CN112531181A - 一种高分子材料基双极板、及包含其的单电池和电堆 - Google Patents

一种高分子材料基双极板、及包含其的单电池和电堆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，涉及一种高分子材料基双极板、及包含其的单电池、电堆。本发明的双极板中，至少阳极板包括高分子材料层，所述高分子材料层与导电性扩散层接触。本发明通过高分子材料不同区域功能化以及电池和电堆中电子横向导出的结构设计替代传统燃料电池中厚重的、易被腐蚀的、加工过程繁琐的、造价昂贵的极板材料以及相应的密封过程和电子纵向导出的结构。本发明的新型的电池和电堆结构将会大大减小电池的质量和体积，提高电池的比功率，降低电池以及电堆的整体造价，提高电池的稳定性。

Description

一种高分子材料基双极板、及包含其的单电池和电堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，涉及一种高分子材料基双极板、及包含其的单电池、电堆。
背景技术
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其诸多优点使其有望成为未来主流的清洁能源之一。燃料电池较为引人注目的几个优点是：环境友好，转化效率高，功率密度高，启动快速等等，其中功率密度高有望解决现有电源技术续航能力较差的问题。
燃料电池单节电池的开路电压较低，质子交换膜燃料电池的开路电压只有1.0V左右，直接甲醇燃料电池的开路电压只有0.7V左右，但是电流却很大，高达A cm-2的数量级。因此在实际应用中，数节单电池串联起来组成电堆满足负载所需要的电压和电流。
燃料电池经历了很长一段时间的发展，时至今日仍未能广泛的商业化，民用化，其主要原因是电池的造价过高。除了燃料电池催化层中Pt催化剂的成本较高之外，燃料电池双极板(主要材质是石墨，金属，合金)由于加工工艺较为复杂，加工难度较高，占据了整个电池成本的很大一部分。双极板的主要作用是提供流场，为反应物的均匀分配提供流场；另外为电子的导出提供集流板，同时也作为电池的密封部件存在。双极板除了造价较高之外，耐腐蚀性差使得电池的稳定性降低，发生反应物漏液，反应物串联，严重的甚至导致电堆烧毁。其次，双极板密度较大使得电池电堆的比功率大大降低，严重影响电池的集约化和微型化。
因此，如何寻找一种高稳定性，高机械强度，低反应物透过性，高导热，廉价的材料作为燃料电池的双极板以及密封材料对于降低电池成本，提高电池稳定性，提高电池比功率具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种高分子材料基双极板、及包含其的单电池、电堆。其可以降低电池以及电堆质量和体积，减少造价，提高电池稳定性，提高电池电堆比功率。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种双极板，至少阳极板包括高分子材料层，所述高分子材料层与导电性扩散层接触。所述接触例如可以是紧贴。
本发明所述的双极板可以是只有阳极板而无阴极板，阳极板直接裸露在空气中；还可以是既有阳极板又有阴极板。
本发明的双极板用于电池单体和/或电池堆时，高分子材料层位于电池单体和/或电池堆的外侧。
至少所述阳极板包括高分子材料层指：可以是阳极板包含高分子材料层，还可以阳极板和阴极板均包含高分子材料层。
本发明中所述“包括”可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
本发明的双极板中，不管是单一组分的高分子材料(比如塑料)，还是多种组分的掺杂、混合而成的高分子材料，其导电性均远远不能达到电池(比如燃料电池)集流网对电导率的要求。例如，燃料电池的放电量达到A cm-2的数量级，尤其是当电池的有效面积较大时，这种因为集流网电导率较低而带来的电压降是巨大的。因此，本发明的导电性扩散层需要具有较高的电导率，以保证电池中的电子能够有效地传递出来。
