CN110336053A - 一种含流道燃料电池双极板的制备方法 - Google Patents

一种含流道燃料电池双极板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含流道燃料电池双极板的制备方法，该方法是先通过3D绘图绘制阳极流场图案、阴极流场图案及冷却液流场图案；再将导电浆料通过3D打印方法或者模具注塑方法在一块金属板材的一表面形成阳极(或阴极)流场，在另一金属板材的两表面分别形成阴极(或阳极)流场和冷却液流场；将形成阳极(或阴极)流场的金属板材的光面与形成冷却液流场的金属板材表面相对对齐贴合，焊接密封，即得到具有流道的双极板；该方法结合了金属双极板和模压复合石墨板加工的优点，减少了开模成本和加工难度，特别是需要频繁修改流道设计时，工期短成本低。

Description

一种含流道燃料电池双极板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池双极板的制备方法，特别涉及一种含流道燃料电池双极板的制备方法，属于燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池具有高能量转化效率、高能量密度、环保无污染等优点，被视为未来的终极能源。双极板的成本占据了燃料电池电堆成本的30％以上。传统的燃料电池的双极板通常包括高纯石墨板、模压复合石墨板、柔性石墨板、金属双极板等。各种双极板存在各自的优势和缺点：如高纯石墨板通过高纯石墨车铣加工后再经浸渍处理，加工工时长、成本高昂；模压复合石墨板是将石墨粉体与粘结剂混合后再经模压成型。具有易加工、加工效率高等优点，但由于粉体量大，经常出现导电率分布不均，内部存在气孔等问题；
柔性石墨板是将膨胀石墨板压制成型后再经过浸渍处理，具有密封性良好质量轻等优点，但是工艺流程复杂。而金属双极板具有便于加工，质量轻和厚度小等优点，有利于大规模生产和应用，但是其需要经冲压出流道后才能做表面防腐涂层处理，导致非连续涂层处理，从而使得涂层处理设备的价格和加工成本都很高昂。如果先制备预涂层再做冲压成型流道，在冲压成型过程中可能会造成预涂层损伤，即使是细微的防腐涂层裂痕在使用过程中国会逐渐扩大，最终造成金属离子溶出甚至金属双极板穿孔。且金属双极板的模具成本极其高昂。快速降低双极板的加工成本是当前燃料电池快速商业化的一大亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中双极板制备过程中存在的技术问题，本发明的目的是在于提供一种工艺简单、成本低的含流道燃料电池双极板的制备方法，该方法结合了模压双极板和金属双极板加工过程的优势，通过直接在做好预涂层的金属薄片上利用3D打印或模内注塑成型流道脊，能大幅降低双极板的模具成本，结合了金属双极板和复合石墨双极板的各自优点，相比复合石墨双极板，厚度大幅度降低；相比预涂层金属薄片成型的双极板，耐腐蚀性好、模具成本低；相比通过模具成型的双极板，不需要开模，能极大的缩短加工时间和试验成本，大幅缩减研发成本，综上，本发明方法简化燃料电池双极板的加工流程，有利于燃料电池商业化。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种含流道燃料电池双极板的制备方法，该制备方法包括方案一或方案二：
方案一：包括以下步骤：
1)通过3D绘图绘制阳极流场图案、阴极流场图案及冷却液流场图案；
2)配制导电浆料；
3)将导电浆料通过3D打印方法按照流场图案打印在金属板材表面并进行固化处理，在金属板材形成流场；其中，金属板材包括两块相同的金属板材I和金属板材II，在金属板材I的一表面形成阳极流场，在金属板材II一表面形成阴极流场，另一表面形成冷却液流场；或者，在金属板材I的一表面形成阴极流场，在金属板材II一表面形成阳极流场，另一表面形成冷却液流场；
4)将金属板材I未打印阳极流场的表面或未打印阴极流场的表面与金属板材II打印冷却液流场的表面相对对齐贴合，焊接密封，即得到具有流道的双极板；
方案二：包括以下步骤：
1)通过3D绘图绘制阳极流场图案、阴极流场图案及冷却液流场图案；
2)根据各流场图案分别设计具有相应流道的模具；
3)配制导电浆料；
4)将导电浆料通过模具采用模内注塑方式注塑到金属板材表面并固化处理，在金属板材形成流场；其中，金属板材包括两块相同的金属板材I和金属板材II，在金属板材I的一表面形成阳极流场，在金属板材II一表面形成阴极流场，另一表面形成冷却液流场，或者，在金属板材I的一表面形成阴极流场，在金属板材II一表面形成阳极流场，另一表面形成冷却液流场；
5)将金属板材I未形成阳极流场的表面或未形成阴极流场的表面与金属板材II形成冷却液流场的表面相对对齐贴合，焊接密封，即得到具有流道的双极板。
