CN110474066A - 燃料电池的双极板及其成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的双极板及其成型工艺，所述燃料电池的双极板的基材由晶体锆制成，且所述基材中锆元素的质量分数大于99.9％。本发明的燃料电池的双极板，可以实现稳定的支撑功能、良好的导电功能，双极板的性能好，工作可靠。

Description

燃料电池的双极板及其成型工艺

技术领域

本发明属于燃料电池制造技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池的双极板及该双极板的成型工艺.

背景技术

燃料电池尤其氢燃料电池主要用于新能源汽车系列的燃料电池动力汽车，客车以及卡车，新能源燃料电池动力机车，飞行器，家庭用分散电源，其主要结构由层叠多个由双极板夹持膜电极组件的单组件(单电池)构成。

燃料电池需要保证燃料气体和氧化剂气体彼此不混合，使各气体分别供给至膜电极组件的阴阳电极表面。因此，首先，双极板对气体具有气密性，避免气体经由双极板扩散；其次，双极板要求具有良好导电性，作为双极板与膜电极组件、多个单电池间的电连接件，应有足够低的材料本体电导率和接触电阻，保证反应产生的电子汇集、传输。最后，由于电解质表面显示强酸性，所以双极板要求具有耐腐蚀性。此外，双极板还在材料密度、机械性能、导热性等方面具有一定要求。

基于双极板起到的功能作用，根据所选择的材料不同，双极板分为石墨板、复合板、金属双极板。石墨板利用碳粉或石墨混合进行制备，然而由于石墨脆性高，因此石墨板燃料电池无法承受高压反应气体，且在组装过程中易破碎。此外，石墨板在石墨化、形成复杂气体通道时，存在耗时长、机械加工困难、价格昂贵等问题。复合板利用热塑或热固性树脂料混合石墨粉、增强纤维材料等形成预制料，随后固化石墨化后成形，然而复合双极板却存在导电性能较差、机械性能差的问题。此外，石墨板、复合板难以加工到理想厚度(约0.5mm以下)，燃料电池体积大，体积功率密度低，重量大。

金属材料在气密性、导电性、导热性、加工性、机械强度等方面较为优越，所以金属材料被用作双极板的基板材料。金属双极板主要采用钛、不锈钢、铝等材料，通过冲压、辊压、电池成形、压铸等方式实现批量化成型，并通过使用物理或化学沉积的方式(如等离子体CVD、离子镀、离子溅射)，完成双极板阴极及阳极的表面处理，从而实现高酸性环境下的耐腐蚀，达到长期可靠运行的性能目标。

金属双极板所使用的主要材料为钛、不锈钢等金属或合金，所制造出的双极板需要在经过表面处理的条件下，实现高酸性条件下的耐腐蚀性，以及长期使用的耐久性、可靠性。

这些表面处理方法以及所使用材料，在长时间使用过程中将逐步降级，并使表面处理所使用的涂层在强酸性环境下溶解、剥离、破坏，使得使用金属双极板的燃料电池运行时间大打折扣，严重影响了燃料电池使用寿命。

目前的燃料电池运行时间(寿命)基本不超过5000小时，尤其国内制造水平条件下，该寿命小时数更低。另一方面，在批量化生产应用中，表面处理方法所使用的材料与工艺，也是抬高金属双极板制造难度及成本的主要因素。如：镀贵金属工艺，从成本、资源方面存在实用化的阻碍；在工业领域中应用的普通非晶结构的类金刚石碳(非晶碳或无定形碳)的电阻往往处于半导体到绝缘体的范围内，为了进一步赋予非晶碳以导电性，现有实施方式仍然存在工艺难度高，效率低等问题，同时在制造设备或生产线装置上存在较高的成本。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种燃料电池的双极板，所述燃料电池的双极板性能好，工作可靠。

