一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种一体化金属‑石墨复合双极板燃料电池轻型电堆。该电堆采用由金属波纹板和石墨板构成的一体化金属‑石墨复合双极板，其中金属波纹板为阴极板，金属波纹板上凸起的脊内腔为氧气流场，凸起的脊同时兼顾散热肋片；石墨板为阳极板，其是在石墨板本体的一侧表面具有氢气流场，并在该侧表面的边缘设有密封槽，石墨板本体的另一侧为石墨板波纹结构；石墨板通过石墨板波纹结构嵌入金属波纹板中并连接为一体。本发明专利技术电堆的性能和稳定性得到显著的提升。因石墨板材料中掺杂负温度系数热敏电阻材料，能够显著缩小冷启动时间，并使得电堆能够在60℃以上的较高温度下正常应用。

【技术实现步骤摘要】
一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆及其制造方法
本专利技术属于燃料电池轻型电堆
，特别涉及一种一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆及其制造方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)可直接将燃料中的化学能转化成电能而不经过燃烧，具有清洁、高效、节能、环保、结构简单、启动速度快、功率密度高、适用范围广等特性而得到了广泛关注，方便为交通及航空领域提供动力系统。双极板是PEMFC的核心部件，其重量占整个电堆的70％-80％，成本占电堆的50％以上。同时，双极板还起到分隔反应气体并通过流场将反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极、支撑膜电极组件、均匀分布反应气体的作用，还承担整个燃料电池系统的散热的任务，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。因此，开发轻型、易加工的双极板对于提高电堆比功率、降低生产成本、推动PEMFC商业化具有重要意义双极板主要分为石墨双极板和金属双极板两大类。金属双极板具有厚度小、重量轻，易于批量生产，并可大幅提高燃料电池堆的比功率等特性而受到各界的关注。金属双极板是通过模压成型工艺将金属薄板(铝、镍、不锈钢薄板和钛带)冲压成具有各种流场的阴极、阳极单极板，再通过激光焊接将两片单极板焊接在一起构成双极板。金属板焊接只能是线接触或者是点接触，接触面窄，接触电阻大，且一般不平整。其中316L不锈钢强度高、耐腐蚀性能突出，是目前制作金属双极板最有前景的一种不锈钢材料。不锈钢材质的金属板也存在诸多问题，首先是不锈钢表面容易形成钝化膜，增加了电池的接触电阻，从而降低电池的功率输出。其次，质子交换膜燃料电池的工作环境pH＝2～4，不锈钢容易发生腐蚀产生金属铁离子、镍离子等，使催化剂中毒失去活性，降低电堆的使用寿命。石墨双极板具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性。但石墨的脆性造成了加工困难，因此石墨双极板的厚度都在2～3mm以上，其组装的电堆较金属双极板电堆的比功率降低。燃料电池的比功率是衡量电堆性能好坏的一项重要参数。为了提高燃料电池的比功率，部分厂家选用纯钛(TA0、TA1、TA2)作为金属板材料，并将金属单极板的厚度薄化到0.1mm以下。一致为了追求电池的比功率密度，即降低金属板的厚度，而金属板薄化也带来了一系列的问题：金属板的薄化，大幅度地提高了金属板的加工费用；薄化的金属板平面一般不平整，增大接触电阻，降低电堆的性能输出；薄化的金属板制造的金属双极板也不平整，不但增大了双极板与膜电极之间的电阻，还使电堆在组装时会受力不均而影响电堆的一致性和稳定性；金属板薄化，其强度较低，给电堆的组装带来了许多困难；金属板薄化，电堆的强度不够，失去了支撑电堆和防震动的作用，使整个电堆的可靠性降低。