CN108172859A - 一种高温燃料电池用双极板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温燃料电池用双极板及其制造方法，针对燃料电池电堆双极板需满足燃料、氧化剂和冷却介质流通的需求，本发明将满足燃料电池工作环境需求的粘胶材料通过丝网印刷技术和定位设计刮涂到阴极板周面，然后再借助一个定位槽，将阴极板和阳极板精确对齐，静置固化后得到双极板。所述双极板包括阳极板、冷却通道和阴极板，阴极板两侧都有流道，阳极板单面有流道，将阴极板有冷却介质流道的一面与阳极板没有流道的一面粘结一起组成双极板，两板之间作为冷却介质流道，在不增加厚度条件下增加了冷却介质流道。且由于可通过丝网印刷技术精确控制胶液分布和厚度，在一定胶液厚度范围内，实现将两板粘结一块的要求，且不影响双极板的导电性。

Description

一种高温燃料电池用双极板及其制造方法

技术领域

本发明涉及高温燃料电池技术领域，特别涉及一种高温燃料电池用双极板及其制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的连续发电装置，具有能量转换效率高、噪音低、结构简单、发电效率受负载变化影响小等优点，有望代替常规发动机成为未来汽车的主要动力来源，并可应用到电子产品、航空航天、固定电站等多个领域，是“低碳经济”的理想形态之一。

燃料电池电堆双极板(以下简称“双极板”)是燃料电池电堆系统的关键部件之一，在燃料电池电堆中，双极板不仅担负着分配燃料气和空气，实现单片电池之间电的联结和集流作用，而且还担负着从活性区域带出废热、防止气体和冷却剂的泄漏等功能。目前，根据所采用的材料，双极板大体可以分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。

为满足电堆中燃料、氧化剂和冷却介质的流通，双极板通常采用三层复合结构。对于金属双极板，可以通过将冲压有流场的阴阳极板背向叠合，周边通过焊接或粘结密封，两极板背合面构成冷却介质通道(CN 101630747A，空气冷却型燃料电池堆金属双极板)。

虽然金属双极板导电导热性能好、机械加工性好，并且有着卓越的气体密封性可以使之成为阻隔氧化剂和燃料的理想材料，但是，金属板表面的钝化不仅使得本体电阻率增加，也使得它与扩散层间的接触电阻比纯金属与扩散层间的接触电阻大，这就导致欧姆极化作用增强；另外，对于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)，操作温度120-200℃，且所用电解质为磷酸，这种高温强酸环境使金属板更易腐蚀，且腐蚀产生的金属离子会对燃料电池的催化剂以及质子交换膜产生一定的毒化作用。所以，HT-PEMFC双极板通常采用石墨复合双极板。

对于HT-PEMFC用的石墨复合双极板，不能像金属极板那样可以通过将阴阳极焊接，或者像低温燃料电池双极板那样采用导电胶粘结一起来满足燃料、氧化剂和冷却介质的流通，因为HT-PEMFC的操作温度高达200℃，一般的导电胶带或导电胶水的导电材料为导电碳粉或金属粒子，一般的导电填料为金、银、铜、铝、锌、铁、镍的粉末和石墨以及一些导电化合物等，受树脂基体、导电粒子、分散添加剂和助剂等组分的影响，一般的导电胶带或导电胶水使用温度为60～80℃，比较好的可达130℃，不能满足HT-PEMFC高达200℃的使用温度。高温胶水的选择很多，比如硅胶胶水，耐温高达350℃，但这类高温胶水不导电，如果不精确控制胶水在两极板间的分布和厚度，将影响两极板的导电性。

发明内容

针对高温燃料电池双极板需满足燃料、氧化剂和冷却介质流通的需求，本发明借助丝网印刷技术，并通过选择耐高温耐酸且耐油的高温胶液，采用丝网印刷技术和定位设计，精确控制胶液分布和厚度，提出一种集反应物分配、集流、冷却等功能于一体的高温燃料电池双极板及其的制备方法。