优选的方案，所述金属板材表面经过耐腐蚀涂层预处理。
优选的方案，所述金属板材为金属钛或不锈钢材料；所述金属板材的厚度不超过0.1mm。
优选的方案，所述导电浆料由导电粉体材料与粘结剂组成。导电浆料的配制过程是，将导电粉体与粘结剂溶于溶剂，经过干燥，得到混合的导电浆料。溶剂为本领域常规的可以溶解高分子粘结剂的有机溶剂。
优选的方案，所述导电粉体材料包括石墨蠕虫、炭黑、碳纳米纤维、鳞片石墨粉、微晶石墨粉、石墨烯、石墨片、氮化钛中至少一种。
优选的方案，所述粘结剂包括酚醛树脂、聚吡咯、聚苯乙烯、氨酚醛树脂、聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯硫醚和聚醚酮中至少一种。
优选的方案，导电材料与粘结剂的质量百分比组成为30～95％:5～70％。
最优选的导电浆料由石墨蠕虫、炭黑及酚醛树脂按5:3:2的固含量比例混合而成；或者由炭黑、碳纳米纤维、酚醛树脂按6:2:2的固含量比例混合而成。或者由氮化钛、酚醛树脂按9:1的固含量比例混合而成。
优选的方案，阳极流场和阴极流场为蛇形结构；所述冷却液流场为直形结构。
优选的方案，阳极流场、阴极流场及冷却液流场的蛇形结构和直形结构均由高度为0.5mm～1.5mm，宽度为0.3mm～3mm的通过3D打印方法或模内注塑方式形成的流道脊构成。流道脊过高不利于缩减电堆体积，且流道容易积水和形成湍流。流道脊过宽则会压缩流道的宽度，且流道脊与气体扩散层接触地方过宽不利于反应物传输到该部分区域参与反应。
优选的方案，所述3D打印方式包括描线方式、印花方式或丝印方式。
本发明通过3D打印制备燃料电池双极板流道的具体过程：
(1)采用3D绘图软件绘制出需要打印在金属板材表面的流场图案；
(2)将导电浆料的配料按照配比溶入溶剂中，经过干燥，得到混合的导电浆料；
(3)3D打印设备根据流场图案，把导电浆料打印在金属板材表面并固化，形成流道脊，若干条流道脊按特定图案构成了单面的阳极流场、阴极流场或冷却液流场；阳极流场在一片金属板材的一面，阴极流场和冷却液流场在另一片金属板材的两面，或者，阴极流场在一片金属板材的一面，阳极极流场和冷却液流场在另一片金属板材的两面；
(4)将第一片金属板材的光面和第二片金属板材的冷却液流场面相对对齐贴合，通过激光焊接方式将边缘部位进行密封，形成一个完成的双极板。
本发明通过模具注塑制备燃料电池双极板流道的具体过程：
(1)采用3D绘图软件绘制出需要打印在金属板材表面的流场图案；
(2)根据图案设计制作具有特定流道的模具；
(3)将导电浆料的配料按照配比溶入溶剂中，经过干燥，得到混合的导电浆料；
(4)采用模内注塑方式，将金属板材的放入刻有相应流场结构的模具中，将导电浆料通过注塑到金属板材表面，然后加热固化使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊，得到阳极流场、阴极流场或冷却液流场；阳极流场在第一片金属板材的一面，阴极流场和冷却液流场在第二片金属板材的两面，或者，阴极流场在第一片金属板材的一面，阳极流场和冷却液流场在第二片金属板材的两面；
(5)将第一片金属板材的光面和第二片金属板材的冷却液流场面相对对齐贴合，通过激光焊接方式将边缘部位进行密封，形成一个完成的双极板。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益效果：
本发明提供的含流道双极板的制备方法结合了模压双极板和金属双极板加工过程的优势，通过直接在做好预涂层的金属薄片上利用3D打印或模内注塑成型流道脊，能大幅降低双极板的模具成本。相比复合石墨双极板，本发明制备的双极板厚度大幅度降低；相比预涂层金属薄片成型的双极板，本发明制备的双极板耐腐蚀性好、模具成本低，相比通过模具成型的双极板，本发明可以通过3D打印在金属薄片上直接打印出流道，不需要开模，能极大的缩短加工时间和试验成本，大幅缩减研发成本，简化燃料电池双极板的加工流程，有利于燃料电池商业化。
附图说明
图1为金属板材阳极流场的截面图；
图2为金属板材阳极流场的结构示意图；
图3为金属板材阴极流场的结构示意图；
图4为金属板材冷却液流场的结构示意图；
其中，1-空气入口；2-冷却水入口；3-氢气入口；4-阳极流场；5-冷却液流场；6-阴极流场。
具体实施方式
下面实施例旨在结合附图对本发明内容作进一步详细的说明，而不是限制本发明权利要求保护范围。
本发明提供了一种制备燃料电池双极板流道的方法，该方法涉及到金属板材、导电浆料以及3D打印设备。
