一种双极板的制备方法以及双极板技术

本发明专利技术公开了一种双极板的制备方法，包括以下步骤：将设计好镂空图案的挡板贴合衬底表面放置；用反应离子束轰击衬底，对衬底进行微米或纳米级别的沟槽刻蚀；撤离挡板，在衬底表面均匀涂抹胶体，所述胶体填满沟槽；将衬底表面抛光磨平，去除高于衬底表面的胶体残留层；在衬底的表面沉积电极薄膜，形成样品；将样品进行烧结，去除沟槽中的胶体，得到与电极有机结合的双极板。本发明专利技术采用挡板加上反应离子刻蚀的方法对衬底进行沟槽刻蚀，可实现微米或纳米级别的沟槽设计，增加燃料电池的空间能量密度以及体积密度，提高空间利用率等，使得具有这种沟槽结构的全固态薄膜燃料电池更小型化；能够把双极板和燃料电池的电极有机结合起来，生产工艺一体化。

A preparation method of bipolar plate and bipolar plate

【技术实现步骤摘要】
一种双极板的制备方法以及双极板
本专利技术涉及到燃料电池的双极板制备技术，特别是涉及一种双极板的制备方法以及双极板。
技术介绍
燃料电池是一种利用氢气和氧气的化学反应产生电的一种发电装置，与市面上常用的锂电池或其他二次电池等储能电池不一样，燃料电池本身不存储能量，且电化学反应高效，清洁、完全，不产生有害物质，是一种高效率的、清洁的能源发电设备，因此得到广泛应用。燃料电池一般由正极、负极以及电解质组成，根据电解质的不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池等等，目前市面上分布较广、最接近商业化市场的是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。对于质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池这两种燃料电池，需要将燃料电池电堆产生的电流收集起来，因此涉及到一个很重要的集电元器件，也即双极板。双极板不仅需要具备收集电流的功能，同时还必须提供燃料气体及反应气体流通的渠道，因此双极板上一般会设计沟槽以便气体流通。现在市面上的双极板一般是直接用于质子交换膜燃料电池，但由于质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的构造存在区别，尤其是质子交换膜燃料电池采用的是液态电解质，而固体氧化物燃料电池采用的是固体电解质，因此两者对双极板的构造以及制作工艺的要求也不一致，导致市面上适用于质子交换膜燃料电池的双极板可能无法适用于固体氧化物燃料电池。且随着固体氧化物燃料电池的发展，为提高其空间利用率、增大体积能量密度，促使固体氧化物燃料电池小型化发展，其中一部分发展成为全固态薄膜燃料电池，为适应全固态薄膜燃料电池的小型化或微型化，双极板需要更精确、更微小的沟槽设计，而传统的掩模板加上化学腐蚀的沟槽刻蚀方法仅是毫米乃至厘米级别，无法达到微米级别，甚至纳米级别的沟槽精确刻蚀，这是现有技术难以实现的。且目前全固态薄膜燃料电池还存在双极板与电极之间无法紧密结合的问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双极板的制备方法以及双极板，旨在解决现有技术不能精准的制造出具有微米以及纳米级别沟槽结构的双极板，以及双极板和燃料电池的电极无法有效结合的问题。为解决上述问题，本专利技术的技术方案如下：一种双极板的制备方法，其中，包括以下步骤：将设计好镂空图案的挡板贴合衬底表面放置；用反应离子束轰击衬底，对衬底进行微米或纳米级别的沟槽刻蚀；撤离挡板，在衬底表面均匀涂抹胶体，所述胶体填满沟槽；将衬底表面抛光磨平，去除高于衬底表面的胶体残留层；在衬底的表面沉积电极薄膜，形成样品；将样品进行烧结，去除沟槽中的胶体，得到与电极有机结合的双极板。所述的双极板的制备方法，其中，所述用反应离子束轰击衬底，对衬底进行微米或纳米级别的沟槽刻蚀的步骤包括以下步骤：将衬底连同挡板放入反应离子设备中，所述反应离子设备用于提供反应离子束。所述的双极板的制备方法，其中，所述将衬底表面抛光磨平，去除高于衬底表面的胶体残留层的步骤采用化学机械抛光的方法。所述的双极板的制备方法，其中，所述在衬底的表面沉积电极薄膜，形成样品的步骤中，采用溅射薄膜沉积法、蒸镀薄膜沉积法、激光脉冲薄膜沉积法、分子束外延薄膜沉积法或者等离子体薄膜沉积法中的一种沉积电极薄膜。所述的双极板的制备方法，其中，所述烧结的温度控制在800℃~1000℃。所述的双极板的制备方法，其中，所述挡板的镂空图案在微米或纳米级别的尺度范围内；所述胶体为SOC胶体、高温密封胶、硫化高温硅胶、硅酮胶体等耐高温胶体中的一种。所述的双极板的制备方法，其中，所述衬底为金属材料衬底、石墨材料衬底或者复合材料衬底中的一种。一种双极板，其中，所述双极板采用所述的双极板的制备方法制备获得。所述的双极板，其中，所述沟槽的截面形状为矩形、三角形、梯形或圆弧形中的一种。所述的双极板，其中，所述双极板应用于全固态薄膜燃料电池。