[發明專利]一種PEM燃料電池復合雙極板及其制備方法

有效

• 申請號: 201410021214.7
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103746131A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 吳海華;黃川;劉富林;李廳
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

技術領域

本發明公開了一種PEM燃料電池復合雙極板及其制造方法，屬于燃料電池雙極板材料與制造技術領域。

背景技術

雙極板作為PEM燃料電池雙極板的關鍵部件之一，具有支撐膜電極、運輸燃料、分隔反應氣體、收集并傳導電流的作用，同時還擔負起整個電池的排水和散熱功能。

無孔石墨雙極板是最早的雙極板材料，具有良好的導電性和耐腐蝕性能，但其質脆、機械強度低，需做到5~6mm厚才能保證機械強度，這增加了雙極板體積和重量，不利于燃料電池的輕量化；為了提高其氣密性和導電性，這種雙極板需要多次浸漬和石墨化處理，且其氣體流道機加工工藝過程復雜、耗時、費用高，不利于商業化生產。

金屬雙極板具有優良的導電性、抗彎強度、氣密性，而且成本較低，表面氣體流場可以通過機加工、蝕刻獲得，便于大批量制造。但金屬材料雙極板的耐腐蝕性差，在酸性環境中極易腐蝕產生鈍化和電離，這增加了雙極板的接觸電阻；更為糟糕的是產生的金屬離子擴散到膜電極中，將使催化劑中毒，影響整個電池堆的能量輸出。因此，如何低成本地制備金屬雙極板耐腐蝕涂層并保證其導電性能不變是亟待解決的關鍵性技術難題。

研究表明，石墨/有機物復合雙極板已成為PEM燃料電池雙極板的主流，但目前存在的主要問題是如何使石墨/有機物復合雙極板同時兼具高導電率和高抗彎強度。這是因為由于不導電的有機物加入，降低了復合雙極板的導電性，增加石墨摻雜顆粒數量可以提高其導電能力，但過多的石墨顆粒會對復合雙極板的抗彎強度產生不利影響。因此，如何協調兩者之間比例關系是技術難點。

目前，用于制造石墨/有機物復合雙極板的方法主要有：模壓成形、注射成形或擠出成形。無論采取上述哪種方法，混料是不可或缺的一個工藝環節，目前混料方法主要有干混法和濕混法兩種。干混法難以將導電顆粒和有機物粉末混合均勻，注射成形或擠出成形時會破壞原有的分散效果，導電顆粒只是雜亂無章地、孤立地存在于有機物中，未形成良好的導電通道，為了獲得三維導電網絡、保證復合雙極板的導電性，常需要加入更多的導電顆粒（一般為70~80wt%）才能實現這一目標，這進一步增加粉料混合難度，無法保證復合雙極板的抗彎強度。濕混法對導電顆粒的分散效果雖優于干混法，但其未完全解決導電顆粒混合均勻性問題，導電顆粒仍是毫無規律地存在于有機物中，同樣需要加入一定數量，才能保證復合雙極板的導電性能。由于需要更多的能量和更長時間才能去除原溶液中的溶劑，這直接影響復合雙極板成型效率和生產成本，此外，溶劑在緩慢揮發過程中在復合雙極板內部留下許多細小的孔洞，這會增加模壓或擠壓成形工藝難度，也會對復合雙極板的氣密性和抗彎強度產生不利影響。

因此，對于PEM燃料電池復合雙極板，迫切需要一種全新的設計和制造方法，以協調其導電性能和抗彎強度之間的矛盾，保證氣密性，兼顧復合雙極板生產效率和成本。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種PEM燃料電池復合雙極板，以協調雙極板導電性能和抗彎強度之間的矛盾，保證氣密性，同時兼顧復合雙極板生產效率和成本。

本發明是這樣實現上述目的的：一種PEM燃料電池復合雙極板，包括上、下表層和多個層板單元預制體，其中，上、下表層上分布氣體流道，上、下表層間設置有n個層板單元預制體。

所述的層板單元預制體上包覆有有機物薄膜，有機物薄膜上嵌有導電顆粒，相鄰的層板單元預制體上的導電顆粒有一個或多個重疊區域，進一步相鄰的層板單元預制體上導電顆粒為部分重疊，形成一條或多條曲折的導電通路，所述的層板單元預制體是在外加氣壓作用下，導電顆粒嵌在有機物薄膜上，經干燥、加熱后獲得的。

所述的上、下表層材料為蠕蟲石墨經可溶性樹脂浸漬后干燥而成，所述的可溶性樹脂經有機溶劑溶解。其中可溶性樹脂包括酚醛樹脂、環氧樹脂、聚氯乙烯中的一種，有機溶劑為無水乙醇、丙酮、環己烷中的一種或多種。

所述的導電顆粒是鱗片石墨片、微晶石墨片、鋁粉、銅粉中的一種或幾種組合。

所述的有機物薄膜為可溶性樹脂經高速旋轉后制得，其中有機物薄膜厚度為0.01~0.2mm，所述的可溶性樹脂經有機溶劑溶解。

所述的可溶性樹脂包括酚醛樹脂、環氧樹脂、聚氯乙烯中的一種，有機溶劑為無水乙醇、丙酮、環己烷中的一種或多種。

依次將下表層材料、多個層板單元預制體、上表層鋪疊在帶有氣體通道結構的金屬模具中經一次熱模壓和二次真空模壓，獲得所需的PEM燃料電池雙極板。

本發明的另一目的在于提供一種PEM燃料復合雙極板的制備方法，具體為：