[發明專利]雙極板,制備雙極板的方法以及PEM燃料電池

無效

• 申請號: 200710185763.8
• 申請日: 2007-11-30
• 公開（公告）號: CN101453025A
• 公開（公告）日: 2009-06-10
• 發明（設計）人: S·阿爾托;P·考拉南;J·伊霍南;P·科索南
• 申請（專利權）人: 芬蘭技術研究中心
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M8/10;H01M4/88
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 周 鐵;韋欣華

技術領域

本發明涉及雙極板，制備雙極板的方法以及使用所述雙極板的燃料電池。

背景技術

雙極板是PEM(Proton?Exchange?Membrane，質子交換膜，也稱為聚合體電解質膜)燃料電池堆內部的多功能組件。它尤其是將單獨的燃料電池串聯連接并分離從而形成具有所需電壓的燃料電池堆，幫助燃料氣體和氧氣在膜電極組件的整個活性表面區域上均勻分配，將電流從一個電池的陽極傳到下一個電池的陰極，促進電池內部的水管理，支持薄的膜和電極以及承受電池堆組裝體的閉合力。

在燃料電池中，金屬雙極板、碳雙極板以及碳復合材料雙極板通常被用作雙級板。金屬因為其固有的傳導性以及易加工特性而被選用。然而，燃料電池內部眾多相互影響的化學物質以及反應中產生的水帶來導致金屬腐蝕等諸多問題。碳雙極板的缺點在于它的高生產成本和低機械強度。

由于生產技術的問題，雙極板占到現有PEM燃料電池生產成本的約25％。雙極板同時構成PEM燃料電池堆的大部分重量。因而，迫切需要更劃算的材料以及生產工藝來降低雙極板的成本。

此外，將燃料電池的溫度從現在的80℃提高到120-150℃是PEM燃料電池發展中的一個主要趨勢，其提高電池的CO耐受性(對催化劑中毒的敏感性降低)和電池堆的熱量排除(在汽車應用中尤其重要)。由石墨制成的雙極板通常用于操作溫度為150℃左右的PEM燃料電池中。

聚合物合成材料可以緩解一些與重量和體積相關的問題，因而降低燃料電池堆的成本。已經開發出各種復合材料雙極板，這些復合材料雙極板最通常通過填充了例如石墨粉末的導電微粒的聚合物基體(熱塑性和熱固性樹脂)的壓縮模制(compression?moulding)來制備。因為大部分聚合物具有極低的導電性，所以必須加入過多的導電填充物，這樣就導致了被填充的聚合物的高粘度，因此導致其很難加工。換言之，碳復合材料雙極板的一個問題就是低導電性。

上述提及的復合材料雙極板的另外一個問題是儲存穩定性不足。胺常被用作復合雙極配混物中的固化劑，在成分混合期間其就已被激活。另外，常規復合材料雙極板材料在高操作溫度下不穩定。

為了成本有效的大規模生產雙極板，生產過程必須在很短的循環時間內完成。而且，模制組合物要具有高潛伏期(latency)來實現這種性質狀態。

發明內容

本發明的目的是為PEM燃料電池雙極板提供一種新的碳填充的復合材料，其中使上述現有技術中存在的問題基本上得以避免。更確切的，目標是提供一種不含溶劑、貯藏穩定、固化迅速的具有高熱穩定性和導電性的環氧樹脂體系，該體系可以通過有效的方法制得，尤其是可通過用于制備環氧模制組合物的一般方法制得。

根據本發明，提供了一種雙極板，它由含有至少一種環氧樹脂、石墨填充物以及作為環氧樹脂固化劑的金屬胺絡合物的組合物制成。

本發明的雙極板尤其適用于PEM燃料電池。

本發明進一步提供了雙極板的制備方法，該方法包括制備包括至少一種環氧樹脂、石墨填充物以及作為環氧樹脂固化劑的金屬胺絡合物的雙極板組合物，以及在適當的條件下將該組合物模制成雙極板。

本發明是由石墨環氧配混物制得的雙極板，該配混物基于低粘度的環氧樹脂、熱激活的潛在金屬胺絡合物固化劑(heat?activated?latent?metal?amine?complexcuring?agent)以及高填充量的石墨填充物。環氧體系的低粘度提供了石墨粉末的高填充度。優選的，以組合物體積計算，填充度為70-90％。不需要用來降低環氧體系粘度的任何溶劑，環氧體系中的所有成分都參予到交聯反應中。石墨填充物的高填充量為所制得的雙極板提供了良好的耐熱性和導電性。

優選的環氧樹脂固化劑是潛在的并且熱激活的金屬胺絡合物固化劑。潛在固化劑是允許配制單一部分的自身穩定環氧樹脂體系的一類化合物。首選的金屬胺絡合物是三氯化硼單乙胺絡合物(BCl₃-MEA)，該絡合物僅用來固化環氧樹脂。BCl₃-MEA在室溫下是潛在的，只有在升高的溫度下才被激活。固化將在120℃的溫度開始，但本發明所述環氧體系在120-190℃，優選170-190℃的溫度下固化。

本發明所述的雙極板組合物是一種在PEM燃料電池環境中化學和物理穩定的材料。由本發明的組合物制成的雙極板可以在-20℃到160℃的燃料電池溫度下使用，也就是在低溫和高溫燃料電池應用中都可以使用。它們特別適用于高操作溫度，例如120-160℃的操作溫度。因為這一點，它們同樣適用于汽車應用中。