CN110120530A - 高透气性复合金属燃料电池双极板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高透气性复合金属燃料电池双极板，包括阳极侧和阴极侧的复合金属双极板；复合金属双极板包括金属基材和导电多孔层；所述导电多孔层连接在金属基材的上面；导电多孔层面向燃料电池气体扩散层的表面形成有流场，所述流场包括多个流道；所述金属基材的背面设有冷却液腔体；所述阳极侧的复合金属双极板与阴极侧的复合金属双极板背对背连接，在相互连接的两金属基材中间形成冷却液腔体。本发明还提出了一种高透气性复合金属燃料电池双极板的制备方法。本发明具有高开孔率，高导电性，高气体传输特性，同时具有加工便捷和制备成本低等优点。

Description

高透气性复合金属燃料电池双极板及制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及燃料电池双极板及其制备方法。
背景技术
随着新能源汽车的大力发展，燃料电池技术得到了迅速的发展，质子交换膜燃料电池PEMFC具有能量转换效率高、低温快速启动、零污染等特点，是目前新能源汽车的主要动力技术路线之一。同时PEMFC在较多的领域也得到了应用。
燃料电池的双极板是燃料电池堆的关键零部件之一，其重量占整个电池堆的80%，成本在燃料电池堆中所占的比例也相当大。双极板作为燃料电池关键零部件要有较高的电导率，较低的接触电阻、较好的机械强度等。
双极板的核心技术在于通过合理的流场结构设计，实现氢气或是氧气在电池中的高效利用，高效放电，满足高性能的燃料电池需求。目前商业化常用的气体流场主要是多通道蛇形流道、交指形流道，平行直流道等结构。流道之间由双极板基材分割，流场与气体扩散层直接接触，气体经流道传输到气体扩散层输送到电极（阴极、阳极）实现放电。提高气体的输送效率，扩大流场与气体扩散层的接触面积，即提高流场的开孔率（气体流道的面积占双极板总面积的比率），使更多的气体能够参与到燃料电池的工作中。提高开孔率必然会导致接触电阻增高，电池的内阻可能会增大，因此需要有适合的开孔率和接触电阻。
燃料电池在汽车上的应用对电池的各个关键零部件提出了更高的技术要求，成本更低，使用寿命更长，更高的功率密度等。为了实现上述目标，需要对双极板进行全新的结构设计和材料开发应用。
具有较好导电性能的多孔材料，如泡沫金属，多孔板等成为可选择的方向。中国专利CN200480022072介绍了一种可以用作双极板的多孔结构以及生成该多孔结构的方法，其中多孔材料主要是基于碳纤维形成。中国专利申请CN201610819533介绍了一种柔性石墨双极板及其制备方法，其中使用到多种多孔材料，泡沫金属，丝网等，此专利申请中多孔材料主要是作为柔性石墨双极板的支撑体使用，并未对双极板的开孔率和导气性能有所提升。
美国专利US20040265677A1介绍了一种使用多孔材料（丝网，泡沫金属）的燃料电池结构，直接使用多孔材料并未进行二次流场结构的设计和成型，不利于气体的高效传输，并且此结构无冷却结构。未能满足目前燃料电池需要，实现大开孔面积，高导气性的双极板结构，提升MEA（膜电极）的利用效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高透气性复合金属燃料电池双极板，以及制备方法，此复合金属燃料电池双极板具有高开孔率，高导电性，高气体传输特性，同时具有加工便捷和制备成本低等优点。本发明采用的技术方案是：
一种高透气性复合金属燃料电池双极板，包括阳极侧和阴极侧的复合金属双极板；
复合金属双极板包括金属基材和导电多孔层；
所述导电多孔层连接在金属基材的上面；导电多孔层面向燃料电池气体扩散层的表面形成有流场，所述流场包括多个流道；
