一種用于燃料電池的雙極板及其制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請號為201410341642. 8,申請日為2014年7月17日，發明名稱為"一 種用于燃料電池的雙極板及其制造方法"的發明專利申請的分案申請
技術領域
[0002] 本發明涉及一種用于燃料電池的雙極板及其制造方法。
【背景技術】
[0003] 燃料電池電堆雙極板（以下稱"雙極板"）是燃料電池電堆系統的核心組成部分之 一，其質量約占整個電堆系統的80%，其制造成本約占整個燃料電池電堆系統的總制造成 本的45%。燃料電池電堆雙極板主要包括極板和流場兩部分；其中，極板的主要功能是導 電、集電，流場的主要功能是阻隔陰陽兩極氣體并在每個單極側引導氣體流動。
[0004] 基于燃料電池電堆功能的需要，在制造雙極板時，只有選取同時具備導電性、氣密 性、導熱性、耐腐蝕性以及一定的結構強度等性質的材料，才能制造出滿足美國能源部規定 的燃料電池雙極板基本工作條件的雙極板。
[0005]由于燃料電池電堆的主要作用是發電，因此導電、集電是雙極板的基本功能，所以 在選擇制造雙極板的材料時，需要優先滿足導電性的功能需求，選擇導電性好的材料。又 因為一般導電性好的材料導熱性也比較好，而且燃料電池電堆只有達到一定的溫度才能工 作，因此導電導熱是電堆系統工作的基本條件。所以，在制造燃料電池電堆雙極板時，通常 選擇同時具備導電性和導熱性的材料，并且這種材料的導電性和導熱性都應該達到美國能 源部規定的雙極板基本工作條件。
[0006] 雙極板的基板（以下稱"基板"）是雙極板最主要的部分，能夠發揮雙極板的極板 和流場功能，是雙極板的基礎部分。由于基板是雙極板的基礎部分，因此在制造基板時，通 常也應選擇同時具備導電性和導熱性的材料，并且這種材料的導電性和導熱性也都應該達 到美國能源部規定的雙極板基本工作條件。
[0007]目前，基板采用的材料主要有兩類：一類是同時具備導熱性和導電性的單一材料， 比如金屬、純石墨等。另一類是混合了導熱導電材料后而同時具備導熱性和導電性的復合 材料，如復合石墨等。無論是單一材料還是復合材料，這種基板材料所同時具備的導電性 和導熱性都能達到美國能源部規定的燃料電池雙極板基本工作條件。然而，雖然純石墨具 有高導電、高導熱、耐腐蝕等優點，但是其仍然存在機械強度低、易碎，加工成本高等缺點， 這就限制了石墨雙極板的大規模使用。金屬材料雖然具備高導電、高導熱、機械強度高的特 點，但是其不耐腐蝕，重量過大，這也使得其推廣面臨巨大的障礙。復合石墨材料相比于石 墨材料雖然提高了機械強度，但其加工難度依然很大，加工成本也沒有明顯降低。同時，由 于這種混合材料中的樹脂部分一般不具備導電性和導熱性，所以降低了雙極板的性能。
[0008] 由此可見，由于雙極板，主要是雙極板的基板需要具備的性能比較多，能夠全面滿 足其各種性能需求的可選材料非常少。因此在選擇材料的時候，不得不在優先滿足部分性 能需求的同時降低對另一部分性能的要求，這就降低了燃料電池的效率，同時對燃料電池 的性能產生了一定的影響。同時，這種選擇材料的局限性，還增加了燃料電池的體積、重量， 加大了制造的難度，提高了制造成本，成為了一個巨大的技術瓶頸，在多方面嚴重阻礙了燃 料電池發展。燃料電池電堆雙極板的制造技術是燃料電池發電部分的兩大核心技術之一。 目前，世界各國對于雙極板材料的研究都投入了巨大的力量，以尋求一種在提升雙極板性 能的同時拓寬選材范圍，最大限度地降低制造成本和加工難度的燃料電池的雙極板及其制 造方法。本發明提供的雙極板及其制造方法解決了這個問題，并大幅度降低了雙極板的制 造成本，如大規模推廣，必將在未來的燃料電池市場建立巨大的競爭優勢。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的之一在于提供一種不受選材約束且成本低廉的雙極板。所述雙極板 包括：
[0010] (1)基板，所述基板表面設置有氣體流道，所述基板邊緣設置有邊框，所述邊框上 設置有開口以供同極氣體出入，并且所述基板上設置有至少一個穿孔；以及
[0011] (2)位于所述穿孔中的導電填充物，所述導電填充物與所述基板組合形成電阻率 小于等于1x104Ω·m的雙極板，
[0012] 其中，所述基板是陶瓷板或塑料板。優選地，所述基板由導熱率不小于20W/MK的 材料制成。在本發明的一種實施方式中，所述基板由導熱陶瓷或導熱塑料制成。其中，所述 導熱陶瓷為氮化鋁陶瓷或氧化鋁陶瓷。所述導熱塑料選自下列材料之一：導熱液晶聚合物 LCP、導熱聚苯硫醚PPS、導熱含氟聚合物PPA和導熱聚酰胺PA。其中，導熱液晶聚合物LCP 為CoolPoly?E2,導熱聚苯硫醚pps為CoolPoly?E5101 或CoolPoly?D5108,導熱含氟聚 合物PPA為CoolPolf?E3603,導熱聚酰胺PA為CoolPoip)E3607。
