CN110212212A - 一种金属板单面与石墨复合的双极板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属板单面与石墨复合的双极板，包括氢单极板和氧单极板，单极板是由金属极板与石墨复合成的复合单极板，金属极板表面设有导电层,金属极板的一面上黏贴有柔性石墨纸，柔性石墨纸与金属极板之间的黏贴是间断点式黏贴。制备方法是：柔性石墨纸经过封闭内微孔道的预处理，裁出平面基材板，在平面基材板表面建立导电层，将经过预处理的柔性石墨纸黏附在平面基材板一面；用单面黏附石墨纸的平面基材板模压成单极板，将一片氢单极板和一片氧单极板密封连接成双极板。有益效果是：提高了双极板的耐腐蚀性，降低了金属双极板的表面处理成本。

Description

一种金属板单面与石墨复合的双极板及制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池双极板技术。
背景技术
质子交换膜燃料电池的双极板具有分隔氢气和氧气，收集电流和支撑膜电极,使电池系统散热和排水的功能，因此双极板材料需要有耐腐蚀性能好、导电性好、机械强度好、价格低廉和易于批量加工等特性。
现有技术中，燃料电池双极板主要用石墨材料或金属材料制备，制备的双极板各有优缺点，石墨材料分硬石墨和柔性石墨两种，硬石墨双极板通过机械加工而成，加工成本高，不适合批量生产，由于材料硬和脆，成品双极板厚度要2mm～3mm厚，导致燃料电池堆体积大，但优点是耐腐蚀和导电良好；柔性石墨双极板通过压制而成，耐腐蚀和导电良好，材料和加工成本都很低，适合批量生产，缺点是，机械强度低，成品双极板厚，组装的燃料电池堆体积大；金属材料制备双极板，采用金属薄板冲压和焊接工艺，适合批量生产，机械强度高，导电性能好，能制成1mm左右厚的薄金属双极板，但耐腐蚀性差，需要对金属双极板表面进行处理，建立导电耐腐蚀层，导电耐腐蚀层有两方面作用，第一方面作用是增强导电性，减少金属双极板表面与碳质界面的接触电阻，第二方面作用是增加金属双极板的耐腐蚀性，要增加耐腐蚀性，导电耐腐蚀层就需要有一定的厚度。建立导电耐腐蚀层，通常采用电镀法和物理气相沉积方法，电镀法是在金属表面镀贵金属，如银、金和铂等，可以满足燃料电池工作环境的导电耐腐蚀要求，寿命也可以满足商业应用要求，但是价格昂贵，物理气相沉积是在金属表面溅射炭、炭化物或氮化物，乃至硼化物等，存在的主要问题是沉积物膨胀系数与金属板差别较大，在燃料电池工作温度循环过程中容易脱落，物理气相沉积工艺用时长，因此费用高。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合的双极板及其制备方法，把双极板对机械强度、导电及耐腐蚀的要求，用不同的材料来承担，使制成的双极板既具有金属双极板的优点，还具有石墨双极板的优点，实现双极板高导电性和超薄的特点。
本发明的技术方案是：一种金属板单面与石墨复合的双极板，包括氢单极板和氧单极板，氢单极板和氧单极板上分别设有氢气流场、空气流场5、空气通道、冷却剂通道、氢气通道和密封胶线槽，氢气流场和空气流场是波纹板型流场，其特征在于：所述氢单极板和氧单极板都是复合单极板，所述复合单极板由金属极板与石墨复合制成，所述金属极板的表面设有导电层,所述石墨是柔性石墨纸，所述金属极板的一面上黏贴有柔性石墨纸，柔性石墨纸与金属极板之间的黏贴点是间断点式黏贴点，黏贴点在黏贴面呈网状均匀分布，所有黏贴点的总面积占黏贴面面积的50％，一片复合氢单极板和一片复合氧单极板的未黏结柔性石墨纸的面相对，沿外框密封胶线槽密封连接在一起组成金属板单面与石墨复合的双极板。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述金属极板的厚度为0.05mm～0.1mm，所述柔性石墨纸的厚度为0.02mm～0.1mm。