所述金属基材的背面设有冷却液腔体；
所述阳极侧的复合金属双极板与阴极侧的复合金属双极板背对背连接，在相互连接的两金属基材中间形成冷却液腔体。
进一步地，金属基材和导电多孔层表面均设有防腐蚀涂层。
更进一步地，导电多孔层面向燃料电池气体扩散层的表面进行疏水处理。
更进一步地，导电多孔层面向燃料电池气体扩散层的表面浸涂有PTFE乳液。
更进一步地，PTFE乳液的固含量在5%～30%，PTFE中添加有导电剂，PTFE乳液与导电剂的质量比为1：1～10：1。
进一步地，导电多孔层的材料采用导电多孔材料，包括金属多孔材料，或金属网，或烧结金属粉末。
进一步地，导电多孔层的厚度为0.1mm～5mm，导电多孔层2的导电多孔材料的孔隙率在10%～90%，孔径50ppi～600ppi；流场流道深度0.1mm～1mm，流道宽度0.5mm～2mm。
一种高透气性复合金属燃料电池双极板及制备方法，包括：
对导电多孔层表面进行防腐蚀涂层处理，然后在导电多孔层面向燃料电池气体扩散层的表面进行疏水处理；
对金属基材表面进行防腐蚀涂层处理；
将导电多孔层叠放在金属基材上面，两者对正；置于模压设备中进行模压；模压时，在导电多孔层正面即面向燃料电池气体扩散层的表面形成燃料氢气和氧化剂空气的流场结构，在金属基材背面形成冷却液腔体；将导电多孔层和金属基材焊接在一起；制成阳极侧或阴极侧的复合金属双极板；
将阳极侧复合金属双极板和阴极侧复合金属双极板的两金属基材背靠背对位焊接，两金属基材中间形成冷却液腔体，得到高透气性复合金属燃料电池双极板。
进一步地，模压压力为10～20MPa，
进一步地，疏水处理包括：
在导电多孔层面向燃料电池气体扩散层的表面浸涂PTFE乳液，PTFE乳液的固含量在5%～30%，PTFE中添加有导电剂，PTFE乳液与导电剂的质量比为1：1～10：1。
本发明的优点在于：本发明具有高导电率，大流场开孔率，高气体扩散和渗透性等特点，可以更充分的利用MEA的有效面积，提升燃料电池的功率，使燃料电池的成本得以进一步下降。并且采用模压方式进行流场的成型，加工便捷，制备效率高，有利实现大批量，快速生产。
附图说明
图1为本发明的阳极侧或阴极侧的复合金属双极板示意图。
图2为本发明的实施例模压示意图。
图3为本发明的实施例阳极侧和阴极侧的复合金属双极板焊接示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种高透气性复合金属燃料电池双极板，包括阳极侧和阴极侧的复合金属双极板；
如图1所示，复合金属双极板包括金属基材1和导电多孔层2；
所述导电多孔层2连接在金属基材1的上面；导电多孔层2面向燃料电池气体扩散层的表面（即背离金属基材1的外侧表面）形成有流场201，所述流场201包括多个流道201a；流道201a可以是直流道或弯曲流道；
所述金属基材1的背面设有冷却液腔体101；
所述阳极侧的复合金属双极板与阴极侧的复合金属双极板背对背连接，在相互连接的两金属基材中间形成冷却液腔体。
导电多孔层2的材料采用导电多孔材料，例如：金属多孔材料，典型的如泡沫镍、泡沫铜等泡沫金属；金属网，典型的如不锈钢烧结毡、不锈钢烧结网等；烧结金属粉末，典型的如不锈钢，钛及其合金，镍合金、蒙耐尔、因康镍、铁铝合金等烧结粉末；
金属基材1为不锈钢、钛合金或是铝合金等；
导电多孔层2的厚度为0.1mm～5mm，导电多孔层2的导电多孔材料的孔隙率在10%～90%，孔径50ppi～600ppi；流场流道深度0.1mm～1mm，流道宽度0.5mm～2mm；
金属基材1的厚度为0.05mm～0.2mm；
为了提高复合金属双极板的耐久性，金属基材1和导电多孔层2表面均设有防腐蚀涂层，使用的防腐蚀涂层主要有石墨类涂层，如无定形碳；或聚苯胺、聚吡咯类涂层；或金属氧化物涂层，如镍、钴氧化物，硅氧烷等；或贵金属涂层，镀金涂层等；防腐蚀涂层厚度20nm～2μm；
