一种燃料电池复合双极板及其制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池复合双极板及其制备方法。

背景技术

伴随燃料电池技术日趋成熟，作为一种零污染，高效率，可以将化学能直接转变为电能的发电设备，燃料电池已经被越来越多的应用于通讯基站、车载动力、分布式电源等领域。双极板是燃料电池的核心零部件之一，起到分配气体、传导热量和电能的作用。随着电堆对体积功率密度要求的逐步提高，双极板和膜电极的轻薄化成为必然趋势。目前双极板主要包括金属双极板、石墨双极板以及同时使用两种材料的多层材料的双极板等。其中使用混合材料压铸法所成型的石墨双极板被认为是成型尺寸最准确，完全能满足密封导电等要求的工艺。

在目前公开的石墨双极板资料中，双极板制备使用的是均一的材料，如石墨和树脂以及添加剂的混合固化物。为了保证材料的导电和导热特性，混合物中的树脂含量相对较低，这导致了强度相对较弱，无法兼顾双极板某些非导电部位高强度的要求。然而，伴随双极板轻薄化的要求越来越苛刻，这些对强度更高要求的部位成为限制石墨双极板的瓶颈。

现有技术主要集中在复合板材料配方或直接改变双极板基底材料来改善和平衡密封、导电和强度之间的关系，如发明专利CN108511764A使复合导电板中碳含量保持在较低水平，发明专利CN110581291A直接采用掺杂导电的晶体硅材料制成的硅极板，但是上述方法仍无法兼顾强度、导电性与轻薄化之间的关系，并没有从根本上解决材料的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池复合双极板及其制备方法，在满足双极板轻薄化需求的同时兼具较好的机械强度和导电性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池复合双极板，包括石墨板和设置在石墨板外侧的边框，在石墨板与边框连接处设有连接加强部。本发明的双极板是区域功能的进一步细分，边框为非反应区，石墨板为反应区，边框部分在不用考虑导电因素后可使用强度较大的材料，如非导电材料，从而降低该部分厚度，从而减小整个双极板厚度，而石墨板在边框的保护下作为反应区，可采用具有较高导电性能的材料，提高导电性能，连接加强部进一步提高石墨板与边框的连接强度和稳定性，从而使本发明燃料电池复合双极板在满足双极板轻薄化的同时兼具较好的机械强度和导电性。

进一步地，所述的连接加强部包括设置在边框的内边缘的非平面结构，石墨板的外边缘形状与非平面结构相匹配。非平面结构的设置可增强石墨板和边框连接处的机械强度。

优选的，所述的非平面结构设置在边框的内边缘的底部，并向石墨板延伸。此设计可在提高石墨板和边框连接强度的同时提高石墨板在边框上的稳定性。

进一步优选的，所述的非平面结构的截面形状包括燕尾槽型、锥形、凹型或凸型；所述的非平面结构的厚度不超过石墨板和边框的厚度。非平面结构还可为更为复杂的凸起结构，以增强边框和石墨板的连接。为保证石墨板的正常功能，非平面结构不得破坏石墨板的连续性，同时，非平面结构也不得破坏石墨板的强度，优选的，非平面结构的厚度不得超过石墨板厚度的70％，防止连接部分石墨板过薄造成强度减弱。

所述的石墨板位于边框的中心位置，边框上设有两个通道区域，两个通道区域分别对称设于石墨板的两侧。

所述的通道区域内设有氢气通道、冷却水通道和空气通道；所述的氢气通道、冷却水通道、空气通道均为具有相同尺寸的腰形孔。腰型孔轮廓平滑，可减少对边框结构的破坏，提高边框强度。

所述的石墨板上平行设置有多条直线流道；所述的石墨板的面积占复合双极板总面积的55％～75％。石墨板的面积不能过大或过小，过小则效率减低，过大则会使复合双极板整体结构强度减弱。

一种上述燃料电池复合双极板的制备方法，首先对树脂粉料进行注塑、挤塑或压铸，制备边框，然后将边框放入模具腔体内，在模具内加入复合石墨粉料，进一步合模压铸，加热、脱模完成燃料电池复合双极板的制备。树脂粉料优选为高强度的非导电材料。

优选的，所述的树脂粉料包括以下重量份组分：石墨粉8～12份，增强材料8～12份，树脂75～85份；所述的复合石墨粉料包括以下重量份组分：石墨粉或膨胀石墨粉65～75份，树脂15～25份，导电剂8～12份。

进一步优选的，所述的增强材料包括：碳纤维、玻璃纤维；所述的导电剂包括短碳纤维、炭黑；所述的树脂包括PPS、PVC、PP、PVDF，树脂粉料与复合石墨粉料中的树脂种类相同。边框和石墨板采用相同的树脂，可以提高边框和石墨板连接处的界面结合力，增强两种界面介质的连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明将燃料电池复合双极板分为边框和石墨板，分别作为非反应区和反应区，从而将双极板的区域功能进一步细分，一般而言，在双极板端口和与流场相联通的过桥部分对强度要求更高，在本发明中因不用考虑导电因素，使得该部分材料强度会大幅度提高，从而降低该部分厚度，进而减小整个双极板厚度；