专利CN104157895A中提到的聚合物电解质膜燃料电池轻型电堆及其制造方法，其特征是由一块金属波纹板和一块金属平板焊接构成金属双极板，双电极平板侧与膜电极的阳极接触，波纹面与膜电极的阴极接触，此专利中的所述的金属双极板空冷燃料电池的平板金属板无流场，存在诸多问题，首先，影响阳极气体在流场碳纸之间的扩散；其次阳极板无流场，易积水而造成阳极水淹；最后，金属平板与膜电极的阳极接触面积大，容易腐蚀。因此，CN104157895A中所属的双极板空冷堆的设计存在一定的技术缺陷。除此之外，燃料电池另外一大瓶颈就是冷启动困难。当电池处于零度以下的温度时，电池内部电化学反应生成的液态水和阳极的水会结冰，结冰的过程中会导致膜电极材料的损坏，催化剂脱落，从而使得燃料电池无法正常启动，影响燃料电池的工作效率。目前，为了解决燃料电池的冷启动，大部分的设计都倾向于在膜电极与双极板之间嵌入电加热原件，这种办法在解决了燃料电池的冷启动问题的同时，使电池的设计变得更加复杂，增加了燃料电池的重量。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术提供了一种一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆及其制造方法。一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，主要包括膜电极、双极板、采电板、端板和燃料气体进出管道，所述膜电极是在聚合物电解质膜的两侧分别依次布有催化层和气体扩散层，所述双极板为金属波纹板和石墨板构成的一体化金属-石墨复合双极板，其中金属波纹板为阴极板，金属波纹板上凸起的脊内腔为氧气流场，凸起的脊同时兼顾散热肋片；石墨板为阳极板，其是在石墨板本体的一侧表面具有氢气流场，并在该侧表面的边缘设有密封槽，石墨板本体的另一侧为石墨板波纹结构；石墨板通过石墨板波纹结构嵌入金属波纹板中并连接为一体；N+1片一体化金属-石墨复合双极板和N片膜电极依次堆叠，其中石墨板的密封槽中设有密封垫，使石墨板与膜电极之间形成氢气的电化学反应密闭空间；金属波纹板与膜电极之间为与大气贯通的敞开空间；在堆叠体上下两侧分别依次布置采电板和端板，并由螺杆连接紧固。所述石墨板的原料组成以质量百分含量计为：68％～78％的石墨基材，10％～20％的粘结剂，5％的增强剂，2％的导电填料和5％的负温度系数热敏电阻材料。所述石墨基材选自天然石墨、人造石墨、膨胀石墨；所述粘结剂选自酚醛树脂、环氧氟乙烯基树脂；所述增强剂选自碳纳米管、碳纤维；所述导电填料选自炭黑、金属粉，所述金属粉可以为粒经＜50μm的金粉、银粉或镍粉；所述的负温度系数热敏电阻材料采用Mn-Cu-X系列的热敏电阻。所述石墨板本体的厚度为0.4～1mm。所述氢气流场为氢气的扩散和电化学反应生成的水的排出提供通道，氢气流场为平行直流场、蛇形流场、交织流场或点状流场，氢气流场的深度为0.05～0.5mm。所述金属波纹板的板材厚度为0.05～0.2mm。所述金属波纹板与膜电极接触的表面采用表面改性处理技术进行良导电和耐腐蚀涂层处理，具体是在金属波纹板表面覆盖贵金属层、氮化钛层、碳化钛层或镍基金属层。所述膜电极中，在聚合物电解质膜的边缘设有护卡膜。所述护卡膜可以为在PET薄膜的一侧覆有EVA粘接层，护卡膜厚度为80μm，其主要作用是保护聚合物电解质膜的边缘部分。一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆的制造方法，包括如下步骤：1)一体化金属-石墨复合双极板的制备：①将金属薄板的一侧表面覆盖贵金属层、氮化钛层、碳化钛层或镍基金属层进行表面的良导电和耐腐蚀涂层改性处理；②经表面改性处理的一面朝下将金属薄板放在具有波纹面的下模具上，用20MPa的力将金属薄板预压成型；③以质量百分含量计，将68％～78％的石墨基材，10％～20％的粘结剂，5％的增强剂，2％的导电填料和5％的负温度系数热敏电阻材料充分混合得到石墨复合粉体，将石墨复合粉体填入下模具中，使金属波纹板上侧的波纹腔填充满，并继续填充一定厚度，然后盖上具有微型流道的上模具，采用模压成型方法加热加压一次