本发明所述双极板中，高分子材料层具有廉价、质轻、高机械强度、高稳定性、高导热和低反应物透过性的特点，以其替代传统材质的双极板，可以通过与该高分子材料层相接触的导电性扩散层在反应区域外实现横向导电，本发明的高分子材料层既作为双极板的一部分，又作为封装材料，相比于现有技术节省了后续封装的步骤，本发明的方法降低了电池成本，提高了电池稳定性和比功率。
作为本发明所述双极板的优选技术方案，所述高分子材料层部分覆盖导电性扩散层，高分子材料层覆盖导电性扩散层的部分二者之间形成的空间为流场，流场为反应物分配的区域，未被高分子材料层覆盖的导电性扩散层部分用于电子导出。
关于“覆盖导电性扩散层的部分两者之间形成的空间为流场”做如下解释：当只有阳极板包括高分子材料层，且高分子材料层部分覆盖导电性扩散层时，高分子材料与被覆盖的导电性扩散层之间的空间为流场。
当阳极板包括高分子材料层，高分子材料层部分覆盖导电性扩散层，且阴极板包括高分子导电层，高分子部分覆盖导电性扩散层时，阳极板与被覆盖的导电性扩散层之间的空间为阳极流场，阴极板与被覆盖的导电性扩散层之间的空间为阴极流场。所述之间均为极板与扩散层的相对区域。
本发明中，流场为反应物分配的区域，反应物在流场内均匀分配后穿过扩散层到达反应区域(一般为燃料电池的催化剂层)。
优选地，所述导电性扩散层的至少一条边未被高分子材料层覆盖，例如1条边、2条边或4条边，其作用是实现电子导出功能。
作为本发明所述双极板的优选技术方案，所述高分子材料为塑料，或者塑料与亲水物质混合制成的塑料，所述塑料可以是单一组分塑料，还可以是至少两种组分掺杂而成的塑料，所述亲水物质优选为亲水性SiO2气凝胶。
进一步优选地，所述高分子材料为聚甲氧基硅烷、聚醚酰亚胺、高密度聚乙烯、聚苯乙烯或苯乙烯─丙烯腈共聚物中的任意一种或至少两种的组合，或者上述组分中的任意一种或至少两种与亲水物质混合制成的塑料。
更优选地，所述高分子材料为聚甲氧基硅烷或者聚甲氧基硅烷与亲水物质混合制成的塑料。
本发明对所述高分子材料层的厚度不作限定，可以在微米到厘米级别，本领域技术人员可以根据需要进行调整。
优选地，所述高分子材料层的强度为模量在5～20MPa，例如5MPa、7MPa、10MPa、12MPa、13MPa、15MPa、17MPa、18MPa或20MPa等。所述模量指杨氏模量。
优选地，所述高分子材料为经过亲水化处理的高分子材料，所述亲水化的方法优选为氧气等离子体刻蚀。
优选地，所述经过亲水化处理的高分子材料，接触角为20～60°，例如20°、25°、30°、35°、40°、45°、55°或60°等，相较于导电扩散层，该高分子材料应该具有更好的亲水性，其目的是使电池内部产生的水更容易转移至高分子材料上，而并不是积累在电极上。电池在运行过程中，阴极一侧产生的水更容易在极板上形成“水膜”，便于反应气吹扫出流场。反之，若扩散层相较于极板有较好的亲水性，则更容易在扩散层形成“水膜”，不便于反应气吹扫，进而“淹没”催化层，降低电池性能和寿命。
本发明所述聚甲氧基硅烷的制备方法为现有技术，本领域技术人员可以参照现有技术公开的方法进行制备。示例性的方法如下：
将聚甲氧基硅烷(PDMS)的预聚物组分A和组分B按照质量比为10:1的配比混合均匀，组分A是聚二甲基乙烯基硅氧烷，还有少量的Pt催化剂，B组分是带有乙烯基侧链的预聚物及交联剂，同时称取一定量的亲水性SiO2气凝胶，SiO2气凝胶和聚甲氧基硅烷(PDMS)的质量比可以从1:100-5:100之间的范围内进行变化，得到不同硬度的高分子塑料。
将称取好的组分A和组分B和SiO2气凝胶充分混合均匀后，平铺在具有一定流场图案的聚乳酸(PLA)模具中，可以通过平铺混合物的量调节塑料膜的厚度，之后抽真空处理使得混合液中的气体溢出，并在负压条件下静止10-30min，然后在一定温度下进行固化处理，固化温度可以在50-100℃范围之内，不同的温度对于膜的硬度有一定的影响。
