[发明专利]用于微型燃料电池的复合双极板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型燃料的双极板，尤其涉及一种用于微型燃料电池的复合双极板及其制备方法。

背景技术

微型燃料电池(Micro Fuel Cell，μFC)以其能量转化效率高、比能量高、环保、启动迅速、重量轻、体积小、结构简单等优点，已经成为当前微型电池和微能源的最佳选择。在各类便携式电子产品和MEMS系统中有着极其广阔的应用前景。双极板(集流板、流场板，BipolarPlates，BPPs)是微型燃料电池的关键部件之一，它对微型燃料电池的性能、体积、寿命、成本、微型化和轻量化起着极为重要的作用。

目前，微型燃料电池用双极板面临的最大挑战是：低成本、微型化和高性能。现有的微型燃料电池双极板的流场一般由一系列按照一定规律排列的微沟道组成，微沟道的特征尺寸已经达到亚微米至几十微米数量级，处于微细加工的范围内，常规双极板的制备方法(模压成型、冲压成型、注射成型、挤出一注射成型、预制体成型、“Slurry Moulding”和机械加工等)已经无法满足微型燃料电池双极板制作工艺要求。目前制作微型燃料电池的双极板主要采用微铣削加工、MEMS、激光微加工等微细加工工艺。微铣削和激光微加工技术都是传统加工技术的微型化，能加工出精度在几十微米的微结构。但它的加工效率较低，生产成本高，而且难以实现变截面沟道的加工，随着微沟道特征尺寸进入亚微米级，其制作成本越来越高，效率越来越低，无法满足产业化的要求。近年来采用MEMS硅微工艺制备微型燃料电池的双极板已经逐渐成为共识。Yamazaki、Yao、Motokawa、Liu和Xiao等人分别开展了采用MEMS工艺(光刻、湿法刻蚀、等离子体刻蚀、LPCVD、溅射、体/表面微加工等)制备硅基微型燃料电池的研究，并且已经被证实是一种行之有效的制备方法。因此，目前微型燃料电池的双极板主要是以硅基为主，其制备采用MEMS工艺。硅基双极板的MEMS制备方法具有下列优点：1)与IC工艺的良好兼容性；2)有效减小微型燃料电池的特征尺寸；3)改善了电池性能，提高体积比功率；4)适合批量制作等。但硅基双极板微型燃料电池存在以下问题：一是生产制作成本高；二是无法实现真三维微沟道的制备(国内外有关双极板流场的研究已经证实，与现有的矩形、梯形或三角形截面沟道相比，曲线型截面沟道的双极板有着更好的性能，曲线型截面沟道是一种真三维微结构)；三是高接触电阻(目前是一个尚未很好解决的国际技术难题)。这限制了微型燃料电池性能的提高，制约了微型燃料电池产业化的进程。

因此，有必要探索新的适合于微型燃料电池低双极板及其制备的技术。与硅基微型燃料电池的双极板相比，以聚合物为基体的微型燃料电池复合双极板具有更良好的性能：1)容易制备；2)良好的粘附性；3)减小质子交换膜和电极的阻力；4)无需对硅衬底进行刻蚀，简化了工艺；5)生产制作成本低；6)相对于硅基，聚合物基体硬度较小，具有一定的柔塑性，能够与膜电极组紧密接触，因此，降低它的接触电阻，为克服硅基双极板高接触电阻国际技术难题提供一种新的研究思路。

双极板在流场结构形式(如平行沟槽流场、蛇行流场、叉指状流场、点状流场、网状流场、波纹板流场、多孔体流场等)确定的情况下，其沟道(流道)的截面形状和特征尺寸对于微型燃料电池的性能有着重要的影响。双极板沟道的典型截面形状有矩形、梯形、三角形、U型、半圆形、变截面型和曲线型等。流场沟道有三个特征尺寸：即沟道宽度、沟脊宽度和沟道深度。国内外有关双极板流场的研究已经证实：与现有的矩形、梯形或三角形沟道截面形状相比，曲线型截面沟道(特别是变截面)双极板有着更好的性能：1)在相同过流断面的情况下，曲线型截面沟道的流动阻力比矩形截面沟道的流动阻力小，压降小；2)电池反应生成的水在表面张力和摩擦力的作用下，容易在沟道底部的交角处形成水珠滞留，曲线型截面沟道底部光滑无交角，有利于水珠的及时排出，减少“淹没”现象的出现，提高电池的性能；3)在相同开孔率的情况下，电流流通截面面积大，因而电阻小。4)单位面积板上开孔率大，可提高扩散效率和燃料电池性能。因此，与现有的矩形、梯形或三角形沟道截面形状相比，曲线型截面沟道双极板有着更好的性能。曲线型截面沟道是一种大面积真三维微结构。常规硅微工艺一般只能形成二维平面结构或准三维微结构，难以加工出真三维微结构，低成本制作真三维微结构目前仍然是微细加工一个技术难点。因此，迫切需要开发低成本制作大面积三维微结构新工艺，以满足微型燃料电池双极板制备工艺的要求。

发明内容