CN215118954U - 一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超薄石墨纸‑金属箔复合双极板，包括连接在一起的氢单极板和氧单极板，所述氢单极板和氧单极板结构相同，均包括金属箔、碳纤维预浸料和石墨纸；所述氢单极板和氧单极板贴合接触的一侧为金属箔，石墨纸位于最外侧；所述金属箔材质选自不锈钢、铝、钛合金。本实用新型通过金属箔与石墨纸的结合，不仅可以降低双极板的体积与重量、降低制作工艺成本，而且还可以保证其机械性能、耐腐蚀性能和导电性能等达到使用要求，从而提高电池性能与放电效率；克服了石墨双极板与传统复合双极板厚度过大的问题，提高了燃料电池的功率密度，并代替了工艺复杂的物理/化学气相沉积工艺，减少工艺时间，实现工业化流水线连续生产。

Description

一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板。

背景技术

燃料电池是一种高效清洁的发电装置，燃料电池的反应是电解水的逆反应过程，反应不受卡诺循环限制，不存在除电能与化学能外其他能量的转换，能量损失小，转换率高。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池、生物燃料电池等。

但是，对于质子交换膜燃料电池来讲，单节电池电压较低，因此，为了得到实际可用的电压，需要把多个单电池串联起来，串联的连接件叫双极板，双极板起到分隔氢气、氧气，收集电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能和排水功能的作用，因此双极板材料需要耐腐蚀、导电、气密和水密、良好的机械强度和价格低廉，易于批量加工等。

传统燃料电池双极板材料是石墨或金属。石墨双极板太厚导致燃料电池堆体积过大，不适合于普通家用汽车。金属双极板耐腐蚀性能较差，且需要通过物理/化学气相沉积(PVD/CVD)工艺在表面镀制导电耐腐蚀膜层，是双极板制造过程中耗时最长成本最高的程序，且必须依靠人工，无法进行工业化连续生产。

发明内容

为了解决传统双极板的问题，本实用新型提供一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其厚度可以达到0.08-0.15mm，减小燃料电池体积，提高功率密度，并可以代替物理/化学气相沉积(PVD/CVD)工艺，简化制备工艺，减少工艺时间，实现工业化连续生产。技术方案如下所述：

一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，包括连接在一起的氢单极板和氧单极板，氢单极板和氧单极板上分别设置氢气流道、空气流道，氢单极板和氧单极板上均设置冷却剂流道以及密封胶线槽；所述的氢单极板和氧单极板结构相同，均包括金属箔、碳纤维预浸料和石墨纸。

优选的，氢单极板和氧单极板贴合接触的一侧为金属箔，石墨纸位于最外侧。

在本技术方案中，复合双极板中的金属箔、碳纤维预浸料和石墨纸，使得本双极板具有良好的韧性、机械性能、耐腐蚀性能、导电性能以及导热性能等，在用于燃料电池中能够有效降低燃料电池的内阻，从而提高电池的性能和放电效率。其中石墨纸具有良好的导电性能和耐腐性能，并在表面形成反应气体流动的流道；金属箔具有良好的韧性、气密性和机械性能，并在表面形成冷却剂流动的流道以及进行热传导、支撑电堆的作用；碳纤维预浸料用于粘接金属与石墨纸，具有良好的水密性，并增强石墨纸表面的韧性。

优选的，所述金属箔材质包括但不限于不锈钢、铝、钛合金等。

更优选的，所述金属箔采用403不锈钢。

在本实用新型中，所述金属箔的厚度为0.02-0.08mm，选自0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm等。当金属箔厚度低于0.02mm，其生产成本会大幅度增加，影响双极板成品的成本；当金属箔厚度高于0.08mm，会影响双极板成品的厚度，不利于电堆的小型化以及体积功率密度的提升。

在本实用新型中，所述碳纤维预浸料的厚度为0.02-0.08mm，选自0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm等。当碳纤维预浸料厚度低于0.02mm，经过模压过程形成的双极板存在漏气的风险；当碳纤维预浸料厚度高于0.08mm，会影响双极板成品的厚度及导电性，不利于电堆的小型化以及体积功率密度的提升。

在本实用新型中，所述石墨纸的厚度为0.02-0.08mm，例如0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm等。当石墨纸厚度低于0.02mm，经过模压过程形成的双极板存在是石墨破裂的风险；当石墨纸厚度高于0.08mm，会影响双极板成品的厚度，不利于电堆的小型化以及体积功率密度的提升。

在本实用新型中，石墨纸的密度为0.5-1.5g/cm³，例如，当密度低于0.5g/cm³，则石墨纸的气孔率过高，影响双极板的阻气性能；当密度高于1.5g/cm³，则石墨纸的脆性较大，在模压成型过程中易出现断裂。

优选的，在本实用新型中，所述氢单极板及氧单极板表面具有波纹状气体流道，流道形状配合模具的形状，通过模压工艺在极板表面成型。

优选的，所述氢单极板及氧单极板表面波纹状气体流道的深度范围为0.25～0.45mm。

优选的，所述氢单极板和氧单极板之间通过焊接或粘接方法结合，粘接剂包括但不限于酚醛树脂或环氧树脂等，焊接方法可采用光纤激光焊，焊缝沿氢单极板和氧单极板的密封胶线槽外沿布置。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本实用新型通过金属箔与石墨纸的结合，不仅可以降低双极板的体积与重量、降低制作工艺成本，而且还可以保证其机械性能、耐腐蚀性能和导电性能等达到使用要求，从而提高电池性能与放电效率；

