CN219156996U - 双极板及水电解装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双极板及水电解装置，所述双极板包括：基板；以及覆设在所述基板表面的涂层，所述基板朝向所述涂层的一侧具有突触结构，所述突触结构凸起设置于所述基板的表面，所述突触结构的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种，所述突触结构的材质为导电材料。本申请上述形貌的导电突触结构能够增加基板的表面积，且突触结构能够插入与双极板接触的金属毡内部进行嵌入，起到一定的钉轧效果，增加基板与金属毡的接触面积，形成多个导电触点，降低欧姆阻抗，提高基板的电导率，能够满足双极板的高导电性要求。

Description

双极板及水电解装置

技术领域

本申请属于质子交换膜电解槽双极板技术领域，具体涉及一种双极板及水电解装置。

背景技术

氢能以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视作最理想的能源载体。电解水制氢是目前获得纯氢最简单的方法，如果将其与可再生资源发电技术相结合，电解水可以作为大规模制氢技术，对环境的污染小、温室气体排放少、经济性较好，具有良好的应用前景。质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)水电解技术受到越来越多的关注。PEM水电解装置由于其高能效、高产气纯度以及小型、轻量而具有广阔的应用前景，PEM水电解装置的关键技术是电解槽，它的性能参数直接影响水电解制氢的效果。电解槽主要由阴极板、阳极板、膜电极、阴极集电器和阳极集电器等构成，其中阴阳极板(均称之为双极板)为PEM电解槽提供电、热、气、流传输媒介，并保障PEM电解槽运行寿命，是PEM电解槽核心部件。

由于PEM电解槽电压较燃料电池高，其需要极高的抗氧化性能和导电性能，现有的双极板一般通过设置贵金属涂层的方式提升双极板的导电性能，但是，贵金属价格昂贵，且对于双极板的导电性性能提升有限，因此，现在急需一种高导电性的双极板。

实用新型内容

为了克服现有的双极板存在的不足，本申请提供了一种双极板及水电解装置，该双极板无需设置额外的涂层结构，能够大大提升双极板的导电性能。

第一方面，本申请提供了一种双极板，包括：

基板；

以及覆设在所述基板表面的涂层，所述基板朝向所述涂层的一侧具有突触结构，所述突触结构凸起设置于所述基板的表面，所述突触结构的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种，所述突触结构的材质为导电材料。

第二方面，本申请提供一种水电解装置，所述水电解装置包括第一方面所述的双极板。

与现有技术相比，本申请具备如下有益效果：

本申请的基板朝向涂层的一侧具有突触结构，且突触结构具有一定的导电性，突触结构的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种，上述特定形貌的导电突触结构能够增加基板的表面积，且突触结构能够插入与双极板接触的金属毡内部进行嵌入，起到一定的钉轧效果，增加基板与金属毡的接触面积，形成多个导电触点，降低欧姆阻抗，提高基板的电导率，能够满足双极板的高导电性要求。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请双极板的侧视结构图；

图2为本申请基板、真空吸盘和移载台的结构示意图；

图3为本申请采用X轴脉冲激光器对基板处理之后的结构示意图；

图4为本申请采用Y轴脉冲激光器对基板处理之后的结构示意图；

图5为本申请脉冲激光处理之后的基板的侧视结构图。

图中：

1-基板；

2-涂层；

3-突触结构；

4-移载台；

5-真空吸盘；

6-第一脉冲激光器；

7-第一激光烧蚀槽；

8-第二脉冲激光器；

9-第二激光烧蚀槽。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请提供一种双极板，如图1所示，为本申请双极板的侧视图，双极板包括：

基板1；

以及覆设在基板1表面的涂层2，基板1朝向涂层2的一侧设有突触结构3，突触结构3凸起设置于基板1的表面，突触结构3的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种，突触结构3的材质为导电材料。