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述所述金属极板表面的导电层是银、金或铂的镀层或炭、炭化物或氮化物溅射层,镀层或溅射层厚度为0.5微米～5微米。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述金属极板是不锈钢板、铝板或铜板中的任意一种。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述柔性石墨纸与金属极板之间每个黏贴点的面积为50～120目筛网的一个网眼的面积。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，包括柔性石墨纸预处理、复合单极板制备和双极板粘合，柔性石墨纸预处理是封闭柔性石墨纸内微孔道的处理，处理方法是；将酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸酯种的任意一种稀释到粘度为300mPa.s～600mPa.s，制成处理液，将柔性石墨纸浸入装有处理液的真空罐中，在真空度133Pa下，罐中浸三小时，然后将浸过的柔性石墨纸置于烘干炉内，在惰性气体保护下，在处理液固化温度下固化两小时，其特征在于：所述复合单极板制备和双极板粘合方法包括以下步骤；
1)按复合单极板的金属极板的需要裁出平面基材板，在平面基材板表面用电镀法或物理气相沉积法建立导电层，在建立了导电层的平面基材板的一面的黏贴点涂覆粘结胶，黏贴点呈间断点形式在基材板面呈网状均匀分布，所有黏贴点的总面积占基材板面积的50％，在平面基材板的涂覆粘结胶的一面黏附上经过预处理的柔性石墨纸，固化粘结胶；
2)用具有波纹板结构流场的模具将单面黏附石墨纸的平面基材板分别模压出带空气流场和密封胶线槽的复合氧单极板基材板和带氢气流场和密封胶线槽的复合氢单极板基材板，用冲剪模具，分别在复合氧单极板基材板或复合氢单极板基材板上冲剪出空气通道、冷却剂通道和氢气通道，制成具有波纹板结构流场的单面与柔性石墨纸复合的复合氧单极板和复合氢单极板；
3)沿复合氧单极板和复合氢单极板外框密封胶线槽，将一片复合氢单极板和一片复合氧单极板密封连接在一起，复合氢单极板和复合氧单极板的未黏结柔性石墨纸的面相对，构成金属与石墨复合的双极板。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，
其特征在于：所述沿氧单极板和氢单极板外框密封胶线槽将氢单极板和氧单极板密封连接在一起的方法是焊接或用胶粘接。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，
其特征在于：所述黏附柔性石墨纸的粘结胶是环氧树脂胶、聚氨酯胶或氯丁胶中的一种。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，
其特征在于：所述在建立了导电层的平面基材板的一面的黏贴点涂胶方法是：将具有50～120目孔的涂胶模板置于建立了导电层的平面基材板的一面上，用喷涂或刷涂方法涂胶，涂胶模板上孔呈网状分布，孔的总面积占涂胶模板面积的50％。
本发明所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，其特征在于：所述复合氧单极板或复合氢单极板波纹板状流场的波峰顶面至波谷底面的高度为0.4mm～0.8mm。
本发明的有益效果是：
采用极薄的柔性石墨纸黏附在金属板表面，无需在金属板表面建立昂贵的导电耐腐蚀涂层，只增加了双极板0.02mm～0.1mm的厚度，却大幅度提高了双极板的耐腐蚀性，降低了金属双极板的表面处理成本。
附图说明
附图1是单面金属与石墨复合的双极板平面示意图。
附图2是单面金属与石墨复合的双极板剖面局部放大示意图。
图中：1、空气通道，2、冷却剂通道，3、氢气通道，4、密封胶线槽，5、空气流场，6、氢气流场，7、冷却剂流场，8、金属极板，9、柔性石墨纸，10、外框密封胶线槽。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
