CN112713281A - 一种燃料电池双极板及燃料电池堆 - Google Patents

一种燃料电池双极板及燃料电池堆 Download PDF

Info

Publication number
CN112713281A
CN112713281A CN202110041788.0A CN202110041788A CN112713281A CN 112713281 A CN112713281 A CN 112713281A CN 202110041788 A CN202110041788 A CN 202110041788A CN 112713281 A CN112713281 A CN 112713281A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bipolar plate
fuel cell
plate
metal
bipolar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110041788.0A
Other languages
English (en)
Inventor
范钦柏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN202110041788.0A priority Critical patent/CN112713281A/zh
Publication of CN112713281A publication Critical patent/CN112713281A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • H01M8/0208Alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种燃料电池双极板及燃料电池堆,所述双极板为合金材料,所述合金包含一种或多种金属,所述金属的功函数为4.33eV‑5.65eV;所述双极板是未涂覆涂层的。本发明提供的燃料电池双极板导电性能好、耐腐蚀、成本低。

Description

一种燃料电池双极板及燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,具体涉及一种燃料电池双极板及燃料电池堆。
背景技术
双极板是燃料电池电堆的核心组件,能够提供气体流道,并在阴极和阳极之间建立电流通路。双极板对电堆的性能、成本有着很大的影响。
根据材料不同,传统双极板可分为石墨板、金属板和复合板。石墨板具有良好的导电性且耐腐蚀。但石墨板的机械性能差,易断裂且加工成本高。与石墨板相比,金属板具有高本体导电能力,同时拥有更好的机械强度。但金属板在高电压高电流条件下工作,很容易造成点腐蚀和界面腐蚀,特别是金属板与气体扩散电极的接触电阻大,造成局部温度升高。为减少接触电阻和防止腐蚀,通常在金属板的表面涂上一层耐腐材料,如金、炭(石墨)、氮化物、碳化物等。然而增加涂层不能从根本上改善金属板的缺陷,涂层在高电位下仍然容易腐蚀,且在金属板上增加涂层,会降低其使用寿命。复合板是有有机树脂和石墨粉等模压而成,其机械性能差,制作工艺比金属板繁琐,不易加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种导电性能好、接触电阻低、耐腐蚀、低成本的燃料电池双极板及燃料电池堆。
为了达到上述目的,本发明提供了一种燃料电池双极板,所述双极板为合金材料,所述合金包含一种或多种金属,所述金属的功函数为4.33eV-5.65eV;所述双极板是未涂覆涂层的。
优选地,所述金属的功函数为碳的功函数的±4%。
优选地,所述金属包含钴。
优选地,钴的质量分数为所述合金的2-20%。
优选地,所述金属包含铜。
优选地,铜的质量分数为所述合金的2-10%。
优选地,所述双极板的表面粗糙度不大于25微米。
本发明还提供了一种燃料电池堆,包括所述的燃料电池双极板。
本发明的有益效果为:
本发明通过比较金属与碳的功函数,来选择制备燃料电池金属双极板的材料,制得的双极板接触电阻小,导电性好,其表面接触电阻接近或小于石墨板。金属合金中以含有钴和铜作为优选材料,使双极板更耐腐蚀,因不需要涂覆镀层,能够延长双极板的使用寿命,同时制备成本更低。
附图说明
图1为燃料电池双极板示意图。
