CN114171755A - 一种燃料电池双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池双极板及其制备方法，所述方法为：对一对柔性石墨卷材的两面同步进行阴极流场和阳极流场的预辊压；对预辊压后的柔性石墨卷材的两面同步进行第二次阴极流场和阳极流场的辊压；对二次辊压后的柔性石墨卷材裁切氧化剂进出口、燃料进出口、冷却液进出口，并裁成双极板形状，得到阴极单板和阳极单板；对阴极单板和阳极单板进行进行树脂浸润和清洗固化；将阴极单板和阳极单板相对设置并粘接，形成燃料电池双极板；对燃料电池双极板进行阴极加强片和阳极加强片的同步贴合，得到成品燃料电池双极板。本发明的制备方法可采用自动化操作，质量稳定可控，成品率高；生产的双极板薄且轻，强度高，不易损坏，整体成本较低。

Description

一种燃料电池双极板及其制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池双极板及其制备方法。

背景技术

现有双极板平行流场设计具有的压降低的特点，但流道中气体的流动和反应情况的微小差别会对电池的整体性能造成扰动，容易出现性能不稳定的情况。除此之外，现有技术中双极板冷却通道狭窄，进出口压降大，并且对每个冷却流道分配不均一，双极板需要提供足够的厚度来满足冷却液流通，这样使得整体双极板组装成电堆后的整体长度以及重量无法降低。当电池输出工作时，冷却液通过冷却流道，由于各冷却流道距离入口远近的关系会造成冷却液分配的不均匀，从而会导致反应产生的热无法均匀地与冷却液进行热交换，局部生成的水凝结聚集而堵塞部分流道，从而导致电池失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池双极板及其制备方法，以解决现有方法加工的双极板存在厚度大、重量大、易损坏、成本高等问题。

本发明提供的燃料电池双极板包括阴极单板和阳极单板，所述阴极单板具有阴极反应物流道和阴极冷却液流道，所述阳极单板具有阳极反应物流道和阳极冷却液流道，所述阴极单板和阳极单板上均开有氧化剂进出口、燃料进出口、冷却液进出口，所述阴极冷却液流道和阳极冷却液流道分别由若干条具有槽峰和槽谷的沟槽等间距排列而成，所述燃料电池双极板的阴极板和阳极板组合时，阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽呈两层，且阴极冷却液流道的沟槽的槽峰与阳极冷却液流道的沟槽的槽谷相对布置，阴极冷却液流道的沟槽的槽谷与阳极冷却液流道的槽峰相对布置。

优选的，所述阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽数量相同。

优选的，所述阴极冷却液流道的沟槽的槽峰和槽谷之间的距离与阳极冷却液流道的沟槽的槽峰和槽谷之间的距离相等。

优选的，所述阴极冷却液流道的全部沟槽的首端和尾端均呈平齐状，所述阳极冷却液流道的所有沟槽的首端和尾端也呈平齐状。

优选的，所述阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽的深度为0.25-0.35mm。

优选的，所述阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽的宽度为0.35-0.85mm。

优选的，还包括阴极加强片和阳极加强片，所述阴极加强片设置在阴极反应物流道外周与所述氧化剂出入口、燃料出入口、冷却液出入口之间的位置，所述阳极加强片设置在阳极反应物流道外周与所述氧化剂出入口、燃料出入口、冷却液出入口之间的位置。

本发明还提供了一种燃料电池双极板制备方法，依次包括如下步骤：

S1、对一对柔性石墨卷材的两面同步进行流道预辊压，其中一个柔性石墨卷材的两面分别预辊压阴极反应物流道和阴极冷却液流道，另一个柔性石墨卷材的两面分别预辊压阳极反应物流道和阳极冷却液流道；

