[發(fā)明專利]一種超薄金屬雙極板及其制備方法和包含其的燃料電池

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• 申請(qǐng)日: 2017-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN109841865A
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 呂偉
• 主分類號(hào): H01M8/026
• 分類號(hào): H01M8/026;H01M8/1006;H01M8/1007
• 代理公司: 北京輕創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立;王灝增

本發(fā)明涉及一種超薄金屬雙極板及其制備方法，采用化學(xué)刻蝕技術(shù)，在超薄金屬基材表面以化學(xué)刻蝕方法刻蝕出具有超細(xì)流道的流場(chǎng)制備得到。與傳統(tǒng)雙極板相比，所述雙極板既具有超薄厚度，又具有超細(xì)流道，可以有效降低燃料電池體積，提高膜電極電流密度，進(jìn)而提高電池堆能量密度。本方法不需模具的設(shè)計(jì)、制造,生產(chǎn)周期短,可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量制備，降低燃料電池成本。本發(fā)明還涉及以這種超薄金屬雙板制備的燃料電池。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體地說，涉及一種超薄金屬雙極板及其制備方法和包含其的燃料電池。

背景技術(shù)

燃料電池是一種高效的綠色發(fā)電裝置，可以直接將儲(chǔ)存在燃料如氫氣和氧化劑如空氣中的化學(xué)能高效、對(duì)環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高效節(jié)能、工作穩(wěn)定、運(yùn)行溫度適中、冷啟動(dòng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),在車用、船用動(dòng)力電源、備用電源、熱電聯(lián)供、特殊軍用等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

目前，如何提升PEMFC的能量密度，降低生產(chǎn)成本，是其大規(guī)模商業(yè)化面臨的重要課題。主要措施包括選擇更低成本的材料、減少材料的用量、簡(jiǎn)化或改變電池結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電池及其各部件的生產(chǎn)工序并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

構(gòu)成PEMFC電池堆的主要部件包括膜電極、擴(kuò)散層、雙極板、端板，在這幾種部件中，端板僅在數(shù)十或數(shù)百單電池構(gòu)成的電堆兩端各有二片，而膜電極僅為數(shù)十微米，這兩者在整個(gè)PEMFC電池堆中體積僅占很小一部分(約20％)，而傳統(tǒng)的PEMFC電池堆所用石墨雙極板厚度為3-8微米，因此，雙極板占據(jù)了電堆體積的絕大部分(70-80％左右)，因此，要降低PEMFC體積，提高能量密度，制備盡量薄的雙極板是最為重要措施。雙極板(又稱流場(chǎng)板)是燃料電池的核心部件，起著氣體阻隔、氣體的導(dǎo)流及分配、導(dǎo)電、支撐膜電極等作用。一般地，燃料和氧化劑進(jìn)入由膜電極、擴(kuò)散層和雙極板、密封件組裝成的燃料電池，都需要先通過雙極板上的流場(chǎng)分配到的氣體擴(kuò)散層,再進(jìn)入到催化層發(fā)生電催化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電能，生成的水?dāng)U散到氣體擴(kuò)散層表面，再通過流場(chǎng)排出燃料電池。

傳統(tǒng)的PEMFC雙極板是在石墨光板上通過機(jī)加工雕刻流道而成，由于石墨性脆，機(jī)械強(qiáng)度有限，因此石墨雙極板的厚度及在其上雕刻的流場(chǎng)的溝槽和脊的尺寸都較大，多在幾個(gè)毫米量級(jí)，因此導(dǎo)致PEMFC電堆既厚且重，能量密度低。之后，人們將石墨或碳材料與樹脂混合后采用模鑄成型方法，直接制備帶有流道的復(fù)合雙板，雖能降低制造成本，但只適于大批量生產(chǎn)，同時(shí)由于制備工藝問題，這種模鑄雙極板多殘留微孔，氣體阻隔能力較差，受材料限制，其整體厚度僅能降低到2-4毫米。

另一種雙極板材料是金屬雙極板，多以不銹鋼或鈦合金薄板沖壓成帶有流道部件，再與其他部件通過粘接或焊接工藝組裝雙極板，這種方法亦可以大規(guī)模制備，但工藝較更為復(fù)雜。且初期制備模具投入巨大，且受模具精度限制，其厚度也僅能在1-2毫米左右，并且如何控制好金屬片材成型過程中的應(yīng)力、變形也是一個(gè)很大的問題。

在燃料電池中，流道的尺寸對(duì)電池性能具有重要作用，近年來世界各國新開發(fā)設(shè)計(jì)的流場(chǎng)板中或多或少存在不足之處。例如流場(chǎng)板的氣流分布不夠均勻、反應(yīng)生成的水易積聚不易排出、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易造成反應(yīng)死區(qū)、膜電極局部溫度過高等影響電池運(yùn)行性能。一般來說，流道越窄，有效工作區(qū)內(nèi)流道越窄，氣體分配及熱量傳遞越均勻，電池可以獲得更高的電流密度。而模鑄的復(fù)合石墨板或沖壓的金屬雙極板，因受模具精度限制，流道寬度大多只能達(dá)到0.3-1.0毫米量級(jí)，還是難以滿足電池要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備超薄、超細(xì)流道雙極板的工藝，以及應(yīng)用該超薄雙極板的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。

一種超薄金屬雙極板的制備方法，包括：

S1)分別制備陰極板和陽極板，通過化學(xué)刻蝕技術(shù)在所述陰極板和陽極板上制備流場(chǎng)；

S2)將陰極板和陽極板粘結(jié)壓合在一起，得到超薄金屬雙極板。