图2a为金属A和金属B接触后产生接触电势的示意图。
图2b为金属A和金属B的能级和功函数示意图。
图3a为测量含有炭纸层的双极板的接触电阻的方法示意图。
图3b为测量不含炭纸层的双极板的接触电阻的方法示意图。
图4为不锈钢316双极板和本发明提供的钴-3%合金双极板的接触电阻随压力变化的示意图。
图5为本发明提供的钴-3%合金双极板的单体电压随电流密度变化示意图。
图6为本发明提供的钴-15%合金双极板的单体电压随电流密度变化示意图。
图7为本发明提供的铜-3%合金双极板的单体电压随电流密度变化示意图。
图中,1-双极板,2-炭纸层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,燃料电池双极板1直接与炭纸层2接触。双极板1的电阻包括双极板的本体电阻和双极板1与炭纸层2之间的接触电阻。
表1不同材料的本体电阻阻值
材料 电阻(μΩ·英寸)
石墨 450-100
300-600
1.1-1.5
0.9
0.6
碳素钢 7.1-7.5
不锈钢 15.7-28.3
镍铬钼合金 3.0-52.4
碳纸 3030
表1列举了石墨、金属或合金的本体电阻的阻值,石墨的本体电阻在450-1000μΩ·英寸,各种金属或合金的本体电阻远小于石墨的本体电阻。然而采用石墨板的燃料电池的导电性能比采用金属板的燃料电池要好得多,即石墨板燃料电池的内阻比金属板更小。因此,接触电阻才是影响双极板导电性能的关键因素。
两个导体相互接触的部位会产生接触电阻。接触电阻的大小取决于:(1)接触面的粗糙度;(2)两导体功函数的匹配程度。
双极板与炭纸层的接触面越粗糙,接触面积越大,接触电阻越小。但粗糙度越大,除水能力下降,导致双极板在使用过程中的水淹现象明显。石墨板的表面粗糙度在1.0-10μm,金属板的粗糙度比石墨板小得多(例如0.2μm),通过喷砂、激光、电化学刻蚀等方法,能使金属板的表面粗糙度在10μm左右,采用500目喷水砂能使表面最大达到25μm的粗糙度。综合考虑双极板的接触电阻和水淹现象,本发明双极板的粗糙度控制在25μm内。
如图2a所示,两块不同的金属A和B相接触或用导线连接,两块金属会因彼此带电产生不同的电势VA和VB,成为接触电势,其中,VA>VB。如图2b所示,电子在深度为E0的势阱内,使费米面EF上的电子逃离金属,至少要获得
Figure BDA0002896163470000041
的能量,
Figure BDA0002896163470000042
称为功函数,即功函数为一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。由图2a和图2b可得电势差与功函数的关系式为:
Figure BDA0002896163470000043
接触电势差:
Figure BDA0002896163470000044
其中,
Figure BDA0002896163470000045
Figure BDA0002896163470000046
分别表示金属A和金属B的功函数。从该式可知,两金属的功函数之差越小,电势差越小,接触电阻越小。
表2金属和碳的功函数
金属 功函数(eV)
Pt 5.65
Pd 5.12
Se 5.11
Au 5.10
Co 5.00
Be 5.00
C 4.81
Cu 4.65
Ni 4.60
Cr 4.60
W 4.50
Fe 4.50
Hg 4.50
Sn 4.42
Mo 4.37
Ti 4.33
如表2所示,碳的功函数为4.81eV,铜、铍、钴、金、硒、钯和铂等元素的功函数与碳都很接近。但铍和硒的抗腐蚀性较差。钯和铂是催化剂材料,价格很高。金的抗腐蚀性较好,常用作双极板的镀层材料。但金的稳定性较差,容易从双极板上脱落甚至消失,并极易渗透到双极板本体中,从而失去保护作用;金的价格也较高。综合考虑功函数、抗腐蚀性和价格因素,以钴作为制作双极板的最佳合金材料。因铜的功函数与碳最为接近,故铜也作为制作双极板的较佳材料。
本发明提供的燃料电池双极板性能测试
(1)接触电阻测试
接触电阻无法直接测量,只能通过测量双极板之间的电阻,间接获得接触电阻的阻值。测量单个极板与炭布接触电阻的方法为:
步骤1,如图3a所示,在双极板1之间加入炭纸层2,测量双极板1之间的电阻,记为M;M=炭纸层2上表面与上极板的接触电阻+炭纸层2下表面与下极板的接触电阻+其他电阻;
