[发明专利]复合结构质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的制备方法，具体是一种复合结构质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种清洁、高效的发电装置。燃料电池根据所用电解质的不同分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池五大类。其中，质子交换膜燃料电池除具有燃料电池的一般特点(如能量转化效率高、环境友好等)之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解质流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，它不仅可以用于建设分散电站，也特别适宜于用作可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军、民通用的一种新型可移动动力源，也是利用氯碱厂副产物氢气发电的最佳候选电源。在未来的以氢为主要能量载体的氢能时代，它是最佳的家庭动力源。

质子交换膜燃料电池的主要结构部件有：膜电极、双极板(也叫流场板和隔离板)、扩散层和密封材料。其中双极板占有电池堆80％以上的重量和体积比，而制备成本则占整个电堆成本的40～60％。目前普遍采用的制备质子交换膜燃料电池双极板的材料有石墨、导电填料/树脂复合材料和金属材料，采用的加工工艺则有机加工(石墨板，费时耗材，成本高)、模压成型、注射成型(导电填料/树脂复合材料，但导电性、导热性及稳定性差)以及冲压成型(金属材料，会对质子交换膜产生污染，增加内阻以及寿命短)。

经过对现有技术的检索尚未发现相关材料和工艺结合可以很好地满足质子交换膜燃料电池双极板高性能低成本的要求。这成为质子交换膜燃料电池商业化发展的一个瓶颈问题而必须解决。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种复合结构质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法，很好地满足质子交换膜燃料电池双极板高性能低成本的要求，为制备高性能、低成本的质子交换膜燃料电池双极板提出了新的路径。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明涉及复合结构质子交换膜燃料电池双极板包括：厚度为0.1～500μm的石墨层和厚度为0.5～5mm的炭层，其中：石墨层包覆于炭层的外部，石墨层和炭层通过中间相炭微球自烧结无分界连接。

本发明涉及复合结构质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：

(1)将中间相炭微球采用模压成型法直接得到带完整流道的质子交换膜燃料电池的双极板素坯；

(2)将步骤(1)得到的双极板素坯进行炭化处理，然后自然冷却至室温，制成双极板板坯；

所述的炭化处理是指：将双极板素坯置于非氧化气氛保护的烧结炉中在400～700℃环境下烧结0.5～4小时；

(3)将步骤(2)中经炭化处理的双极板板坯依次进行表面催化处理和表面干燥处理；

所述的表面催化处理是指：将双极板板坯置于催化剂溶液中在常温下施加0.5MPa～5MPa的压力进行浸渍或者将催化剂溶液涂覆到双极板板坯的表面；

(4)将经过表面干燥处理的双极板板坯进行石墨催化处理，然后在进行表面干燥处理，制成质子交换膜燃料电池双极板。

所述的表面干燥处理是指：在120℃环境下干燥2小时；

所述的石墨催化处理是指：将经过炭化预处理的双极板板坯置于非氧化气氛保护的烧结炉中于10℃/min的升温速度升至1400℃，保温1小时后随炉冷却至室温，然后用5％的盐酸对双极板板坯进行酸洗直至双极板板坯的表面洗至无色，最后采用去离子水对双极板板坯进行水洗直至pH＝7。

所述的催化剂溶液与中间相炭微球的质量比为0.05∶100～20∶100；

所述的催化剂浸渍溶液是指：溶剂为乙醇，浓度为0.05wt.％～20wt.％的CoCl₂·6H₂O溶液。

所述的催化剂优选浓度为5wt.％～10wt.％的CoCl₂·6H₂O乙醇溶液。

本发明的优点是避开了为了得到高导电导热性能的炭材料而必需的高温石墨化工艺，利于批量生产，降低了生产成本，节约能源，为制备高性能低成本的质子交换膜燃料电池双极板提出了新的路径。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

(1)制备双极板素坯：将中间相炭微球粉体采用直接模压成型，压力为100MPa，得到带完整流道的质子交换膜燃料电池的双极板素坯；