CN108878921A - 一种燃料电池用双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池用双极板及其制备方法，该双极板包括：由纤维线紧密编织形成的双极板基体，所述双极板基体的一侧或两侧表面上构建有流场。本发明采用纤维线材紧密编织形成双极板，并根据双极板导电性、耐腐蚀性及体积的不同要求调整纤维材料的选择，将具备不同特性的纤维线编织在一起，来制备相应特性的双极板，制得的双极板基体不仅具有气密性，还具备一定的韧性，并改善了双极板的导电性、耐腐性及使用寿命等特性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池的双极板及其制备方法。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。燃料电池因具有能量转换效率高、无污染等特点正受到越来越广泛的关注。
双极板是燃料电池的核心组件之一，其具有分隔氧化剂和还原剂、收集电流、流体分布、支撑电极等功能。在燃料电池中，双极板的重量占电池总重量的70％～80％，其制造成本占总成本的40％～50％；同时，双极板也是制约电池工作寿命的关键因素，因此双极板的性能对燃料电池的性能具有重要影响。
理想的双极板应具有较小的厚度，以及良好的导电性、耐腐蚀性和机械强度。目前广泛应用的双极板主要有石墨双极板、金属双极板、金属与石墨复合双极板、聚合树脂与石墨掺杂注塑成型的双极板等。石墨双极板具有良好的导电性与耐腐蚀性，但由于石墨属于脆性物质，不易做薄，不仅影响电堆的功率密度，应用于电动汽车时还会因为道路颠簸存在碎裂风险。金属双极板通常采用不锈钢制作，相比石墨双极板，其机械强度高，可以实现较薄的厚度，也具有良好的导电性，但在电池内部环境中易腐蚀或钝化，导致导电性急剧下降。金属与石墨复合双极板通常只是将两种材料简单粘合，虽然结合了两种材料的优点，但也结合了两种材料的缺点，且制作过程繁琐，成本高。其他复合型双极板虽然重量较轻，耐腐蚀性较好，但存在导电性和机械强度较差的问题。为了加速实现燃料电池的大规模应用，开发新型双极板是一个重要的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的燃料电池用双极板及其制备方法，可以改善双极板的导电性、耐腐蚀性等性能。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种燃料电池用双极板，包括：由纤维线紧密编织形成的双极板基体，所述双极板基体的一侧或两侧表面上构建有流场。
更具体的，所述纤维线为单股线，或为由多根单股线捻合而成的合股线。
更具体的，所述纤维线是断面直径为1μm～1000μm的单股线。
更具体的，所述纤维线是断面直径为2μm～1000μm的合股线。
更具体的，所述双极板基体由一种或一种以上的纤维线紧密编织而成。
更具体的，所述纤维线为金属纤维线或非金属纤维线，所述金属纤维线为铁基合金纤维线或镍基合金纤维线或铝纤维线或银纤维线或铂纤维线或金纤维线，所述非金属纤维线为碳纤维线。
更具体的，所述流场为由纤维线在所述双极板基体的表面上编织形成的凸起部。
优选的，所述凸起部表面上涂覆有至少一层涂层，所述涂层为银层或铂层或金层或钛基合金层或钨基合金层。
优选的，所述纤维线的表面包覆有至少一层保护层，所述保护层为银层或铂层或金层。
优选的，所述双极板基体的至少一侧表面上涂覆有至少一层涂层，所述涂层为银层或铂层或金层或钛基合金层或钨基合金层。
制备如前述燃料电池用双极板的方法，步骤如下：
用纤维线紧密编织形成片状织物，将片状织物裁切得到双极板基体；
在所述双极板基体表面压制形成流场，或在所述双极板基体表面用纤维线编织凸起部形成流场。
更具体的，用纤维线对所述双极板基体进行封边。
更具体的，纤维线采用横纵交替的布线方式编织成双极板基体。
由以上技术方案可知，本发明的双极板采用纤维线材紧密编织而成，并可以根据双极板导电性、耐腐蚀性及体积的不同要求调整纤维材料的选择，如双极板需要导电性较高时，则可采用金属纤维来编织双极板基体；需要长使用寿命时，可选择贵金属纤维或碳纤维来编织双极板基体；需要厚度较小的双极板时，可选择断面直径较小的纤维材料等，通过将具备不同特性的纤维线编织在一起，来制备相应特性的双极板。而且本发明的双极板基体采用编织的方法制备，不仅具有气密性，还具备一定的韧性，可制成柔性双极板，应用于柔性燃料电池。