在上述方案中，本申请的基板1朝向涂层的一侧具有突触结构3，且突触结构3具有一定的导电性，突触结构3的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种，上述特定形貌的导电突触结构3能够增加基板1的表面积，且突触结构3能够插入与双极板接触的金属毡(金属毡在附图中未示出)内部进行嵌入，起到一定的钉轧效果，增加基板1与金属毡的接触面积，形成多个导电触点，降低欧姆阻抗，提高基板1的电导率，能够满足双极板的高导电性要求。

在一些实施方式中，当突触结构3的形貌为棱锥状时，可以是三棱锥、四棱锥和无棱锥等，本申请对此不做限制。

在一些实施方式中，涂层2的材质可以采用微米级氧化钌、铂和金等贵金属，以提高双极板的使用寿命，当然还可以是采用镍、铊和铌等非贵金属的氧化物，以提高双极板的导电性和耐腐蚀性。

需要说明的是，图1仅以棱锥状突触结构3为例对本申请的双极板进行了示意，并不对突触结构3的具体形状进行限定，在本实用新型的一些其他实施例中，突触结构3的形状还可体现为圆锥状、圆柱状等不同于矩形的其它形状。另外，图1仅对双极板中的基板1、涂层2及突触结构3的相对位置关系进行了示意，并不代表各膜层的实际尺寸。

在一些实施方式中，导电材料为金属和炭质材料中的任意一种，可以理解的，突触结构3的材质可以是金属，还可以是炭质材料，当然还可以一部分的突触结构为金属、一部分的突触结构为炭质材料。示例性的，金属为铝、镍、钛及不锈钢中的任意一种，金属材质的双极板具有易加工、可批量制造、成本低、厚度薄以及电池的体积比功率与比能量高的优点。炭质材料为石墨、模压炭材料和膨胀(柔性)石墨中的任意一种。

在一些实施方式中，基板1的材质为金属和炭质材料中的任意一种。可以理解，基板1和突触结构3可以选择相同的材质制备，也可以选择不同的材质制备，本申请中，基板1与突触结构3选择相同的材质。

在一些实施方式中，突触结构3设置有多个，相邻突触结构3之间的间距为5μm～30μm，具体的，相邻突触结构3之间的间距为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm和30μm等，在上述范围内，得到的基板1具有优异的疏水性能，能够降低双极板在使用过程中与液体(例如水)的接触，以提高双极板的耐腐蚀性能。可以理解的，相邻突触结构3之间的间距指的是相邻突触结构3之间的最小间距。

在一些实施方式中，突触结构3的高度为5μm～20μm，具体的，突触结构的高度可以是5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm和20μm等，在上述范围内，有利于基板1与金属毡的钉扎嵌入，从而提高基板1表面突触与金属毡接触的有效面积，进而降低接触电阻，提高双极板在使用过程中与金属毡的界面导电性。

在一些实施方式中，突触结构3在基板1上的正投影的面积为25πμm²～100πμm²，具体的，突触结构3在基板1上的正投影的面积可以是25πμm²、30πμm²、40πμm²、50πμm²、60πμm²、70πμm²、80πμm²、90πμm²和100πμm²等，可以理解，突触结构3在基板1上的正投影的面积中暗含了突触结构3的底面积，上述范围内，表明本申请的突触结构的尺寸与金属毡的表明孔隙相匹配，从而有利于金属突触刺入金属毡内部。在一些实施例中，当突触结构3的形貌为圆柱状、圆锥状时，突触结构3的底面为圆形，圆形的直径为5μm～10μm，具体的，圆形的直径例如可以是5μm、6μm、7μm、8μm、9μm和10μm等。

在一些实施方式中，基板1朝向涂层2的一侧为粗糙面，粗糙面的粗糙度为5μm～20μm，具体的，粗糙面的粗糙度例如可以是5μm、8μm、10μm、12μm、15μm和20μm等，将粗糙面的粗糙度控制在上述范围内，有利于涂层2与基板1的接触和结合，降低双极板使用过程中基板1与涂层2的剥落风险。