S2、对步骤1预辊压后的两柔性石墨卷材的两面同步进行第二次流场辊压；

S3、对步骤2二次辊压后的两柔性石墨卷材裁切氧化剂进出口、燃料进出口、冷却液进出口，并裁成双极板形状，得到阴极单板和阳极单板；

S4、对阴极单板和阳极单板进行树脂浸润，完成浸润的阴极单板和阳极单板再进行清洗固化；

S5、清洗固化后的阴极单板的阴极冷却液流道和阳极单板的阳极冷却液流道相对设置并粘接，形成燃料电池双极板；

S6、对燃料电池双极板进行阳极加强片和阴极加强片的同步贴合，得到成品燃料电池双极板。

优选的，步骤1所述柔性石墨卷材的初始厚度为1.5-3.0mm，经过预辊压后的柔性石墨卷材的厚度降低至1.2-1.6mm，预辊压形成的阴极反应物流道、阴极冷却液流道、阳极反应物流道、阳极冷却液流道的深度达到0.3-0.5mm。

优选的，步骤2所述柔性石墨卷材经过二次辊压厚度降低至0.8-1.0mm，二次辊压形成的阴极反应物流道、阴极冷却液流道、阳极反应物流道、阳极冷却液流道的沟槽的深度达到0.25-0.35mm，壁厚为0.2-0.25mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的燃料电池双极板制备方法整体工艺过程均可采用自动化操作，质量稳定可控，成品率高；通过本发明方法制造的双极板其厚度可减小至1.4-2.0mm，具有薄且轻的优势；本专利采用二次辊压技术加工阴阳极流场，可将石墨材料中的空气完全排除，杜绝弹性区间的产生，尺寸精度更高；本专利采用贴合阴极和阳极加强片，从整体上提升双极板的强度，而且提高密封性能，有效防止阴阳极气体串气；阴极板和阳极板的冷却液流道组成3D网状冷却液腔室，冷却液从冷却液入口以3D折线的形式向冷却液出口流动，冷却液自动选择阻力小的路径流动，提高冷却液分布均匀性，而且不会堵塞流道，增加换热效率。

附图说明

图1为本发明制备方法的流程示意图；

图2为通过本发明制备方法制备的双极板的结构示意图；

图3为燃料电池双极板剖视图的局部放大图；

图4为阴极单板的示意图；

图5为阳极单板的示意图；

图6为燃料电池双极板冷却液流道的立体结构示意图。

图中标注：

柔性石墨卷材020、第一辊压模具010、第一上辊0101、第一下辊0102、第二辊压模具011、第二上辊0111、第二下辊0112、第三辊压模具012、第三上辊0121、第三下辊0122、第四辊压模具013、第四上辊0131、第四下辊0132、第一模切装置014、第二模切装置015、第一树脂浸润装置016、第二树脂浸润装置017、双极板贴合装置018、加强片贴合装置019、气密性检测装置021、阴极加强片031、阳极加强片032、阴极单板001、阳极单板002、氧化剂进出口003、燃料进出口004、冷却液进出口005、阴极冷却液流道1、阳极冷却液流道2、阴极沟槽10、阴极槽峰100、阴极槽谷110、阳极冷却液流道20、阳极槽峰200、阳极槽谷210。图1中a、b、c指的是冷却液的三个流动方向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例

请参阅图1、2，本实施例提供的一种燃料电池双极板制备方法的流程如图1所示，通过本实施例的燃料电池双极板制备方法制备的燃料电池双极板102如图2所示，所述方法依次包括如下步骤：

S1、对一对柔性石墨卷材020的两面同步进行流道预辊压，其中图1左侧的柔性石墨卷材020的上下面通过第一辊压模具010进行预辊压，第一辊压模具010的第一上辊0101预辊压阴极反应物流道，第一辊压模具010的第一下辊0102预辊压阴极冷却液流道1；图1右侧的柔性石墨卷材020的上下面通过第二辊压模具011进行预辊压，第二辊压模具011的第二上辊0111预辊压阳极反应物流道，第二辊压模具011的第二下辊0112预辊压阳极冷却液流道2。

所述柔性石墨卷材020的初始厚度为1.5-3.0mm，经过预辊压后的柔性石墨卷材020的厚度降低至1.2-1.6mm，预辊压形成的阴极反应物流道、阴极冷却液流道1、阳极反应物流道、阳极冷却液流道2的深度达到0.3-0.5mm。

S2、对步骤1预辊压后的两柔性石墨卷材020的两面同步进行第二次流场辊压。其中图1左侧的柔性石墨卷材020的上下面通过第三辊压模具012进行二次辊压，第三辊压模具012的第三上辊0121二次辊压阴极反应物流道，第三辊压模具012的第三下辊0122二次辊压阴极冷却液流道1；图1右侧的柔性石墨卷材020的上下面通过第四辊压模具013进行预辊压，第四辊压模具013的第四上辊0131二次辊压阳极反应物流道，第四辊压模具013的第四下辊0132二次辊压阳极冷却液流道2。

步骤2所述柔性石墨卷材020经过二次辊压厚度降低至0.8-1.0mm，二次辊压形成的阴极反应物流道、阴极冷却液流道1、阳极反应物流道、阳极冷却液流道2的沟槽的深度达到0.25-0.35mm，壁厚为0.2-0.25mm。

S3、对步骤2二次辊压后的两柔性石墨卷材020裁切氧化剂进出口003、燃料进出口004、冷却液进出口005，并裁成双极板形状，得到阴极单板001和阳极单板002。其中，图1左侧的柔性石墨卷材020通过第一模切装置014进行裁切形成阴极单板001，图1右侧的柔性石墨卷材020通过第二模切装置015进行裁切形成阳极单板002。

S4、对阴极单板001和阳极单板002进行树脂浸润，完成浸润的阴极单板001和阳极单板002再进行清洗固化。所述阴极单板001通过第一树脂浸润装置016进行树脂浸润以及清洗固化；所述阳极单板002通过第二树脂浸润装置017进行树脂浸润以及清洗固化。

S5、清洗固化后的阴极单板001的阴极冷却液流道1和阳极单板002的阳极冷却液流道2相对设置并通过双极板贴合装置018进行粘接，形成燃料电池双极板102。

S6、采用加强片贴合装置019对燃料电池双极板102进行阴极加强片031和阳极加强片032的同步贴合，得到成品的燃料电池双极板102。所述阳极加强片032和阴极加强片031的材料一般选择高分子薄片或者不锈钢薄片，其厚度为25-100μm。

S7、采用气密性检测装置021，对燃料电池双极板102进行气密性检测，气密性检测合格要求一般为采用氮气检测，检测压力200kPa，检测温度25℃，漏量0-0.05ml/min。

本实施例方法与现有技术的不同之处就在于在可以同时制备阴极单板001和阳极单板002，并将制备好的阴极单板001和阳极单板002贴合成燃料电池双极板102，整个工艺流程可自动化控制，制备双极板的效率大大提高。

本实施例选用柔性石墨卷材制作双极板，柔性石墨卷材内部为多孔结构，此材料内部有很多闭合和开放气孔，这些气孔通过一次辊压不可以完全排出空气，不能排出的气体，在材料内部形成了一个弹性区间，这个弹性的区间会导致材料分层或者尺寸回弹。分层会导致产品损坏，尺寸回弹会导致产品不满足设计需求。本实施例采用二次辊压，二次梯度成型的优势是，尺寸精度更高，并且不会出现材料分层现象，且二次辊压即可达到设计要求以及保证产品品质，没有必要再进行更多次的辊压。

参照图3，本实施例制备方法还具有给阴极单板001和阳极单板002贴合阴极加强片031和阳极加强片032的步骤，所述阴极加强片031设置在阴极反应物流道外周与所述氧化剂出入口003、燃料出入口004、冷却液出入口005之间的位置，所述阳极加强片032设置在阳极反应物流道外周与所述氧化剂出入口003、燃料出入口004、冷却液出入口005之间的位置。所述阴极加强片031，主要是提供足够的阴极侧密封支撑强度和加强燃料电池双极板102整体强度。所述阳极加强片032，主要是提供足够的阳极侧密封支撑强度和加强燃料电池双极板102整体强度。

