CN111384413A - 一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板以及一种燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属‑石墨复合结构的燃料电池双极板，通过石墨极板‑金属极板的复合结构，实现燃料电池双极板高耐蚀、高气密性和高强度的综合性能。本发明提供的双极板具有长寿命，耐腐蚀的特点，避免金属极板腐蚀溶出的金属离子毒害膜电极，保证电堆输出性能和使用寿命。采用石墨极板和金属极板复合的结构，结合金属极板一侧为气体流道，一侧为冷却流道的优点，降低双极板厚度，实现燃料电池电堆的高体积比功率要求。并且，制备低成本，工艺简单，可实现批量化生产。

Description

一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板以及一种燃料 电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板以及一种燃料电池。
背景技术
现有的双极板一般采用金属双极板或石墨双极板，主要存在以下问题：
1、在燃料电池环境中，尤其是高电位和酸性腐蚀溶液条件下，金属双极板不可避免的会发生腐蚀，导致双极板接触电阻增加，并且金属双极板在腐蚀过程中，会不断释放出金属离子，毒化膜电极，最终造成燃料电池电堆的输出功率下降和寿命降低。
2、与金属双极板相比，石墨双极板具有更好的化学稳定性和耐久性，但是石墨材料的强度低，气密性差。为保证石墨双极板的强度和气密性，石墨板材的加工厚度大，导致电堆的体积比功率低，并且石墨双极板长时间使用时，气密性风险高。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板，本发明提供的燃料电池双极板具有高耐蚀、高气密性和高强度的综合性能。
本发明提供了一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板，包括金属极板(1)和石墨极板(4)，所述石墨极板(4)的一侧贴合固定有金属极板(1)且另一侧表面开设有石墨极板流道(7)，所述金属极板(4)的外侧表面开设有金属极板流道(5)，且所述金属极板(1)与所述石墨极板(4)之间开设有冷却剂流道(6)。
优选的，在所述金属极板(1)和石墨极板(4)之间，还贴合固定有金属隔板(3)；
所述金属隔板(3)包括基板和复合于所述基板表面的耐腐蚀或导电涂层，所述基板的材质为不锈钢、纯钛或钛合金，所述金属隔板的基材厚度为0.07～0.15mm，金属隔板的厚度为0.07～0.8mm。
优选的，所述金属极板(1)包括基板和复合于所述基板表面的耐腐蚀或导电涂层，所述基板的材质为不锈钢、纯钛或钛合金，所述金属极板的厚度为0.3～0.8mm。
优选的，所述石墨极板(4)的材质为天然石墨、人造石墨、柔性石墨、膨胀石墨，或含有石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种或多种和树脂形成的石墨基复合材料，所述石墨极板的厚度为0.5～1.2mm。
优选的，所述石墨极板流道(7)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm；
所述金属极板流道(5)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm；
所述冷却剂流道(6)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm。
优选的，所述金属极板(1)和石墨极板(4)通过胶粘层贴合固定或通过压合贴合固定，所述胶粘层选自酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、不饱和树脂或橡胶类基料。
优选的，所述金属极板(1)表面还设置有氧化剂流道或还原剂流道；
所述石墨极板(4)表面还设置有氧化剂流道或还原剂流道。
本发明还提供了一种燃料电池，包括电池堆，所述电池堆由若干个燃料电池双极板以及复合于所述燃料电池双极板之间的膜电极组成。