本发明高分子材料的亲水化处理方法为现有技术，本领域技术人员可以参照现有技术公开的方法进行制备。以聚甲氧基硅烷为例，其可采用如下方法进行亲水化处理：
对得到的聚甲氧基硅烷膜进行氧气等离子体刻蚀进行亲水化处理，通过调节氧气等离子体的功率以及刻蚀时间调节塑料的亲水程度。
本发明中，所述导电性扩散层的较高电导率的实现可以是扩散层本身具有较高的电导率(电导率大于105S/m)，例如包括石墨烯、单壁碳纳米管膜或外部碳化包覆的金属纳米线中的任意一种或至少两种的组合。或者，是一种高导电性材料和扩散层的结合，这种高导电性材料作为集流网，需要注意的是，这种高导电性材料和扩散层结合之后还需要保证一定的反应物透过性(反应物能从远离扩散层的高导电性材料的一侧扩散至扩散层，后进一步扩散至催化层)以及较好的稳定性，这种高导电性(电导率大于105S/m)的材料可以是石墨烯、较为稳定的高导电性金属。
优选地，所述导电性扩散层由导电性材料和扩散层构成，且具有反应物透过性，所述导电性材料作为集流网，所述导电性材料优选为石墨烯或金中的任意一种或至少两种的组合。此处所述的扩散层可以是本领域常用的且具有反应物透过性的扩散层，例如碳纸或碳布等。
优选地，所述导电性扩散层的厚度为3～50μm，例如3μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、50μm，不同厚度带来的是不同的导电性能和反应物扩散路径，导电性扩散层的厚度越厚则导电性越好，但是反应物扩散路径增加，两者对电池放电性能的影响是相反的。
作为本发明所述双极板的优选技术方案，所述双极板包括阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板均由高分子材料层构成，所述阳极板的高分子材料层与导电性扩散层接触，所述阴极板的高分子材料层与导电性扩散层接触，且高分子材料层均位于双极板的外侧。将此双极板应用于电池(比如燃料电池)，以高分子材料为塑料且应用于燃料电池为例，所得电池为塑料燃料电池。
该优选技术方案中，对“双极板的外侧”作如下解释：阳极板和阴极板相对所形成的空间为内侧，阳极板的高分子材料层与导电性扩散层接触且位于远离该空间的一侧；阴极板的高分子材料层与另一导电性扩散层接触且位于远离该空间的一侧。
更优选地，所述阳极板的导电扩散层和所述阴极板的导电扩散层通过导电性的连接体与负载进行连接，优选在反应区域外连接，所述导电性的连接体优选为石墨纸，石墨烯膜或金属片中的任意一种或至少两种的组合。该高导电性连接体也应该具有较好的导电性，以尽量降低电堆中相邻电池之间的接触电阻，不同于高导电性扩散层的是，导电性连接体不需要反应物透过性。
作为本发明所述双极板的优选技术方案，所述高分子材料层上设置有定位孔，用于实现极板的对准以及电池的固定。
优选地，所述高分子材料层上设置有连通孔，用于管道/通道的连通，例如，将乳胶管和高分子材料层上的连通孔用粘结剂进行粘结，乳胶管的直径可以根据实际需要进行调整。
第二方面，本发明提供一种单电池，所述单电池包含第一方面所述的双极板。
本发明的单电池中，反应区域是位于流场区域正下方的催化层，反应物在流场区域进行分配后，扩散到催化层进行反应。
所述单电池采用第一方面所述的双极板，高分子材料层可以对阳极侧或者阴阳极两侧进行流场封装。这种高分子材料层在功能上主要分为两个部分：这种高分子材料层的中心区域为覆盖导电性扩散层的部分，两者之间的空间为流场，这里的流场主要是保障电池运行过程中反应物的均匀分配。这种高分子材料层的流场区域以外的部分划分为另外一个区域，这个区域主要作用为反应物进出、电池的固定以及冷却液循环等。
本发明所述单电池可以是燃料电池单电池。
本发明所述流场的流道类型可以是蛇形流场、直通道流场、交指型流场或点状流场等。所述流道可以垂直于流场，也可以平行于流场。