导电多孔层2面向燃料电池气体扩散层的表面进行疏水处理；疏水处理主要使用PTFE材料，目前通常不会对导电多孔层2表面进行疏水处理，因此在流场的支撑部位会与气体扩散层接触，受压力作用，双极板支撑部位气体渗透困难，反应生成水积聚，直接造成燃料电池内阻升高，影响电池的性能，造成电池电极未被充分利用，影响了电池的效率，提高了成本；而进行了疏水处理可解决这些问题；PTFE乳液的固含量在5%～30%，采用浸涂方式，为了提高导电性，可以在PTFE中添加导电剂，导电剂为市售导电剂，如导电炭黑，super P,乙炔黑；PTFE乳液与导电剂的质量比为1：1～10：1；浸泡后的导电多孔层或是复合金属双极板在80～130℃烘干。
本发明中涉及的百分数均为质量百分比。
高透气性复合金属燃料电池双极板及制备方法，包括：
对导电多孔层2表面进行防腐蚀涂层处理，然后在导电多孔层2面向燃料电池气体扩散层的表面进行疏水处理；
对金属基材1表面进行防腐蚀涂层处理；
如图2所示，将导电多孔层2叠放在金属基材1上面，两者对正；置于模压设备中进行模压；模压时，在导电多孔层2正面（即面向燃料电池气体扩散层的表面）形成燃料氢气和氧化剂空气的流场201结构，在金属基材1背面形成冷却液腔体101；将导电多孔层2和金属基材1焊接在一起；制成阳极侧或阴极侧的复合金属双极板；
将阳极侧复合金属双极板和阴极侧复合金属双极板的两金属基材背靠背对位焊接，两金属基材中间形成冷却液腔体，得到高透气性复合金属燃料电池双极板；
实施例一；
取泡沫金属泡沫镍作为导电多孔层2，13cm*13cm，泡沫镍孔径200ppi，厚度0.5mm，开孔率90%；首先通过真空气相沉积在表面形成具有抗腐蚀性的无定型石墨层，厚度20nm～2μm；然后在面向燃料电池气体扩散层的表面浸泡固含量30%的PTFE乳液，取出晾干，反复浸泡多次，晾干后，在300℃烘箱内烘干固化，完成表面疏水处理；
取316不锈钢金属箔带作为金属基材1，15*15cm，厚度0.1mm，对金属基材表面真空气相沉积形成具有抗腐蚀的无定型石墨层，厚度100nm；
将泡沫镍放在金属基材上面，中心对正，置于模压设备中，模压设备的模具包括流道冲压模具3和基材冲压模具4，分别用于形成流场结构和冷却液腔体；模压压力为10～20MPa，模压时，在导电多孔层2正面（即面向燃料电池气体扩散层的表面）形成燃料氢气和氧化剂空气的流场201结构，在金属基材1背面形成冷却液腔体101；
将导电多孔层2边缘和金属基材1焊接在一起；制成阳极侧或阴极侧的复合金属双极板；
将阳极侧复合金属双极板和阴极侧复合金属双极板的两金属基材背靠背对位焊接，两金属基材中间形成冷却液腔体，得到高透气性复合金属燃料电池双极板；焊接区域5如图3所示，沿两侧的不锈钢金属箔带边缘焊接。
实施例二；
取316不锈钢烧结网作为导电多孔层2，13cm*13cm，不锈钢烧结网目数200目，厚度0.2mm；首先通过真空气相沉积在表面形成具有抗腐蚀性的无定型石墨层，厚度20nm～2μm；然后在面向燃料电池气体扩散层的表面浸泡固含量10%的PTFE乳液，PTFE乳液中添加1%的super P导电剂，取出晾干，反复浸泡多次，晾干后，在350℃真空烘箱内烘干固化，完成表面疏水处理；
取316不锈钢金属箔带作为金属基材1，15*15cm，厚度0.1mm，对不锈钢金属箔带表面真空气相沉积形成具有抗腐蚀的金层，厚度10nm；
将不锈钢烧结网放在金属基材上面，中心对正，置于模压设备中；模压压力为10～20MPa，模压时，在导电多孔层2正面（即面向燃料电池气体扩散层的表面）形成燃料氢气和氧化剂空气的流场201结构，在金属基材1背面形成冷却液腔体101；