与现有技术相比，本发明提供了一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板，包括金属极板(1)和石墨极板(4)，所述石墨极板(4)的一侧贴合固定有金属极板(1)且另一侧表面开设有石墨极板流道(7)，所述金属极板(4)的外侧表面开设有金属极板流道(5)，且所述金属极板(1)与所述石墨极板(4)之间开设有冷却剂流道(6)。本发明在燃料电池腐蚀更严重的一侧选用耐蚀性更优的石墨极板，而另一侧选用强度和气密性更优的金属极板。通过石墨极板-金属极板的复合结构，实现燃料电池双极板高耐蚀、高气密性和高强度的综合性能。本发明提供的双极板具有长寿命，耐腐蚀的特点，避免金属极板腐蚀溶出的金属离子毒害膜电极，保证电堆输出性能和使用寿命。采用石墨极板和金属极板复合的结构，结合金属极板一侧为气体流道，一侧为冷却流道的优点，降低双极板厚度，实现燃料电池电堆的高体积比功率要求。并且，制备低成本，工艺简单，可实现批量化生产。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池双极板的石墨极板结构示意图。；
图2为本发明提供的燃料电池双极板的金属极板示意图；
图3为本发明提供的燃料电池双极板的截面结构示意图；
图4为本发明提供的燃料电池双极板的金属隔板的结构示意图；
图5为本发明提供的燃料电池双极板的截面结构示意图；
图6为本发明提供的燃料电池双极板的各层层叠结构示意图；
图7为本发明提供的燃料电池双极板的组装后的示意图；
图8(a)为本发明燃料电池电堆组装后的截面结构示意图；
图8(b)为本发明燃料电池电堆组装结构示意图；
图9为本发明燃料电池电堆结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板，包括金属极板(1)和石墨极板(4)，所述石墨极板(4)的一侧贴合固定有金属极板(1)且另一侧表面开设有石墨极板流道(7)，所述金属极板(4)的外侧表面开设有金属极板流道(5)，且所述金属极板(1)与所述石墨极板(4)之间开设有冷却剂流道(6)。
本发明提供的燃料电池双极板包括石墨极板(4)，参见图1，图1为本发明燃料电池石墨极板结构示意图。图1中，8.石墨极板氧化剂通道入口，9.石墨极板冷却剂通道入口，10.石墨极板还原剂通道出口，11.石墨极板还原剂通道入口，12.石墨极板冷却剂通道出口，13.石墨极板氧化剂通道出口，14.石墨极板流道。其中，所述石墨极板流道用于通入氧化剂气体或还原剂气体，形成氧化剂流道或还原剂流道。
所述石墨极板流道(7)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm。
其中，上述各个流道的宽度独立的为0.3～1.5mm，高度独立的为0.2～0.7mm。
在本发明中，所述石墨极板(4)的材质为天然石墨、人造石墨、柔性石墨、膨胀石墨，或含有石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种或多种和树脂形成的石墨基复合材料。石墨极板可以通过机加工成形、模具压制成形或压缩成形，也可以通过模具注塑成形。所述石墨极板的厚度为0.5～1.2mm。
所述石墨极板(4)的一侧表面开设有石墨极板流道(7)，另一侧贴合固定有金属极板(1)。参见图2，图2是本发明提供的燃料电池双极板的金属极板示意图。如图2所示，金属极板上设置有还原剂的通道入口18、还原剂的通道出口17，氧化剂的通道入口15、氧化剂的通道出口20，冷却剂通道入口16、冷却剂通道出口19，还原剂的流道21。
所述冷却剂流道(6)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm。
所述金属极板流道(5)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm；
其中，上述各个流道的宽度独立的为0.3～1.5mm，高度独立的为0.2～0.7mm。
所述金属极板(1)包括基板和复合于所述基板表面的耐腐蚀或导电涂层，所述基板的材质为不锈钢、纯钛或钛合金，所述耐腐蚀或导电涂层可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电镀等表面处理方式制备耐蚀性或导电性的表面涂层。金属极板可以通过冲压成形的方式进行制备。所述金属极板的厚度为0.3～0.8mm。
在本发明的一些具体实施方式中，所述燃料电池双极板包括金属极板(1)和石墨极板(4)。参见图3，图3为本发明提供的燃料电池双极板的截面结构示意图。图3中，1.金属极板，4.石墨极板，5.金属极板流道，6.冷却剂流道，7.石墨极板流道。
