[发明专利]质子交换膜燃料电池双极板与膜电极组件复合制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的制造方法，具体是一种质子交换膜燃料电池双极板与膜电极组件复合制造方法。

背景技术

燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能，理论热电转化效率为85％～90％。质子交换膜燃料电池因工作温度低，启动快，可靠性高，无噪声和排放污染等优点，在电动汽车、中小型发电站和便携式装置中有着广泛的应用前景。

传统的质子交换膜燃料电池组是按照压滤机方式组装的，而且大多采用内共用管道方式。电池组的主体为双极板，膜电极组件(MEAs)及相应的密封件单元的重复，最外两侧为端板。双极板在质子交换膜燃料电池中起到收集电流、分配气体以及水管理和热管理的作用，其重量占到燃料电池电堆重量的80％以上，制造成本占到总成本的30％左右。理想的双极板材料应该具备导电、导热、防腐蚀和易于加工等特点。目前，质子交换膜燃料电池双极板通常采用石墨材料，其技术比较成熟。但石墨材料脆性极大，机械性能差，同时加工效率低，难以实现商业化大批量生产。金属极板易于加工成型，制造效率高，同时具有良好的机械和导电、导热性能，随着防腐技术的发展有望实现大规模应用。

经对现有技术的检索发现，中国专利公开号为CN 101101993A和CN100423331C分别提出了基于冲压成形和滚压成形的金属双极板制造方法，大大简化了制造工艺，提高了制造效率，降低了制造成本。常见的膜电极“五合一”组件有阴极/阳极催化层，阴极/阳极气体扩散层和质子交换膜组成。气体扩散层在电极中不仅起到支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。理想的气体扩散层应该具备三个特点：良好的透气性、良好的排水性和良好的导电性。碳纤维纸和碳纤维布是目前应用最为广泛的气体扩散层材料。

近来，越来越多的研究人员致力于改变传统燃料电池几何结构，以期提高电池功率密度。中国专利公开号为CN 101079494A提出一种新型的波浪型电池结构，该结构将市售的“五合一”MEAs热压成波状，同时采用冲压工艺将带孔的金属薄板制成与波状MEAs相匹配的波浪型双极板。该发明能够增大反应面积，提高体积功率密度和质量功率密度，实现轻量化低成本制造。美国通用公司的一项专利技术中(中国专利公开号为CN 1623244A，公开日期2005年6月1日，)提出了一种具有旋转结构的膜电极，该膜电极组件包括传送膜，催化阳极和催化阴极分别在膜的两个面上；阳极和阴极层上具有导电分布层，该分布层延伸通过每个催化层的气体流动区域。绕旋结构增加了膜面积与燃料电池平面面积的比率，从而增加了燃料电池的电输出量。

然而，上述技术文献中提出的结构在实际应用过程中都将面临一个挑战：膜电极组件采用的碳纤维纸或者碳纤维布脆性较大，在MEAs弯曲成形时容易发生断裂。断裂的碳纤维将影响气体扩散层乃至MEAs的性能，从而影响燃料电池的整体性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池双极板与膜电极组件复合制造方法，解决传统膜电极组件不能弯曲成形、制造成本高、气体扩散层在装配和使用过程中易断裂、与金属双极板接触电阻较大等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括步骤为：

第一步，采用冲压成形工艺将双层不锈钢纤维网加工成双极板。

第二步，采用聚四氟乙烯(PTFE)对已成形的不锈钢纤维网双极板做憎水处理，从而形成憎水的反应气体通道。

第三步，在已做憎水处理的双极板表面涂覆一层炭粉层进行平整处理，一方面消除表面平整度对催化剂层的影响，另一方面构建一个薄的炭粉扩散层。

第四步，将催化剂层浆料涂抹在Nafion型质子交换膜上制得Pt/C催化剂层。

第五步，将处理好的双极板和带有催化剂层的质子交换膜进行热压处理，得到复合式不锈钢纤维网双极板与膜电极组件。

第一步中，所述双层不锈钢纤维网由粗纤维层和细纤维层真空烧结而成。纤维网的技术参数要求：粗纤维层厚度0.15～0.2mm，纤维直径30～50μm，孔隙率75％～85％；细纤维层厚度为0.11～0.15mm，纤维直径为6～8μm，孔隙率为70％～76％。

第一步中，所述双层不锈钢纤维网整体性能参数要求：透气度为63～70L/(min.dm²)，厚度方向电阻率约为50～80μΩ·cm，面方向热导率约为15～21W/(m·K)，屈服强度为200MPa以上，抗拉强度为400MPa以上。