附图说明
图1为本发明实施例1双极板基体的示意图；
图2为本发明实施例1双极板的示意图；
图3为本发明实施例2双极板基体的示意图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明
具体实施方式
燃料电池中，双极板的两侧分别为氧化性气体和还原性气体，这两种气体不能直接接触，因此要求双极板必须要具有气密性。而在不同的应用场合中，对双极板的导电性、使用寿命、体积大小、柔韧性也有不同的要求，如何能得到兼具不同材料特性的新型双极板是本发明要解决的问题。
本发明方法的基本思路是：采用纤维线紧密编织形成双极板基体，紧密编织得到的双极板具有气密性，可以将两种气体进行隔绝。双极板基体可采用一种纤维线编织而成，也可以采用不同种类的纤维线交替编织而成；纤维线可以是铁基合金、镍基合金、铝、银、铂、金等金属纤维线，或非金属纤维线，如碳纤维线。当用纤维线紧密编织形成具有一定面积的片状织物后，将片状织物裁切成所需尺寸，即得到双极板基体。如果构成双极板基体的片状织物具有可塑性，可进一步压制成特定的形状，以构建流场，如果片状织物的可塑性不佳，可在织物的一侧或两侧表面用纤维线编织形成凸起部，以构建流场。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的双极板由不锈钢纤维线1与碳纤维线2紧密编织而成。如图1所示，不锈钢纤维线1与碳纤维线2采用1:1横纵交替的布线方式编织，即同向上的一根不锈钢纤维线1与一根碳纤维线2相邻布置。不锈钢纤维线1和碳纤维线2可以是单股线，或者是由多根单股线捻合而成的合股线；当纤维线是单股线时，纤维线的断面直径可为1μm～1000μm，当纤维线由多根单股线捻合形成的合股线时，纤维线的断面直径可为2μm～1000μm。
本实施例的不锈钢碳纤维线1和碳纤维线2的断面直径均为0.5mm，均是由多根单股线捻合形成。将不锈钢纤维线1和碳纤维线2紧密编织成单层厚度为1.5mm的织物后，裁切成长5cm×宽5cm的正方形片，并使用断面直径为0.5mm的碳纤维线进行封边，得到双极板基体3。如图2所示，本实施例在双极板基体3的两侧表面分别使用断面直径为0.5mm的碳纤维线对称编织有高度为1mm、宽度为2mm的凸起部4，凸起部4用于形成U型流场。同样的，用于形成凸起部的纤维线也可以是单根纤维线或由多根纤维线捻合而成，单股线的断面直径为1μm～1000μm，多根单股线捻合形成的纤维线的断面直径为2μm～1000μm。可以使用一种或多种类型的纤维线来编织凸起部，凸起部所使用的纤维线的种类可以和双极板基体所使用的纤维线的种类相同，或不完全相同。当双极板基体两侧表面都具有由纤维线形成的凸起部时，不同侧表面上凸起部的纤维线的种类可以相同，或不同。
本实施例采用不锈钢纤维线和碳纤维线编织形成的双极板兼具了金属材料和碳材料的优点，在0.6MPa压力下，与碳纸的接触电阻约7.0mΩ/cm2，具有良好导电性与机械强度，同时厚度较小，重量较轻，并具备一定的柔韧性，可用于制作柔性燃料电池。
实施例2
本实施例与实施例1不同的地方在于：双极板基体由不锈钢纤维线1与碳纤维线2采用2:1横纵交替的布线方式编织，即同向上的两根不锈钢纤维线1与一根碳纤维线2相邻布置(图3)。
由于燃料电池工作时，双极板处于高温、强氧化还原、酸性环境中，不锈钢等金属材料在此环境中容易腐蚀与钝化，导致导电性大幅衰减。为了提高纤维线的耐腐蚀性，延长双极板的使用寿命，在用于编织双极板基体和/或用于编织凸起部的纤维线外表面可包覆至少一层保护层，保护层可用银、铂或金制成。或者在构建好流场的双极板基体的一侧或两侧表面涂覆至少一层涂层，涂层可用银、铂、金、钛基合金或钨基合金制成，用于对双极板进行保护。当双极板基体两侧表面均具有涂层时，双极板基体两侧的涂层可以相同或不同。凸起部表面也可以涂覆一层或多层前述涂层，位于不同侧表面上凸起部的涂层可以相同或不同。
本实施例在凸起部编织完成后，在双极板基体的两侧表面溅射金，以形成保护涂层，金层厚度为50nm。本实施例制得的双极板在0.6MPa压力下，与碳纸的接触电阻约5.3mΩ/cm2。