本专利技术的有益效果包括：本专利技术提供的双极板的制备方法以及双极板，采用挡板加上反应离子刻蚀的方法对衬底进行沟槽刻蚀，可实现微米或纳米级别的沟槽设计，增加燃料电池的空间能量密度以及体积密度，提高空间利用率等，使得具有这种沟槽结构的全固态薄膜燃料电池更小型化；且能够把分立的具有微纳沟槽结构的双极板和燃料电池的电极有机结合起来，生产工艺一体化。附图说明图1为本专利技术一种双极板的制备方法的流程图。图2为本专利技术一种双极板的制备方法的采用反应离子方法对衬底进行刻蚀步骤中衬底的截面示意图。图3为本专利技术一种双极板的制备方法的采将样品进行烧结，去除沟槽中的胶体，得到与电极有机结合的双极板的步骤之后衬底的截面示意图。图4为本专利技术实施例1的双极板的截面示意图。图5为本专利技术实施例1的双极板的俯视图。图6为本专利技术实施例2的双极板的截面示意图。图7为本专利技术实施例3的双极板的截面示意图。图8为本专利技术实施例4的双极板的截面示意图。附图标记说明：1、衬底；2、挡板；3、沟槽；4、电极薄膜。具体实施方式本专利技术提供一种双极板的制备方法以及双极板，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术提供了一种双极板的制备方法，具体包括以下步骤：步骤100：将设计好镂空图案的挡板贴合衬底表面放置；步骤200：用反应离子束轰击衬底，对衬底进行微米或纳米级别的沟槽刻蚀；步骤300：撤离挡板，在衬底表面均匀涂抹胶体，所述胶体填满沟槽；步骤400：将衬底表面抛光磨平，去除高于衬底表面的胶体残留层；步骤500：在衬底的表面沉积电极薄膜，形成样品；步骤600：将样品进行烧结，去除沟槽中的胶体，得到与电极有机结合的双极板。如图2所示，本专利技术采用反应离子束刻蚀方法（ReactiveIonEtching，简称RIE）对衬底1进行刻蚀，RIE利用有化学反应性气体产生具有化学活性的基团和离子，经过电场加速的高能反应离子束轰击衬底1，使衬底1表面受损，可得到非常小的特征尺寸，因此可达到微米甚至纳米级别的沟槽3设计。具体为，在将设计好镂空图案的挡板2（mask，工业上也称掩膜板）贴合衬底1表面放置后，将衬底1连同挡板2放入反应离子设备中，反应离子设备提供反应离子束用于轰击衬底1，反应离子束切断衬底1表面材料的化学键，形成沟槽3结构，之后撤离挡板2，取出衬底1，得到刻蚀好沟槽3的衬底1。进一步地，如图3所示，在对衬底1刻蚀好沟槽3之后，本专利技术的双极板制备方法还需在衬底1的表面沉积电极薄膜4，因此步骤300中在衬底1表面均匀涂抹可以利用高温烧结方法去除的胶体，在实际应用中，胶体可以为SOC（SpinonCarbon，简称SOC，无中文译名）胶体、高温密封胶、硫化高温硅胶、硅酮胶体等耐高温胶体中的一种，在实际应用中优选SOC胶体。当沟槽3被胶体均匀涂满之后，除了填充沟槽3之外，胶体同时还会在衬底1表面形成高于衬底1表面的残留层，因此接下来，需要采用化学机械抛光方法（ChemicalMechanicalPolishing，简称CMP）将衬底1表面抛光磨平，去除高于衬底1表面的胶体残留层，露出衬底后，才能有效进行后续步骤500中的电极薄膜4的沉积，电极薄薄4的沉积方法有多种，在实际应用中，根据电极材料的不一样，可以选择采用溅射薄膜沉积法（Sput本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将设计好镂空图案的挡板贴合衬底表面放置；用反应离子束轰击衬底，对衬底进行微米或纳米级别的沟槽刻蚀；撤离挡板，在衬底表面均匀涂抹胶体，所述胶体填满沟槽；将衬底表面抛光磨平，去除高于衬底表面的胶体残留层；在衬底的表面沉积电极薄膜，形成样品；将样品进行烧结，去除沟槽中的胶体，得到与电极有机结合的双极板。

【技术特征摘要】
1.一种双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将设计好镂空图案的挡板贴合衬底表面放置；用反应离子束轰击衬底，对衬底进行微米或纳米级别的沟槽刻蚀；撤离挡板，在衬底表面均匀涂抹胶体，所述胶体填满沟槽；将衬底表面抛光磨平，去除高于衬底表面的胶体残留层；在衬底的表面沉积电极薄膜，形成样品；将样品进行烧结，去除沟槽中的胶体，得到与电极有机结合的双极板。2.根据权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述用反应离子束轰击衬底，对衬底进行微米或纳米级别的沟槽刻蚀的步骤包括以下步骤：将衬底连同挡板放入反应离子设备中，所述反应离子设备用于提供反应离子束。3.根据权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述将衬底表面抛光磨平，去除高于衬底表面的胶体残留层的步骤采用化学机械抛光的方法。4.根据权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述在衬底的表面沉积电极薄膜，形成样品的步骤中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李致朋，区定容，
申请(专利权)人：深圳市致远动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44