[发明专利]一种燃料电池用双极板的制造工艺及设备

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池用模注石墨双极板及其制造工艺，具体地说，就是通过合理的膨胀石墨/树脂配比，采用模压的方法，一次成型制造燃料电池双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)将燃料(氢气)和空气中的化学能直接、连续地转化成电能。它的基本原理是在阳极侧通入燃料(H₂或者甲醇等)，在阴极侧通入氧化剂(O₂或者空气)，并使之分别在催化剂的作用下发生电化学反应，生成水并产生电能。同时，为了即时排除电化学反应过程中产生的热量，还需要将冷却流体(一般为水或空气)通入电池内部进行散热。在燃料电池正常工作时，内部的燃料、氧化剂与冷却液必须通过双极板有效地分隔开来，并依靠其流道结构分别在阳极、阴极及冷却液腔体中进行有效地分布。

在质子交换膜燃料电池的主要部件中，双极板不仅在重量上，也在体积上和成本上占据着重要部分。比如在成本方面，如果采用天然石墨板作为双极板，其材料及制造成本将占整个电堆的10～30％。双极板不仅是将单电池串联起来组装成电池堆的关键部件，而且还需将反应气体导入催化层并传导反应产生的电流，同时还担负起整个电池的散热和排水功能。因此双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆性能的优劣和使用寿命的长短。一般地，质子交换膜燃料电池运行在60～80℃温度、pH2～3的酸度、80～100％相对湿度，并具有一定电势的环境中。相对苛刻的工况条件要求双极板不但要具有优异的导电导热性、一定的机械强度、良好的化学稳定性、耐气体渗透性，而且还必须具备材料成本低、易加工、良好的尺寸稳定性等。因此，高性能、低成本的双极板的开发，对于促进燃料电池的商业化显得非常重要。

目前已开发使用的双极板主要是金属板、纯石墨板和复合材料板三大类。其中，金属板具有良好的导电导热性，减薄至0.1mm也不漏气，并且气体流道可冲压成型，易于实现批量化生产，这有利于体积比功率的提升和制造成本的下降。但是，金属双极板的成型模具精度要求高，成本也高；必须对金属基材，尤其是表面进行特殊处理以提高其化学稳定性，否则易出现金属板腐蚀甚至锈穿，导致电池的使用寿命缩短甚至发生灾难性的破坏。

纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，被Ballard公司率先成功用于商业化的电堆制造中。纯石墨板一般采用传统的机加工方法加工流道，流道就不能太窄(比如不能低于0.7mm)。因为如果流道过窄，加工刀具在加工过程中的磨损所引起的尺寸误差将不能容忍；此外，机加工过程耗时也很长，生产效率不高，这些都导致双极板的加工成本偏高，甚至超过材料成本；另一方面，纯石墨板性脆，其内部孔隙的存在导致其易漏气，必须保持一定的厚度以保证其气密性，这就制约了电堆体积比功率和重量比功率的提升。

不得不指出的是，不论是采用金属板还是纯石墨板作为燃料电池双极板基材，金属的腐蚀和纯石墨板中金属杂质的溶出，都会导致铁、铝、钙、镁、钠等杂质阳离子的出现。而这些阳离子的存在会导致质子交换膜传导质子能力的下降，严重影响燃料电池的性能。

为了克服上述两种材料的缺陷，促进质子交换膜燃料电池的商业化，就必须寻找其替代品，即各种类型的复合材料，比如金属/石墨复合板、天然石墨/树脂复合板及膨胀石墨(EG)/树脂复合板等。膨胀石墨在具备天然石墨优良耐蚀性与导电导热性的同时，由于其体积急剧膨胀和压缩后易形成致密的层状结构，膨胀石墨还具有易于成型、高阻气率和不易粉化、不易溶出金属离子等优点。本发明涉及膨胀石墨/树脂复合板的制造方法。

张孟彤等人的发明专利(2008100034172.5)提出的超薄石墨双极板是在纯石墨制得的双极板中真空浸渍热固型树脂，最后打磨表层去除过量的树脂以得到能满足电导率要求的产品。上述方法虽然为石墨/树脂复合材料，但没有改变双极板流道需要机加工成型的实质，表层打磨工序的增加更不利于降低制造成本。Gibb P.R等人的发明专利(WO0041260)公布了一种改善型的直流道双极板，其中非常简略地涉及膨胀石墨/树脂复合双极板的制备方法。该制备方法是分步进行的，即先将预压成型的膨胀石墨板通过辊压、模压或模注的方式成型流道，然后再浸渍低粘度的树脂。