在一些实施方式中，基板1与金属毡的接触电阻为1mΩcm²～10mΩcm²，具体的，基板1与金属毡的接触电阻可以是1mΩcm²、3mΩcm²、5mΩcm²、7mΩcm²和10mΩcm²等。

在一些实施方式中，基板1与涂层2之间的结合强度为10N/mm2～20N/mm2，具体的，基板1与涂层2之间的结合强度可以是10N/mm2、13N/mm2、15N/mm2、18N/mm2和20N/mm2等。

本申请的基板1具有较低的接触电阻以及具有优异的结合力，能够提高双极板用于电解槽的整体使用性能。

在一些实施方式中，突触结构3均匀分布在基板1的表面，有利于突触结构3与金属毡的嵌入，避免出现突触结构3应力不均使得突触结构3与金属毡形成的导电触点出现接触不良的问题。

在一些实施方式中，涂层2的厚度为纳米级别(即为本领域常规的厚度尺寸)，相比于涂层2的厚度，本申请突触结构3的高度较高，涂层2的附着几乎不会对突触结构3的导电性产生负面的影响。

本申请实施例还提供上述双极板的制备方法，包括如下步骤：

提供基板1；

在基板1的表面进行改性处理，使得基板1的表面形成突触结构3，突触结构3凸起设置于基板1的表面，改性处理为激光脉冲处理，突触结构3的材质为导电材料，突触结构3的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种；

在基板1朝向突触结构3的一侧涂覆涂料得到涂层2，得到双极板。

在上述方案中，本申请通过对基板1表面进行激光脉冲处理，通过脉冲激光能量高的优点将对应位置的基板1瞬间汽化，形成烧蚀凹槽，而在基板1表面未处理的区域形成具有一定导电性的特定形貌的突触结构3，上述突触结构3能够增加基板1的表面积，且突触结构3能够插入与双极板接触的金属毡内部进行嵌入，起到一定的钉轧效果，增加基板1与金属毡的接触面积，形成多个导电触点，降低欧姆阻抗，提高基板1的电导率。本申请基板1与突触结构3来源于相同的物料，其能够保证导电通道的完整性，能够满足双极板的高导电性要求。本申请中，激光脉冲处理具有快速加工和高能量冲击的特性，能够提高双极板的加工效率，且能够快速成型得到突触结构3。

本申请中，在基板1的表面进行改性处理，使得基板1的表面形成突触结构3，因而突触结构3和基板1为一体化结构，保证了双极板的强度。

下面对于本申请的制备方法做详细的解释说明。

步骤S100、提供基板1。

在一些实施方式中，基板1的材质为金属或炭质材料，示例性的，基板1的材质包括但不限于不锈钢，钛合金及其复合基材等。

在一些实施方式中，由于基板1在生产及加工过程中存在变形，需要对基板1进行预处理，使得基板1进行改性处理的表面平整，预处理包括但不限于酸氧化、电解抛光、碱液清洗等方法对基板1进行表面油污清洗。

步骤S200、在基板1的表面进行改性处理。

在一些实施方式中，改性处理为脉冲激光处理，激本申请的脉冲激光处理相比于焊接和刻蚀形成导电的突触结构3而言，光脉冲处理具有快速加工和高能量冲击的特性在基板1表面快速成型得到突触结构3，能够提高双极板的加工效率的同时具有较高的加工精度，使得突触结构3的尺寸在微米级别，从而能够与金属毡的表面孔隙相匹配。采用刻蚀或焊接方法获得的突触结构3，其精度不够，且尺寸较大，无法有效提升基板1的导电性能。

在一些实施方式中，脉冲激光处理的功率为150W～200W，具体的，脉冲激光处理的功率可以是150W、160W、170W、180W、190W和200W等，在上述范围内，可通过调整脉冲激光处理的功率控制基板1表面突触结构3的高度，进而控制突触结构插入金属毡的深度，进而对双极板的导电率进行可控调节。

在一些实施方式中，脉冲激光处理的激光为纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光中的任意一种。