2、结合燃料电池性能的要求，本发明的复合双极板厚度为0.08-0.15mm，克服了石墨双极板与传统复合双极板厚度过大(1.5-3mm)的问题，提高了燃料电池的功率密度，与金属双极板的厚度相近，并代替了金属双极板在加工过程中耗时特别长且工艺复杂的物理/化学气相沉积(PVD/CVD)工艺，减少工艺时间与成本，实现工业化流水线连续生产。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实用新型提供的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板的平面结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板的局部放大图。

其中，1-氢单极板，2-氧单极板，3-氢气流道，4-空气流道，5-冷却剂流道，6-密封胶线槽，7-焊缝，11-石墨纸，12-碳纤维预浸料，13-金属箔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1：

本实用新型提供一种超薄石墨纸-碳纤维预浸料-金属箔三层复合双极板，包括连接在一起的氢单极板和氧单极板，如图1和图2所示，氢单极板1和氧单极板2上分别设置氢气流道3、空气流道4，氢单极板和氧单极板上均设置冷却剂流道5以及密封胶线槽6；氢单极板1和氧单极板2均包括金属箔13、碳纤维预浸料12和石墨纸11，金属箔13厚度可采用0.03mm的403不锈钢板，碳纤维预浸料12可采用0.04mm的碳纤维预浸料，石墨纸11可采用0.03mm的石墨纸；氢单极板和氧单极板贴合接触的一侧为金属箔，石墨纸位于最外侧。

现有技术中，将金属箔与石墨纸粘接在一起的黏胶属于绝缘材料，影响双极板的导电性能。本专利使用具备导电性的碳纤维预浸料将金属箔与石墨纸结合在一起，省略了对金属箔进行溅射镀膜的工艺，节省大量成本与时间，且成型工艺可以加入自动化流水线生产，提高效率。

将氢单极板和氧单极板结合在一起可采用焊接或粘接方法，粘接剂包括但不限于酚醛树脂或环氧树脂等，焊接方法可采用光纤激光焊，焊缝7沿氢单极板和氧单极板的密封胶线槽6外沿布置；粘接位置为氢单极板和氧单极板接触位置。

作为典型的实施例，所述金属箔的厚度为0.02-0.08mm，例如0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm等。

所述碳纤维预浸料的厚度为0.02-0.08mm，例如0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm等。

所述石墨纸的厚度为0.02-0.08mm，例如0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm等。

石墨纸的密度范围为0.5-1.5g/cm³，例如，当密度低于0.5g/cm³，则石墨纸的气孔率过高，影响双极板的阻气性能；当密度高于1.5g/cm³，则石墨纸的脆性较大，在模压成型过程中易出现断裂。

所述氢单极板和氧单极板表面具有波纹状气体流道，构成的氢气流场和空气流场，流道形状配合模具的形状，通过模压工艺在极板表面成型。

所述氢单极板及氧单极板表面波纹状气体流道的深度范围为0.25～0.45mm。

所述金属箔材质包括但不限于不锈钢、铝、钛合金等。

实施例2：

本实施例提供复合双极板的制造方法，包括如下步骤：

(1)将金属箔、石墨纸和碳纤维预浸料粘附在一起，可采用酚醛树脂或环氧树脂等粘结剂粘附，金属箔与石墨纸位于两侧，碳纤维预浸料位于中间。

(2)将模具放置于金属箔一侧，整体放入真空袋中抽真空成型。

(3)待表面石墨纸接近成型的形状，再使用模压设备进行二次成型，减小石墨纸单次变形量过大产生破裂的现象。

(4)成型的极板放入加热炉中加热对碳纤维预浸料热固成型，温度可设置为80-160℃，加热时间一般在30-120分钟；在一个典型的实施例中，加热温度为80℃，时间设置为60分钟；

(5)用冲裁装置，分别在氧单极板和氢单极板上冲裁出氢气通道3、空气通道4和冷却剂流道5；

(6)沿氧单极板和氢单极板外框利用密封胶线槽6密封连接在一起，连接方法可以焊接或用胶粘接，氢单极板和氧单极板的金属箔的面相对，构成双极板产品。

本发明中复合双极板的厚度为0.1mm。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，包括连接在一起的氢单极板和氧单极板，氢单极板和氧单极板上分别设置氢气流道、空气流道，氢单极板和氧单极板上均设置冷却剂流道以及密封胶线槽；其特征在于，所述氢单极板和氧单极板结构均包括金属箔、碳纤维预浸料和石墨纸。

2.根据权利要求1所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，所述氢单极板和氧单极板贴合接触的一侧为金属箔，石墨纸位于最外侧。

3.根据权利要求1所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，所述金属箔材质选自不锈钢、铝、钛合金。

4.根据权利要求1所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，所述金属箔采用403不锈钢；石墨纸的密度为0.5-1.5g/cm³。

5.根据权利要求1所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，所述金属箔的厚度为0.02-0.08mm；

所述碳纤维预浸料的厚度为0.02-0.08mm；

所述石墨纸的厚度为0.02-0.08mm。

6.根据权利要求1所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，

所述金属箔的厚度选自0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm；

所述碳纤维预浸料的厚度选自0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm；

所述石墨纸的厚度选自0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm。

7.根据权利要求1所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，所述氢单极板及氧单极板表面具有波纹状气体流道。

8.根据权利要求7所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，所述氢单极板及氧单极板表面波纹状气体流道的深度范围为0.25～0.45mm。

9.根据权利要求1所述的一种超薄石墨纸-金属箔复合双极板，其特征在于，所述氢单极板和氧单极板之间通过焊接或粘接方法结合，粘接剂选自酚醛树脂或环氧树脂，焊接方法采用光纤激光焊，焊缝沿氢单极板和氧单极板的密封胶线槽外沿布置。

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