前述实施例中，双极板采用纤维线横纵交错的方式紧密编织形成，但也可以采用其他常规的织物编织方式进行编织，例如将纤维线弯曲成环后交相套接方式进行编织，只要能形成具有气密性的织物即可。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其它部分的不同之处，各个部分之间相同或相似部分互相参见即可。每个部件之间的组合关系并不只是实施例所公开的形式，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (13)
1.一种燃料电池用双极板，其特征在于，包括：
由纤维线紧密编织形成的双极板基体，所述双极板基体的一侧或两侧表面上构建有流场。
2.如权利要求1所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述纤维线为单股线，或为由多根单股线捻合而成的合股线。
3.如权利要求2所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述纤维线是断面直径为1μm～1000μm的单股线。
4.如权利要求2所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述纤维线是断面直径为2μm～1000μm的合股线。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述双极板基体由一种或一种以上的纤维线紧密编织而成。
6.如权利要求5所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述纤维线为金属纤维线或非金属纤维线，所述金属纤维线为铁基合金纤维线或镍基合金纤维线或铝纤维线或银纤维线或铂纤维线或金纤维线，所述非金属纤维线为碳纤维线。
7.如权利要求1或2所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述流场为由纤维线在所述双极板基体的表面上编织形成的凸起部。
8.如权利要求7所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述凸起部表面上涂覆有至少一层涂层，所述涂层为银层或铂层或金层或钛基合金层或钨基合金层。
9.如权利要求1或2或3或4或6所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述纤维线的表面包覆有至少一层保护层，所述保护层为银层或铂层或金层。
10.如权利要求1或2所述的燃料电池用双极板，其特征在于：所述双极板基体的至少一侧表面上涂覆有至少一层涂层，所述涂层为银层或铂层或金层或钛基合金层或钨基合金层。
11.制备如权利要求1至10任一项燃料电池用双极板的方法，其特征在于，步骤如下：
用纤维线紧密编织形成片状织物，将片状织物裁切得到双极板基体；
在所述双极板基体表面压制形成流场，或在所述双极板基体表面用纤维线编织凸起部形成流场。
12.如权利要求11所述的燃料电池用双极板的制备方法，其特征在于：用纤维线对所述双极板基体进行封边。
13.如权利要求11或12所述的燃料电池用双极板，其特征在于：纤维线采用横纵交替的布线方式编织成双极板基体。
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| CN1458331A (zh) * | 2002-05-16 | 2003-11-26 | 澳大利亚电池技术有限公司 | 金属包覆纤维编织布及其制造方法与用途 |
| CN1771354A (zh) * | 2003-04-29 | 2006-05-10 | 贝克特股份有限公司 | 含金属丝的双极板 |
| KR20160033269A (ko) * | 2014-09-17 | 2016-03-28 | (주)엘지하우시스 | 연료전지 분리판 및 이의 제조방법 |
| KR20170039821A (ko) * | 2015-10-01 | 2017-04-12 | (주)엘지하우시스 | 연료 전지용 분리판 및 제조방법 |
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