在一些实施方式中，脉冲激光处理采用设备为脉冲激光器，具体步骤工艺为:

(1)如图2所示，采用带有真空吸盘5的移载台4进行移载或固定基板1。在一些实施方式中，可以通过带有真空吸盘5的移载台4将基板1牢牢固定及移载，避免基板1在加工过程中产生第一方向位移影响激光效果。第一方向为垂直于基板1所在平面的方向，如图2所述，第一方向可以是Z轴方向。

(2)如图3所示，采用第一脉冲激光器6沿第二方向进行激光处理，得到表面具有沿第二方向的第一激光烧蚀槽7的基板1。

(3)如图4所示，采用第二脉冲激光器8沿第三方向进行激光处理，得到表面具有沿第三方向的第二激光烧蚀槽9的基板1，其中，未进行激光处理的区域形成突触结构3，其结构示意图如图5所示，突触结构3在脉冲激光器未处理的区域形成凸起于基板1表面的凸起，突触结构3的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种。

上述步骤中，如图3和图4示，第二方向与第三方向相互垂直，且第二方向与第三方向构成的平面与基板1所在平面相互平行，以保证能够形成突触结构3。可以理解的，第二方向可以有无数个，根据第二方向的不同，使得突触结构3的位置有所不同，得到不同位置突触结构3的基板1，均能够提高基板1的导电性。示例性的，第二方向为X轴方向，第三方向为Y轴方向。

在一些实施方式中，可以通过调整脉冲激光中激光源的间距控制突触结构3在基板1上的正投影面积，可以根据客户需求进行尺寸的变更，此外，还可以通过调整脉冲激光处理的功率调整突触结构3的高度，从而与不同尺寸的金属毡相互匹配。

在一些实施方式中，本申请的脉冲激光处理工艺无需单独对基板1板脊位置进行加工，而是对整面基板1进行烧蚀，减少了遮挡其他位置带来的额外工序。且使用整板表面处理的方式可以增加金属极板表面粗糙度，提高后续基板1与涂层2的结合力，降低在电解槽使用时产生涂层2脱落的风险。

在一些实施方式中，本申请的脉冲激光处理可实现自动化和连续化的生产模式，如图4和图5所示，可以通过采用两个激光器的方式分别沿基板1表面的X轴方向和Y轴方向进行加工，在实际制造过程中可以有效提高生产效率，满足自动化产能需求。

步骤S300、在基板1朝向突触结构3的一侧涂覆涂料，得到双极板，双基板1的侧视图如图1所示。

由于对基板1进行脉冲激光处理之后再进行涂覆涂料，脉冲激光处理会使得基板1的表面产生毛化作用，使得基板1与涂层2的结合效果更好，在电解槽使用时降低涂层2剥落的可能性。

在一些实施方式中，涂料为微米级氧化钌、铂和金等贵金属等材料，以提高双极板的使用寿命，当然还可以是采用镍、铊和铌等非贵金属的氧化物材料，以提高双极板的导电性和耐腐蚀性。

在一些实施方式中，涂覆涂料的方式包括但不限于喷涂、磁控溅射和沉积等工艺，当然还可以是本领域其他涂覆工艺，本申请在此不作限制。

在一些实施方式中，在基板1朝向突触结构3的一侧涂覆涂料得到的涂层2厚度为纳米级涂层，涂层厚度较低不会影响突触结构的实际效果。

在一些实施方式中，本申请还提供一种水电解装置，水电解装置包括PEM电解槽，PEM电解槽包括上述的双极板。

在一些实施方式中，PEM电解槽主要由阴极板、阳极板、膜电极、阴极集电器和阳极集电器等构成，其中，阴极板、阳极板可以是本申请的双极板，金属毡处于阴极板和膜电极、阳极板和膜电极之间起到提供传质及供氢气产生支点的作用。将本申请的双极板应用在电解槽中，使得电解槽在使用过程中，双极板的突触结构能够插入金属毡中，增加双极板与金属毡的接触面积，降低接触电阻，增加双极板与电解槽的界面导电性，从而提升了电解槽的使用效率。