本发明中，流场的参数如流道的类型、分布数目、流道的深度和宽度等均可以根据单电池或者电池电堆的实际需要作出相应的调整，所述调整的方法为现有技术，本领域技术人员可以参照现有技术进行调整，此处不再赘述。
作为本发明所述单电池的优选技术方案，所述单电池还包括膜、催化剂层和导电性扩散层，所述膜位于双极板的内部，由膜的一侧向外依次为催化剂层、导电性扩散层和阳极板，由膜的另一侧向外依次为催化剂层、导电性扩散层和阴极板。
优选地，所述膜为质子交换膜。
本发明对催化剂的种类不作具体限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择，示例性地，所述催化剂层包括但不限于Pt/C或PtRu/C催化剂，也可以是非贵金属的或非金属的催化剂，可以是有ORR和HOR功能的催化剂。
第三方面，本发明提供一种电池电堆，所述电池电堆由第二方面所述的单电池串联而成。
本发明所述电池电堆可以是燃料电池电堆。
本发明除了对高分子材料层进行功能划分外，还对电池电堆结构进行了设计。
本发明中，可以将所述单电池在一个方向堆叠，或在平面方向平铺进行串联。
优选地，所述串联通过导电性材料将相邻电池的阴阳极相连。由于本发明的双极板中，阴极板/阴极板的导电性扩散层按照横向电子导出，因而，在采用以其作为双极板的单电池进行堆叠时，需要将两个相邻单电池的相邻的阴阳极连接，连接材料需要高导电性材料，如石墨纸、石墨烯膜，金属片等。同时，优选进行固定以消除两个电池之间的接触电阻，所述固定方式例如可以是焊接。
第四方面，本发明提供一种电池，所述电池包含第二方面所述的单电池和/或第三方面所述的电池电堆。
本发明所述电池可以是燃料电池。
本发明对燃料电池的种类不作限定，例如可以是质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池或氢氧燃料电池等。
作为本发明所述电池的优选技术方案，所述电池还包括与所述流场连接的进料通道和出料通道。所述进料通道为流场与外部反应物(原料)的连接通道。
本发明中，所述进料通道和出料通道独立地垂直于流场或平行于流场。
对于垂直于流场的进料通道和出料通道，所述进料通道和出料通道可以存在于流场区域的某个位置，对此位置不作限定，例如进料通道和出料通道可以是对角的位置，也可以是存在于一条线上的前端以及后端，还可以是位于流场区域以外的某一个部分。
优选地，对于平行于流场的进料通道和出料通道，所述进料管道和出料管道通过如下方式实现：将流场面内流道中反应物的出口延长到高分子材料层的边缘区域，并通过管道直接与原料进口相连。
本发明所述进料通道和出料通道的位置关系和设置方式并不仅限于上述列举，本领域技术人员同样可以根据实际情况作出相应的设计和调整。具体通道的位置、数目、形状的参数，本领域技术人员可以根据需要进行调整，可以通过一体化的加工或者是后期的处理得以实现。
作为本发明所述电池的优选技术方案，所述电池还包括固定装置，所述固定装置位于流场以外的区域。
燃料电池实际上为一个完整的化学反应，因此，提高反应的温度以及压力会得到更高的反应速率，相应的会得到更高的电池性能。如对于氢氧燃料电池，提高反应物的温度，湿度以及压力会大大提高电池的性能。但是较大的反应物压力以及流速可能会将本发明的基于高分子材料层的电池(比如燃料电池)的结构“吹散”，不利于燃料电池结构的稳定，继而大大影响电池的性能。因此，将流场以外的区域部分用于电池的固定。
优选地，所述固定装置包括与所述单电池或电池电堆连接的固定材料，所述固定材料包括但不限于变形性较小的聚碳酸酯板、有机玻璃板、钛合金板、不锈钢钢板或铝合金板等。
更优选地，所述连接为：穿过双极板的高分子材料上的孔，并通过固定材料将电池或者电堆固定起来。所述孔作为定位孔，本发明对其尺寸、位置和数量不作限定，本领域技术人员可以根据需要进行调控，且这种定位孔的实现可以通过一体化的设计或者后期加工得到。
