[實用新型]一種超薄金屬復合雙極板及包含其的燃料電池

有效

• 申請號: 201821710442.5
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN209071512U
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 呂偉
• 申請（專利權）人: 呂偉
• 主分類號: H01M8/0263
• 分類號: H01M8/0263;H01M8/10
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立;王灝增

本實用新型涉及一種超薄金屬復合雙極板及包含其的燃料電池，采用精密涂布及激光刻蝕技術，在超薄金屬基材表面制備出具有超細流道的流場。與傳統雙極板相比，所述雙極板既具有超薄厚度，又具有超細流道，可以有效降低燃料電池體積，提高膜電極電流密度，進而提高電池堆能量密度。本實用新型不需模具的設計、制造,生產周期短,可以實現工業化批量制備，降低燃料電池成本。本實用新型還涉及以這種超薄金屬復合雙板制備的燃料電池。

技術領域

本實用新型涉及燃料電池領域，具體地說，涉及一種超薄金屬復合雙極板及包含其的燃料電池。

背景技術

燃料電池是一種高效的綠色發電裝置，可以直接將儲存在燃料如氫氣和氧化劑如空氣中的化學能高效、對環境友好地轉化為電能。其中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高效節能、工作穩定、運行溫度適中、冷啟動時間短等優點,在車用、船用動力電源、備用電源、熱電聯供、特殊軍用等領域具有重要應用前景。

目前，如何提升PEMFC的能量密度，降低生產成本，是其大規模商業化面臨的重要課題。主要措施包括選擇更低成本的材料、減少材料的用量、簡化或改變電池結構、優化電池及其各部件的生產工序并實現批量化生產。

構成PEMFC電池堆的主要部件包括膜電極、擴散層、雙極板、端板，在這幾種部件中，端板僅在數十或數百單電池構成的電堆兩端各有二片，而膜電極僅為數十微米，這兩者在整個PEMFC電池堆中體積僅占很小一部分 (約20％)，而傳統的PEMFC電池堆所用石墨雙極板厚度為3-8微米，因此，雙極板占據了電堆體積的絕大部分(70-80％左右)，因此，要降低PEMF C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(又稱流場板)是燃料電池的核心部件，起著氣體阻隔、氣體的導流及分配、導電、支撐膜電極等作用。一般地，燃料和氧化劑進入由膜電極、擴散層和雙極板、密封件組裝成的燃料電池，都需要先通過雙極板上的流場分配到的氣體擴散層,再進入到催化層發生電催化反應，轉化為電能，生成的水擴散到氣體擴散層表面，再通過流場排出燃料電池。

傳統的PEMFC雙極板是在石墨光板上通過機加工雕刻流道而成，由于石墨性脆，機械強度有限，因此石墨雙極板的厚度及在其上雕刻的流場的溝槽和脊的尺寸都較大，多在幾個毫米量級，因此導致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合雙板，雖能降低制造成本，但只適于大批量生產，同時由于模具及制備工藝問題，這種模鑄雙極板流道寬度不能做的很窄，多在400微米以上，同時，此工藝制備的極板，受材料強度限制，亦不能做的很薄，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模制備，但工藝較更為復雜。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力、變形也是一個很大的問題。

在燃料電池中，流道的尺寸對電池性能具有重要作用，近年來世界各國新開發設計的流場板中或多或少存在不足之處。例如流場板的氣流分布不夠均勻、反應生成的水易積聚不易排出、流場結構設計易造成反應死區、膜電極局部溫度過高等影響電池運行性能。一般來說，流道越窄，有效工作區內流道越窄，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到0.3-1.0毫米量級，還是難以滿足電池要求。

實用新型內容

本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種制備具有超薄、超細流道的復合雙極板的工藝，以及應用該復合雙極板的質子交換膜燃料電池(PEMFC)。

本實用新型涉及一種超薄金屬復合雙極板，包括：

陰極流場單板，所述陰極流場單板包括超薄金屬基材和涂覆于超薄金屬基材上表面的導電膠層，所述導電膠層上具有氧氣/空氣流場；