2.本发明端口区域使用非导电材料，在组成电堆后从根本上解决了端口内相邻双极板由于反应水或者冷却液形成的短距离桥接，避免和减弱对外发电损耗；

3.本发明在边框使用非导电材料，当电堆完成组装后，相邻双极板之间可以免除隔离，而不会造成短路现象，大幅度提高电堆的可靠性，这使得电堆本身具备了IP67特性，不用额外的外包装设计；

4.本发明使用拼接的方式，可以让边框提前成型，有效提高工作效率；

5.本发明通过边框上的非平面结构设置以及边框和石墨板所用树脂材料的选择设计，提高了边框与石墨板的连接强度；

6.本发明可以降低极板的整体开发难度，相比于反应区，边框的结构形状更为复杂，本发明通过边框和石墨板的设计，可以将边框和反应区分开，由此可以有效降低极板的整体开发难度；

7.本发明可以减少反应区的石墨材料消耗和开发难度。

附图说明

图1为本发明燃料电池复合双极板的结构示意图；

图2为实施例1的边框和石墨板相交位置截面图；

图3为实施例2的边框和石墨板相交位置截面图；

图4为实施例3的边框和石墨板相交位置截面图；

图5为实施例4的边框和石墨板相交位置截面图；

图中：1-石墨板，11-直线流道，2-边框，21-非平面结构，22-通道区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种燃料电池复合双极板，如图1～2所示，包括石墨板1和边框2，边框2的内边缘设有截面形状为凸型的非平面结构21，石墨板1设置在边框2内侧且石墨板1的外边缘形状与非平面结构21相匹配，使石墨板1与边框2稳定连接。在石墨板1上开设有多条平行的直线流道11，在边框2上设有通道区域22，两个通道区域22对称设置在石墨板1的左右两侧，通道区域22内开设有氢气通道、冷却水通道和空气通道。

该燃料电池复合双极板的制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份称取石墨粉10份，碳纤维10份，PPS树脂80份，混合均匀得到树脂粉料，按重量份称取石墨粉70份，PPS树脂20份，短碳纤维5份，炭黑5份，混合均匀得到复合石墨粉料；

(2)将树脂粉料采用注塑方法制得边框2，然后将边框2放入模具腔体内，在模具内加入复合石墨粉料，进一步合模压铸，采用热压压铸，加热、脱模完成燃料电池复合双极板的制备。

实施例2

一种燃料电池复合双极板，如图3所示，包括石墨板1和边框2，边框2的内边缘设有截面形状为燕尾槽型的非平面结构21，其余结构与实施例1相同。

该燃料电池复合双极板的制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份称取石墨粉8份，碳纤维12份，PVC树脂75份，混合均匀得到树脂粉料，按重量份称取石墨粉65份，PVC树脂25份，炭黑8份，混合均匀得到复合石墨粉料；

(2)将树脂粉料采用注塑方法制得边框2，然后将边框2放入模具腔体内，在模具内加入复合石墨粉料，进一步合模压铸，采用热压压铸，加热、脱模完成燃料电池复合双极板的制备。

实施例3

一种燃料电池复合双极板，如图4所示，包括石墨板1和边框2，边框2的内边缘设有截面形状为锥形的非平面结构21，其余结构与实施例1相同。

该燃料电池复合双极板的制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份称取石墨粉12份，玻璃纤维8份，PP树脂85份，混合均匀得到树脂粉料，按重量份称取膨胀石墨粉75份，PP树脂15份，短碳纤维12份，混合均匀得到复合石墨粉料；

(2)将树脂粉料采用注塑方法制得边框2，然后将边框2放入模具腔体内，在模具内加入复合石墨粉料，进一步合模压铸，采用真空热压压铸，加热、脱模完成燃料电池复合双极板的制备。

实施例4

一种燃料电池复合双极板，如图5所示，包括石墨板1和边框2，边框2的内边缘设有截面形状为凹型的非平面结构21，其余结构与实施例1相同。

该燃料电池复合双极板的制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份称取石墨粉10份，玻璃纤维10份，PVDF树脂80份，混合均匀得到树脂粉料，按重量份称取石墨粉70份，PVDF树脂20份，炭黑10份，混合均匀得到复合石墨粉料；

(2)将树脂粉料采用注塑方法制得边框2，然后将边框2放入模具腔体内，在模具内加入复合石墨粉料，进一步合模压铸，采用真空热压压铸，加热、脱模完成燃料电池复合双极板的制备。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。