步骤2,如图3b所示,取出双极板之间的炭纸层2,再次测量双极板之间的电阻,记为N;N=上极板和下极板之间的接触电阻+其他电阻;
步骤3,由于相同材料之间的接触电阻为0,故上极板和下极板之间的接触电阻为0,单个极板与炭纸层2的接触电阻Y=(M-N)/2。
保持电流密度不变,向双极板上施加一压力,获得接触电阻随压力的变化曲线。如图4所示,与不锈钢316相比,钴的质量分数为3%的合金(简称钴-3%)的导电性能十分优越,在压力为100时,钴-3%合金极板与炭纸层2的接触电阻仅为不锈钢316极板与炭纸层2接触电阻的十分之一,即使在压力为400时,钴-3%合金极板与炭纸层2的接触电阻也只有不锈钢316极板与炭纸层2接触电阻的七分之一。
(2)极板单体电压测试
采用厚度为0.1mm的钴-3%合金制作双极板,将其应用于20kW的电堆中,测量单体电池的功率曲线。如图5所示,在电堆工作温度70℃、气压175kPa的条件下,极板的单体电压在电流密度为1.5A/cm2时,达到0.61V,比目前以石墨板作为双极板的燃料电池的性能更好。
采用厚度为0.1mm的钴的质量分数为15%的合金(简称钴-15%)制作双极板,将其应用于20kW的电堆中,测量单体电池的功率曲线。如图6所示,在电堆工作温度70℃、气压175kPa的条件下,极板的单体电压在电流密度为1.5A/cm2时,达到0.63V,比目前以石墨板作为双极板的燃料电池的性能更好。
采用厚度为0.1mm的铜的质量分数为3%的合金(简称铜-3%)制作双极板,将其应用于20kW的电堆中,测量单体电池的功率曲线。如图7所示,在电堆工作温度70℃、气压180kPa的条件下,极板的单体电压在电流密度为1.0A/cm2时,达到0.58V,与目前以石墨板作为双极板的燃料电池的性能不相上下。
(3)腐蚀性能测试
表3无镀层的钴-3%双极板腐蚀速率
硫酸(%) 5 10 20 30 40 50
80℃下腐蚀速率(mmy) _ 0.05 0.81 1.12 1.02 2.39
测试本发明提供的无镀层的钴-3%双极板在80℃的条件下,在不同浓度的硫酸中的腐蚀速率。如表3所示,本发明提供的无镀层的钴-3%双极板腐蚀速率很低,受电化学腐蚀的影响较小。这是由于燃料电池中,高电压下的电化学腐蚀会对镀层产生影响,没有镀层意味着没有双极板本体与镀层之间的电位差,也不存在界面腐蚀。故本发明提供的无镀层的钴-3%双极板比有镀层的双极板更耐腐蚀、更稳定。
综上所述,本发明通过比较金属与碳的功函数,来选择制备燃料电池金属双极板的材料,制得的双极板接触电阻小,导电性好,其导电性能接近或超过石墨板。以钴和铜作为优选材料,使双极板更耐腐蚀,因不需要涂覆镀层,能够延长双极板的使用寿命,同时制备成本更低。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种燃料电池双极板,其特征在于,所述双极板为合金材料,所述合金包含一种或多种金属,所述金属的功函数为4.33eV-5.65eV;所述双极板是未涂覆涂层的。
2.如权利要求1所述的燃料电池双极板,其特征在于,所述金属的功函数为碳的功函数的±4%。
3.如权利要求1所述的燃料电池双极板,其特征在于,所述金属包含钴。
4.如权利要求3所述的燃料电池双极板,其特征在于,钴的质量分数为所述合金的2-20%。
5.如权利要求1所述的燃料电池双极板,其特征在于,所述金属包含铜。
6.如权利要求5所述的燃料电池双极板,其特征在于,铜的质量分数为所述合金的2-10%。
7.如权利要求1所述的燃料电池双极板,其特征在于,所述双极板的表面粗糙度不大于25微米。
8.一种燃料电池堆,其特征在于,包括如权利要求1-7所述的燃料电池双极板。
CN202110041788.0A 2021-01-13 2021-01-13 一种燃料电池双极板及燃料电池堆 Pending CN112713281A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110041788.0A CN112713281A (zh) 2021-01-13 2021-01-13 一种燃料电池双极板及燃料电池堆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110041788.0A CN112713281A (zh) 2021-01-13 2021-01-13 一种燃料电池双极板及燃料电池堆

