一种层叠式单极板及其制备方法、包含其的层叠式双极板及应用技术

本发明专利技术提供了一种层叠式单极板及其制备方法、包含其的层叠式双极板及应用，其中，所述层叠式单极板包括金属层、复合碳粉层和复合材料层。本发明专利技术提供的层叠式双极板可以显著的提高极板贯通面的电导率，解决碳基材料极板氢气渗透的问题，以及降低极板的厚度，有利于电堆体积功率密度的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种层叠式单极板及其制备方法、包含其的层叠式双极板及应用
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种层叠式单极板及其制备方法、包含其的层叠式双极板及应用。
技术介绍
能源技术作为现代文明的支柱技术之一，已经和环境科学密不可分。能源技术发展的出发点，必然是和环境科学紧密结合，共同来解决地球能源危机和环境、生态问题，以适应可持续发展的全球战略。这样，就必然对能源方式的再一次变革提出了巨大的挑战。而燃料电池作为一种直接将化学能转化为电能的装置，以其特有的高效率、高可靠性和良好的环境效益等优点，成为新世纪能源研究的热点，并有可能取代内燃机成为主要的能量转换方式。燃料电池通过电化学反应将化学能直接转化为电能，其间没有热动能的转化，故转化效率高；由于燃料电池内部不存在机械传动装置，故噪声极低，且可靠性较高；当以纯氢作为燃料时，其电化学反应产物仅为水；当以富氢气体为燃料时，其电化学反应产物含有少量二氧化碳；故其排放污染物极少，是一种十分清洁的能源方式。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由许多单电池组成，而每个单电池由膜电极、扩散层和双极板三部分组成。双极板是PEMFC中的重要组成部分，其成本、重量分别占PEMFC的45％和80％，其高成本导致PEMFC的价格昂贵。因此，双极板材料及其制备工艺的突破将有利于PEMFC实现产业化。双极板的作用是分隔气体并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池，收集并传导电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能。因此，为满足双极板功能要求，双极板材料必须具有良好的导电性、优异的气密性、优异的抗腐蚀性、良好的导热性以及易于加工。现阶段双极板的研究主要包括金属板、纯石墨板和复合材料板三大类。金属双极板具有良好的导电导热性，不会出现漏气问题，气体流道可冲压成型，易于实现批量化生产。但是金属双极板表面必须进行特殊处理以提高其化学稳定性，否则会导致金属双极板表面氧化膜增厚，导致接触电阻增大，降低电池性能。纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，纯石墨板一般采用传统的机加工方法加工流道，因此加工过程耗时长，生产效率不高；再有纯石墨板性脆，其内部孔隙的存在易导致其易漏气，必须保持一定的厚度以保证其气密性，这就制约了电堆体积比功率和重量比功率的提升。石墨基复合材料双极板具有和石墨相同的耐腐蚀性能，并具有优异的导电性和导热性，利用这类材料制作的双极板可通过模压工艺成型，流场可被一次成型，因而石墨基复合材料双极板易于一次成型，适合大规模生产，可以降低双极板的生产成本。CN101447571A公开了一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，包括柔性石墨板制作阳极流场、阴极流场及水板，并将它们与密封框和分隔板组装成双极板；方法是先将低密度柔性石墨板材，在真空下预压成密度为0.65～0.75g/cm3的板材，后在低粘度树脂溶液中真空浸渍，经表面处理并烘干后，在真空条件下辊压或模压出流场，固化后得到聚合物/柔性石墨复合板制成的流场和水板。最后，将用聚合物/柔性石墨复合板制成的流场和水板与密封框和分隔板组成双极板。CN101593837A公开了一种膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板及其制备方法，由膨胀石墨、热塑性酚醛树脂和六次甲基四胺制成，方法如下：将膨胀石墨与热塑性酚醛树脂的水溶液混合、过滤，然后将滤渣干燥后与六次甲基四胺球磨混合，再加入模具中模压，然后减压、升温，再保温模压、脱模，即得到膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板。CN103117397A公开了一种燃料电池用双极板的制造工艺，其利用膨胀石墨为碳基材料，树脂粉末为粘结剂，在复合材料制备中加入炭黑，小的炭黑颗粒帮助在石墨颗粒之间形成传导通道，通过增加电导率，碳纤维合并入复合双极板会产生很好的弯曲强度。上述几个专利申请提供的复合板主要通过添加树脂类材料以及碳纤维类材料来增加其机械强度，但是并没有过多关注如何提高双极板的贯通面的电导率问题，也没有过多关注极板的气密性问题。因此，想要开发一种具有较高贯通面电导率且可以解决炭基材料极板氢气渗漏问题的双极板。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种层叠式单极板及其制备方法、包含其的层叠式双极板及应用。本专利技术提供的层叠式双极板可以显著的提高极板贯通面的电导率，解决碳基材料极板氢气渗透的问题，以及降低极板的厚度，有利于电堆体积功率密度的提升。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种层叠式单极板，其特征在于，包括金属层、复合碳粉层和复合材料层。本专利技术通过采用金属层、复合碳粉层和复合材料层层叠设置的方式，可以提高单极板的电导率，并且增加基板的气密性，避免碳基材料极板氢气渗透的问题，还可以降低极板的厚度，有利于电堆体积功率密度的提升。在本专利技术中，对于金属层、复合碳粉层和复合材料层三者的层叠顺序不做限定，可以为依次设置的金属层、复合碳粉层和复合材料层，也可以为依次设置的复合碳粉层、金属层和复合材料层，还可以为依次设置的金属层、复合材料层和复合碳粉层等。需要注意的是，优选地，在应用所述单极板时，所述金属层不被作为单极板氢气或者空气的流道外表面。在本专利技术中，以所述复合碳粉层的重量为100份计，所述复合碳粉层包括如下组分：碳材料70-95份(例如72份、75份、78份、80份、82份、85份、88份、90份、92份等)、热塑性树脂粉5-20份(例如6份、8份、10份、12份、14份、16份、18份等)和气象成长碳纤维(VGCF)2-10份(例如3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份等)。优选地，以所述复合材料层的重量为100份计，所述复合材料层包括如下组分：碳材料60-95份、热塑性树脂纤维2-30份(例如5份、8份、10份、12份、15份、18份、20份、25份等)、气象成长碳纤维1-10份(例如3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份等)和导电炭黑(Super-P)1-10份(例如3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份等)。优选地，所述金属层选自316不锈钢层、304不锈钢层或铝合金层。在本专利技术中，所述碳材料选自人造石墨、天然石墨、膨胀石墨、活性炭、乙炔黑或炭黑。优选地，所述热塑性树脂粉选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚苯硫醚(PPS)中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述热塑性树脂纤维选自聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维和/或聚苯硫醚纤维。在本专利技术中，所述碳材料的粒径为20-80μm。优选地，所述热塑性树脂粉的粒径为20-80μm。优选地，所述气象成长碳纤维的直径为50-200nm，长度为3-15μm。优选地，所述热塑性树脂纤维的长度为1-10mm。在本专利技术中，特异性的选择气象成长碳纤维，在层叠过程中，当复合碳粉层和复合材料层相邻时，复合碳粉层可以部分渗入与之相邻的复合材料层的孔隙中，并通过两种复合层中的气相生长碳纤维桥联起来，构成快速导电通路。且复合碳粉层和复合材料层中的热塑性树脂材料也能够很好的将各种材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层叠式单极板，其特征在于，包括金属层、复合碳粉层和复合材料层。/n