根据本发明实施例的燃料电池的双极板，其特征在于，所述双极板的基材由晶体锆制成，且所述基材中锆元素的质量分数大于99.9％。

本发明的燃料电池的双极板，可以实现稳定的支撑功能、良好的导电功能，双极板的性能好，工作可靠。

根据本发明实施例的燃料电池的双极板，其特征在于，所述双极板的基材由晶体锆合金制成，且所述基材的锆元素的质量分数a≥90％。

本发明的燃料电池的双极板在强酸环境下的腐蚀性、耐久性、导电性好，在使用过程中，使用寿命长，有助于延长燃料电池的使用寿命和工作稳定性，且双极板的基材的加工性能好，便于工业化生产。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板，所述基材包括：锆、铪、铁、氢、氧、氮、碳，且铪、铁、氢、氧、氮、碳的质量分数分别为b、c、d、e、f、g，满足：0％≤b≤10％，0％≤c≤1％，0％≤d≤0.01％，0％≤e≤0.3％，0％≤f≤0.05％，0％≤g≤0.1％，a+b+c+d+e+f+g≤100％。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板，所述基材还包括：锡、铌、铬，且锡、铌、铬的质量分数分别为h、i、j，0％≤h≤3％，0％≤i≤5％，0％≤j≤1％，a+b+c+d+e+f+g+h+i+j≤100％。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板，满足：1％≤b≤6％，0.1％≤c≤0.8％，0.5％≤h≤2％，0.5％≤i≤4％，0.1％≤j≤0.8％。

本发明还提出了一种燃料电池的双极板的成型工艺，包括如下步骤：提供锆金属或锆合金作为成型的原料；将所述原料制成板材，并对所述板材轧制成型，得到极板坯；对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道；去应力，成型出双极板。

根据本发明的燃料电池的双极板的成型工艺，可以将锆或锆合金制作为双极板，成型难度低，加工精度高，可以满足工业化生产的需求。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述步骤对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道包括：将冲压模具和待冲压的极板坯分别加热到温度T1、T2，且满足：100℃≤T1＜T2≤300℃。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，满足：30℃≤T2-T1≤70℃。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述步骤对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道包括：将冲压模具和待冲压的极板坯一起加热到温度T3，且满足：100℃≤T3≤300℃。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述步骤对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道包括：将冲压模具加热到温度T4，且满足：100℃≤T4≤300℃，将未加热的待冲压的极板坯放入所述冲压模具进行冲压。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述步骤去应力包括热处理。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述步骤去应力集成于所述步骤对所述极板坯进行热冲压中，包括对所述极板坯多次热冲压。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述步骤去应力后还包括步骤：在所述双极板的表面加涂层。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述原料为晶体结构。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，所述步骤成型出双极板的所述双极板为上述任一种所述的燃料电池的双极板。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的双极板的成型工艺的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

金属双极板中常用的钛、不锈钢等材料均需在表面设涂层，但是在使用过程中涂层会逐步剥落，当涂层剥落时，内部的基材极易在高酸性环境下被腐蚀，制约燃料电池的使用寿命。

下面描述根据本发明实施例的燃料电池的双极板，燃料电池可以为氢燃料电池。

根据本发明一个实施例的燃料电池的双极板，双极板的基材由晶体锆制成，且基材中锆元素的质量分数大于99.9％。换言之，双极板的基材为纯晶体锆制成，晶体锆由于其原子的规律性排布，具有各向异性，通过合理设计其结构，可以将各向的性能与各向实际起的作用匹配，比如可以将强度较高的方向设计为厚度方向，沿厚度方向支撑电池，将导电性好的方向设计为长度方向，沿长度方向导电。

这样双极板在强酸环境下的腐蚀性、耐久性、导电性好，在使用过程中，使用寿命长，有助于延长燃料电池的使用寿命和工作稳定性。

当然，双极板中基材外还可以设涂层，以进一步增强双极板的性能。比如在双极板的基材表面涂覆高导电性的碳层，一方面提高导电性能；另一方面起到保护双极板的基材的作用，以解决燃料电池在启动时，可能存在的由于窜气造成的腐蚀增强的问题。或者在双极板的基材的表面形成氮化锆外层，成型方法包括但不限于离子镀、离子注入、等离子体辅助金属镀、溅射、热浸镀、真空涂覆、热喷涂、化学气相沉积等方法。