[0013] 在本發明的一種實施方式中，所述穿孔設置為使通過穿孔中每1平方毫米導電結 構件的截面積的電流載流量不超過5安培。優選地，所述基板上還覆蓋有第二導電層，所述 第二導電層沿基板表面延伸至所述穿孔中的導電填充物。在可選的實施方式中，通過將導 電材料附著在所述基板上，使該導電材料填充于所述穿孔內從而形成所述導電填充物。在 可選的實施方式中，所述導電填充物通過3D打印填入所述穿孔中。所述導電填充物由金屬 或非金屬或其化合物制成。優選地，所述金屬選自下列金屬中的至少一種：銅、金、銀、鎂、 鉬、鎢、鎳和鋁，所述非金屬選自下列材料中的至少一種：碳、硅和硒。
[0014] 在本發明優選的實施方式中，所述基板還包括設置在所述基板和所述導電填充物 上的防腐層。所述防腐層由金屬或非金屬或其化合物制成。其中，所述金屬選自下列金屬 中的至少一種：鎳、鈦、金、鉑、鉻和鋅，所述非金屬為碳或硅。
[0015] 在本發明更為優選的實施方式中，所述防腐層上還設置有導熱集電體層。所述導 熱集電體層由金屬泡沫體或非金屬泡沫體制成。其中，所述金屬泡沫體的金屬選自下列金 屬中的至少一種：鎳、鈦、鋅和鉻。
[0016] 本發明的另一目的在于提供一種制造本發明的上述雙極板的方法，所述方法包 括：
[0017] 提供基板；
[0018] 在所述基板上設置至少一個穿孔；
[0019] 將導電填充物填充于所述穿孔中；從而形成電阻率小于等于1x104Ω·m的雙極 板；
[0020] 其中所述基板是塑料板或陶瓷板，所述基板表面設置有氣體流道，所述基板邊緣 設置有邊框，所述邊框上設置有開口以供同極氣體出入。所述穿孔設置為使通過穿孔中每 1平方毫米導電結構件的截面積的電流載流量不超過5安培。在本發明的一種優選實施方 式中，所述方法還包括在所述基板上覆蓋第二導電層，所述第二導電層沿基板表面延伸至 所述穿孔中的導電填充物。在本發明的可選實施方式中，將所述導電材料附著在所述基板 上，使該導電材料填充于所述穿孔內從而形成所述導電填充物。在本發明的可選實施方式 中，所述導電填充物通過3D打印填入所述穿孔中。
[0021] 在本發明的另一優選實施方式中，所述方法還包括在已用所述導電填充物填充了 所述基板中的至少一個穿孔之后在所述基板和所述導電填充物上設置防腐層。
[0022] 在本發明的更為優選的實施方式中，所述方法還包括在所述防腐層上設置導熱集 電體層。
【附圖說明】
[0023] 圖1是根據本發明的一種實施方式的雙極板（有穿孔）的立體結構示意圖。
[0024] 圖2是沿圖1所示的B-B線的雙極板的截面圖。
[0025] 圖3是在圖2所示的雙極板上進一步設置了導電層而得到的雙極板的截面圖。
[0026] 圖4是圖3所示的雙極板上進一步設置了防腐層而得到的雙極板的截面圖。
[0027] 圖5是在圖4所示的雙極板上進一步設置了導熱集電體層而得到的雙極板的截面 圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面將結合附圖和具體的實施方式對本發明作進一步詳細說明，需要說明的是， 本發明中的附圖僅用于對本發明的【具體實施方式】進行說明，對本發明雙極板的具體結構、 材質等均不構成任何限定；并且，本發明的【具體實施方式】僅僅是舉例說明，對本發明的保護 范圍不構成任何限定。
[0029] 圖1表示根據本發明的一種實施方式所涉及的其中設置有穿孔的雙極板的立體 結構示意圖。圖2是沿圖1所示的雙極板的B-B線的截面圖。
[0030] 如圖1至圖2所示，在本實施方式中，雙極板2包括基板21和導電結構件22的組 合體，其中，基板21的表面設置有蛇形氣體流道24,基板21的邊緣設置有邊框25,邊框25 上設置有同側X型開口 26以供同極氣體出入；基板21上均勻設置有穿孔；導電結構件為位 于穿孔中的導電填充物22。
[0031] 在本實施方式中，可以采用激光法在基板上進行穿孔或直接制作出帶穿孔的基 板，隨后在所述穿孔中設置導電結構件，或預先將導電結構件植埋于用于基板成型的模具 中，通過熱成型將導電結構件與基板一次成型。穿孔設置為使通過穿孔中每1平方毫米導 電結構件的截面積的電流載流量不超過5安培，從而使穿孔內導電結構件的截面積為可以 使電堆產生的電流以最小電阻通過。穿孔的截面積與基板21的面積的比率可以為不小于 0.1%。穿孔在基板上可以均勻設置或不均勻設置，穿孔的直徑