[發明專利]聚合物電解質膜燃料電池塊狀金屬玻璃雙極板及其制法

無效

• 申請號: 201110361563.X
• 申請日: 2011-11-15
• 公開（公告）號: CN102364738A
• 公開（公告）日: 2012-02-29
• 發明（設計）人: 田如錦
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 賈漢生

技術領域

本發明屬于燃料電池電極技術領域。特別涉及聚合物電解質膜燃料電池的 雙極板。

背景技術

除了具有能量轉化效率高、壽命長、環境友好等特點，聚合物電解質膜燃 料電池因其工作溫度低、啟動快而作為交通運輸和建設分散電站的動力源，是 一種軍民通用的可移動電源。然而，高成本、重量和體積等因素在很大程度上 限制了聚合物電解質膜燃料電池的大規模商業化應用。因此，降低成本已經成 為各國政府和研究者的關注熱點。

雙極板是聚合物電解質膜燃料電池中重要的多功能組件之一，不僅具有分 隔反應氣體、集流導電、支撐膜電極和導熱作用，還能通過與流場板結合為反 應氣體提供通道以便使其分布均勻，并將生成的水排出。石墨具有良好的導電 性和化學穩定性，一直被認為是理想的聚合物電解質膜燃料電池雙極板材料。 但其脆性大、強度低難以制備低重量、低體積的燃料電池組。此外，通過機加 工方式在表面各種流場的工藝耗時且費用高，從而導致石墨板的成本約占質子 交換膜燃料電池成本的80％。金屬材料因良好的強韌性、導電性和氣密性有潛力 代替石墨。金屬不僅可以加工成厚度為0.1～0.3mm的薄板，還可以采用機械加 工和沖壓的方法加工成各種流場板，更適合于大批量生產，進而大幅度提高聚 合物電解質膜燃料電池的質量比功率和體積比功率。目前采用的金屬雙極板材 料有鐵基合金、鎳基合金和鋁、鈦及其合金等。

在聚合物電解質膜燃料電池運行的過程中，由于質子交換膜的部分降解和 電極的特有制備工藝導致工作環境中含有SO₄^2-、SO₃^2-、CO₃^2-、HSO₄^-和HSO₃^-等離子^[1]。因此，金屬雙極板不可避免地要發生電化學腐蝕。盡管金屬雙極板 表面生成的鈍化的氧化物層可以抑制金屬的進一步腐蝕，同時也引起了難以滿 足實際要求的高表面接觸電阻^[2-4]。所有這些因素勢必會造成一些電能的消耗和 燃料電池組總效率的降低，從而降低電池組的性能和功率輸出。為此，通過表 面改性技術來提高其表面導電性和耐蝕性對金屬雙極板的制備和生產具有重要 的意義，也必將對聚合物電解質膜燃料電池的發展和廣泛應用產生深遠的影響。 貴金屬涂層因其成本高而不適于生產低成本的電池組。采用PVD^[5-10]、CVD^[11-13]和電鍍^[14，15]等不同的方法制備的氮化物和氧化物涂層則因其制備工藝的限制而 生成難以避免的微孔和微裂紋等缺陷會因為局部腐蝕而剝落，從而引起聚合物 電解質膜燃料電池的使用壽命降低。到目前為止，還沒有一種通過表面處理的 金屬雙極板得以大規模的市場應用。因此，發展低成本、高表面導電性和良好 耐蝕性的雙極板是聚合物電解質膜燃料電池的必然趨勢，也必將對聚合物電解 質膜燃料電池的商業化進程產生重要的影響。

參考文獻

[1]Li?Y，Meng?W，Swathirajan?S，Harris?S，et?al.US?Patent?5624769，20?April 1997.

[2]Scholta?J，Rohland?B，Garche?J.Proceedings?of?the?Second?International? Symposium?on?New?Materials?for?Fuel?Cell?and?Modern?Battery?Systems，Ecole? Polytechnique?de?Montreal，Canada，1997，p330-334.

[3]Davies?D?P，Adcock?P?L，Turpin?M，et?al.J.Appl.Electrochem.2000，30： 101-105.

[4]Hentall?P?L，Barry?L，Mepsted?Gary?O.J.Power?Sources?1999，80：235-241.

[5]Ma?L，Warthesen?S，Shores?D?A.J.New?Mater.Electrochem.Syst.2000，3： 221-228.