[发明专利]一种石墨-金属边框复合双极板及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨‑金属边框复合双极板及其制备方法，所述双极板分为阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板均由金属边框和石墨板粘接而成；其中，整个石墨板通过金属边框上的粘接区粘接在金属边框的内部，所述阴极板和阳极板密封连接后，形成石墨‑金属边框粘结复合双极板。所述制备方法包括石墨板的制备、阳极板的金属边框制备、阴极板的金属边框制备。本发明制备本发明的石墨‑金属边框粘结复合双极板，具有强度高、导电性能优良、耐腐蚀性强等特点，由于本发明的石墨‑金属边框复合双极板主体为石墨板、边框为金属板，省去了大面积金属板的涂层处理，避免了大面积涂层工艺繁琐以及涂覆不均匀导致性能不一等问题，极具应用前景。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种石墨-金属边框复合双极板及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种电化学能量转化装置，其能量转换效率不受卡诺循环限制，可高效、清洁地把化学能直接转化为电能，并且生成物为纯水，真正做到零排放、零污染。质子交换膜燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空航天及水下潜器等民用与军用领域都展现出了广阔的应用前景。

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件，是构成PEMFC电池体积和重量的主要部分，在燃料电池中主要起分隔氧化剂与还原剂、收集电流、传导反应热量、排水等作用。双极板占了整个燃料电池堆总质量的60％～80％和电堆成本的30％～45％，双极板的成本与性能对推进燃料电池的市场应用与产业化进程有很大影响。

目前，PEMFC中广泛使用的双极板材料是石墨板、复合材料板和金属板。

(1)石墨双极板具有导电导热性能高、耐腐蚀、易于加工、密度较低等优点，因此是燃料电池中最常用的双极板。但是传统石墨板由于石墨化温度高(2500℃)，故制备程序严格繁琐、机械加工周期长。同时，石墨脆性大、强度低、组装也较困难，且存在气密性差等不足。

(2)针对石墨双极板存在的缺陷，碳基复合双极板添加树脂材料作为粘结剂，以石墨作基体材料，经过模压成型、注射成型和挤压成型等方式制得复合双极板，可以在增强石墨板强度的同时提高双极板的气密性，多种加工方式也利于此复合双极板批量生产、降低成本。碳基复合双极板质量轻、强度大、耐腐蚀，但也可能存在导电性能较差的问题，多数此类双极板都添加炭黑颗粒、金属粒子等导电填料以此增强导电性。

(3)金属双极板相较于石墨双极板，具有良好的导电导热性、机械加工性、致密性，适合批量生产，但是金属材料存在着单位密度大、易腐蚀等缺点。因此，就需要采用电镀、化学镀、物理/化学气相沉积等工艺对金属双极板进行表面改性。目前研究的涂层表面改性主要两类，碳基涂层和金属基涂层表面改性。虽然表面改性涂层可以在一定程度上提高金属板的耐腐蚀性，但是多数工作仅在模拟环境下对双极板耐蚀性和接触电阻进行考察，而实际PEMFC的运行环境与模拟环境存在较大差异。另一方面，要做到无缺陷的改性层制备，对设备、技术的要求很高，目前的一些尖端技术可以满足此要求，但同时成本就会较高。

结合金属材料和碳基复合材料的特点，人们开发出了以金属薄板为支撑体，石墨板为流道的金属基复合双极板，如专利CN 2429919Y公开了一种镶嵌结构的质子交换膜燃料电池双极板，由金属材料制作导电不透气液的分隔板，石墨材料制作气体反应流道板，板面加工成凹凸沟槽结构相互嵌合成双极板，此镶嵌结构的双极板在实际运行性能上会明显优于纯石墨和纯金属材料双极板。但是，此双极板制备需要对金属分隔板与两个石墨流道板分别加工凹凸沟槽结构，制备工序略复杂且紧实度无法保证。

专利CN 106848362A公开了一种金属波纹板和石墨板构成的一体化金属-石墨复合双极板，该双极板以金属波纹板为阴极板，石墨板为阳极板且其一侧加工成波纹结构，两板通过结构嵌合连接为一体，此双极板可以降低接触电阻，利于气体均匀扩散。然而，这种双极板的制备需要进行多次金属薄板与石墨板的波纹结构压制，以致双极板的制备步骤多且时间长，不利于批量化制备。