一种高温燃料电池用双极板，包括第一极板和第二极板(阳极板和阴极板)；所述第一极板具有单面流场，所述第二极板具有双面流场；所述第一极板流场的相对面，即无流场的一面与所述第二极板的一面通过涂覆于二者相向面的高温胶密封贴接，即在不增加厚度条件下于所述第一极板和第二极板(阳极板和阴极板)之间增加了冷却介质流道。

所述高温胶涂覆于所述第一极板或第二极板相向面上的四周边缘，所述高温胶涂覆的厚度为25-55μm。高温胶涂覆的厚度一方面取决于涂覆后对极板导电性的影响，另一方面取决于涂覆后的密封性。

所述第一极板和/或第二极板相向面边缘具有对应的凹槽，所述高温胶置于所述凹槽内；所述凹槽的深度为10-40μm。

所述第一极板和/或第二极板为石墨板或石墨复合双极板。

所述高温胶的耐温性不低于180℃。

所述高温胶可能含有导电材料，其导电材料为耐高温导电材料，包括耐高温金属粉如金、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆中的一种或两种以上的混合物；或耐高温高分子聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩，以及碳粉(石墨)中的一种或两种以上的混合物。

一种所述高温燃料电池用双极板的制造方法，包括以下步骤，

(1)丝网印刷涂胶：定位所述第一极板或第二极板，当所述第一极板被固定时，使得所述第一极板的流场面向下；于所述已固定的第一极板或第二极板向上面的四周边缘，或于所述第一极板或第二极板的凹槽内，采用丝网印刷的方法涂覆高温胶液；

(2)定位叠合：在定位部件的限制下，将所述第二极板或第一极板叠合于步骤(1)所述涂覆有高温胶液的第一极板或第二极板上；当所述第二极板被固定时，所述第一极板的流场面向上叠合于所述第二极板上；当所述第一极板和/或第二极板具有对应的凹槽时，使第一极板和/或第二极板具有凹槽的面向内密封叠合；

(3)固定压合：于步骤(2)已定位叠合的第一和第二极板上方或上下底面上施加均匀的压力，使第一极板和第二极板固定压合经固化后得高温燃料电池用双极板。

具体过程为：采用一个定位板(如图1所示)，将阴极板放入定位板的凹槽(如图1中的1)内，然后用丝网印刷网板(如图2所示)在阴极板周边刮涂一薄层胶液，针对HT-PEMFC电堆用双极板，胶液需要耐高温耐酸。然后将周边涂有胶液的阴极板放入另一个定位槽内(如图3中的7)，胶液面朝上，再将阳极板没有流道的一面与阴极板叠合，由于有定位槽的限制，阴极板和阳极板精确对齐。最后将一压板置于极板上方，静置固化，最后得到双极板。由于可通过丝网印刷技术精确控制胶液厚度，在一定胶液厚度范围内，不仅实现了将两板粘结一块的要求，而且不影响所得双极板的导电性。

所述定位板用来控制丝网印刷网板与极板的对齐，进而精确控制胶液在极板周面的分布；所述定位板周边设有微调板，用于精确控制定位。所述定位槽用来控制阴极板与阳极板粘结时精确对齐，其定位槽的深度大于阴极板厚度小于阴极与阳极两板总厚度；

所述高温胶涂覆的厚度为25-55μm。

所述胶液耐温性不低于180℃、粘度为3000-40000cPs，具体的胶选择要根据双极板的表面性质，以及所制备双极板的工作温度和工作环境而合理选择。

所述丝网印刷网板的封网膜厚度20～80微米，丝网目数为70-150目，在使用时先用浸湿的无尘纸擦拭丝印网板，保持其表面润湿，利于胶液在网上均匀铺展。

本发明所述高温燃料电池用双极板兼具了燃料和气体传质分配，同时也兼具了冷却介质传输的功能；高温胶的采用一方面可以适应高温燃料电池的运行环境，另一方面高温胶厚度的控制保证其具有较好的密封性同时不影响导电性，不影响燃料电池电堆的体积重量，不降低双极板的导电性。其制造方法为那些无法用焊接技术、或者无法用导电胶带或导电胶实现两板粘结的双极板制备提供了一种新方法，此方法简便、高效、精准。本发明提出的制备方法简单，便于精确控制和操作，特别为石墨或石墨复合双极板，或者高温工作环境下的电堆双极板提供一种制备方法。

