[发明专利]一种质子交换膜燃料电池金属双极板的制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，提供了一种质子交换膜燃料电池金属双极板的制备方法。本发明采用先涂层、再焊接、最后液压成形的方法制备金属双极板，能够保证涂层厚度均匀，保证双极板各处耐腐蚀性和接触电阻的一致性；本发明焊接两层金属板时在两侧各留一处未焊区，液压成形时，将未焊区作为注液孔向两层金属板之间注入高压液体，在液压力的作用下，上层金属板与上模板的型腔壁贴合，下层金属板与下模板的型腔壁贴合，从而使阴、阳极双板同时成形。采用本发明的方法进行液压成形，不会对涂层造成损坏，形成的流道精度高，产品合格率高，且本发明首次实现了阴、阳极双板的同时成形。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种把燃料的化学能直接转换成电能的装置，不受卡诺循环效应的限制、效率高、产物只有水，且没有噪声污染，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

燃料电池主要由膜电极和双极板构成，其中双极板的主要作用包括：(a)分离和分配阳极的燃料气体以及阴极的氧气/空气；(b)收集电流并将电流从一个电池的阳极传导到下一个电池的阴极；(c)从电池中除去反应产物和热量；(d)为整个燃料电池堆提供机械支持。目前，本领域的双极板可以分为三类：石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。金属双极板与石墨双极板、复合材料双极板相比，具有导电性好、散热性好、强度高、容易轻量化、易于批量加工、制造成本低等优点，并且可以减小电堆的体积，提高电堆的体积功率密度。因此，金属双极板是目前燃料电池双极板发展的主流趋势。

但是，由于金属的活泼性导致金属双极板的耐蚀性能较差，表面溶解的金属离子扩散至催化层会造成催化剂中毒，影响催化效率；金属表面形成的钝化膜会增加与扩散层的接触电阻，造成燃料电池的输出功率不足，无法保证燃料电池的长久稳定运行。基于以上情况，研究人员提出了通过涂覆涂层对金属双极板进行防护的方法。

目前，制备金属双极板的方式主要是先将双极板成形，然后通过沉积法将涂层沉积到双极板上，但是双极板的流道较为细窄(流道的宽高尺寸约在0.3～1mm之间)，使得双极板表面呈现凹凸不平的结构，涂层涂覆困难，目前的涂层技术难以保证双极板表面、流道底部和流道侧壁涂层厚度的一致性。涂层厚度的不均匀会影响电堆的后续工作，若厚度太薄，金属双极板达不到耐腐蚀性要求，在工作过程中仍然会出现腐蚀的情况；若厚度过大则会导致接触电阻增大，降低电堆的功率。

专利CN 110534765 A公布了一种冲压成形制备金属双极板的方法，其中采用两次冲压成形的方式制备单层板，然后再将两个单层板焊接。该专利中将冲压成形分为预冲压成形和完全冲压成形两个步骤，能够一定程度的减少成形过程中出现的翘曲变形等现象。但是，金属薄板具有弹性，在冲压过程容易出现成形工件向原始方向回弹的现象，导致工件达不到预想的结构，成形精度不高，产品合格率低(50～60％左右)；此外，对于设置有涂层的金属板来说，涂层的脆性较大，而冲压成形的冲头为刚体，在冲压力度较大的情况下，很容易将涂层压溃，大大削弱涂层对金属板的保护作用，即使在冲压力度较小的情况下，冲压过程也会使涂层发生延展变形，出现涂层厚度不均匀、与金属板结合力不足的情况。因此，专利CN 110534765 A中的方法并不适合对设置有涂层的金属板进行成形。

专利CN 101504984 A公开了一种利用软模成形制备金属双极板的方法，其中在一个模板上连接橡胶软模，另一个模板上连接钢模，成形时采用橡胶软模推动金属薄板贴合钢模。这种方法虽然可以避免金属薄板的翘曲和回弹现象，但是由于金属薄板与橡胶软模直接接触，在成形过程中金属薄板会与橡胶软模发生相对滑动，两者之间的摩擦力会对橡胶软模造成损伤，从而影响流道的成形精度。