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112713281A true CN112713281A (zh) 2021-04-27

Family

ID=75549024

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110041788.0A Pending CN112713281A (zh) 2021-01-13 2021-01-13 一种燃料电池双极板及燃料电池堆

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112713281A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113745558A (zh) * 2021-07-21 2021-12-03 深圳金恒辉新材料有限公司 一种用于质子交换膜燃料电池的合金金属双极板及制备方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001006713A (ja) * 1999-06-16 2001-01-12 Nippon Steel Corp 固体高分子型燃料電池部材用低接触抵抗ステンレス鋼、チタンおよび炭素材料
KR20050122452A (ko) * 2004-06-24 2005-12-29 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지
CN1993849A (zh) * 2004-06-25 2007-07-04 通用汽车公司 不锈钢合金和双极板
US20080160354A1 (en) * 2006-12-27 2008-07-03 Weilong Zhang Metal alloy bipolar plates for fuel cell
CN101859904A (zh) * 2010-06-22 2010-10-13 武汉理工大学 Fe-Ni-Cr合金燃料电池双极板的制作方法
WO2019208310A1 (ja) * 2018-04-25 2019-10-31 ステラケミファ株式会社 燃料電池用触媒、燃料電池用膜電極接合体及びそれを備えた燃料電池
JP2020012166A (ja) * 2018-07-19 2020-01-23 株式会社グラヴィトン 電気分解装置及び電極製造方法
JP2020035651A (ja) * 2018-08-30 2020-03-05 株式会社グラヴィトン 固体高分子形燃料電池
CN211980783U (zh) * 2020-06-11 2020-11-20 中能源工程集团氢能科技有限公司 一种氢燃料电池
CN112103529A (zh) * 2020-08-26 2020-12-18 深圳市氢雄燃料电池有限公司 一种燃料电池金属双极板及其制备方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001006713A (ja) * 1999-06-16 2001-01-12 Nippon Steel Corp 固体高分子型燃料電池部材用低接触抵抗ステンレス鋼、チタンおよび炭素材料
KR20050122452A (ko) * 2004-06-24 2005-12-29 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지
CN1993849A (zh) * 2004-06-25 2007-07-04 通用汽车公司 不锈钢合金和双极板
US20080160354A1 (en) * 2006-12-27 2008-07-03 Weilong Zhang Metal alloy bipolar plates for fuel cell
CN101859904A (zh) * 2010-06-22 2010-10-13 武汉理工大学 Fe-Ni-Cr合金燃料电池双极板的制作方法
WO2019208310A1 (ja) * 2018-04-25 2019-10-31 ステラケミファ株式会社 燃料電池用触媒、燃料電池用膜電極接合体及びそれを備えた燃料電池
JP2020012166A (ja) * 2018-07-19 2020-01-23 株式会社グラヴィトン 電気分解装置及び電極製造方法
JP2020035651A (ja) * 2018-08-30 2020-03-05 株式会社グラヴィトン 固体高分子形燃料電池
CN211980783U (zh) * 2020-06-11 2020-11-20 中能源工程集团氢能科技有限公司 一种氢燃料电池
CN112103529A (zh) * 2020-08-26 2020-12-18 深圳市氢雄燃料电池有限公司 一种燃料电池金属双极板及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王剑;周榆力;: "二维纳米材料MXenes的性质及应用研究进展", 西华大学学报(自然科学版), no. 03, pages 82 - 95 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113745558A (zh) * 2021-07-21 2021-12-03 深圳金恒辉新材料有限公司 一种用于质子交换膜燃料电池的合金金属双极板及制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5591302B2 (ja) 燃料電池用ステンレス鋼分離板及びその製造方法
JP4327489B2 (ja) 燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法
US8778566B2 (en) Metal separator plate for fuel cell having coating film formed on surface and method for producing same
KR102029648B1 (ko) 고체 고분자형 연료 전지의 세퍼레이터용 금속판 및 그 제조용 금속판
US9793554B2 (en) Fuel cell separator and fuel cell
KR101266096B1 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법
JP6066024B1 (ja) 固体高分子形燃料電池のセパレータ用金属板
KR20200069348A (ko) 연료 전지의 세퍼레이터용 스테인리스 강판의 제조 방법
EP3276716B1 (en) Electrocatalyst and fuel cell employing the same
US7364814B2 (en) Separator of a fuel cell and a manufacturing method thereof
KR101869182B1 (ko) 고체 고분자형 연료 전지의 세퍼레이터용 스테인리스박
CN112713281A (zh) 一种燃料电池双极板及燃料电池堆
KR20210070399A (ko) 연료 전지의 세퍼레이터용 강판의 기재 스테인리스 강판 및 그 제조 방법
Liang et al. Electrochemical behavior of 304 stainless steel with electrodeposited niobium as PEMFC bipolar plates
US20230238543A1 (en) Method for producing a catalyst-coated membrane
JP5699624B2 (ja) 固体高分子形燃料電池セパレータ用金属板およびその製造方法
JP5466269B2 (ja) 燃料電池用セパレータ及び燃料電池
KR101963992B1 (ko) 고체 고분자형 연료 전지의 세퍼레이터용 스테인리스 강판
KR102080472B1 (ko) 연료 전지의 세퍼레이터용 스테인리스 강판 및 그 제조 방법
JP2017017026A (ja) 固体高分子形燃料電池のセパレータ用チタン材、およびそれを用いたセパレータ
McCay et al. In-Situ Monitoring of Interfacial Contact Resistance in PEM Fuel Cells
JP2012069252A (ja) 燃料電池用のセパレータおよびその製造方法
CN118176602A (zh) 具有金属涂覆层的用于燃料电池的隔板及其制造方法
CN114914466A (zh) 分隔体的制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination