CN115172793A - 燃料电池的双极板及其制造方法、燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种燃料电池的双极板的制造方法，包括以下步骤：用羧酸溶液对所述双极板的基材或主体的表面进行处理，使得所述表面产生具有一定粗糙度的微结构，其中所述主体由所述基材的一部分形成；和用石墨摩擦所述表面，使得所述石墨的碎片填充入所述微结构中，且与所述微结构中的羧基结合。本申请还提供了一种燃料电池的双极板和一种包括该双极板的燃料电池。根据本申请，可以在简化生产工艺和降低生产成本的同时获得具有更高附着强度的碳涂层的燃料电池的双极板。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池的双极板及其制造方法和包括该双极板的燃料电池。
背景技术
为了解决日益严重的全球变暖、空气污染和能源消耗问题，汽车工业正在从内燃机动力汽车向电动汽车转变。在所有电动汽车中，以燃料电池为动力的电动汽车是最突出的一种。燃料电池由膜电极组件(MEA)、双极板(BPP)、端板和夹具组成，所有这些组件组装在一起形成一个电堆。在电堆中，将BPP和MEA压在一起以保持电接触。为了降低接触电阻并避免腐蚀，通常通过真空物理气相沉积(PVD)方法在BPP的表面上涂覆碳涂层。然而，上述涂覆方法具有以下缺点：1)需要多层涂层，因为碳很难附着在金属表面上，而且多层涂层会花费更多的时间和成本；2)整个涂覆过程需要在真空室内进行，这会增加成本和时间，而且很难批量生产。
另外，现有技术中还有采用石墨与BPP摩擦而在BPP表面上形成涂层的工艺，然而，这些工艺难以在BPP的表面形成具有理想强度的碳涂层。
因此，仍需要对现有的燃料电池的双极板及其制造方法进行改进，以在简化生产工艺和降低生产成本的同时获得高附着强度的碳涂层。
发明内容
本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃料电池的双极板及其制造方法和包括该双极板的燃料电池，其能够使燃料电池的双极板的生产更简单、更经济且碳涂层的附着强度更高。
为此，本申请提供一种燃料电池的双极板的制造方法，包括以下步骤：
用羧酸溶液对所述双极板的基材或主体的表面进行处理，使得所述表面产生具有一定粗糙度的微结构，其中所述主体由所述基材的一部分形成；和
用石墨摩擦所述表面，使得所述石墨的碎片填充入所述微结构中，且与所述微结构中的羧基结合。
根据本申请的实施例，所述羧酸溶液为草酸、甲酸、乙酸、过氧酸、乙二酸、丙二酸、苯甲酸、丁二酸、丁烯二酸、邻苯二甲酸、α－萘乙酸中的至少一种的水溶液，且所述羧酸溶液的重量百分比浓度介于5％至60％的范围内。
根据本申请的实施例，所述表面的粗糙度的平均值大于或等于0.1微米。
根据本申请的实施例，所述石墨被制造成石墨块、石墨棒和石墨轮中的一种，且所述石墨抵靠所述双极板的基材或主体的表面滑动或滚动。
根据本申请的实施例，所述制造方法还包括在用羧酸溶液对所述双极板的主体的表面进行处理之前将所述双极板的主体的表面的一部分用保护层覆盖，以露出所述双极板的主体的表面上的肋部；或所述制造方法还包括在用羧酸溶液对所述双极板的基材的表面进行处理并用石墨摩擦之后，将所述基材制成所述双极板。
根据本申请的实施例，所述保护层为聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯中的一种。
根据本申请的实施例，所述羧酸溶液和所述双极板的基材或主体的表面在20℃至70℃的温度范围内发生反应并持续10秒至200秒。
根据本申请的实施例，所述制造方法还包括使经过处理的所述双极板的基材或主体的表面在20℃至100℃的温度范围内进行干燥的步骤。
根据还提供了一种燃料电池的双极板，所述双极板包括：主体；和碳涂层，其中，所述主体的表面具有通过羧酸溶液进行处理而产生的具有一定粗糙度的微结构，且所述碳涂层通过所述微结构中的羧基与所述主体结合。
另外，本申请还提供了一种燃料电池，其中，所述燃料电池包括上述的双极板。
在本申请中，燃料电池的双极板的主体表面经过羧酸溶液腐蚀而形成具有一定粗糙度的微结构，且石墨碎片除了嵌入微结构中形成碳涂层之外，还与微结构中的羧基结合。这样，所形成的碳涂层可以具有更高的附着强度，且本申请的制造方法不需要真空工作环境，成本降低，时间缩短。
附图说明
下面将参考附图对本申请的示例性实施例进行详细说明，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本申请，而不是对本申请的范围的限制，在附图中：
图1是根据本申请的实施例的燃料电池的双极板的制造方法的示意性流程图；
图2是图1所示方法中的步骤S1的示意图；
图3是图1所示方法中的步骤S2的示意图；和
图4是根据图1所示的方法制成的双极板的剖视示意图。
具体实施方式
下面结合示例详细描述本申请的优选实施例。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见，省略了其它的部件和步骤，但这并不表明本申请的燃料电池的双极板不可包括其它的部件，也不表明本申请的燃料电池的双极板的制造方法不可包括其它的步骤。应当理解，附图中部件的尺寸、比例关系以及数目均不作为对本申请的限制。
如图1至图4所示，本申请的燃料电池的双极板的制造方法主要包括以下步骤：
步骤S1：用羧酸溶液对双极板的主体10的表面11进行处理(即，腐蚀)，使得表面11产生具有一定粗糙度的微结构12；
步骤S2：用石墨20摩擦表面11，使得石墨20的碎片填充入微结构12中，且与微结构12中的羧基13结合。
参考图2，左侧示出了未与羧酸溶液反应的双极板的主体10，右侧示出了与羧酸溶液反应后的双极板的主体10，可以看到表面11上形成了微结构12。
根据本申请的实施例，双极板的主体10一般为钢片材，例如合金钢，在羧酸溶液的作用下，主体10的表面11会出现轻微的腐蚀现象，从而形成具有一定粗糙度的微结构12。应指出的是，本申请并不限制双极板的材料，只要其能够被羧酸溶液腐蚀，就可以作为双极板的材料。
应指出的是，上述的实施例仅给出了直接在双极板的主体上实施本申请的制造方法的方式，然而本申请不限于此。本申请的制造方法还可以直接在双极板的基材(例如，钢卷)上实施，而双极板的主体由基材的一部分形成。这样，用羧酸溶液对双极板的基材的表面进行处理，使得表面产生具有一定粗糙度的微结构；然后用石墨摩擦表面，使得石墨的碎片填充入微结构中，且与微结构中的羧基结合；再然后，将已形成碳涂层的基材制成(例如，通过冲压、焊接等)双极板。
羧酸是分子中包含羧基(-COOH)的有机酸，具有弱酸性。在本申请中，所采用的羧酸溶液可以是甲酸、乙酸、过氧酸、乙二酸(草酸)、丙二酸、苯甲酸、丁二酸、丁烯二酸、邻苯二甲酸、α－萘乙酸中的至少一种的水溶液，且所述羧酸溶液的重量百分比浓度可以介于5％至60％的范围内。应指出的是，本申请并不限于以上所列出的羧酸，而是也可以采用其他的羧酸。另外，也可以采用其它的有机溶剂来溶解羧酸，以制备不同的羧酸溶液。
根据本申请的实施例，羧酸溶液和双极板的主体10(或基材)的表面11通常在20℃至70℃的温度范围内发生反应并持续10秒至200秒。这样，可以获得具有适当粗糙度的微结构12，且易于控制生产工艺。然而，应指出的是，由于所采用的羧酸溶液种类和浓度的不同，羧酸溶液和双极板的主体10(或基材)的表面11发生反应的工艺参数也会随之变化，在此不再赘述。
在经过羧酸溶液的处理之后，通常还需要使经过处理的双极板的主体10(或基材)的表面11在20℃至100℃的温度范围内进行干燥，使水分或其他溶剂挥发，且在所形成的微结构12中留有羧基。
应指出的是，双极板的主体10的表面11通常不是平坦的表面，而是具有很多肋部(未示出)，使得相邻肋部之间的沟道可以用于使氢气或氧气流过。所以，针对这种双极板，本申请的制造方法还包括在用羧酸溶液对双极板的主体10的表面11进行处理之前将双极板的主体10的表面11的一部分(例如，肋部之间的沟道)用保护层(未示出)覆盖的步骤。这样，羧酸溶液仅在双极板的主体10的表面11上的肋部上形成微结构。另外，对于双极板的主体10的表面11上其它不需要形成碳涂层21的部分，也可以用保护层覆盖住。保护层例如可以是聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯中的一种，但本申请不限于此。
为了提高碳涂层21与双极板的主体10(或基材)的表面11之间的附着强度，经过处理的双极板的主体10(或基材)的表面11的粗糙度优选大于或等于0.1微米，这样可以形成的适当的微结构12。
根据本申请的实施例，石墨20可以采用诸如鳞片状石墨、土状石墨、块状石墨等的天然石墨，或诸如单晶石墨、多晶石墨、热解石墨等的人造石墨，等等。
石墨20可以被制造成石墨块、石墨棒和石墨轮中的一种，且石墨20抵靠双极板的主体10(或基材)的表面11滑动或滚动，从而使石墨20的碎片填充入双极板的主体10(或基材)的表面11上的微结构12中。参考图3，石墨20(示为石墨轮)在电机的驱动下高速旋转(如弯曲箭头所示)且抵靠双极板的主体10(或基材)的表面11，同时使双极板的主体(或基材)平移(如向下的箭头所示)，通过石墨轮和双极板的主体10(或基材)的表面11之间的摩擦使石墨20的碎片嵌入双极板的主体10(或基材)的表面11上形成的微结构12中，从而形成碳涂层21，并通过与微结构12中的羧基13结合而进一步提高附着强度。虽然在图3中示出了采用石墨轮形式的石墨，但本申请还可以采用石墨块在双极板的主体(或基材)的表面上滑动等其他方式来形成碳涂层。
根据本申请的实施例，所形成的碳涂层的厚度可以在1微米至2000微米的范围内。
应指出的是，虽然在附图中和上面的描述中仅公开了在双极板的主体(或基材)的一个表面上形成碳涂层，但本申请不限于此。可以采用本申请的制造方法在双极板的主体(或基材)的两个表面上形成碳涂层。
根据上述的制造方法，本申请还提供了一种燃料电池的双极板，该双极板包括主体10和碳涂层21，其中主体10的表面11具有通过羧酸溶液进行处理而产生的具有一定粗糙度的微结构12，且碳涂层21通过微结构12中的羧基13与主体10结合，如图4所示。
另外，本申请还提供了一种燃料电池，其中该燃料电池包括上述的双极板。
采用本申请的制造方法，可以使用羧酸溶液在燃料电池的双极板的主体表面腐蚀出具有一定粗糙度的微结构，并使石墨碎片嵌入该微结构中形成碳涂层。因此，石墨碎片除了通过嵌入微结构中而附着于双极板的主体之外，还可以通过与微结构中的羧基结合而进一步提高与双极板的主体的附着强度。同时，本申请的制造方法还可以降低制造成本，缩短生产时间。
以上结合具体实施例对本申请进行了详细描述。然而，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池的双极板的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
用羧酸溶液对所述双极板的基材或主体(10)的表面(11)进行处理，使得所述表面(11)产生具有一定粗糙度的微结构(12)，其中所述主体由所述基材的一部分形成；和
用石墨(20)摩擦所述表面(11)，使得所述石墨(20)的碎片填充入所述微结构(12)中，且与所述微结构(12)中的羧基(13)结合。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述羧酸溶液为草酸、甲酸、乙酸、过氧酸、乙二酸、丙二酸、苯甲酸、丁二酸、丁烯二酸、邻苯二甲酸、α－萘乙酸中的至少一种的水溶液，且所述羧酸溶液的重量百分比浓度介于5％至60％的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述表面(11)的粗糙度的平均值大于或等于0.1微米。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述石墨(20)被制造成石墨块、石墨棒和石墨轮中的一种，且所述石墨(20)抵靠所述双极板的基材或主体(10)的表面(11)滑动或滚动。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括在用羧酸溶液对所述双极板的主体(10)的表面(11)进行处理之前将所述双极板的主体(10)的表面(11)的一部分用保护层覆盖，以露出所述双极板的主体(10)的表面(11)上的肋部；或
所述制造方法还包括在用羧酸溶液对所述双极板的基材的表面进行处理并用石墨摩擦之后，将所述基材制成所述双极板。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述保护层为聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯中的一种。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述羧酸溶液和所述双极板的基材或主体(10)的表面(11)在20℃至70℃的温度范围内发生反应并持续10秒至200秒。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述制造方法还包括使经过处理的所述双极板的基材或主体(10)的表面(11)在20℃至100℃的温度范围内进行干燥的步骤。
9.一种燃料电池的双极板，所述双极板包括：
主体(10)；和
碳涂层(21)，
其特征在于，所述主体(10)的表面(11)具有通过羧酸溶液进行处理而产生的具有一定粗糙度的微结构(12)，且所述碳涂层(21)通过所述微结构(12)中的羧基(13)与所述主体(10)结合。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括根据权利要求9所述的双极板。
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