作为本发明所述电池的优选技术方案，所述电池还包括冷却装置。
燃料电池能够在一个较为宽广的温度区间内工作，在合理范围内，温度越高越有利于电池性能的提升。同时，电池在运行过程中也会产生一部分的热量，因此，将电池的温度控制在一个合理的温度范围内将有利于获得较好的电池性能。尤其对于需要进行温度控制的燃料电池，如氢氧燃料电池电堆，其更需要冷却装置的引入以改善电池性能。
优选地，所述冷却装置包括与所述单电池或电池电堆连接的冷却液管道。通过冷却液的循环可以将多余的热量带走，以维持燃料电池的温度，保证燃料电池的性能。
更优选地，所述连接为：在双极板的高分子材料层上设置冷却液管道。冷却液管道的分布等参数都可以通过实际需求进行调控。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种基于廉价、质轻、高机械强度、高稳定性、高导热、低反应物透过性的高分子塑料形成的双极板来替代传统的石墨或金属等的双极板，可以通过与该高分子材料层相接触的导电性扩散层在反应区域外实现横向导电，降低了电池成本，提高了电池稳定性和比功率。
本发明剖析双极板的主要功能，并对这种高分子材料层的不同区域进行功能化划分，同时采用横向导电的电池结构，通过这种高分子材料不同区域功能化以及电池和电堆中电子横向导出的结构设计替代传统燃料电池中厚重的、易被腐蚀的、加工过程繁琐的、造价昂贵的极板材料以及相应的密封过程和电子纵向导出的结构。本发明的新型的电池和电堆的结构将会大大减小电池的质量和体积，提高电池的比功率，降低电池以及电堆的整体造价，提高电池的稳定性。
附图说明
图1是本发明流场和电池固定区域的位置关系示意图；
图2a是本发明实施例7的燃料电池电堆的结构示意图，连接点在同一侧；
图2b是本发明实施例7的燃料电池电堆的结构示意图，连接点在不同侧；
图2c是本发明实施例9的燃料电池电堆的结构示意图；
图3是传统金属极板电池和本发明实施例1的塑料电池的极化曲线；
图4是传统金属极板电池和本发明实施例1的电池体积和质量比较图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
制备例1
高分子材料层的制备：
将购于杭州包尔得公司的型号为BD-6184的聚甲氧基硅烷(PDMS)的预聚物组分A和组分B按照质量比为10:1的配比混合均匀，组分A是聚二甲基乙烯基硅氧烷预聚物，还有微量的Pt催化剂，B组分是带有乙烯基侧链的预聚物及交联剂，同时称取一定量的亲水性SiO2气凝胶，SiO2气凝胶与聚甲氧基硅烷(PDMS)的预聚物(即组分A和组分B的质量之和)的质量比为2:100，得到高分子塑料。
将PDMS的预聚物和SiO2气凝胶充分混合均匀后，平铺在具有蛇形流场图案的聚乳酸(PLA)模具中，可以通过平铺混合物的量调节塑料膜的厚度，之后抽真空处理30min使得混合液中的气体溢出，并在负压条件下静止30min，然后在50℃范围之内，不同的温度对于膜的硬度有一定的影响。
固化之后将得到的高分子膜和之前的模具进行剥离，对得到的高分子塑料进行氧气等离子体刻蚀进行亲水化处理，通过调节氧气等离子体的功率以及刻蚀时间调节塑料的亲水程度，使得水能够在高分子塑料板上能够铺展开来，调节至相较于高导电性扩散层，高分子膜具有更好的亲水性。
实施例1
本实施例提供一种双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板由高分子材料层以及与所述高分子材料层接触的导电性扩散层构成，无阴极极板，直接裸露在空气中；
高分子材料为制备例1所得亲水化处理的高分子塑料，所述导电性扩散层为石墨烯层。
其制备方法包括：
采用制备例1的方法得到亲水化处理的高分子塑料，然后将已经得到高分子塑料的和具有高导电性扩散层制备的膜电极集合体(Membrane ElectrodeAssembly,MEA)贴合，对准流道以及反应物通道，同时留出高导电性扩散层的1条边用于电子导出。
