CN113921841B - 一种燃料电池石墨复合双极板、制备方法及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池石墨复合双极板、制备方法及燃料电池，所述复合双极板包括复合双极板本体，所述复合双极板本体内嵌入有作为增强组分的碳纤维，复合双极板本体的表面具有碳纤维绒毛，该碳纤维绒毛形成为一碳纤维过渡层。与现有技术相比，本发明具有降低接触电阻、提高材料电导率等优点。

Description

一种燃料电池石墨复合双极板、制备方法及燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池石墨复合双极板、制备方法及燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置。只要不断地供应燃料和氧化剂，燃料电池就能源源不断地输出电能和热能。其具有发电效率高，低噪音，零排放等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置之一，可被广泛地应用于交通、能源、建筑等领域。
燃料电池常见的燃料包括氢气、甲醇等，质子交换膜燃料电池PEMFC是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂的电化学发电装置。其中，单个燃料电池由双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜等部件组成。将单电池依次串联拼接组成电堆。双极板(BP)是质子交换膜燃料电池的一个核心部件，担负着将燃料气体导入催化层、传导电化学反应产生的电流、散发电池产生的热量、排出电池产生的水分、以及将单电池串联起来组装成电池堆等任务。双极板的优劣将直接决定燃料电池输出性能的好坏。
目前技术中，质子交换膜燃料石墨复合双极板的电导率偏低，尤其是表面通常富含树脂而使得表面电阻偏高，因此近几年的一些研究工作放在了对石墨复合双极板的改性上。研究人员尝试在复合材料中添加炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，以期改善复合双极板的电导率，研究取得一定的成果，但是垂直电导率仍然无法满足要求。
改善复合双极板导电性能的另一个尝试是在双极板复合材料中引入一金属夹层，如铝箔。显然，多层结构的双极板的导电性能大大提高，但是成型时金属层与复合材料层由于存在应力差而容易产生分层和断裂，而且二者之间的接触电阻很大。
综上所述，现有石墨复合双极板技术其表面电导率偏低，有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的复合材料板表面电导率偏低的不足而提供一种降低表面接触电阻、提高整体电导率的燃料电池石墨复合双极板、制备方法及燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池石墨复合双极板，包括复合双极板本体，所述复合双极板本体内嵌入有作为增强组分的碳纤维，复合双极板本体的表面具有碳纤维绒毛，该碳纤维绒毛形成为一碳纤维过渡层。
进一步地，通过表面处理方法使所述碳纤维绒毛由所述复合双极板本体内部裸露至复合双极板本体的表面。
进一步地，所述表面处理方法包括机械打磨或等离子体处理。
进一步地，所述碳纤维绒毛位于复合双极板本体的流道脊表面。
本发明还提供一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法，包括以下步骤：
制备获得传统的石墨复合双极板，即为复合双极板本体，该复合双极板本体内嵌入有作为增强组分的碳纤维；
在所述复合双极板本体的表面，通过表面处理方法使碳纤维绒毛由所述复合双极板本体内部裸露至复合双极板本体的表面，形成为一碳纤维过渡层。
进一步地，所述表面处理方法包括机械打磨或等离子体处理。
进一步地，所述碳纤维绒毛位于复合双极板本体的流道脊表面。
进一步地，在所述表面处理方法实施过程中，通过控制打磨参数来控制所述碳纤维绒毛的形态参数。
进一步地，所述形态参数包括碳纤维裸露长度和碳纤维绒毛密度。
本发明还提供一种燃料电池，包括气体扩散层和如上所述的燃料电池石墨复合双极板，所述碳纤维绒毛嵌入至所述气体扩散层中，与气体扩散层形成一体。
与现有技术相比，本发明从降低接触电阻、提高材料电导率两个方面来提高复合板的性能，具有以下有益效果：
1)本发明复合双极板以价格低廉的大宗商品聚乙烯或者聚丙烯和天然石墨为主要原料，采用工业上成熟的自动化技术，降低双极板的原料成本和制造成本；