金属板材作为燃料电池双极板的板材，一般为金属钛或不锈钢材料，金属板材上设有空气入口1、冷却水入口2和氢气入口3，金属板材的厚度在不超过0.1mm。燃料电池双极板上由两片金属板材材料组成，在两片金属板材上需要3D打印三种流场，分别是阳极流场4、阴极流场6和冷却液流场5，阳极流场4在第一片金属板材的一面上，阴极流场6和冷却液流场5分别单独在第二片金属板材的两面，第一片金属板材的光面和第二片金属板材的冷却液流场5面相对对齐贴合并焊接，即形成一个完成的双极板。
导电浆料是打印在金属板材上作为导电的媒介，导电浆料可以由石墨蠕虫、炭黑、碳纳米纤维、氮化钛的一种或多种，结合粘结剂，按配比混合，其中，粘结剂的成分是酚醛树脂、聚吡咯、聚苯乙烯、7氨酚醛树脂、聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯硫醚和聚醚酮中的一种或多种。其中，导电浆料中导电粉体材料的质量占总固含量重量的30％～95％。
3D打印设备根据3D绘图软件绘制的图案，在金属板材上打印流场，阳极流场4和阴极流场6一般为蛇形流场结构(如图2或图3)，冷却液流场5一般为直形流场结构(如图4)。3D打印机可以采用弘瑞的3D打印机，使用PROE、UG、Autocad等3D绘图软件。3D打印设备的打印方式采用描线方式、印花方式或丝印方式中的一种。此外，还可以用模内注塑设备采用模内注塑的方式替代3D打印设备，进行双极板流到的制备。
实施例1
本实施例使用石墨蠕虫、炭黑和酚醛树脂作为导电浆料制作双极板，制备方法如下：
(1)采用3D绘图软件绘制出打印在金属板材上的阳极流场4、阴极流场6和冷却液流场5的图案；
(2)以石墨蠕虫、炭黑、酚醛树脂按5：3：2的固含量比例分散到溶剂中得到均匀混合液后干燥；
(3)3D打印机按照打印路径移动打印喷头，在第一片金属板材的一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的阳极流场4；
(4)3D打印机按照打印路径移动打印喷头，在第二片金属板材的一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的阴极流场6；
(5)按照打印路径移动打印喷头，在第二片金属板材的另一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的冷却液流场5；
(6)将第一片金属板材的光面和第二片金属板材的冷却液流场5面相对对齐贴合，通过激光焊接方式将边缘部位进行密封，形成一个完成的双极板。
实施例2
本实施例使用炭黑、碳纳米纤维、酚醛树脂作为导电浆料制作双极板，制备方法如下：
(1)采用3D绘图软件绘制出打印在金属板材上的阳极流场4、阴极流场6和冷却液流场5的图案；
(2)以炭黑、碳纳米纤维、酚醛树脂按6：2：2的固含量比例分散到溶剂中得到均匀混合液后干燥；
(3)3D打印机按照打印路径移动打印喷头，在第一片金属板材的一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的阳极流场4；
(4)3D打印机按照打印路径移动打印喷头，在第二片金属板材的一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的阴极流场6；
(5)按照打印路径移动打印喷头，在第二片金属板材的另一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的冷却液流场5；
(6)将第一片金属板材的光面和第二片金属板材的冷却液流场5面相对对齐贴合，通过激光焊接方式将边缘部位进行密封，形成一个完成的双极板。
实施例3
本实施例使用氮化钛、酚醛树脂作为导电浆料制作双极板，制备方法如下：
(1)采用3D绘图软件绘制出打印在金属板材上的阳极流场4、阴极流场6和冷却液流场5的图案；
(2)以氮化钛、酚醛树脂按9：1的固含量比例分散到溶剂中得到均匀混合液后干燥；
(3)3D打印机按照打印路径移动打印喷头，在第一片金属板材的一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的阳极流场4；
(4)3D打印机按照打印路径移动打印喷头，在第二片金属板材的一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的阴极流场6；
(5)按照打印路径移动打印喷头，在第二片金属板材的另一面按特定图案绘出若干条导电浆料轨迹，通过加热的方式使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊；若干条流道脊按特定图案构成了单面的冷却液流场5；
(6)将第一片金属板材的光面和第二片金属板材的冷却液流场5面相对对齐贴合，通过激光焊接方式将边缘部位进行密封，形成一个完成的双极板。
实施例4
