一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法与流程

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池直接把氢气和氧气中化学能直接转化为电能，不受卡诺循环限制，因此能量转换效率高，同时环境友好，可以广泛用于交通运输和地面发电等。但是，单节电池电压较低(0.6v～1.0v)，因此，为了得到实际可用的电压，需要把多个单电池串联起来，串联的连接件叫双极板，双极板起到分隔氢气、氧气，收集电流和支撑膜电极,同时还担负起整个电池系统的散热功能和排水功能的作用，因此双极板材料需要耐腐蚀、导电、良好的机械强度和价格低廉，易于批量加工等。

传统的燃料电池双极板材料是硬石墨，以及注塑和柔性石墨等，硬石墨通过机械打磨和雕刻而成，硬石墨双极板耐腐蚀和导电均良好，可以满足燃料电池使用，但是加工成本高，不适合批量制备，而且成品板厚度约为2mm～3mm，导致燃料电池堆体积大，不适合用于电动汽车发电系统。注塑石墨和柔性石墨价格低廉，但是厚度较厚，也无法满足汽车用体积要求。为解决燃料电池堆体积大的问题，现有技术中产生了易于加工的金属材料双极板，包括不锈钢双极板、铝金属双极板和钛金属双极板等，并在金属表面涂覆耐腐蚀导电涂层。

现有涂覆耐腐蚀导电涂层的金属双极板的不足在于：一是金属双极板耐腐蚀导电涂层的寿命较低，不能满足燃料电池使用寿命5000小时到10000小时的寿命要求，二是成本较高，不能满足燃料电池低成本要求。

如金属双极板的表面导电耐腐蚀涂层通常采用物理气相沉积和电镀技术，在金属表面溅射或复合电镀上一薄层贵金属、炭、氮化物或痰化物，乃至硼化物等。贵金属，如铂和金等可以满足燃料电池工作环境的导电耐腐蚀要求，寿命也可以满足商业应用要求，但是价格昂贵，无法实现商业应用。氮化物、炭化物和硼化物，导电良好，存在的主要问题是其膨胀系数与金属板差别较大，在燃料电池工作温度循环过程中容易脱落，导致双极板使用寿命不能满足燃料电池商业化要求；同时该类材料属于半导体，其与电极炭材料接触电阻相对偏高，在大电流工作时，电压损失较大。溅射炭膜，包括炭与炭化铬、炭化钛复合涂层，在接触电阻上可以满足燃料电池放电要求，但是，其脱落以及易于被腐蚀导致其使用寿命偏短，不能满足燃料电池商业化需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法。把双极板表面对导电和耐腐蚀要求，采用不同的材料来完成，实现金属双极板超薄的优点和石墨耐腐蚀的优点相结合，提高双极板使用寿命，降低制造成本。

本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，包括金属双极板制作和柔性石墨纸处理，金属双极板制作包括：用0.08mm～0.1mm不锈钢薄板制出氢单极板和氧单极板，将氢单极板和氧单极板焊接成具有氢气流场、空气流场和冷却剂流场的双极板，在双极板表面镀一层高导电镀层；柔性石墨纸处理是将柔性石墨纸进行封闭柔性石墨纸内孔道处理，其特征在于：所述金属石墨复合双极板制备方法还包括柔性石墨纸在双极板表面黏附；所述柔性石墨纸在双极板表面黏附包括以下步骤：

1)在双极板的密封胶线槽部位涂敷树脂粘结剂，将经过封闭内孔道处理的柔性石墨纸附着在双极板阴极面和阳极面的表面，对柔性石墨纸表面施压，使柔性石墨纸与双极板表面紧密接触；

3)将步骤1附着柔性石墨纸的双极板置于烘烤炉，烘烤炉内通入惰性气体，在树脂粘结剂固化温度下保温两小时，得到金属石墨复合双极板。

本发明所述一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，其特征在于：所述柔性石墨纸进行封闭柔性石墨纸内孔道处理方法如下：将酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸酯中任意一种稀释到粘度为300mpa.s～400mpa.s的处理液，将处理液置于真空罐中，将柔性石墨纸浸入处理液中，在真空度133pa下浸渍三小时后取出。

本发明所述一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，其特征在于：所述柔性石墨纸的厚度为0.02mm～0.05mm。

本发明所述一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，其特征在于：所述双极板的密封胶线槽部位涂敷的树脂粘结剂是酚醛树脂或环氧树脂，酚醛树脂或环氧树脂的固化温度为150℃～180℃。

