[发明专利]一种超薄金属双极板及其制备方法和包含其的燃料电池

说明书

本发明涉及一种超薄金属双极板及其制备方法，采用化学刻蚀技术，在超薄金属基材表面以化学刻蚀方法刻蚀出具有超细流道的流场制备得到。与传统双极板相比，所述双极板既具有超薄厚度，又具有超细流道，可以有效降低燃料电池体积，提高膜电极电流密度，进而提高电池堆能量密度。本方法不需模具的设计、制造,生产周期短,可以实现工业化批量制备，降低燃料电池成本。本发明还涉及以这种超薄金属双板制备的燃料电池。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地说，涉及一种超薄金属双极板及其制备方法和包含其的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种高效的绿色发电装置，可以直接将储存在燃料如氢气和氧化剂如空气中的化学能高效、对环境友好地转化为电能。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效节能、工作稳定、运行温度适中、冷启动时间短等优点,在车用、船用动力电源、备用电源、热电联供、特殊军用等领域具有重要应用前景。

目前，如何提升PEMFC的能量密度，降低生产成本，是其大规模商业化面临的重要课题。主要措施包括选择更低成本的材料、减少材料的用量、简化或改变电池结构、优化电池及其各部件的生产工序并实现批量化生产。

构成PEMFC电池堆的主要部件包括膜电极、扩散层、双极板、端板，在这几种部件中，端板仅在数十或数百单电池构成的电堆两端各有二片，而膜电极仅为数十微米，这两者在整个PEMFC电池堆中体积仅占很小一部分(约20％)，而传统的PEMFC电池堆所用石墨双极板厚度为3-8微米，因此，双极板占据了电堆体积的绝大部分(70-80％左右)，因此，要降低PEMFC体积，提高能量密度，制备尽量薄的双极板是最为重要措施。双极板(又称流场板)是燃料电池的核心部件，起着气体阻隔、气体的导流及分配、导电、支撑膜电极等作用。一般地，燃料和氧化剂进入由膜电极、扩散层和双极板、密封件组装成的燃料电池，都需要先通过双极板上的流场分配到的气体扩散层,再进入到催化层发生电催化反应，转化为电能，生成的水扩散到气体扩散层表面，再通过流场排出燃料电池。

传统的PEMFC双极板是在石墨光板上通过机加工雕刻流道而成，由于石墨性脆，机械强度有限，因此石墨双极板的厚度及在其上雕刻的流场的沟槽和脊的尺寸都较大，多在几个毫米量级，因此导致PEMFC电堆既厚且重，能量密度低。之后，人们将石墨或碳材料与树脂混合后采用模铸成型方法，直接制备带有流道的复合双板，虽能降低制造成本，但只适于大批量生产，同时由于制备工艺问题，这种模铸双极板多残留微孔，气体阻隔能力较差，受材料限制，其整体厚度仅能降低到2-4毫米。

另一种双极板材料是金属双极板，多以不锈钢或钛合金薄板冲压成带有流道部件，再与其他部件通过粘接或焊接工艺组装双极板，这种方法亦可以大规模制备，但工艺较更为复杂。且初期制备模具投入巨大，且受模具精度限制，其厚度也仅能在1-2毫米左右，并且如何控制好金属片材成型过程中的应力、变形也是一个很大的问题。

在燃料电池中，流道的尺寸对电池性能具有重要作用，近年来世界各国新开发设计的流场板中或多或少存在不足之处。例如流场板的气流分布不够均匀、反应生成的水易积聚不易排出、流场结构设计易造成反应死区、膜电极局部温度过高等影响电池运行性能。一般来说，流道越窄，有效工作区内流道越窄，气体分配及热量传递越均匀，电池可以获得更高的电流密度。而模铸的复合石墨板或冲压的金属双极板，因受模具精度限制，流道宽度大多只能达到0.3-1.0毫米量级，还是难以满足电池要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种制备超薄、超细流道双极板的工艺，以及应用该超薄双极板的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

一种超薄金属双极板的制备方法，包括：

S1)分别制备阴极板和阳极板，通过化学刻蚀技术在所述阴极板和阳极板上制备流场；

S2)将阴极板和阳极板粘结压合在一起，得到超薄金属双极板。