实施例2
本实施例提供一种双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板由高分子材料层以及与所述高分子材料层接触的导电性扩散层构成，所述阴极板由高分子材料层以及与所述高分子材料层接触的导电性扩散层构成。
高分子材料为制备例1所得亲水化处理的高分子塑料，所述导电性扩散层为为单壁碳纳米管膜。
其制备方法包括：
采用制备例1的方法得到亲水化处理的高分子塑料，然后将已经得到高分子塑料的和具有高导电性扩散层制备的膜电极集合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)贴合，对准流道以及反应物通道，同时留出高导电性扩散层的2条边用于电子导出。
实施例3
本实施例提供一种双极板，与实施例2的区别在于：所述高分子材料层为打孔的高分子材料层。
其制备方法与实施例2的区别在于，在使用之前先进行打孔，具体的：
通过打孔器打孔的方式在流场的对角区域得到反应物进出的孔道，流场是高分子材料和导电扩散层形成的空间，流场主要是分配反应物，即流场需要存在一个反应物的进口和出口，本实施例将流场的进口和出口设置在对角线方向，在距离流场边缘1cm的四个边长处，用打孔器打孔得到电堆的冷却液循环孔。同时在距离流场边缘1.5cm的四个边长处，用打孔器打孔得到电池以及电堆的定位孔。冷却液循环通道主要是应用在电堆中。将乳胶管和高分子塑料上的反应物进出孔用粘结剂进行粘结。
实施例4
本实施例提供一种双极板，与实施例2的区别在于：所述高分子材料层上还设有与流场连接的反应物进出孔。
实施例5
本实施例提供一种双极板，所述双极板与实施例3的区别在于还包括固定装置和冷却装置，所述冷却装置为设置于高分子材料层上的冷却液管道，该管道的入口(即冷却液循环孔)位于高分子材料层上。
其制备方法与实施例3的区别在于：
贴合之后，电池的固定可以通过两块厚度为5mm的有机玻璃作为端板，对准有机玻璃板上的孔和塑料上的定位孔，通过套有绝缘热缩管的螺钉穿过定位孔并用螺母进行固定。流场和电池固定区域的位置关系如图1所示，其反应了高分子材料不同区域的功能划分，流场对应反应物进出区域，电池固定对应冷却液循环区域。
实施例6
本实施例提供一种燃料电池单电池，其采用实施例3的双极板，所述燃料电池单电池包括位于双极板内部的质子交换膜，由膜的一侧向外依次为催化剂层、导电性扩散层和阳极板，由膜的另一侧向外依次为催化剂层、导电性扩散层和阴极板，与阳极板接触的导电性扩散层通过导电性连接体(具体为金属片)连接与阴极板接触的导电性扩散层。
实施例7
本实施例提供一种燃料电池电堆，其采用实施例5所述的燃料电池单电池进行串联而得到。
图2a为本实施例的燃料电池电堆的结构示意图，连接点在同一侧。
图2b为本实施例的燃料电池电堆的结构示意图，连接点在不同侧。
电堆组装时，将每片单电池电池进行对准之后，依照单电池的固定进行密封和固定。电堆中电池的堆叠依照阴极-阳极-阴极-阳极的顺序的一个方向上进行堆积，依据相邻两片电池之间相邻两片电极之间的高度差插入高导电性的石墨膜进行电池的串联，对导电连接材料和电池进行焊接固定，以尽可能的减小接触电阻，提高电池性能。
实施例8
与实施例7的区别在于：
电堆中电池的堆叠依照阴极-阳极-阴极-阳极的顺序在一个方向上进行堆积。
实施例9
本实施例提供一种燃料电池电堆，其采用实施例5所述的燃料电池单电池进行串联而得到。
图2c为本实施例的燃料电池电堆的结构示意图。
电堆组装时，在一个平面上将电池平铺，这种电堆中电池的连接无需考虑相邻电池之间的高度差，只需要用导电性较好的材料金属片进行连接即可。对导电连接材料和电池进行焊接固定，以尽可能的减小接触电阻，提高电池性能。
对比例1
除了使用现有技术公开的石墨双极板外，其他内容与实施例7相同，所述双极板具体为：
i.纯石墨双极板
