一种用于燃料电池的双极板及其制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为201410341642. 8,申请日为2014年7月17日，发明名称为"一 种用于燃料电池的双极板及其制造方法"的发明专利申请的分案申请
技术领域
[0002] 本发明涉及一种用于燃料电池的双极板及其制造方法。
【背景技术】
[0003] 燃料电池电堆双极板（以下称"双极板"）是燃料电池电堆系统的核心组成部分之 一，其质量约占整个电堆系统的80%，其制造成本约占整个燃料电池电堆系统的总制造成 本的45%。燃料电池电堆双极板主要包括极板和流场两部分；其中，极板的主要功能是导 电、集电，流场的主要功能是阻隔阴阳两极气体并在每个单极侧引导气体流动。
[0004] 基于燃料电池电堆功能的需要，在制造双极板时，只有选取同时具备导电性、气密 性、导热性、耐腐蚀性以及一定的结构强度等性质的材料，才能制造出满足美国能源部规定 的燃料电池双极板基本工作条件的双极板。
[0005]由于燃料电池电堆的主要作用是发电，因此导电、集电是双极板的基本功能，所以 在选择制造双极板的材料时，需要优先满足导电性的功能需求，选择导电性好的材料。又 因为一般导电性好的材料导热性也比较好，而且燃料电池电堆只有达到一定的温度才能工 作，因此导电导热是电堆系统工作的基本条件。所以，在制造燃料电池电堆双极板时，通常 选择同时具备导电性和导热性的材料，并且这种材料的导电性和导热性都应该达到美国能 源部规定的双极板基本工作条件。
[0006] 双极板的基板（以下称"基板"）是双极板最主要的部分，能够发挥双极板的极板 和流场功能，是双极板的基础部分。由于基板是双极板的基础部分，因此在制造基板时，通 常也应选择同时具备导电性和导热性的材料，并且这种材料的导电性和导热性也都应该达 到美国能源部规定的双极板基本工作条件。
[0007]目前，基板采用的材料主要有两类：一类是同时具备导热性和导电性的单一材料， 比如金属、纯石墨等。另一类是混合了导热导电材料后而同时具备导热性和导电性的复合 材料，如复合石墨等。无论是单一材料还是复合材料，这种基板材料所同时具备的导电性 和导热性都能达到美国能源部规定的燃料电池双极板基本工作条件。然而，虽然纯石墨具 有高导电、高导热、耐腐蚀等优点，但是其仍然存在机械强度低、易碎，加工成本高等缺点， 这就限制了石墨双极板的大规模使用。金属材料虽然具备高导电、高导热、机械强度高的特 点，但是其不耐腐蚀，重量过大，这也使得其推广面临巨大的障碍。复合石墨材料相比于石 墨材料虽然提高了机械强度，但其加工难度依然很大，加工成本也没有明显降低。同时，由 于这种混合材料中的树脂部分一般不具备导电性和导热性，所以降低了双极板的性能。
[0008] 由此可见，由于双极板，主要是双极板的基板需要具备的性能比较多，能够全面满 足其各种性能需求的可选材料非常少。因此在选择材料的时候，不得不在优先满足部分性 能需求的同时降低对另一部分性能的要求，这就降低了燃料电池的效率，同时对燃料电池 的性能产生了一定的影响。同时，这种选择材料的局限性，还增加了燃料电池的体积、重量， 加大了制造的难度，提高了制造成本，成为了一个巨大的技术瓶颈，在多方面严重阻碍了燃 料电池发展。燃料电池电堆双极板的制造技术是燃料电池发电部分的两大核心技术之一。 目前，世界各国对于双极板材料的研究都投入了巨大的力量，以寻求一种在提升双极板性 能的同时拓宽选材范围，最大限度地降低制造成本和加工难度的燃料电池的双极板及其制 造方法。本发明提供的双极板及其制造方法解决了这个问题，并大幅度降低了双极板的制 造成本，如大规模推广，必将在未来的燃料电池市场建立巨大的竞争优势。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的之一在于提供一种不受选材约束且成本低廉的双极板。所述双极板 包括：
[0010] (1)基板，所述基板表面设置有气体流道，所述基板边缘设置有边框，所述边框上 设置有开口以供同极气体出入，并且所述基板上设置有至少一个穿孔；以及
[0011] (2)位于所述穿孔中的导电填充物，所述导电填充物与所述基板组合形成电阻率 小于等于1x104Ω·m的双极板，
[0012] 其中，所述基板是陶瓷板或塑料板。优选地，所述基板由导热率不小于20W/MK的 材料制成。在本发明的一种实施方式中，所述基板由导热陶瓷或导热塑料制成。其中，所述 导热陶瓷为氮化铝陶瓷或氧化铝陶瓷。所述导热塑料选自下列材料之一：导热液晶聚合物 LCP、导热聚苯硫醚PPS、导热含氟聚合物PPA和导热聚酰胺PA。其中，导热液晶聚合物LCP 为CoolPoly?E2,导热聚苯硫醚pps为CoolPoly?E5101 或CoolPoly?D5108,导热含氟聚 合物PPA为CoolPolf?E3603,导热聚酰胺PA为CoolPoip)E3607。