本发明揭示了一种模内注塑在金属板材表面制备燃料电池双极板流道脊的方法，所述制备方法如下：
根据图案设计制作具有阳极流场4、阴极流场6和冷却液流场5相应图案的流道的模具。
以炭黑、碳纤维、酚醛树脂按6：2：2的固含量比例分散到溶剂中得到均匀导电浆料；
采用模内注塑方式，将第一片金属板材的放入刻有阳极流场4结构的模具中，将导电浆料通过注塑到金属板材表面，然后加热固化使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊，得到阳极流场；
同理，采用模内注塑方式，将第二片金属板材的放入刻有冷却液流场5和阴极流场6结构的模具中，将导电浆料分别通过注塑到金属板材的两面，然后加热固化使导电浆料固化形成凸出金属板材表面的流道脊，得到阴极流场和冷却液流场；
将第一片金属板材的光面和第二片金属板材的冷却液流场面相对对齐贴合，通过激光激光焊接将边缘部位进行密封，形成一个完成的双极板。

Claims (9)

1.一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：包括方案一或方案二：方案一：包括以下步骤：
1)通过3D绘图绘制阳极流场图案、阴极流场图案及冷却液流场图案；
2)配制导电浆料；
3)将导电浆料通过3D打印方法按照流场图案打印在金属板材表面并进行固化处理，在金属板材形成流场；其中，金属板材包括两块相同的金属板材I和金属板材II，在金属板材I的一表面形成阳极流场，在金属板材II一表面形成阴极流场，另一表面形成冷却液流场；或者，在金属板材I的一表面形成阴极流场，在金属板材II一表面形成阳极流场，另一表面形成冷却液流场；
4)将金属板材I未打印阳极流场的表面或未打印阴极流场的表面与金属板材II打印冷却液流场的表面相对对齐贴合，焊接密封，即得到具有流道的双极板；方案二：包括以下步骤：
1)通过3D绘图绘制阳极流场图案、阴极流场图案及冷却液流场图案；
2)根据各流场图案分别设计具有相应流道的模具；
3)配制导电浆料；
4)将导电浆料通过模具采用模内注塑方式注塑到金属板材表面并固化处理，在金属板材形成流场；其中，金属板材包括两块相同的金属板材I和金属板材II，在金属板材I的一表面形成阳极流场，在金属板材II一表面形成阴极流场，另一表面形成冷却液流场，或者，在金属板材I的一表面形成阴极流场，在金属板材II一表面形成阳极流场，另一表面形成冷却液流场；
5)将金属板材I未形成阳极流场的表面或未形成阴极流场的表面与金属板材II形成冷却液流场的表面相对对齐贴合，焊接密封，即得到具有流道的双极板。
2.根据权利要求1所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：所述金属板材表面经过耐腐蚀涂层预处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：所述金属板材为金属钛或不锈钢材料；所述金属板材的厚度不超过0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：所述导电浆料由导电粉体材料与粘结剂组成。
5.根据权利要求4所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：所述导电粉体材料包括石墨蠕虫、炭黑、碳纳米纤维、鳞片石墨粉、微晶石墨粉、石墨烯、石墨片、氮化钛中至少一种；
所述粘结剂包括酚醛树脂、聚吡咯、聚苯乙烯、氨酚醛树脂、聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯硫醚和聚醚酮中至少一种。
6.根据权利要求4或5所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：导电材料与粘结剂的质量百分比组成为30～95％:5～70％。
7.根据权利要求1所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：阳极流场和阴极流场为蛇形结构；所述冷却液流场为直形结构。
8.根据权利要求7所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：阳极流场、阴极流场及冷却液流场的蛇形结构和直形结构均由高度为0.5mm～3mm，宽度为0.3mm～3mm的通过3D打印方法或模内注塑方式形成的流道脊构成。
9.根据权利要求7所述的一种含流道燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：所述3D打印方式包括描线方式、印花方式或丝印方式。
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