[發(fā)明專利]一種磁控濺射雙極板-膜電極總成和電堆及其制備方法

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• 申請日: 2023-07-18
• 公開（公告）號: CN116598525A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝佳平;朱維;尚子奇;沈軍
• 申請（專利權(quán)）人: 海卓動力（青島）能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0245
• 分類號: H01M8/0245;H01M8/0234;H01M4/88;H01M4/96;H01M8/1004
• 代理公司: 青島致嘉知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 37236
• 代理人: 張曉艷

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，提出一種磁控濺射雙極板?膜電極總成和電堆及其制備方法，包括裁剪碳紙、模壓流道、制備碳微孔層、模壓雙極板?膜電極總成、組裝電堆等步驟。本發(fā)明所述磁控濺射雙極板?膜電極總成以碳紙為基底骨架，并在碳紙上通過磁控濺射技術(shù)生長出碳微孔層作為擴(kuò)散層，有效地減輕了雙極板的重量，降低了成本，并且該擴(kuò)散層的多空結(jié)構(gòu)具有良好的擴(kuò)散效果，擴(kuò)散層與碳紙結(jié)合牢固，降低了擴(kuò)散層與催化劑層長時(shí)間運(yùn)行后相互擴(kuò)散的問題。本發(fā)明電堆采用束帶式的捆扎方式進(jìn)行固定，避免了螺桿式捆扎局部應(yīng)力不均帶來的電堆結(jié)構(gòu)錯(cuò)位問題，避免串漏現(xiàn)象。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種磁控濺射雙極板-膜電極總成和電堆及其制備方法。

背景技術(shù)

氫燃料電池一般由電堆和輔助系統(tǒng)兩部分組成，電堆一般分為金屬堆和石墨堆兩種，其中石墨堆具有價(jià)格低廉、在惡劣環(huán)境下運(yùn)行良好的特點(diǎn)，因而受到廣泛關(guān)注。石墨堆一般由歧管、端板、絕緣板、集流板和電芯組成，電芯由雙極板與膜電極組成。質(zhì)子交換膜的燃料電池膜電極由陰陽極擴(kuò)散層、陰陽極催化層和質(zhì)子交換膜組成，在制備過程中，首先將催化劑涂覆在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，然后再把氣體擴(kuò)散層熱壓在兩側(cè)形成膜電極。

現(xiàn)有的石墨堆存在這以下幾種缺陷亟待解決（1）石墨板體積過大，電堆拆裝較難。（2）在長時(shí)間耐久性運(yùn)行過程中，膜電極易出現(xiàn)擴(kuò)散層與催化層相互滲透的現(xiàn)象，使Pt無法完全反應(yīng)，造成晶面暴露不足的現(xiàn)象。（3）在電堆長期處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，易出現(xiàn)電堆零部件錯(cuò)位，造成膜電極竄氣的現(xiàn)象。（4）電堆采用螺桿式組裝結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生的電堆封裝壓力分配不均的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對膜電極易出現(xiàn)擴(kuò)散層與催化層相互滲透的技術(shù)問題，提出一種通過磁控濺射發(fā)在碳紙表面形成微孔層的雙極板-膜電極總成和電堆及其制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種磁控濺射雙極板-膜電極總成的制備方法，包括如下步驟：

裁剪兩張?zhí)技垼鳛殡p極板-擴(kuò)散層的基底骨架；

將石墨、樹脂和導(dǎo)電填料球磨并干混得到共混物料，將碳紙分別置于模壓機(jī)中，將共混物料置于碳紙的一側(cè)，模壓得到陽極碳紙雙極板和陰極碳紙雙極板；

在陰極碳紙雙極板、陽極碳紙雙極板的另一側(cè)通過磁控濺射設(shè)備濺射出碳微孔層，得到陽極擴(kuò)散層-雙極板和陰極擴(kuò)散層-雙極板。

將陽極擴(kuò)散層-雙極板、催化劑負(fù)載膜、陰極擴(kuò)散層-雙極板采用熱壓貼合的方式模壓，得到雙極板-膜電極總成。

作為優(yōu)選，石墨、樹脂、導(dǎo)電填料的比例為（0.4~0.6）：（0.3~0.5）：（0.01~0.2）。

作為優(yōu)選，導(dǎo)電填料為碳納米管，長度0.5mm~2mm的短切碳纖維以及過渡金屬粉末的一種或幾種。

作為優(yōu)選，步驟（2）中模壓方式為5~50MPa九個(gè)模壓工段，模壓時(shí)間為10~20min，模壓方式為冷壓成型。

作為優(yōu)選，碳微孔層厚度為50μm?~100μm。

作為優(yōu)選，步驟（4）中熱壓時(shí)間為90~120s，熱壓壓力為90~120MPa，熱壓溫度為90~120℃。

作為優(yōu)選，磁控濺射反應(yīng)氣體為乙炔，濺射氣體為氬氣；氣體分壓P（乙炔）/P（氬氣）為0.2，沉積氣體總壓強(qiáng)設(shè)置為5Pa，直流濺射電流為5A，基材偏壓為150V，基材溫度為200℃，基材與靶材的距離為80mm。

一種由上述的的磁控濺射雙極板-膜電極總成的制備方法制備的磁控濺射雙極板-膜電極總成。

一種具有磁控濺射雙極板-膜電極總成的電堆，包括多片磁控濺射雙極板-膜電極總成、端板、陽極絕緣板、陽極集流板、陰極集流板及陰極絕緣板，雙側(cè)采用束帶捆扎并焊接組成電堆。

作為優(yōu)選，兩片磁控濺射雙極板-膜電極總成之間采用三元乙丙橡膠粘合密封。