2)结构新颖，可降低双极板与GDL(气体扩散层，Gas Diffusion Layer)的接触电阻，优化复合双极板的电导率和尺寸，提高PEMFC的输出功率；
3)形成的碳纤维过渡层，可以显著减少由于电极蠕动而造成的催化剂脱节、掉落和三相反应区域微结构的变化；
4)本发明采用表面处理方法形成碳纤维过渡层，可以方便控制复合材料板表面裸露碳纤维的长度和密度等参数，适应不同需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为利用本发明的燃料电池发电空气系统示意图；
其中，100、复合双极板本体，200、碳纤维绒毛，300、气体扩散层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
传统的石墨复合双极板，由石墨、树脂及其他组分构成，制作的双极板表面光滑，材料表面容易聚集树脂。针对复合双极板表面富含树脂的问题，本发明创新地对复合板进行表面处理，以增加表面粗糙度和去除表层树脂，从而降低表面电阻。
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池石墨复合双极板，包括复合双极板本体100，复合双极板本体100内嵌入有作为增强组分的碳纤维，复合双极板本体100的表面具有碳纤维绒毛200，该碳纤维绒毛200形成为一碳纤维过渡层。
具体地，可通过表面处理方法使碳纤维绒毛由复合双极板本体内部裸露至复合双极板本体的表面。本实施例中，碳纤维绒毛200位于复合双极板本体的流道脊表面。表面处理一方面可以去除表面聚集的多余的树脂，减小体电阻；另一方面，裸露的表层碳纤维绒毛可以插入GDL表层，使双极板与GDL之间形成碳纤维过渡层。
本实施例中，表面处理方法包括机械打磨或等离子体处理等。
上述燃料电池石墨复合双极板的制备方法具体包括以下步骤：制备获得传统的石墨复合双极板，即为复合双极板本体，该复合双极板本体内嵌入有作为增强组分的碳纤维；在复合双极板本体的表面，通过表面处理方法使碳纤维绒毛由复合双极板本体内部裸露至复合双极板本体的表面，形成为一碳纤维过渡层。
具体地，在表面处理方法实施过程中，通过控制打磨参数来控制碳纤维裸露长度和碳纤维绒毛密度等形态参数，以适应不同需求。
如图2所示为上述燃料电池石墨复合双极板应用于燃料电池中的示意图，在与膜电极(MRA)组装成单电池时，复合双极板本体100上的碳纤维绒毛200嵌入至所述气体扩散层300中，与气体扩散层300形成一体。
上述复合双极板既可以提高复合材料的导电性，又可以降低复合双极板与气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)间的表面接触电阻。同时由于燃料电池的输出功率还与双极板的体电阻有关，而体电阻不仅取决于材料本身的电导率，还与双极板的厚度成正比，复合双极板本体因碳纤维增强可以降低复合双极板的厚度，所以降低了复合双极板的体电阻，从而提高燃料电池内双极板的导电性能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备获得传统的石墨复合双极板，即为复合双极板本体，该复合双极板本体内嵌入有作为增强组分的碳纤维；
在所述复合双极板本体的表面，通过表面处理方法使碳纤维绒毛由所述复合双极板本体内部裸露至复合双极板本体的表面，形成为一碳纤维过渡层；
在所述表面处理方法实施过程中，通过控制打磨参数来控制所述碳纤维绒毛的形态参数。
2.根据权利要求1所述的燃料电池石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述表面处理方法包括机械打磨或等离子体处理。
3.根据权利要求1所述的燃料电池石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述碳纤维绒毛位于复合双极板本体的流道脊表面。
4.根据权利要求1所述的燃料电池石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述形态参数包括碳纤维裸露长度和碳纤维绒毛密度。
5.一种燃料电池，其特征在于，包括气体扩散层和如权利要求1所述的制备方法获得的燃料电池石墨复合双极板，所述碳纤维绒毛嵌入至所述气体扩散层中，与气体扩散层形成一体。
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