道沟槽；
(3)将氢氧极板进行连接成金属双极板；
(4)对金属双极板表面进行改性处理。
9.根据权利要求8所述的低内阻金属双极板的制备方法，其特征在于，所述超低接触电阻导电层黏附在氢极板水流场表面或/和氧极板水流场表面中。
10.根据权利要求8所述的低内阻金属双极板的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用粘结或焊接方式将氢氧极板进行连接成金属双极板，所述步骤(4)的表面处理方法为PVD、CVD、电镀和磁控溅射中的任一种。
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