在本发明的一些具体实施方式中，所述金属极板(1)和石墨极板(4)通过胶粘层贴合固定或通过压合贴合固定，所述胶粘层选自环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、不饱和树脂或橡胶类基料。
在本发明中，在所述金属极板(1)和石墨极板(4)之间，还贴合固定有金属隔板(3)，所述金属隔板的基材厚度为0.07～0.15mm，金属隔板的厚度为0.07～0.8mm；
所述金属隔板(3)包括基板和复合于所述基板表面的耐腐蚀或导电涂层，所述基板的材质为不锈钢、纯钛或钛合金。所述耐腐蚀或导电涂层可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电镀等表面处理方式制备耐蚀性或导电性的表面涂层。金属隔板可以通过冲压成形、刻蚀成形或激光裁切等方式进行制备。
在本发明中，所述金属隔板可以为表面无沟槽结构的平板，也可以为表面冲压有沟槽结构的冲压成形板或者表面设置有沟槽结构。表面无沟槽结构的平板，有利于减小双极板的整体厚度；而表面有沟槽结构的冲压成形板，有利于其与金属极板1和石墨极板4之间的定位和连接。
参见图4，图4为本发明提供的燃料电池双极板的金属隔板的结构示意图。
在石墨极板和金属极板之间设置金属隔板。金属隔板可以杜绝石墨极板上流体与冷却剂之间的气密性风险，同时使石墨极板和金属极板的应力分配更加均匀，促进电子在双极板平面间的传递与分布。通过石墨极板-金属隔板-金属极板的复合结构，实现燃料电池双极板高耐蚀、高气密性和高强度的综合性能。
在本发明中，所述金属极板和金属隔板之间通过焊接或粘接的方式接合与密封。
所述金属隔板和石墨极板通过胶粘层贴合固定或通过压合贴合固定，所述胶粘层选自环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、不饱和树脂或橡胶类基料。
所述的金属极板、金属隔板和石墨极板叠合后，通过焊接、粘接或压合方式连接为一体，成为燃料电池双极板，其中，胶粘层可以是连续的、导电性良好的膜层，也可以是间断的不连续膜层。
参见图5～7，图5为本发明提供的燃料电池双极板的截面结构示意图。图5中，1.金属极板，2.金属隔板，3.胶粘层，4.石墨极板，5.金属极板流道，6.冷却剂流道，7.石墨极板流道。
图6为本发明提供的燃料电池双极板的各层层叠结构示意图，图7为本发明提供的燃料电池双极板的组装后的示意图。图6和图7中，23.石墨极板，24.金属隔板，25.金属极板。
在本发明的一些具体实施方式中，所述金属极板截面形状可以为波浪形，其中，波浪形由波峰和波谷形成，金属极板的波谷与石墨极板贴合固定，从而形成金属极板流道和冷却剂流道。
在本发明的一些具体实施方式中，所述石墨极板与金属极板贴合的一面为无沟槽的平面。
在本发明中，所述石墨极板可以作为阳极板，也可以作为阴极板。所述金属极板可以作为阳极板，也可以作为阴极板。
本发明还提供了一种燃料电池，包括电池堆，其中，所述电池堆由若干个燃料电池双极板以及复合于所述燃料电池双极板之间的膜电极组成。
在本发明中，电堆节数从100节到400节不等。
参见图8(a)、图8(b)和图9，图8(a)为本发明燃料电池电堆组装后的截面结构示意图；图8(b)为本发明燃料电池电堆组装结构示意图；图9为本发明燃料电池电堆结构示意图。图8(a)、图8(b)和图9中，15.氧化剂的通道入口，16.冷却剂的通道入口，17.还原剂的通道出口，18.还原剂的通道入口，19.冷却剂的通道出口，20.氧化剂的通道出口，26.膜电极(MEA)，27.双极板。
本发明在燃料电池腐蚀更严重的一侧选用耐蚀性更优的石墨极板，而另一侧选用强度和气密性更优的金属极板。通过石墨极板-金属极板的复合结构，实现燃料电池双极板高耐蚀、高气密性和高强度的综合性能。本发明提供的双极板具有长寿命，耐腐蚀的特点，避免金属极板腐蚀溶出的金属离子毒害膜电极，保证电堆输出性能和使用寿命。采用石墨极板和金属极板复合的结构，结合金属极板一侧为气体流道，一侧为冷却流道的优点，降低双极板厚度，实现燃料电池电堆的高体积比功率要求。并且，制备低成本，工艺简单，可实现批量化生产。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板以及一种燃料电池进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
