[發明專利]用于微型燃料電池的復合雙極板及其制備方法

無效

• 申請號: 200710015794.9
• 申請日: 2007-06-05
• 公開（公告）號: CN101071871A
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發明（設計）人: 蘭紅波;丁玉成
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 濟南圣達專利商標事務所
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種微型燃料的雙極板，尤其涉及一種用于微型燃料電池的復合雙極板及其制備方法。

背景技術

微型燃料電池(Micro?Fuel?Cell，μFC)以其能量轉化效率高、比能量高、環保、啟動迅速、重量輕、體積小、結構簡單等優點，已經成為當前微型電池和微能源的最佳選擇。在各類便攜式電子產品和MEMS系統中有著極其廣闊的應用前景。雙極板(集流板、流場板，BipolarPlates，BPPs)是微型燃料電池的關鍵部件之一，它對微型燃料電池的性能、體積、壽命、成本、微型化和輕量化起著極為重要的作用。

目前，微型燃料電池用雙極板面臨的最大挑戰是：低成本、微型化和高性能?，F有的微型燃料電池雙極板的流場一般由一系列按照一定規律排列的微溝道組成，微溝道的特征尺寸已經達到亞微米至幾十微米數量級，處于微細加工的范圍內，常規雙極板的制備方法(模壓成型、沖壓成型、注射成型、擠出一注射成型、預制體成型、“Slurry?Moulding”和機械加工等)已經無法滿足微型燃料電池雙極板制作工藝要求。目前制作微型燃料電池的雙極板主要采用微銑削加工、MEMS、激光微加工等微細加工工藝。微銑削和激光微加工技術都是傳統加工技術的微型化，能加工出精度在幾十微米的微結構。但它的加工效率較低，生產成本高，而且難以實現變截面溝道的加工，隨著微溝道特征尺寸進入亞微米級，其制作成本越來越高，效率越來越低，無法滿足產業化的要求。近年來采用MEMS硅微工藝制備微型燃料電池的雙極板已經逐漸成為共識。Yamazaki、Yao、Motokawa、Liu和Xiao等人分別開展了采用MEMS工藝(光刻、濕法刻蝕、等離子體刻蝕、LPCVD、濺射、體/表面微加工等)制備硅基微型燃料電池的研究，并且已經被證實是一種行之有效的制備方法。因此，目前微型燃料電池的雙極板主要是以硅基為主，其制備采用MEMS工藝。硅基雙極板的MEMS制備方法具有下列優點：1)與IC工藝的良好兼容性；2)有效減小微型燃料電池的特征尺寸；3)改善了電池性能，提高體積比功率；4)適合批量制作等。但硅基雙極板微型燃料電池存在以下問題：一是生產制作成本高；二是無法實現真三維微溝道的制備(國內外有關雙極板流場的研究已經證實，與現有的矩形、梯形或三角形截面溝道相比，曲線型截面溝道的雙極板有著更好的性能，曲線型截面溝道是一種真三維微結構)；三是高接觸電阻(目前是一個尚未很好解決的國際技術難題)。這限制了微型燃料電池性能的提高，制約了微型燃料電池產業化的進程。

因此，有必要探索新的適合于微型燃料電池低雙極板及其制備的技術。與硅基微型燃料電池的雙極板相比，以聚合物為基體的微型燃料電池復合雙極板具有更良好的性能：1)容易制備；2)良好的粘附性；3)減小質子交換膜和電極的阻力；4)無需對硅襯底進行刻蝕，簡化了工藝；5)生產制作成本低；6)相對于硅基，聚合物基體硬度較小，具有一定的柔塑性，能夠與膜電極組緊密接觸，因此，降低它的接觸電阻，為克服硅基雙極板高接觸電阻國際技術難題提供一種新的研究思路。

雙極板在流場結構形式(如平行溝槽流場、蛇行流場、叉指狀流場、點狀流場、網狀流場、波紋板流場、多孔體流場等)確定的情況下，其溝道(流道)的截面形狀和特征尺寸對于微型燃料電池的性能有著重要的影響。雙極板溝道的典型截面形狀有矩形、梯形、三角形、U型、半圓形、變截面型和曲線型等。流場溝道有三個特征尺寸：即溝道寬度、溝脊寬度和溝道深度。國內外有關雙極板流場的研究已經證實：與現有的矩形、梯形或三角形溝道截面形狀相比，曲線型截面溝道(特別是變截面)雙極板有著更好的性能：1)在相同過流斷面的情況下，曲線型截面溝道的流動阻力比矩形截面溝道的流動阻力小，壓降小；2)電池反應生成的水在表面張力和摩擦力的作用下，容易在溝道底部的交角處形成水珠滯留，曲線型截面溝道底部光滑無交角，有利于水珠的及時排出，減少“淹沒”現象的出現，提高電池的性能；3)在相同開孔率的情況下，電流流通截面面積大，因而電阻小。4)單位面積板上開孔率大，可提高擴散效率和燃料電池性能。因此，與現有的矩形、梯形或三角形溝道截面形狀相比，曲線型截面溝道雙極板有著更好的性能。曲線型截面溝道是一種大面積真三維微結構。常規硅微工藝一般只能形成二維平面結構或準三維微結構，難以加工出真三維微結構，低成本制作真三維微結構目前仍然是微細加工一個技術難點。因此，迫切需要開發低成本制作大面積三維微結構新工藝，以滿足微型燃料電池雙極板制備工藝的要求。

發明內容