将导电多孔层2边缘和金属基材1焊接在一起；制成阳极侧或阴极侧的复合金属双极板；
将阳极侧复合金属双极板和阴极侧复合金属双极板的两金属基材背靠背对位焊接，两金属基材中间形成冷却液腔体，得到高透气性复合金属燃料电池双极板；焊接区域5如图3所示，沿两侧的不锈钢金属箔带边缘焊接。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高透气性复合金属燃料电池双极板，包括阳极侧和阴极侧的复合金属双极板；其特征在于，
复合金属双极板包括金属基材(1)和导电多孔层(2)；
所述导电多孔层(2)连接在金属基材(1)的上面；导电多孔层(2)面向燃料电池气体扩散层的表面形成有流场(201)，所述流场(201)包括多个流道(201a)；
所述金属基材(1)的背面设有冷却液腔体(101)；
所述阳极侧的复合金属双极板与阴极侧的复合金属双极板背对背连接，在相互连接的两金属基材中间形成冷却液腔体。
2.如权利要求1所述的高透气性复合金属燃料电池双极板，其特征在于，
金属基材(1)和导电多孔层(2)表面均设有防腐蚀涂层。
3.如权利要求1或2所述的高透气性复合金属燃料电池双极板，其特征在于，
导电多孔层(2)面向燃料电池气体扩散层的表面进行疏水处理。
4.如权利要求3所述的高透气性复合金属燃料电池双极板，其特征在于，
导电多孔层(2)面向燃料电池气体扩散层的表面浸涂有PTFE乳液。
5.如权利要求4所述的高透气性复合金属燃料电池双极板，其特征在于，
PTFE乳液的固含量在5%～30%，PTFE中添加有导电剂，PTFE乳液与导电剂的质量比为1：1～10：1。
6.如权利要求1所述的高透气性复合金属燃料电池双极板，其特征在于，
导电多孔层(2)的材料采用导电多孔材料，包括金属多孔材料，或金属网，或烧结金属粉末。
7.如权利要求1所述的高透气性复合金属燃料电池双极板，其特征在于，
导电多孔层(2)的厚度为0.1mm～5mm，导电多孔层2的导电多孔材料的孔隙率在10%～90%，孔径50ppi～600ppi；流场流道深度0.1mm～1mm，流道宽度0.5mm～2mm。
8.一种高透气性复合金属燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，包括：
对导电多孔层(2)表面进行防腐蚀涂层处理，然后在导电多孔层(2)面向燃料电池气体扩散层的表面进行疏水处理；
对金属基材(1)表面进行防腐蚀涂层处理；
将导电多孔层(2)叠放在金属基材(1)上面，两者对正；置于模压设备中进行模压；模压时，在导电多孔层(2)正面即面向燃料电池气体扩散层的表面形成流场(201)结构，在金属基材(1)背面形成冷却液腔体(101)；将导电多孔层(2)和金属基材(1)焊接在一起；制成阳极侧或阴极侧的复合金属双极板；
将阳极侧复合金属双极板和阴极侧复合金属双极板的两金属基材背靠背对位焊接，两金属基材中间形成冷却液腔体，得到高透气性复合金属燃料电池双极板。
9.如权利要求8所述的高透气性复合金属燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，
模压压力为10～20MPa。
10.如权利要求8所述的高透气性复合金属燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，
疏水处理包括：
在导电多孔层(2)面向燃料电池气体扩散层的表面浸涂PTFE乳液，PTFE乳液的固含量在5%～30%，PTFE中添加有导电剂，PTFE乳液与导电剂的质量比为1：1～10：1。
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