成型，所述模压温度在200℃、模压压力35MPa，压制时间1h，制得一体化金属-石墨复合双极板；2)膜电极的制备：通过热压的方法将两侧带有催化层的聚合物电解质膜、气体扩散层和护卡膜封装成一体电芯；所述热压的温度为101℃，压力0.15MPa，时间20s；3)燃料气体进气管和燃料气体出气管分别垂直固定在下端板两端的孔中，采电板套入燃料气体进气管和燃料气体出气管并覆盖在下端板上，按照一体化金属-石墨复合双极板、密封垫、膜电极、一体化金属-石墨复合双极板的顺序，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一体化金属‑石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，主要包括膜电极、双极板、采电板、端板和燃料气体进出管道，所述膜电极是在聚合物电解质膜的两侧分别依次布有催化层和气体扩散层，其特征在于，所述双极板为金属波纹板和石墨板构成的一体化金属‑石墨复合双极板，其中金属波纹板为阴极板，金属波纹板上凸起的脊内腔为氧气流场，凸起的脊同时兼顾散热肋片；石墨板为阳极板，其是在石墨板本体的一侧表面具有氢气流场，并在该侧表面的边缘设有密封槽，石墨板本体的另一侧为石墨板波纹结构；石墨板通过石墨板波纹结构嵌入金属波纹板中并连接为一体；N+1片一体化金属‑石墨复合双极板和N片膜电极依次堆叠，其中石墨板的密封槽中设有密封垫，使石墨板与膜电极之间形成氢气的电化学反应密闭空间；金属波纹板与膜电极之间为与大气贯通的敞开空间；在堆叠体上下两侧分别依次布置采电板和端板，并由螺杆连接紧固。

【技术特征摘要】
1.一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，主要包括膜电极、双极板、采电板、端板和燃料气体进出管道，所述膜电极是在聚合物电解质膜的两侧分别依次布有催化层和气体扩散层，其特征在于，所述双极板为金属波纹板和石墨板构成的一体化金属-石墨复合双极板，其中金属波纹板为阴极板，金属波纹板上凸起的脊内腔为氧气流场，凸起的脊同时兼顾散热肋片；石墨板为阳极板，其是在石墨板本体的一侧表面具有氢气流场，并在该侧表面的边缘设有密封槽，石墨板本体的另一侧为石墨板波纹结构；石墨板通过石墨板波纹结构嵌入金属波纹板中并连接为一体；N+1片一体化金属-石墨复合双极板和N片膜电极依次堆叠，其中石墨板的密封槽中设有密封垫，使石墨板与膜电极之间形成氢气的电化学反应密闭空间；金属波纹板与膜电极之间为与大气贯通的敞开空间；在堆叠体上下两侧分别依次布置采电板和端板，并由螺杆连接紧固。2.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述石墨板的原料组成以质量百分含量计为：68％～78％的石墨基材，10％～20％的粘结剂，5％的增强剂，2％的导电填料和5％的负温度系数热敏电阻材料。3.根据权利要求2所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述石墨基材选自天然石墨、人造石墨、膨胀石墨；所述粘结剂选自酚醛树脂、环氧氟乙烯基树脂；所述增强剂选自碳纳米管、碳纤维；所述导电填料选自炭黑、金属粉；所述的负温度系数热敏电阻材料采用Mn-Cu-X系列的热敏电阻。4.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述石墨板本体的厚度为0.4～1mm。5.根据权利要求1所述的一体化金属-石墨复合双极板燃料电池轻型电堆，其特征在于，所述氢气流场为氢气的扩散和电化学反应生成的水的排出提供通道，氢气流场为平行直流场、蛇形流场、交织流场或点状流场，氢气流场的深度为0.05～0.5mm。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王诚，雷一杰，王利生，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11