作为本实施例的一个优选实施方式，步骤6所述贴合阳极加强片032和阴极加强片031的方法为：真空吸附阳极加强片032和阴极加强片031，在阳极加强片032和阴极加强片031上涂覆胶水，将阳极加强片032和阴极加强片031以0.5-1.5MPa压力贴合到阳极单板002和阴极单板001的相应位置。

本发明提供的燃料电池双极板102包括阴极单板001和阳极单板002，所述阴极单板001具有阴极反应物流道和阴极冷却液流道1，所述阳极单板002具有阳极反应物流道和阳极冷却液流道2，所述阴极单板001和阳极单板002上均开有氧化剂进出口003、燃料进出口004、冷却液进出口005，所述阴极冷却液流道1由若干条具有阴极槽峰100和阴极槽谷110的阴极沟槽10等间距排列组成，图4所示为燃料电池的阴极单板001，本实施例阴极单板001上辊压的阴极沟槽10采用的是折线形结构。所述阴极沟槽10的阴极槽峰100指的是：在阴极单板001的平面上，阴极沟槽10邻近阴极冷却液入口的凸起端；而阴极槽谷110指的是：在阴极单板001的平面上，阴极沟槽10邻近阴极冷却液出口的凸起端。

所述阳极冷却液流道2由若干条具有阳极槽峰200和阳极槽谷210的阳极沟槽20等间距排列而成，图5所示为燃料电池的阳极单板002，本实施例阳极单板002上辊压的阳极沟槽20也采用的折线形结构。所述阳极单板002上开有阳极冷却液入口和阳极冷却液出口，所述阳阴极沟槽20的阳极槽峰200指的是：在阳极单板002的平面上，阳极沟槽20邻近阳极冷却液入口的凸起端；而阳极槽谷210指的是：在阳极单板002的平面上，阳极沟槽20邻近阳极冷却液出口的凸起端。本实施例对阴极沟槽10和阳极沟槽20的槽峰和槽谷的规定的目的仅是为了解释说明双极板冷却液流道的详细结构。显然的，我们规定沟槽邻近冷却液入口一侧为槽谷，而邻近冷却液出口一侧为槽峰也是成立的，均在本专利的保护范围之内。

所述阴极沟槽10和阳极沟槽20的形状不局限于折线型结构，比如具有波峰和波谷的波浪线型也可以实现。

图6左侧为冷却液入口(包括阴极冷却液入口和阳极冷却液入口)，右侧为冷却液出口(包括阴极冷却液出口和阳极冷却液出口)。所述阴极单板001和阳极单板002贴合时，阴极沟槽10和阳极沟槽20呈上下层，并且阴极槽峰10的阴极槽峰100和阳极槽峰20的阳极波谷210纵向相对布置，阴极槽谷110和阳极槽峰200纵向相对布置。图6中箭头所示方向为冷却液的流向，冷却液从冷却液入口进入阴极沟槽10和阳极沟槽20组成的3D网状冷却液腔室内，冷却液进行3D折线的流动。具体的，阴极沟槽10内的冷却液会向下流入阳极沟槽20内，阳极沟槽20的冷却液也会向上流入阴极沟槽10内，流向的确定是根据阻力决定的。例如图6中a向冷却液向上可选择b或c向流，若b向的阻力小于c向，则冷却液向b向流入的多于c向，以保证b向和c向的冷却液均匀。这样每个区域的冷却液都会自动按照最小阻力的路径流动，冷却液分布更加均匀，大大提高了散热的均匀性。

所述阳极单板002和阴极单板001的构造必须完全匹配才可以制造燃料电池，因此，所述阴极冷却液流道1的阴极沟槽10和阳极冷却液流道2的阳极沟槽20数量相同。参照图4、5，进一步，本实施例的阴极沟槽10和阳极沟槽20的首端和尾端都是平齐的设计，并且阴极冷却液流道1的阴极沟槽10的阴极槽峰100和阴极槽谷110之间的距离与阳极冷却液流道2的阳极沟槽20的阳极槽峰200和阳极槽谷210之间的距离相等。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述阴极冷却液流道1的阴极沟槽10和阳极冷却液流道2的阳极沟槽20的深度为0.25-0.35mm。