【技术特征摘要】
1.一种层叠式单极板，其特征在于，包括金属层、复合碳粉层和复合材料层。


2.根据权利要求1所述的层叠式单极板，其特征在于，以所述复合碳粉层的重量为100份计，所述复合碳粉层包括如下组分：
碳材料70-95份、热塑性树脂粉5-20份和气象成长碳纤维2-10份；
优选地，以所述复合材料层的重量为100份计，所述复合材料层包括如下组分：
碳材料60-95份、热塑性树脂纤维2-30份、气象成长碳纤维1-10份和导电炭黑1-10份；
优选地，所述金属层选自316不锈钢层、304不锈钢层或铝合金层。


3.根据权利要求2所述的层叠式单极板，其特征在于，所述碳材料选自人造石墨、天然石墨、膨胀石墨、活性炭、乙炔黑或炭黑；
优选地，所述热塑性树脂粉选自聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚苯硫醚中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述热塑性树脂纤维选自聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维和/或聚苯硫醚纤维。


4.根据权利要求2或3所述的层叠式单极板，其特征在于，所述碳材料的粒径为20-80μm；
优选地，所述热塑性树脂粉的粒径为20-80μm；
优选地，所述气象成长碳纤维的直径为50-200nm，长度为3-15μm；
优选地，所述热塑性树脂纤维的长度为1-10mm。


5.根据权利要求1-4中的任一项所述的层叠式单极板，其特征在于，所述金属层的厚度为0.01-0.1mm；
优选地，所述层叠式单极板的厚度为0.6-1.1mm。


6.根据权利要求1-5中的任一项所述的层叠式单极板，其特征在于，所述层叠式单极板包括2-5层金属层、2-5层复合碳粉层和2-5层复合材料层；
优选地，任意相邻两个金属层之间设置有复合碳粉层和/或复合材料层，任意相邻两个复合碳粉层之间设置有金属层和/或复合材料层；任意相邻两个复合材料层之间设置有复合碳粉层和/或金属层...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建，崔龙，张克金，张苡铭，倪大龙，李利，孙宗华，苏中辉，陈楠，王闯，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22