本实施例提供了一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板，包括金属极板(金属极板的基材厚度为0.1mm，冲压成形后的金属极板厚度为0.45mm)、石墨极板(石墨极板模压成形后的厚度为0.75mm)、金属隔板(金属隔板厚度0.1mm)和胶粘层。金属极板1与金属隔板2紧密贴合在一起，形成了冷却剂流道6；石墨极板4与金属隔板2通过胶粘层3紧密贴合在一起。金属极板1上设置有还原剂气体流道5，石墨极板4上设置有氧化剂气体流道7。
其中，石墨极板上设置有氧化剂的通道入口8、氧化剂的通道出口13，还原剂的通道入口11、还原剂的通道出口10，冷却剂的通道入口9、冷却剂的通道出口12，氧化剂的流道14。
氧化剂流道的宽度0.5mm，深度0.4mm。
石墨极板由石墨和树脂按照质量比7：3组成的粉料，通过模具，在压机上加热模压成形。其中石墨粉料的颗粒度在微米量级，石墨纯度达到99.9％，树脂材料为热固性树脂。
金属极板上设置有还原剂的通道入口18、还原剂的通道出口17，氧化剂的通道入口15、氧化剂的通道出口20，冷却剂的通道入口16、冷却剂的通道出口19，还原剂的流道21。
金属隔板由不锈钢冲压成形。金属极板表面可以通过物理气相沉积(PVD)方式制备耐蚀性或导电性的表面涂层。
还原剂流道的宽度0.5mm，深度0.35mm；冷却剂流道的宽度0.75mm，深度0.35mm。
金属隔板为表面无沟槽结构的平板。金属隔板由不锈钢冲压成形。金属隔板表面可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电镀等表面处理方式制备耐蚀性或导电性的表面涂层。金属隔板的基材厚度为0.1mm。
金属极板1与金属隔板2可以通过焊接方式连接到一起；石墨极板4与金属隔板2通过胶粘层3连接到一起。
所述的金属极板、金属隔板和石墨极板叠合后，通过粘接连接为一体，成为燃料电池双极板(总厚度为1.2～1.35mm)。其中，胶粘层是连续的、导电性良好的膜层
将上述燃料电池双极板组装成燃料电池，其中，本实施例中电池堆是由250节燃料电池双极板以及复合于所述燃料电池双极板之间的膜电极组成。
实施例2
在实施例1的基础上改变如下参数：
金属极板的基材厚度为0.1mm，冲压成形后的金属极板厚度为0.4mm；还原剂流道的宽度0.8mm，深度0.3mm；冷却剂流道的宽度1.0mm，深度0.3mm。
石墨极板模压成形后的厚度为0.7mm；氧化剂流道的宽度0.8mm，深度0.4mm。
金属隔板的基材厚度为0.1mm。
实施例3
在实施例1的基础上改变如下参数：
金属极板的基材厚度为0.1mm，冲压成形后的金属极板厚度为0.4mm；还原剂流道的宽度0.6mm，深度0.3mm；冷却剂流道的宽度0.8mm，深度0.3mm。
石墨极板模压成形后的厚度为0.8mm；氧化剂流道的宽度0.6mm，深度0.4mm。
金属隔板的基材厚度为0.075mm。
实施例4
在实施例1的基础上改变如下参数：
金属极板的基材厚度为0.1mm，冲压成形后的金属极板厚度为0.45mm；还原剂流道的宽度0.6mm，深度0.35mm；冷却剂流道的宽度0.8mm，深度0.35mm。
石墨极板模压成形后的厚度为0.95mm；氧化剂流道的宽度0.6mm，深度0.5mm。
金属隔板的基材厚度为0.075mm。
实施例5
本实施例提供的燃料电池双极板与实施例1不同的是没有金属隔板，金属极板1与石墨极板4通过胶粘层3直接连接到一起，而不需要金属隔板2，其中，胶粘层材料为环氧树脂。
金属极板的基材厚度为0.1mm，冲压成形后的金属极板厚度为0.45mm；还原剂流道的宽度0.5mm，深度0.35mm；冷却剂流道的宽度0.75mm，深度0.35mm。
石墨极板模压成形后的厚度为0.8mm；氧化剂流道的宽度0.4mm，深度0.4mm。
双极板总厚度为1.25mm。
实施例6
如图3所示，金属极板1与石墨极板4通过胶粘层3直接连接到一起，而不需要金属隔板2。金属极板的基材厚度为0.1mm，冲压成形后的金属极板厚度为0.5mm；还原剂流道的宽度0.8mm，深度0.4mm；冷却剂流道的宽度1.0mm，深度0.4mm。
石墨极板模压成形后的厚度为0.7mm；氧化剂流道的宽度0.8mm，深度0.3mm。
双极板总厚度为1.2mm。
实施例7
如图3所示，金属极板1与石墨极板4通过胶粘层3直接连接到一起，而不需要金属隔板2。金属极板的基材厚度为0.1mm，冲压成形后的金属极板厚度为0.45mm；还原剂流道的宽度0.6mm，深度0.35mm；冷却剂流道的宽度0.8mm，深度0.35mm。
石墨极板模压成形后的厚度为0.95mm；氧化剂流道的宽度0.6mm，深度0.5mm。
双极板总厚度为1.4mm。