金属板单面与石墨复合的双极板，包括氢单极板和氧单极板，氢单极板和氧单极板上分别设有氢气流场6、空气流场5、空气通道1、冷却剂通道2、氢气通道3和密封胶线槽4，氢气流场6和空气流场5是波纹板型流场，氢单极板和氧单极板都是复合单极板，复合单极板由金属极板8与石墨复合制成，金属极板8是不锈钢板、铝板或铜板中的任意一种,金属极板8的厚度为0.05mm～0.1mm，金属极板8的表面设有导电层,导电层是银、金或铂的镀层或炭、炭化物或氮化物溅射层,导电层厚度为0.5微米～5微米；金属极板8的一面上黏贴有柔性石墨纸9，柔性石墨纸9的厚度为0.02mm～0.1mm；柔性石墨纸9与金属极板8之间的黏贴点是间断点式黏贴点，黏贴点在黏贴面呈网状均匀分布，每个黏贴点的面积为50～120目筛网的一个网眼的面积；所有黏贴点的总面积占黏贴面面积的50％，一片复合氢单极板和一片复合氧单极板的未黏结柔性石墨纸的面相对，沿外框密封胶线槽密封连接在一起组成金属板单面与石墨复合的双极板。
制备方法包括柔性石墨纸9预处理、复合单极板制备和双极板粘合，柔性石墨纸9预处理是封闭柔性石墨纸9内微孔道的处理，处理方法是；将酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸酯种的任意一种稀释到粘度为300mPa.s～600mPa.s，制成处理液，将柔性石墨纸9浸入装有处理液的真空罐中，在真空度133Pa下，罐中浸三小时，然后将浸过的柔性石墨纸9置于烘干炉内，在惰性气体保护下，在处理液固化温度下固化两小时，其特征在于：所述复合单极板制备和双极板粘合方法包括以下步骤；
1)按复合单极板的金属极板8的需要裁出平面基材板，在平面基材板表面用电镀法或物理气相沉积法建立导电层，在建立了导电层的平面基材板的一面的黏贴点涂覆粘结胶，黏贴点呈间断点形式在基材板面呈网状均匀分布，所有黏贴点的总面积占基材板面积的50％，粘结胶是环氧树脂胶、聚氨酯胶或氯丁胶中的一种，涂胶方法是：将具有50～120目孔的涂胶模板置于建立了导电层的平面基材板的一面上，用喷涂或刷涂方法涂胶，涂胶模板上孔呈网状分布，孔的总面积占涂胶模板面积的50％。在平面基材板的涂覆粘结胶的一面黏附上经过预处理的柔性石墨纸9，固化粘结胶；
2)用具有波纹板结构流场的模具将单面黏附石墨纸的平面基材板分别模压出带空气流场5和密封胶线槽4的复合氧单极板基材板和带氢气流场6和密封胶线槽4的复合氢单极板基材板，波纹板状流场的波峰顶面至波谷底面的高度为0.4mm～0.8mm，用冲剪模具，分别在复合氧单极板基材板或复合氢单极板基材板上冲剪出空气通道1、冷却剂通道2和氢气通道3，制成具有波纹板结构流场的单面与柔性石
墨纸复合的复合氧单极板和复合氢单极板；
3)沿复合氧单极板和复合氢单极板外框密封胶线槽10，将一片复合氢单极板和一片复合氧单极板密封连接在一起，连接方法是焊接或用胶粘接，复合氢单极板和复合氧单极板的未黏结柔性石墨纸的面相对，构成金属与石墨复合的双极板。

Claims (10)

1.一种金属板单面与石墨复合的双极板，包括氢单极板和氧单极板，氢单极板和氧单极板上分别设有氢气流场(6)、空气流场(5)、空气通道(1)、冷却剂通道(2)、氢气通道(3)和密封胶线槽(4)，氢气流场(6)和空气流场(5)是波纹板型流场，其特征在于：所述氢单极板和氧单极板都是复合单极板，所述复合单极板由金属极板(8)与石墨复合制成，所述金属极板(8)的表面设有导电层,所述石墨是柔性石墨纸，所述金属极板(8)的一面上黏贴有柔性石墨纸(9)，柔性石墨纸(9)与金属极板(8)之间的黏贴点是间断点式黏贴点，黏贴点在黏贴面呈网状均匀分布，所有黏贴点的总面积占黏贴面面积的50％，一片复合氢单极板和一片复合氧单极板的未黏结柔性石墨纸的面相对，沿外框密封胶线槽密封连接在一起组成金属板单面与石墨复合的双极板。