[0013] 在本发明的一种实施方式中，所述穿孔设置为使通过穿孔中每1平方毫米导电结 构件的截面积的电流载流量不超过5安培。优选地，所述基板上还覆盖有第二导电层，所述 第二导电层沿基板表面延伸至所述穿孔中的导电填充物。在可选的实施方式中，通过将导 电材料附着在所述基板上，使该导电材料填充于所述穿孔内从而形成所述导电填充物。在 可选的实施方式中，所述导电填充物通过3D打印填入所述穿孔中。所述导电填充物由金属 或非金属或其化合物制成。优选地，所述金属选自下列金属中的至少一种：铜、金、银、镁、 钼、钨、镍和铝，所述非金属选自下列材料中的至少一种：碳、硅和硒。
[0014] 在本发明优选的实施方式中，所述基板还包括设置在所述基板和所述导电填充物 上的防腐层。所述防腐层由金属或非金属或其化合物制成。其中，所述金属选自下列金属 中的至少一种：镍、钛、金、铂、铬和锌，所述非金属为碳或硅。
[0015] 在本发明更为优选的实施方式中，所述防腐层上还设置有导热集电体层。所述导 热集电体层由金属泡沫体或非金属泡沫体制成。其中，所述金属泡沫体的金属选自下列金 属中的至少一种：镍、钛、锌和铬。
[0016] 本发明的另一目的在于提供一种制造本发明的上述双极板的方法，所述方法包 括：
[0017] 提供基板；
[0018] 在所述基板上设置至少一个穿孔；
[0019] 将导电填充物填充于所述穿孔中；从而形成电阻率小于等于1x104Ω·m的双极 板；
[0020] 其中所述基板是塑料板或陶瓷板，所述基板表面设置有气体流道，所述基板边缘 设置有边框，所述边框上设置有开口以供同极气体出入。所述穿孔设置为使通过穿孔中每 1平方毫米导电结构件的截面积的电流载流量不超过5安培。在本发明的一种优选实施方 式中，所述方法还包括在所述基板上覆盖第二导电层，所述第二导电层沿基板表面延伸至 所述穿孔中的导电填充物。在本发明的可选实施方式中，将所述导电材料附着在所述基板 上，使该导电材料填充于所述穿孔内从而形成所述导电填充物。在本发明的可选实施方式 中，所述导电填充物通过3D打印填入所述穿孔中。
[0021] 在本发明的另一优选实施方式中，所述方法还包括在已用所述导电填充物填充了 所述基板中的至少一个穿孔之后在所述基板和所述导电填充物上设置防腐层。
[0022] 在本发明的更为优选的实施方式中，所述方法还包括在所述防腐层上设置导热集 电体层。
【附图说明】
[0023] 图1是根据本发明的一种实施方式的双极板（有穿孔）的立体结构示意图。
[0024] 图2是沿图1所示的B-B线的双极板的截面图。
[0025] 图3是在图2所示的双极板上进一步设置了导电层而得到的双极板的截面图。
[0026] 图4是图3所示的双极板上进一步设置了防腐层而得到的双极板的截面图。
[0027] 图5是在图4所示的双极板上进一步设置了导热集电体层而得到的双极板的截面 图。
【具体实施方式】
[0028] 下面将结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明，需要说明的是， 本发明中的附图仅用于对本发明的【具体实施方式】进行说明，对本发明双极板的具体结构、 材质等均不构成任何限定；并且，本发明的【具体实施方式】仅仅是举例说明，对本发明的保护 范围不构成任何限定。
[0029] 图1表示根据本发明的一种实施方式所涉及的其中设置有穿孔的双极板的立体 结构示意图。图2是沿图1所示的双极板的B-B线的截面图。
[0030] 如图1至图2所示，在本实施方式中，双极板2包括基板21和导电结构件22的组 合体，其中，基板21的表面设置有蛇形气体流道24,基板21的边缘设置有边框25,边框25 上设置有同侧X型开口 26以供同极气体出入；基板21上均匀设置有穿孔；导电结构件为位 于穿孔中的导电填充物22。
[0031] 在本实施方式中，可以采用激光法在基板上进行穿孔或直接制作出带穿孔的基 板，随后在所述穿孔中设置导电结构件，或预先将导电结构件植埋于用于基板成型的模具 中，通过热成型将导电结构件与基板一次成型。穿孔设置为使通过穿孔中每1平方毫米导 电结构件的截面积的电流载流量不超过5安培，从而使穿孔内导电结构件的截面积为可以 使电堆产生的电流以最小电阻通过。穿孔的截面积与基板21的面积的比率可以为不小于 0.1%。穿孔在基板上可以均匀设置或不均匀设置，穿孔的直径