作为本实施例的一个优选实施方式，所述阴极冷却液流道1的阴极沟槽10和阳极冷却液流道2的阳极沟槽20的宽度为0.35-0.85mm。

燃料电池电堆一般采用燃料电池双极板102和膜电极进行堆叠，基于目前常规膜电极的性能1.1W/cm²@0.65V，活性面积300cm²，其体积功率密度最高常可达4.5kW/L。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板，包括阴极单板和阳极单板，所述阴极单板具有阴极反应物流道和阴极冷却液流道，所述阳极单板具有阳极反应物流道和阳极冷却液流道，所述阴极单板和阳极单板上均开有氧化剂进出口、燃料进出口、冷却液进出口，其特征在于：所述阴极冷却液流道和阳极冷却液流道分别由若干条具有槽峰和槽谷的沟槽等间距排列而成，所述燃料电池双极板的阴极板和阳极板组合时，阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽呈两层，且阴极冷却液流道的沟槽的槽峰与阳极冷却液流道的沟槽的槽谷相对布置，阴极冷却液流道的沟槽的槽谷与阳极冷却液流道的槽峰相对布置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽数量相同。

3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极冷却液流道的沟槽的槽峰和槽谷之间的距离与阳极冷却液流道的沟槽的槽峰和槽谷之间的距离相等。

4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极冷却液流道的全部沟槽的首端和尾端均呈平齐状，所述阳极冷却液流道的所有沟槽的首端和尾端也呈平齐状。

5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽的深度为0.25-0.35mm。

6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极冷却液流道的沟槽和阳极冷却液流道的沟槽的宽度为0.35-0.85mm。

7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：还包括阴极加强片和阳极加强片，所述阴极加强片设置在阴极反应物流道外周与所述氧化剂出入口、燃料出入口、冷却液出入口之间的位置，所述阳极加强片设置在阳极反应物流道外周与所述氧化剂出入口、燃料出入口、冷却液出入口之间的位置。

8.一种燃料电池双极板制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

S1、对一对柔性石墨卷材的两面同步进行流道预辊压，其中一个柔性石墨卷材的两面分别预辊压阴极反应物流道和阴极冷却液流道，另一个柔性石墨卷材的两面分别预辊压阳极反应物流道和阳极冷却液流道；

S2、对步骤1预辊压后的两柔性石墨卷材的两面同步进行第二次流场辊压；

S3、对步骤2二次辊压后的两柔性石墨卷材裁切氧化剂进出口、燃料进出口、冷却液进出口，并裁成双极板形状，得到阴极单板和阳极单板；

S4、对阴极单板和阳极单板进行树脂浸润，完成浸润的阴极单板和阳极单板再进行清洗固化；

S5、清洗固化后的阴极单板的阴极冷却液流道和阳极单板的阳极冷却液流道相对设置并粘接，形成燃料电池双极板；

S6、对燃料电池双极板进行阳极加强片和阴极加强片的同步贴合，得到成品燃料电池双极板。

9.根据权利要求1所述的燃料电池双极板制备方法，其特征在于，步骤1所述柔性石墨卷材的初始厚度为1.5-3.0mm，经过预辊压后的柔性石墨卷材的厚度降低至1.2-1.6mm，预辊压形成的阴极反应物流道、阴极冷却液流道、阳极反应物流道、阳极冷却液流道的深度达到0.3-0.5mm。

10.根据权利要求2所述的燃料电池双极板制备方法，其特征在于：步骤2所述柔性石墨卷材经过二次辊压厚度降低至0.8-1.0mm，二次辊压形成的阴极反应物流道、阴极冷却液流道、阳极反应物流道、阳极冷却液流道的沟槽的深度达到0.25-0.35mm，壁厚为0.2-0.25mm。

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