[发明专利]一种磁控溅射双极板-膜电极总成和电堆及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池领域，提出一种磁控溅射双极板‑膜电极总成和电堆及其制备方法，包括裁剪碳纸、模压流道、制备碳微孔层、模压双极板‑膜电极总成、组装电堆等步骤。本发明所述磁控溅射双极板‑膜电极总成以碳纸为基底骨架，并在碳纸上通过磁控溅射技术生长出碳微孔层作为扩散层，有效地减轻了双极板的重量，降低了成本，并且该扩散层的多空结构具有良好的扩散效果，扩散层与碳纸结合牢固，降低了扩散层与催化剂层长时间运行后相互扩散的问题。本发明电堆采用束带式的捆扎方式进行固定，避免了螺杆式捆扎局部应力不均带来的电堆结构错位问题，避免串漏现象。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种磁控溅射双极板-膜电极总成和电堆及其制备方法。

背景技术

氢燃料电池一般由电堆和辅助系统两部分组成，电堆一般分为金属堆和石墨堆两种，其中石墨堆具有价格低廉、在恶劣环境下运行良好的特点，因而受到广泛关注。石墨堆一般由歧管、端板、绝缘板、集流板和电芯组成，电芯由双极板与膜电极组成。质子交换膜的燃料电池膜电极由阴阳极扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜组成，在制备过程中，首先将催化剂涂覆在质子交换膜两侧，然后再把气体扩散层热压在两侧形成膜电极。

现有的石墨堆存在这以下几种缺陷亟待解决（1）石墨板体积过大，电堆拆装较难。（2）在长时间耐久性运行过程中，膜电极易出现扩散层与催化层相互渗透的现象，使Pt无法完全反应，造成晶面暴露不足的现象。（3）在电堆长期处于不稳定运行状态时，易出现电堆零部件错位，造成膜电极窜气的现象。（4）电堆采用螺杆式组装结构，易产生的电堆封装压力分配不均的问题。

发明内容

本发明针对膜电极易出现扩散层与催化层相互渗透的技术问题，提出一种通过磁控溅射发在碳纸表面形成微孔层的双极板-膜电极总成和电堆及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁控溅射双极板-膜电极总成的制备方法，包括如下步骤：

裁剪两张碳纸，作为双极板-扩散层的基底骨架；

将石墨、树脂和导电填料球磨并干混得到共混物料，将碳纸分别置于模压机中，将共混物料置于碳纸的一侧，模压得到阳极碳纸双极板和阴极碳纸双极板；

在阴极碳纸双极板、阳极碳纸双极板的另一侧通过磁控溅射设备溅射出碳微孔层，得到阳极扩散层-双极板和阴极扩散层-双极板。

将阳极扩散层-双极板、催化剂负载膜、阴极扩散层-双极板采用热压贴合的方式模压，得到双极板-膜电极总成。

作为优选，石墨、树脂、导电填料的比例为（0.4~0.6）：（0.3~0.5）：（0.01~0.2）。

作为优选，导电填料为碳纳米管，长度0.5mm~2mm的短切碳纤维以及过渡金属粉末的一种或几种。

作为优选，步骤（2）中模压方式为5~50MPa九个模压工段，模压时间为10~20min，模压方式为冷压成型。

作为优选，碳微孔层厚度为50µm ~100µm。

作为优选，步骤（4）中热压时间为90~120s，热压压力为90~120MPa，热压温度为90~120℃。

作为优选，磁控溅射反应气体为乙炔，溅射气体为氩气；气体分压P（乙炔）/P（氩气）为0.2，沉积气体总压强设置为5Pa，直流溅射电流为5A，基材偏压为150V，基材温度为200℃，基材与靶材的距离为80mm。

一种由上述的的磁控溅射双极板-膜电极总成的制备方法制备的磁控溅射双极板-膜电极总成。

一种具有磁控溅射双极板-膜电极总成的电堆，包括多片磁控溅射双极板-膜电极总成、端板、阳极绝缘板、阳极集流板、阴极集流板及阴极绝缘板，双侧采用束带捆扎并焊接组成电堆。

作为优选，两片磁控溅射双极板-膜电极总成之间采用三元乙丙橡胶粘合密封。