本发明所述一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，其特征在于：所述双极板的密封胶线槽部位涂敷的树脂粘结剂的涂覆方法是用丝网印刷涂覆。

本发明所述一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，其特征在于：所述对柔性石墨纸表面施压的方法是：将黏附柔性石墨纸的双极板放置在两个气囊或两个水囊中间，然后用压机在气囊或水囊上施压。

本发明所述一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，其特征在于：所述在双极板表面镀的高导电镀层是铜镀层或银镀层，镀层厚度为0.5μm～3.0μm，镀层镀法为物理气相沉积法或电镀法。

本发明所述一种质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，其特征在于：所述将氢单极板和氧单极板焊接成双极板的焊接方法是光纤激光焊，焊缝沿氢单极板和氧单极板的密封胶线槽和流场中间沟槽布置，焊缝总面积约占双极板工作面积的5％～7％。

本发明的原理是：把双极板表面对导电性和耐腐蚀性的要求，采用不同的材料来完成，导电性采用高导电的铜或银镀层实现，耐腐蚀性用在高导电镀层的上面再黏附一层致密柔性石墨薄层实现，柔性石墨薄层起到阻断燃料电池反应生成的水与导电层的接触，起到耐腐蚀作用。

本发明的有益效果是：

1、在激光焊接双极板四周的同时，在流场内焊接一定面积比例，减少了双极板电阻。

2、采用极薄的柔性石墨纸黏附在流场的表面，仅略微增加双极板厚度(增加了0.06mm～0.1mm)，却大幅度提高了双极板的耐腐蚀性；降低了金属双极

板的表面处理成本。

3、对所用的柔性石墨纸进行堵孔处理，阻止了气体和水与金属镀层的接触，避免了涂层使用贵金属，降低了双极板制造成本。

附图说明

附图1是本发明的金属石墨复合双极板平面图。

附图2是本发明的金属石墨复合双极板剖面局部放大图。

图中：1、空气通道，2、冷却剂通道，3、氢气通道，4、密封胶线槽，5、空气流场，6、氢气流场，7、冷却剂流场，8、单极板,9、柔性石墨纸，10、焊缝。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

质子交换膜燃料电池金属石墨复合双极板制备方法，包括金属双极板制作、柔性石墨纸处理和柔性石墨纸在双极板表面黏附，金属双极板制作包括如下步骤：

1)采用0.08mm～0.1mm的316l不锈钢薄板模压出金属双极板的氢单极板和氧单极板，单极板8上的凸起和沟槽高度和深度分别在0.5mm～0.7mm范围；

2)采用光纤激光焊将一片氢单极板和一片氧单极板焊接在一起，构成一片双极板，双极板厚度在1mm～1.4mm后范围，氢单极板表面具有氢气流场6，氧单极板表面板具有空气流场5，中间形成空腔，成为冷却剂流场7，为了减小单极板片之间接触电阻，焊接双极板时增加了焊缝的总面积，焊缝10除了沿氢单极板和氧单极板的密封胶线槽4布置外，还布置在流场中间沟槽部位，使焊缝总面积占整个双极板工作面积的5％～7％；

3)采用物理气相沉积或电镀技术，在上述双极板表面镀上一层铜或银，镀层厚度为0.5μm～3.0μm，目的是减少不锈钢表面与后续石墨层之间的接触电阻；

柔性石墨纸9处理和柔性石墨纸9在双极板表面黏附包括以下步骤：

4)将酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸酯的中的任意一种稀释到粘度为

300mpa.s～400mpa.s，制成封闭柔性石墨纸内孔道的处理液，将处理液置于真空罐中，将0.02mm～0.05mm厚的柔性石墨纸9浸入装有处理液的真空罐中，在真空度133pa浸三小时后取出，目的是封闭柔性石墨纸内孔道；

5)在双极板的密封胶线槽4部位，用丝网印刷法涂敷酚醛树脂或环氧树脂粘结剂，将浸渍封孔后的柔性石墨纸9附着在双极板正反表面，用气压或水压方法，使柔性石墨纸9与双极板表面紧密切接触；气压或水压方法是在一个模具中，把黏附柔性石墨纸9的双极板放到两个气囊或两个水囊中间，然后用压机在气囊或水囊上施压，至柔性石墨纸9于双极板正反表面紧密接触后取出；

6)将上述带有柔性石墨纸9的双极板置于烘烤炉内，烘烤炉内通入惰性气体保护，在150℃～180℃树脂固化温度下，炉内固化两小时，得到成品的金属石墨复合双极板。