在燃料电池应用中，双极板材料的透气性越小越好，石墨双极板材料的气密性可以达到＜10-14cm3/(sec cm2Pa)@80℃,3atm 100％RH，但随着在燃料电池的运行环境中长时间使用，石墨双极板中的树脂会发生溶出，导致气密性下降。本发明中金属石墨复合结构的双极板，依靠金属隔板保证双极板的气密性，上述实施例制备得到的双极板的气密性测量值可以降低到0，并且该结构的气密性不会受石墨中树脂溶出的影响。
现有的石墨双极板的材料厚度最低要达到0.25mm以上，才能保证石墨板的强度和气密性，通常来说，石墨材料厚度大于0.4mm，导致石墨双极板的总厚度大于2mm，电堆体积比功率约为2.0kW/L。而本发明中金属石墨复合结构的双极板，因部分选用了金属材料，上述实施例制备的双极板的总厚度可以降低至约1.2mm，提高了电堆的体积比功率＞2.5kW/L。
当前广泛应用的金属双极板，基材一般选用316L不锈钢，即使不锈钢表面制备了涂层，在燃料电池环境中(如0.8V高电位，pH＝3)长时间应用时，也不可避免的会发生腐蚀。腐蚀电流密度＞1μA时，释放出铁离子浓度会达到50ppb以上，金属双极板持续释放出的铁离子会对膜电极中的催化剂产生毒害作用，最终降低燃料电池的输出性能和使用寿命。而本发明中的金属石墨复合结构双极板，可以在腐蚀更严重的高电位侧，选用石墨材料，石墨材料的纯度可以达到99.9～99.99％，石墨中的金属元素如铁等，可以控制到10ppm以内，消除双极板铁离子释放对膜电极的不利影响，从而提高燃料电池寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种金属-石墨复合结构的燃料电池双极板，其特征在于，包括金属极板(1)和石墨极板(4)，所述石墨极板(4)的一侧贴合固定有金属极板(1)且另一侧表面开设有石墨极板流道(7)，所述金属极板(4)的外侧表面开设有金属极板流道(5)，且所述金属极板(1)与所述石墨极板(4)之间开设有冷却剂流道(6)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，在所述金属极板(1)和石墨极板(4)之间，还贴合固定有金属隔板(3)；
所述金属隔板(3)包括基板和复合于所述基板表面的耐腐蚀或导电涂层，所述基板的材质为不锈钢、纯钛或钛合金，所述金属隔板的基材厚度为0.07～0.15mm，金属隔板的厚度为0.07～0.8mm。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述金属极板(1)包括基板和复合于所述基板表面的耐腐蚀或导电涂层，所述基板的材质为不锈钢、纯钛或钛合金，所述金属极板的厚度为0.3～0.8mm。
4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述石墨极板(4)的材质为天然石墨、人造石墨、柔性石墨、膨胀石墨，或含有石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种或多种和树脂形成的石墨基复合材料，所述石墨极板的厚度为0.5～1.2mm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述石墨极板流道(7)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm；
所述金属极板流道(5)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm；
所述冷却剂流道(6)的宽度为0.3～1.5mm，高度为0.2～0.7mm。
6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述金属极板(1)和石墨极板(4)通过胶粘层贴合固定或通过压合贴合固定，所述胶粘层选自酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、不饱和树脂或橡胶类基料。
7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述金属极板(1)表面还设置有氧化剂流道或还原剂流道；
所述石墨极板(4)表面还设置有氧化剂流道或还原剂流道。
8.一种燃料电池，其特征在于，包括电池堆，所述电池堆由若干个燃料电池双极板以及复合于所述燃料电池双极板之间的膜电极组成。
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