附图说明

图1丝网印刷胶液时所用定位板的平面结构示意图，1为放置极板的凹槽，2为控制网板与极板表面高度的凹槽，3为微调丝网印刷网板位置的板槽，4为定位板外边。

图2丝网印刷网板结构示意图，5为丝网印刷网板外边，6为网板中有网的区域。

图3控制阴极板和阳极板对齐的定位框示意图，7为定位框凹槽

图4实施例1所制备的双极板结构示意图，8为阴极板，9为阳极板，10为胶液层

图5实施例2所制备的双极板结构示意图，8为阴极板，9为阳极板，10′为胶液层

具体实施方式

实施例1：阴极板和阳极板都是石墨复合板，其中阳极一面有流道，阴极两面有流道，阴极板上有冷却介质流道的一面周边刻有沟槽，沟槽深度20μm。将阴极板(图4中的8)置于定位板的凹槽(如图1所示中的1)内，其中有冷却介质流道和沟槽的一面朝上。然后将耐温204℃的胶液(粘度10000cPs)铺展在丝网印刷网板(如图2所示中的6)上(网板目数为100目，封网膜厚度50)，并先用刮板刮涂均匀，然后放下网板，用刮刀刮一下，移开网板，取出阴极板，阴极板周面沟槽中的胶液(图4中的10)厚度为35μm(露出沟槽的胶液为10μm)。然后将此周面涂有胶液的阴极板取出放入另一个定位槽内(如图3中的7)，其中涂有胶液的一面朝上，再将阳极板(图4中的9)没有流道的一面朝下放入定位槽内，然后再将一块压板压在阳极板表面，常温下放置固化24h(固化后干胶厚度30μm，露出沟槽10μm)，最后可得到双极板，如图4所示。

测试所得石墨复合双极板的密封性：将双极板置于电池测试所用端板中间，并用夹具固定，然后用泵通入冷却介质，未发现泄漏。将测试温度升为200℃，连续循环通入液体介质24h也未发现开胶和泄漏。

测试所得石墨复合双极板的导电性：将石墨复合双极板置于两张柔性石墨片之间，再将它们放置于两块镀金不锈钢板之间，用螺钉固定两端，然后用电流中断法测试电阻，忽略与柔性石墨片的接触电阻，测得体系的总内阻为44mΩ·cm²。将所得复合双极板用于电池测试，180℃电池运行100h后电池内阻未发生明显升高，表明所得石墨复合双极板的导电性良好且稳定。

实施例2：阴极板和阳极板都是石墨复合板，其中阳极一面有流道，阴极两面有流道，两极板周边没有沟槽。将阴极板(图4中的8)置于定位板的凹槽(如图1所示中的1)内，选用可耐温300℃的高温胶液和150目的丝网印刷网板，采用同实施例1相同的丝网印刷工艺，调节丝网印刷参数，控制阴极板周面上胶液(图4中的11)厚度为20μm，然后采用同实施例1相同的定位和固化后(固化后高温胶厚度15μm)所得石墨复合双极板如图5所示。

采用同实施例1相同的密封测试方法，未发现泄漏，将测试温度升为200℃，连续循环通入液体介质24h也未发现开胶和泄漏。

采用同实施例1相同的导电性测试：测得体系的总内阻为51mΩ·cm²。将所得复合双极板用于电池测试，180℃电池运行100h后电池内阻未发生明显升高，表明所得石墨复合双极板的导电性良好且稳定。

