[發明專利]一種分層式超薄碳基雙極板及其制備方法

在審

• 申請號: 202010732994.1
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111883793A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 鄭俊生;明平文;張存滿;樊潤林;彭宇航
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M8/0228
• 分類號: H01M8/0228;H01M8/0221;H01M8/0213;H01M8/0258
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 許耀

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其是涉及一種分層式超薄碳基雙極板及其制備方法，分層式超薄碳基雙極板為夾心狀分層式復合結構，包括導電添加劑層，導電添加劑層的兩側由內向外分別依次設置有預浸料層和導電基材/樹脂復合層，且導電基材/樹脂復合層的外表面具有流道結構。與現有技術相比，本發明解決了傳統碳基復合雙極板為滿足強度條件而產生的厚度過大問題，以及碳基復合雙極板工藝性能與導電性之間的矛盾；預浸料層能夠在有效降低雙極板厚度的情況下，保證極板良好的抗彎強度，同時又避免了成型厚度低引起的成型難度大的問題；厚度在1.4mm以內，能夠顯著降低燃料電池的整體體積及質量，制備難度低，工序少，適合批量生產。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其是涉及一種分層式超薄碳基雙極板及其制備方法。

背景技術

燃料電池與內燃機相比，是一種直接將化學能轉換為電能的發電裝置，區別于內燃機復雜的能量轉換過程，因此能量轉換率高。質子交換膜燃料電池通過將氫氣和氧氣分別通入陽極和陰極，在催化劑的作用下分別發生氧化反應和還原反應，電子經過外電路傳導產生電能，氫離子通過質子交換膜傳輸到陰極生成水。

質子交換膜燃料電池的發電過程中，雙極板對燃料電池的正常運行起著至關重要的作用。雙極板需要將兩極的反應氣體完全隔開，防止兩極氣體混合后引發劇烈的氧化反應。同時，外電路的電子傳導需要經過雙極板，因此要求雙極板有良好的導電性。反應氣體的傳輸和生成水的排出依靠雙極板上的氣體流道，因此雙極板需要有良好的流道成型性能，確保較小的流體阻力和良好的水氣傳輸性能。雙極板在燃料電池系統中占據了相當大比重的質量和體積，其厚度和質量對燃料電池比功率有著很大的影響。

目前各個企業和研究機構已經開發出各種材料的雙極板，主要包括金屬雙極板、石墨雙極板和復合材料雙極板。石墨導電性、耐腐蝕性能好，但是機械強度差，需要較大厚度才能在承受電堆組裝的加緊力和氣體壓力下保持電堆安全運行。金屬雙極板機械強度高，隔離氣體性能好，可以通過沖壓等機械加工方法成型超薄雙極板，但是在燃料電池工作狀態下易發生電化學腐蝕，需要添加涂層等方法進行表面處理。碳基復合雙極板以石墨聚合物復合材料作基體，機械強度和耐腐蝕性良好，可以采用注塑成型和模壓成型的加工方法，適合批量生產，但是導電性、阻氣性、結構強度等性能較難平衡。

發明內容

本發明的目的就是為了提供一種分層式超薄碳基雙極板及其制備方法。采用導電基材/樹脂復合外層與預浸料中間夾導電添加劑層的內層結構來分別制作碳基復合雙極板的功能層。分層式超薄碳基復合雙極板能夠減小燃料電池電堆的體積和質量，提高比功率，同時生產工藝難度低，便于批量生產。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

本發明第一方面提供一種分層式超薄碳基雙極板，其為夾心狀分層式復合結構，包括導電添加劑層，導電添加劑層的兩側由內向外分別依次設置有預浸料層和導電基材/樹脂復合層，經熱模壓固化在極板表面形成流道結構。

作為本發明優選的技術方案，所述的流道結構的流道深度小于導電基材/樹脂復合層的厚度，所述的預浸料層和導電添加劑層為平面結構。由于取向不同，若預浸料層參與成型，則會造成各層間內應力不平衡，極大地影響極板的平面度。且預浸料層強度大，流道精密成型性能差。故本發明只有導電基材/樹脂復合層參與成型流道結構。

作為本發明優選的技術方案，所述的預浸料層為單向碳纖維或單向碳纖維織物的預浸料，且導電添加劑層兩側的預浸料層的取向相互垂直。預浸料層的面內導電性良好，機械強度高，是一種生產復合材料的工業中間材料。利用預浸料制備分層式超薄碳基復合雙極板能夠在有效降低雙極板厚度的情況下，保證極板具有良好的抗彎強度，通過比較容易的生產工藝制備超薄雙極板。

單向碳纖維預浸料或單向碳纖維織物預浸料具有良好的機械強度，并且有利于輔助復合雙極板的厚度控制，降低超薄復合雙極板的成型工藝難度。外層采用導電基材/樹脂復合材料，能夠保證良好的流道成型性能。