一般采用石墨粉，粉碎的焦炭与可石墨化的树脂混合，在石墨化炉中严格
按照一定的升温程序，升温至2500-2700℃，制备孔隙率较低的石墨板，再
经过切割和研磨，制备厚度为2-5mm的石墨板，机加工公用孔道并在表面
刻绘出需要的流场。这种石墨双极板的制备工艺不仅复杂，耗时，费用高，
而且难以实现批量生产。
ii.模铸双极板
为降低双极板的成本，采用模铸法制备石墨双极板。将石墨粉和热塑性树
脂(如乙烯基醚)均匀混合，在一定温度和压力下冲压成型。采用这种模
铸法制备的双极板，由于树脂未实现石墨化，双极板的本相的电阻要高于
石墨双极板，而且双极板与电极扩散层的接触电阻也比纯石墨大。
iii.膨胀石墨双极板
用膨胀石墨采用冲压或滚压浮雕方法制备带流场的石墨双极板，优点是透
气性好，尤其压实后透气性更小，同时还具有良好的导电与导热性能。但
是同样的存在的问题是加工过程比较繁琐。
对比例2
除了使用现有技术公开的金属双极板外，其他内容与实施例7相同，所述双极板具体为：
用薄金属板制备双极板首要的最大的问题是金属板在燃料电池工作条件下(氧化，还原气氛，一定的电位与弱酸性电解质)下的稳定性(即抗腐蚀问题)。因此需要对金属双极板进行表面改性处理，一般是通过化学镀或者磁控溅射的方法在金属双极板上添加一层腐蚀层(如RuO2，TiO2等)。与此同时，为了减小双极板与扩散层的接触电阻同时还有要加上一层具有良好导电性的金属(Pt，Au等)。流场部分可以通过机加工的方式得到。金属双极板同样存在着加工工艺复杂，加工过程难度较高等问题。
石墨双极板和金属双极板的流场主要是通过机械加工得到的，加工工艺较为复杂，同时工艺要求较高。另外，这两类双极板都要要求保证具有较高的稳定性，因此还需要为石墨和金属进行防腐处理。
检测：
对塑料单电池和传统的金属极板单电池进行性能的对比，主要对比是电池的放电性能。用电化学工作站进行极化曲线的测试，测试模式是线性扫描，扫描参数是1mv/s，截止电压是0.2V。测试过程中保证两个电池的有效面积一致为1cm2，同时保证测试环境一致(温度为室温25℃，压力为常压,以及反应物的流量为15mL/min)。
两个电池的极化曲线如图3所示，以及电池的体积和质量比较如图4所示。塑料电池有着较高的峰值功率的同时还有较小的体积和质量，因此相较于传统金属极板电池而言，塑料电池拥有更高的质量比功率和体积比功率。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种双极板，其特征在于，至少阳极板包括高分子材料层，所述高分子材料层与导电性扩散层接触。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述高分子材料层部分覆盖导电性扩散层，高分子材料层覆盖导电性扩散层的部分两者之间形成的空间为流场，流场为反应物分配的区域，未被高分子材料层覆盖的导电性扩散层部分用于电子导出；
优选地，所述导电性扩散层的至少一条边未被高分子材料层覆盖，用于电子导出。
3.根据权利要求1或2所述的双极板，其特征在于，所述高分子材料为塑料，或者塑料与亲水物质混合制成的塑料，所述塑料为单一组分塑料或者至少两种组分掺杂而成的塑料，所述亲水物质优选为亲水性SiO2气凝胶；
优选地，所述高分子材料为聚甲氧基硅烷、聚醚酰亚胺、高密度聚乙烯、聚苯乙烯或苯乙烯─丙烯腈共聚物中的任意一种或至少两种的组合，或者上述组分中的任意一种或至少两种与亲水物质混合制成的塑料；
优选地，所述高分子材料为聚甲氧基硅烷或者聚甲氧基硅烷与亲水物质混合制成的塑料；
优选地，所述高分子材料层的强度为模量在5～20MPa；
优选地，所述高分子材料为经过亲水化处理的高分子材料，所述亲水化的方法优选为氧气等离子体刻蚀；
优选地，所述经过亲水化处理的高分子材料，接触角为20～60°；
优选地，所述导电性扩散层的材质包括石墨烯、单壁碳纳米管或外部碳化包覆的金属纳米线中的任意一种或至少两种的组合而制备的膜；
