[发明专利]一种燃料电池用双极板的制造工艺

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用双极板的制造工艺，通过模压石墨双极板及其制造工艺，具体的说就是通过适当比例的膨胀石墨/树脂/第三组分，采用合理的工艺方法，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)是将燃料(氢气)和空气中的氧气进行化学反应将化学能转变成电能。它的基本原理是在阳极侧通入燃料(H₂)，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，产生电能，其反应产物只有水，对环境无污染。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进行运送与分隔开来。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。

现在对于双极板的研究已经包括金属板、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。

还有现在虽然纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，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，所以寻求更好的制作工艺与方法，是燃料电池商业化的必经之路。

现在也有不少这方面的研究，其中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)/树脂复合板等都在被实验当中。由于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。所以有想把膨胀石墨/树脂/第三组份进行合理比例的混合制备出满足需求的燃料电池双极板。

专利申请号为200710052762.6的专利公开了一种用于质子交换膜燃料电池中的双极板及其制备方法。膨胀石墨基复合材料双极板,其特征在于它由两层膨胀石墨材料和一张中间层碳布或碳纸放入带有气体流场的双极板模具中模压而成;所述的膨胀石墨材料,以及碳布或碳纸,预先用固含量为10-50WT%的热塑性树脂的乳液或溶液浸渍;所述的膨胀石墨材料为蠕虫状石墨。该发明因为增加了中间层碳布或碳纸，使得其垂直方向的电导率可能不能满足燃料电池对于双极板的性能需求。

专利号为200910072406.X的专利公开了一种膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板及其制备方法,它涉及一种双极板及其制备方法。本发明解决了质子交换膜燃料电池双极板导电性差、机械性能差问题。本发明双极板由膨胀石墨、热塑性酚醛树脂和六次甲基四胺制成,方法如下:将膨胀石墨与热塑性酚醛树脂的水溶液混合、过滤,然后将滤渣干燥后与六次甲基四胺球磨混合,再加入模具中模压,然后减压、升温,再保温模压、脱模,即得膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板。