[发明专利]用于聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板及其制造方法

说明书

技术领域

本申请涉及用于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的复合隔板。本申请更具体涉及用于PEMFC的复合隔板及其制造方法。该创造性方法包括当石墨箔被堆叠在碳纤维强化复合材料预浸料的两侧时，使石墨箔层彼此直接接触，因而提高隔板沿厚度方向的导电性能。

背景技术

一般而言，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气和氧气(或空气)作为反应气体、通过电化学反应产生电，且同时产生热和水的装置。PEMFC具有很多优势，例如，高能量效率、高电流密度、高功率密度、短启动时间和相比于其他类型燃料电池对负载变化的快速反应。基于这些原因，它可用于多种应用，例如，零排放车辆的能源、独立能量装置、便携式能量源、军事能源，以及其他应用。

图1示出一种常规燃料电池组，具体描述如下：

常规燃料电池组包括膜电极组件(MEA)，其位于燃料电池组的每个单元电池的中心。MEA包括通过氢离子(质子)传输的固体聚合物电解质膜60，和位于固体聚合物电解质膜60两侧的电极/催化剂层。电极/催化剂层可包括空气电极(阴极)61和燃料电极(阳极)62，氢气和氧气在其中发生电化学反应。

此外，气体扩散层(GDL)40和垫片41依次叠置在阴极60和阳极62所在的MEA的两侧上。隔板30，包括提供燃料并排出反应产生水的流场，位于GDL40的外侧上。用于支撑上述组件的端板50与其两端连接。

因此，在燃料电池组的阳极62，氢气通过氧化反应离解为氢离子(质子，H⁺)和电子(e^-)。氢离子和电子分别穿过电解质膜60和隔板30传输到阴极61。在阴极61，通过从阳极62传输的氢离子和电子的电化学反应产生水。空气中的氧气同时参与，电子流动产生电流。

在上述燃料电池组中，隔板分隔燃料电池的单元电池，同时，作为单元电池之间的电流通道。隔板上形成的流场作为用来提供氢气和氧气的通道，并排出反应所产生的水。

由于反应所产生的水阻碍了在燃料电池电解质膜中的化学反应，因此应该将水迅速排到外部。因此，隔板材料可具有较大的表面能以使水能迅速地铺满隔板表面(亲水性)，也可具有较小的表面能以使水从隔板表面滚落(疏水性)。因此，有必要使流场的亲水性或疏水性最大，以便使隔板之间的电接触电阻最小，从而利于产物水的循环。

考虑到这些因素，常规隔板由石墨、薄不锈钢板或由膨胀碳颗粒或石墨颗粒与聚合物基质混合得到的复合材料制成。

相比之下，不锈钢板的电阻显著低于石墨的电阻。

然而，由于电接触电阻与接触面积、压力和刚度有关，因此石墨的电接触电阻低于不锈钢的电接触电阻。然而，石墨在满足隔板在电和化学方面条件的同时，却容易因受冲击而损坏并且难以处理。

因此，可改进电、化学和机械性能的连续碳纤维复合隔板，是本领域的一个进步。此外，需要一种燃料电池用隔板的制造方法，其可减小单元电池之间的接触电阻，这是最重要的电性能之一，并且控制连续碳纤维复合隔板的表面能以方便排出反应产生的水。

背景部分公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员已知的背景技术的信息。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题而提出本发明。因此，本发明提供一种用于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的复合隔板以及制造方法。根据本发明，当石墨箔被堆叠在碳纤维强化复合材料预浸料的两侧时，使石墨箔层通过位于因挤压膨胀石墨而形成的石墨箔之间的复合材料层中形成的多个孔，彼此直接接触。这种布置减小碳纤维强化复合材料的电接触电阻，增大石墨箔的亲水性，并改善隔板厚度方向的导电性。

一方面，本发明提供一种用于聚合物电解质膜燃料电池的复合隔板，该隔板包括：包含多个孔的碳纤维强化复合材料；石墨箔，具有与碳纤维强化复合材料相同的尺寸并被堆叠在所述碳纤维强化复合材料的两侧；和连接部，由于石墨箔的一部分被填充到多个孔中而形成在碳纤维强化复合材料的每个孔中，从而导电地连接被堆叠在碳纤维强化复合材料两侧的石墨箔。

在一个优选实施方式中，当在高温和高压下挤压碳纤维强化复合材料和石墨箔时，利用石墨箔沿着厚度方向的变形使连接部填充到碳纤维强化复合材料的每个孔中。

在另一个优选实施方式中，多个孔可以形成在碳纤维强化复合材料的边缘上，该边缘与垫片所接合到的石墨箔的外表面相对应。