[发明专利]一种降低硅基双极板电阻的方法、硅基双极板和燃料电池

说明书

本发明公开了一种降低硅基双极板电阻的方法、硅基双极板和燃料电池，所述双极板包括堆叠接触的阴极板和阳极板，各极板均采用掺杂硅片制成；至少在所述阴极板和/或阳极板的堆叠接触面上一体制作高掺杂层，通过高掺杂层减少单个双极板中阴极板和阳极板之间的接触电阻；本发明在不需要设置导电金属复合层的技术上，有效降低了双极板整体的体电阻，同时在具有较高工作温度的双极板冷却流道内部，不易受到腐蚀，耐久性优异。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及了一种降低硅基双极板电阻的方法，本发明还涉及了应用该方法制得的双极板和燃料电池。

背景技术

常规电堆的极板一般使用两种材料：石墨和金属极板。石墨极板自身具有较好的电导率，同时石墨极板之间在双极板冷却水道面之间的接触电阻，以及双极板在气道面和碳纤维气体扩散层之间的接触电阻也较小，能够较容易满足燃料电池电堆低电阻的要求。石墨极板的主要缺点是其机械强度低，极板厚，影响电堆的功率密度；金属极板的体电阻比石墨极板更小，人们采用焊接的方法制作双极板，金属极板在水道面的接触电阻很小。而在金属极板气道面人们淀积碳膜或贵金属，和碳纤维气体扩散层形成较好的电接触，但由于金属极板在燃料电池的酸性环境中容易被腐蚀的自然特性，具有碳膜或贵金属膜保护的金属极板的化学稳定性仍然是影响电堆寿命的主要因素。

为此，我们选择高掺杂、高电导的晶硅材料作为燃料电池电堆的极板材料(该技术方案可以具体参见：CN110581288B，CN110581290A，CN110581291A)，由于硅极板的体电阻较小，能够达到在燃料电堆中使用的电阻要求。然而申请人在将技术进行深度推广应用时发现由于高电导硅材料之间的接触电阻较大，为了实现晶硅极板对金属极板和石墨极板的优异替代，还需要考虑减小高掺杂晶硅极板之间在水道面的接触电阻，以及硅极板和气体扩散层之间的接触电阻，从而制作得到具有高功率密度和高耐久性的燃料电池电堆。

本申请人提出了在先申请CN111916783A，具体提出使用硅极板制作燃料电池，并在硅极板上通过淀积过渡层和碳膜降低硅极板和碳纤维气体扩散层之间的接触电阻，未具体涉及如何尽可能降低硅基双极板内部的接触电阻。

硅基双极板内部的接触电阻主要涉及了硅基面和硅基面之间的电接触，与现有技术中采用金属双极板或石墨双极板面临的内部电阻以及电沉积性和可加工性的问题均具有实质区别，因而常规的技术人员无法将常规材质双极板降低电阻的方案应用于硅基双极板中。而根据现有技术的启示，硅基片主要被成熟应用于光伏行业中，基于光伏本身的发电原理，光伏用硅基片其本身也不会面临对硅基片做堆叠接触的技术问题。

人们通常考虑通过导电材料进行堆叠复合连接制备硅基双极板，而且导电材料优选采用金属材料，这容易导致位于双极板内部的冷却通道发生腐蚀所带来的耐久性问题；而设置非金属导电材料进行复核复合连接具有较高的工艺难度。

因此，基于以上技术现状，基于本申请发明人在光伏行业多年的领先开发经验以及基于本申请发明人近几年对硅基双极板的专注研究，希望寻求技术方案来降低硅基双极板的电阻。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低硅基双极板电阻的方法、硅基双极板和燃料电池，在不需要设置导电金属复合层的技术上，有效降低了双极板整体的体电阻，同时在具有较高工作温度的双极板冷却流道内部，不易受到腐蚀，耐久性优异。

本发明采用的技术方案如下：

一种降低硅基双极板电阻的方法，所述双极板包括堆叠接触的阴极板和阳极板，各极板均采用掺杂硅片制成；至少在所述阴极板和/或阳极板的堆叠接触面上一体制作高掺杂层，通过高掺杂层减少单个双极板中阴极板和阳极板之间的接触电阻。

优选地，当掺杂硅片为N型掺杂硅片时，所述高掺杂层采用的掺杂原料包括磷或砷；当掺杂硅片为P型掺杂硅片时，所述高掺杂层采用的掺杂原料包括铝或硼或镓。

优选地，单个双极板中阴极板和阳极板之间的接触电阻不大于12mΩ*cm²。