2.如权利要求1所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述金属极板(8)的厚度为0.05mm～0.1mm，所述柔性石墨纸(9)的厚度为0.02mm～0.1mm。
3.如权利要求2所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述所述金属极板(8)表面的导电层是银、金或铂的镀层或炭、炭化物或氮化物溅射层,镀层或溅射层厚度为0.5微米～5微米。
4.如权利要求3所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述金属极板(8)是不锈钢板、铝板或铜板中的任意一种。
5.如权利要求4所述一种金属板单面与石墨复合的双极板，特征在于：所述柔性石墨纸(9)与金属极板(8)之间每个黏贴点的面积为50～120目筛网的一个网眼的面积。
6.权利要求1所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，包括柔性石墨纸(9)预处理、复合单极板制备和双极板粘合，柔性石墨纸(9)预处理是封闭柔性石墨纸(9)内微孔道的处理，处理方法是；将酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸酯种的任意一种稀释到粘度为300mPa.s～600mPa.s，制成处理液，将柔性石墨纸(9)浸入装有处理液的真空罐中，在真空度133Pa下，罐中浸三小时，然后将浸过的柔性石墨纸(9)置于烘干炉内，在惰性气体保护下，在处理液固化温度下固化两小时，其特征在于：所述复合单极板制备和双极板粘合方法包括以下步骤；
1)按复合单极板的金属极板(8)的需要裁出平面基材板，在平面基材板表面用电镀法或物理气相沉积法建立导电层，在建立了导电层的平面基材板的一面的黏贴点涂覆粘结胶，黏贴点呈间断点形式在基材板面呈网状均匀分布，所有黏贴点的总面积占基材板面积的50％，在平面基材板的涂覆粘结胶的一面黏附上经过预处理的柔性石墨纸(9)，固化粘结胶；
2)用具有波纹板结构流场的模具将单面黏附石墨纸的平面基材板分别模压出带空气流场(5)和密封胶线槽(4)的复合氧单极板基材板和带氢气流场(6)和密封胶线槽(4)的复合氢单极板基材板，用冲剪模具，分别在复合氧单极板基材板或复合氢单极板基材板上冲剪出空气通道(1)、冷却剂通道(2)和氢气通道(3)，制成具有波纹板结构流场的单面与柔性石墨纸复合的复合氧单极板和复合氢单极板；
3)沿复合氧单极板和复合氢单极板外框密封胶线槽(10)，将一片复合氢单极板和一片复合氧单极板密封连接在一起，复合氢单极板和复合氧单极板的未黏结柔性石墨纸的面相对，构成金属与石墨复合的双极板。
7.如权利要求6所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，其特征在于：所述沿氧单极板和氢单极板外框密封胶线槽(10)将氢单极板和氧单极板密封连接在一起的方法是焊接或用胶粘接。
8.如权利要求7所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，其特征在于：所述黏附柔性石墨纸(9)的粘结胶是环氧树脂胶、聚氨酯胶或氯丁胶中的一种。
9.如权利要求8所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，其特征在于：所述在建立了导电层的平面基材板的一面的黏贴点涂胶方法是：将具有50～120目孔的涂胶模板置于建立了导电层的平面基材板的一面上，用喷涂或刷涂方法涂胶，涂胶模板上孔呈网状分布，孔的总面积占涂胶模板面积的50％。
10.如权利要求8所述一种金属板单面与石墨复合的双极板的制备方法，其特征在于：所述复合氧单极板或复合氢单极板波纹板状流场的波峰顶面至波谷底面的高度为0.4mm～0.8mm。
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