[发明专利]燃料电池石墨双极板的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池石墨双极板的制作方法。

背景技术

双极板(Bipolar plate)是燃料电池的关键部件之一，它在电池中起到导电、隔离氢气和氧气/空气、均匀输送反应气体的重要作用。燃料电池双极板目前主要采用石墨双极板、金属双极板、复合双极板和模压石墨双极板。目前广泛采用的石墨双极板重量约为电堆总重量的60％～70％，总成本达到60％。

关于复合双极板，专利CN1294669C公开了一种制造方法，采用中间相碳颗粒为原材料，以碳纤维为增强材料，通过凝胶注模成型工艺一次成型为质子交换膜燃料电池双极板。首先，配制凝胶注模用单体溶液，之后将中间相碳颗粒和碳纤维按比例加入到单体溶液中，搅拌均匀得到稳定的浆料，然后将浆料浇注到带有反向气体流道的金属模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到双极板素坯，之后将素坯烘干，烧结后，采用热固性树脂进行封孔，最后将固化后的树脂在高温下炭化，即得到碳/碳复合材料双极板。本发明制作的双极板具有机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的特点。

专利CN1300875C公开了一种芳香双硫醚环状低聚体和膨胀石墨制燃料电池双极板及制法，利用价格低廉的膨胀石墨为填料填充热开环聚合的芳香双硫醚环状低聚体制造出纳米复合材料前驱体，并用纳米复合材料前驱体制成燃料电池双极板，该双极板具有优良的导电性，低的制造成本，简单的加工性，并具有良好的阻气性能和抗开裂性能。

关于模压石墨双极板，一般选取热固性树脂或热塑性树脂作为粘结剂(如环氧树脂、乙烯基树脂、密胺树脂、芳香族液晶聚合物等)，以碳材料为导电基体，通过模压法或注模法成型，流场可以在成型过程中直接获得，加工工艺适于批量生产，具有金属双极板和石墨双极板的双重优点。模压石墨双极板的抗酸腐蚀性能及与电极扩散层的接触电阻方面，明显优于金属双极板。

模压石墨双极板采用石墨做骨料、高分子材料做粘合剂通过模压一次成型技术制备复合材料双极板，石墨赋予双极板具有一定的导电性和导热性，而粘合剂则赋予双极板具有一定的强度。双极板的导电、导热等性能与强度是相互制约的因素，如何处理好两者的关系，使其整体性能都能满足使用要求具有一定的难度。粘合剂通常有热固性和热塑性两种类型，使用热固性树脂做粘合剂通常以湿粉料进行压制，要得到强度≥510MPa，密度达到1.8-1.95g/cm³的双极板，通常所需要的压力较高。高压下，湿料中的液态树脂和部分石墨粉被挤出模腔，使双极板的强度下降；若使用热塑性树脂，大部分热塑性的软化点较低，制备的双极板在电堆中使用时发生变形。因此粘合剂的选择和优化也具有一定的难度。在制备双极板的过程中，由于使用了粘合剂，导致产品表面与金属模具之间产生粘结，尤其表面有复杂流场的双极板，粘结更为严重，将使产品的质量无法满足要求。因此在保证高效一次成型的生产工艺中，如何保证顺利脱模并使双极板表面光洁，有许多的工艺问题需要解决。从批量化生产的角度，要求粉料物性稳定，脱膜速度快。而热固性粘合剂都有一定的储存时间，双极板精细的流场要求脱膜速度较慢，这两个方面都导致物料的可用性下降。因此如何制备物性稳定的物料或保持物料物性的稳定性是批量化生产需要解决的关键问题。不管采用热固性或热塑性树脂做粘合剂，其制备工艺都要经过加热-压制-冷却-脱模的过程。模具加热、冷却的速度是决定生产效率的主要因素。目前的压制都是采用单次操作，周期较长，但可以通过改善设备的加热和冷却装置实现，批量化的连续生产存在困难。

关于金属双极板：金属双极板的优点是导电性好、机械强度高、不透气、易加工、易于批量生产，而且厚度可以大大降低，能大幅度提高电池堆的重量和体积比功率。但是通常的金属板(如不锈钢、铝合金和钛板等)在PEMFC的工作环境中易被腐蚀，导致接触电阻增大、电极催化剂和膜受到污染，电池性能降低。因此，在采用金属作为PEMFC的双极板材料时，目前常用方法是对金属表面进行改性。但表面处理方法只能在一定程度上改善金属双极板材料在电堆长期运行过程中的抗腐蚀性能，同时表面处理方法涉及到许多工艺和材料问题，从而也相应增加了电池成本，整体效果并不很理想。

传统石墨板机械加工仍然是目前燃料电池双极板中最常用的方案，石墨材料本身多孔透气和易脆等特性，致使采用石墨双极板的质子交换膜燃料电堆成本很高，可靠性相对较低。在对于燃料电池体积和重量要求不高的场合，传统的石墨板机械加工方法仍然发挥重要的作用。

发明内容