[发明专利]一种分层式超薄碳基双极板及其制备方法在审

专利信息
申请号: 202010732994.1 申请日: 2020-07-27
公开(公告)号: CN111883793A 公开(公告)日: 2020-11-03
发明(设计)人: 郑俊生;明平文;张存满;樊润林;彭宇航 申请(专利权)人: 同济大学
主分类号: H01M8/0228 分类号: H01M8/0228;H01M8/0221;H01M8/0213;H01M8/0258
代理公司: 上海科盛知识产权代理有限公司 31225 代理人: 许耀
地址: 200092 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 分层 超薄 碳基双 极板 及其 制备 方法
【说明书】:

发明涉及燃料电池技术领域,尤其是涉及一种分层式超薄碳基双极板及其制备方法,分层式超薄碳基双极板为夹心状分层式复合结构,包括导电添加剂层,导电添加剂层的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层和导电基材/树脂复合层,且导电基材/树脂复合层的外表面具有流道结构。与现有技术相比,本发明解决了传统碳基复合双极板为满足强度条件而产生的厚度过大问题,以及碳基复合双极板工艺性能与导电性之间的矛盾;预浸料层能够在有效降低双极板厚度的情况下,保证极板良好的抗弯强度,同时又避免了成型厚度低引起的成型难度大的问题;厚度在1.4mm以内,能够显著降低燃料电池的整体体积及质量,制备难度低,工序少,适合批量生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域,尤其是涉及一种分层式超薄碳基双极板及其制备方法。

背景技术

燃料电池与内燃机相比,是一种直接将化学能转换为电能的发电装置,区别于内燃机复杂的能量转换过程,因此能量转换率高。质子交换膜燃料电池通过将氢气和氧气分别通入阳极和阴极,在催化剂的作用下分别发生氧化反应和还原反应,电子经过外电路传导产生电能,氢离子通过质子交换膜传输到阴极生成水。

质子交换膜燃料电池的发电过程中,双极板对燃料电池的正常运行起着至关重要的作用。双极板需要将两极的反应气体完全隔开,防止两极气体混合后引发剧烈的氧化反应。同时,外电路的电子传导需要经过双极板,因此要求双极板有良好的导电性。反应气体的传输和生成水的排出依靠双极板上的气体流道,因此双极板需要有良好的流道成型性能,确保较小的流体阻力和良好的水气传输性能。双极板在燃料电池系统中占据了相当大比重的质量和体积,其厚度和质量对燃料电池比功率有着很大的影响。

目前各个企业和研究机构已经开发出各种材料的双极板,主要包括金属双极板、石墨双极板和复合材料双极板。石墨导电性、耐腐蚀性能好,但是机械强度差,需要较大厚度才能在承受电堆组装的加紧力和气体压力下保持电堆安全运行。金属双极板机械强度高,隔离气体性能好,可以通过冲压等机械加工方法成型超薄双极板,但是在燃料电池工作状态下易发生电化学腐蚀,需要添加涂层等方法进行表面处理。碳基复合双极板以石墨聚合物复合材料作基体,机械强度和耐腐蚀性良好,可以采用注塑成型和模压成型的加工方法,适合批量生产,但是导电性、阻气性、结构强度等性能较难平衡。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种分层式超薄碳基双极板及其制备方法。采用导电基材/树脂复合外层与预浸料中间夹导电添加剂层的内层结构来分别制作碳基复合双极板的功能层。分层式超薄碳基复合双极板能够减小燃料电池电堆的体积和质量,提高比功率,同时生产工艺难度低,便于批量生产。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:

本发明第一方面提供一种分层式超薄碳基双极板,其为夹心状分层式复合结构,包括导电添加剂层,导电添加剂层的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层和导电基材/树脂复合层,经热模压固化在极板表面形成流道结构。

作为本发明优选的技术方案,所述的流道结构的流道深度小于导电基材/树脂复合层的厚度,所述的预浸料层和导电添加剂层为平面结构。由于取向不同,若预浸料层参与成型,则会造成各层间内应力不平衡,极大地影响极板的平面度。且预浸料层强度大,流道精密成型性能差。故本发明只有导电基材/树脂复合层参与成型流道结构。

作为本发明优选的技术方案,所述的预浸料层为单向碳纤维或单向碳纤维织物的预浸料,且导电添加剂层两侧的预浸料层的取向相互垂直。预浸料层的面内导电性良好,机械强度高,是一种生产复合材料的工业中间材料。利用预浸料制备分层式超薄碳基复合双极板能够在有效降低双极板厚度的情况下,保证极板具有良好的抗弯强度,通过比较容易的生产工艺制备超薄双极板。

单向碳纤维预浸料或单向碳纤维织物预浸料具有良好的机械强度,并且有利于辅助复合双极板的厚度控制,降低超薄复合双极板的成型工艺难度。外层采用导电基材/树脂复合材料,能够保证良好的流道成型性能。

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