实施例1

(1)将不锈钢基板固定在带有真空吸盘的移载台上，利用移载台进行移动。

(2)采用X轴脉冲激光烧蚀器对基板表面沿X轴方向进行烧蚀，X轴脉冲激光烧蚀器中平行激光的间隙为16μm。

(3)采用Y轴脉冲激光烧蚀器对基板沿Y轴方向进行烧蚀，Y轴脉冲激光烧蚀器中平行激光的间隙为16μm。

(4)在通入氩气和氧气氛围下溅射氧化钌靶材，沉积时间为20min、沉积气压为0.1Pa，沉积物浓度为500℃，得到双极板。

实施例2

与实施例1不同的是，步骤(2)和步骤(3)中脉冲激光烧蚀器中平行激光的间隙为10μm。

实施例3

与实施例1不同的是，步骤(2)和步骤(3)中脉冲激光烧蚀器中平行激光的间隙为15μm。

实施例4

与实施例1不同的是，步骤(2)和步骤(3)中脉冲激光烧蚀器中平行激光的间隙为4μm。

实施例5

与实施例1不同的是，步骤(2)和步骤(3)中脉冲激光烧蚀器中平行激光的间隙为22μm。

对比例1

与实施例1不同的是，直接在基板上溅射氧化钌靶材，得到双极板。

对比例2

与实施例1不同的是，直接采用HF溶液对不锈钢基板进行刻蚀，再在基板上溅射氧化钌靶材，得到双极板。

性能测试

(1)采用超景深测试突触结构的高度、底面积和间距。

(2)采用超景深测试基板表面的粗糙度。

(3)采用接触电阻测试法测试双极板的电导率。

(4)采用剥落试验方法测试双极板的结合强度。

测试结果如表1所示。

表1.各实施例和对比例制备的双极板的性能参数

由表1数据可知：本申请通过PEM电解槽内部双极板的基板进行表面改性，通过脉冲激光能量高的优点将处理区域的基板瞬间汽化，形成烧蚀凹槽的特点，在基板表面利用X,Y方向的分别烧蚀，从而在基板表面形成突触结构，利用该方法可将突触结构的高度控制在5μm～20μm，突触结构在基板上的正投影面积为25πμm²～100πμm²，使得PEM电解槽在使用时突触结构能够插入金属毡内部，增加双极板与金属毡的界面导电性。且由于激光加工在基板表面的毛化作用，使得基板与后续基板表面设置的涂层的结合效果更好，在电解槽使用时降低金属涂层剥落的可能性。

对比例1中未对基板表面进行改性处理，无法制备突触结构。

对比例2中利用化学加工方法对基板表面进行处理，能够得到类似于本申请的突触结构，但是其形貌不清楚，突触结构之间的间距和高度均较小，导致突触结构无法与金属毡进行良好的嵌入，双极板与金属毡的界面导电性较小。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域的技术人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双极板，其特征在于，

基板；

以及覆设在所述基板表面的涂层，所述基板朝向所述涂层的一侧具有激光处理形成的突触结构，所述突触结构凸起设置于所述基板的表面，所述突触结构的形貌为圆锥状、棱锥状和圆柱状中的任意一种，所述突触结构的材质为导电材料，所述突触结构设置有多个，相邻所述突触结构之间的间距为5μm～30μm，所述突触结构的高度为5μm～20μm。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述导电材料为金属或炭质材料。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述基板的材质为金属或炭质材料。

4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述突触结构在所述基板上的正投影的面积为25πμm²～100πμm²。

5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述基板朝向所述涂层的一侧为粗糙面，所述粗糙面的粗糙度为5μm～20μm。

6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述基板与所述涂层之间的结合强度为10N/mm²～20N/mm²。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述突触结构与所述基板为一体化结构。

8.一种水电解装置，其特征在于，所述水电解装置包括权利要求1～7任一项所述的双极板。

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