对比例1：将阴极石墨板和阳极石墨板采用进口3M双面导电胶粘接一起，然后泵向中间冷却介质通道通入液体介质，未发现泄漏，密封良好。将测试温度升为200℃，连续循环通入液体介质8h后发现漏液，主要是因为这种双面导电胶长期耐温只能达130℃，短期使用温度为180℃，在高达200℃环境中易开胶。

对比例2：将阴极石墨板和阳极石墨板采用双面金手指胶带粘接一起，金手指胶带长期耐温性可达266℃。采用通实施例相同的方法测试密封性与导电性，密封性良好，但是导电性太差，测试内阻高达414Ω·cm²。这是因为这种高温胶不导电，且胶带厚度最小为95μm，这么厚的一层不导电层导致所粘接的双极板垂直向导电性不连通。

对比例3：选用耐高温的石墨填充型导电胶液(耐温达200℃)，涂于阴极石墨板周边，然后将阳极板与阴极板有胶液的一面叠合，静置固化，但是两石墨板无法粘结一起，这是因为耐高温石墨填充型导电剂的基底大多选有无机盐如硅铝酸盐材料，适合粘结金属、陶瓷、玻璃和橡胶类，但不适合粘结石墨复合双极板。

Claims (9)

1.一种高温燃料电池用双极板，其特征在于：包括相互叠合的第一极板和第二极板；所述第一极板具有单面流场，所述第二极板具有双面流场；所述第一极板流场的相对面(无流场的一面)与所述第二极板的一侧表面通过涂覆于二者相向面之间的高温胶密封贴接。

2.如权利要求1所述高温燃料电池用双极板，其特征在于：所述高温胶涂覆于所述第一极板或第二极板相向面上的四周边缘，所述高温胶的厚度为20-50μm。

3.如权利要求1所述高温燃料电池用双极板，其特征在于：于所述第一极板和/或第二极板相向面四周边缘设有凹槽或相对应的凹槽，所述高温胶置于所述凹槽内；所述凹槽的深度为10-40μm。

4.如权利要求1-3任一所述高温燃料电池用双极板，其特征在于：所述第一极板和/或第二极板为石墨板或石墨复合板。

5.如权利要求1-3任一所述高温燃料电池用双极板，其特征在于：所述高温胶的耐温性不低于180℃。

6.如权利要求1-3任一所述高温燃料电池用双极板，其特征在于：所述高温胶含有导电材料，所述导电材料为耐高温导电材料，包括耐高温金属粉如金、钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆中的一种或两种以上的混合物；或耐高温高分子聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩，以及碳粉(石墨)中的一种或两种以上的混合物。

7.一种权利要求1-6任一所述高温燃料电池用双极板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)丝网印刷涂胶：定位所述第一极板或第二极板，当所述第一极板被固定时，使得所述第一极板的流场面向下；于所述已固定的第一极板或第二极板向上面的四周边缘，或于所述第一极板或第二极板的凹槽内，采用丝网印刷的方法涂覆高温胶；

(2)定位叠合：在定位部件的限制下，将所述第二极板或第一极板叠合于步骤(1)所述涂覆有高温胶的第一极板或第二极板上；当所述第二极板被固定时，所述第一极板的流场面向上叠合于所述第二极板上；当所述第一极板和/或第二极板具有对应的凹槽时，使第一极板和/或第二极板具有凹槽的面向内密封叠合；

(3)固定压合：于步骤(2)已定位叠合的第一和第二极板上方或上下底面上施加均匀的压力，使第一极板和第二极板固定压合经固化后得高温燃料电池用双极板。

8.如权利要求7所述高温燃料电池用双极板的制造方法，其特征在于：所述高温胶涂覆的厚度为25-55μm。

9.如权利要求7所述高温燃料电池用双极板的制造方法，其特征在于：所述高温胶的粘度为3000-40000cPs。