优选地，所述导电性扩散层由导电性材料和扩散层构成，且具有反应物透过性，所述导电性材料作为集流网，所述导电性材料优选为石墨烯或金属中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述导电性扩散层的厚度为3～50μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双极板，其特征在于，所述双极板包括阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板均由高分子材料层构成，所述阳极板的高分子材料层与导电性扩散层接触，所述阴极板的高分子材料层与另一导电性扩散层接触，且上述的高分子材料层均位于双极板的外侧；
优选地，所述阳极板的导电扩散层和所述阴极板的导电扩散层通过导电性的连接体与负载进行连接，优选在反应区域外连接，所述导电性的连接体优选为石墨膜或金属片中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双极板，其特征在于，所述高分子材料层上设置有定位孔，用于实现双极板的对准以及电池的固定；
优选地，所述高分子材料层上设置有连通孔，用于管道/通道的连通。
6.一种单电池，其特征在于，所述单电池包含权利要求1-5任一项所述的双极板；
优选地，所述单电池为燃料电池单电池；
优选地，所述流场的流道类型包括蛇形流场、直通道流场、交指型流场或点状流场中的任意一种；
优选地，所述流道垂直于流场或平行于流场；
优选地，所述单电池还包括膜、催化剂层和导电性扩散层，所述膜位于双极板的内部，由膜的一侧向外依次为催化剂层、导电性扩散层和阳极板，由膜的另一侧向外依次为催化剂层、导电性扩散层和阴极板；
优选地，所述膜为质子交换膜；
优选地，所述催化剂层包括Pt/C催化剂或PtRu/C催化剂。
7.一种电池电堆，其特征在于，所述电池电堆由权利要求6所述的单电池串联而成；
优选地，所述电池电堆为燃料电池电堆；
优选地，将所述单电池在一个方向堆叠，或在平面方向平铺进行串联；
优选地，所述串联通过导电性材料将相邻电池的阴阳极相连。
8.一种电池，其特征在于，所述电池包含权利要求6所述的单电池和/或权利要求7所述的电池电堆；
优选地，所述电池为燃料电池；
优选地，所述燃料电池包括质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池或氢氧燃料电池中的任意一种；
优选地，所述电池还包括与所述流场连接的进料通道和出料通道；
优选地，所述进料通道和出料通道独立地垂直于流场或平行于流场；
优选地，对于垂直于流场的进料通道和出料通道，所述进料通道和出料通道位于流场区域内或区域外；
优选地，对于平行于流场的进料通道和出料通道，所述进料管道和出料管道通过如下方式实现：将流场面内流道中反应物的出口延长到高分子材料层的边缘区域，并通过管道直接与原料进口相连。
9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，所述电池还包括固定装置，所述固定装置位于流场以外的区域；
优选地，所述固定装置包括与所述单电池或电堆连接的固定材料，所述固定材料包括聚碳酸酯板、有机玻璃板、钛合金板、不锈钢钢板或铝合金板中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述连接为：穿过双极板的高分子材料上的孔，并通过固定材料将电池或者电堆固定起来。
10.根据权利要求8或9所述的电池，其特征在于，所述电池还包括冷却装置；
优选地，所述冷却装置包括与所述单电池或电堆连接的冷却液管道；
优选地，所述连接为：在双极板的高分子材料层上设置冷却液管道。
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