当然，本发明实施例的燃料电池的双极板在涂层剥落后，由于晶体锆的优异性能，还可以继续使用。

将本发明实施例的双极板在98％浓度硫酸、通电、加热蒸煮条件下，该材质的双极板能够实现超过150至200小时、金属析出小于0.01ppm的水平，达到了高酸性条件下燃料电池长时间使用的寿命要求。

根据正负极板要求及耐腐蚀性差异，可以区别使用不同材料，耐腐蚀要求较高的极板使用上述双极板，而对耐腐蚀要求相对较低的极板使用钛金属、及其合金或不锈钢。

本发明实施例的燃料电池的双极板，有别于相关技术中的金属材料，可以实现稳定的支撑功能、良好的导电功能，双极板的性能好，工作可靠。

根据本发明另一个实施例的燃料电池的双极板，双极板的基材由晶体锆合金制成，且基材的锆元素的质量分数为a，满足：a≥90％。

双极板的基材除了锆元素外还可以增加其他元素，以优化锆的加工性能和使用性能。

晶体锆合金由于其原子的规律性排布，具有各向异性，通过合理设计其结构，可以将各向的性能与各向实际起的作用匹配，比如可以将强度较高的方向设计为厚度方向，沿厚度方向支撑电池，将导电性好的方向设计为长度方向，沿长度方向导电。

这样双极板在强酸环境下的腐蚀性、耐久性、导电性好，在使用过程中，使用寿命长，有助于延长燃料电池的使用寿命和工作稳定性，且双极板的基材的加工性能好，便于工业化生产。

在一些实施例中，双极板的基材包括：锆、铪、铁、氢、氧、氮、碳，且锆、铪、铁、氢、氧、氮、碳的质量分数分别为a、b、c、d、e、f、g，满足：a≥90％，0％≤b≤10％，0％≤c≤1％，0％≤d≤0.01％，0％≤e≤0.3％，0％≤f≤0.05％，0％≤g≤0.1％，a+b+c+d+e+f+g≤100％。

发明人通过大量实验发现，通过增加铪、铁等β“共析”元素，以及添加溶解状态的碳等添加元素，可以有效地改进晶体锆合金的机械性能，便于加工，打破了晶体锆合金加工性能差的技术偏见，实现晶体锆合金的工业化机加工。这样晶体锆合金易于成型制造、焊接，且抗氧化、耐腐蚀好，在使用过程中得以维持其最佳性能状态。

在另一些实施例中，双极板的基材包括：锆、铪、铁、氢、氧、氮、碳、锡、铌、铬，且锆、铪、铁、氢、氧、氮、碳、锡、铌、铬的质量分数分别为a、b、c、d、e、f、g、h、i、j，满足：a≥90％，0％≤b≤10％，0％≤c≤1％，0％≤d≤0.01％，0％≤e≤0.3％，0％≤f≤0.05％，0％≤g≤0.1％，0％≤h≤3％，0％≤i≤5％，0％≤j≤1％，a+b+c+d+e+f+g+h+i+j≤100％。优选地，满足：1％≤b≤6％，0.1％≤c≤0.8％，0.5％≤h≤2％，0.5％≤i≤4％，0.1％≤j≤0.8％。

发明人通过大量实验发现，通过增加铪、锡、铌、铁、铬等β“共析”元素，以及添加溶解状态的碳等添加元素，可以有效地改进晶体锆合金的机械性能，便于加工，打破了晶体锆合金加工性能差的技术偏见，实现晶体锆合金的工业化机加工。这样晶体锆合金易于成型制造、焊接，且抗氧化、耐腐蚀好，在使用过程中得以维持其最佳性能状态。

当然，双极板中基材外还可以设涂层，以进一步增强双极板的性能。比如在双极板的基材表面涂覆高导电性的碳层，一方面提高导电性能；另一方面起到保护双极板的基材的作用，以解决燃料电池在启动时，可能存在的由于窜气造成的腐蚀增强的问题。或者在双极板的基材的表面形成氮化锆外层，成型方法包括但不限于离子镀、离子注入、等离子体辅助金属镀、溅射、热浸镀、真空涂覆、热喷涂、化学气相沉积等方法。

当然，本发明实施例的燃料电池的双极板在涂层剥落后，由于晶体锆的优异性能，还可以继续使用。

将本发明实施例的双极板在98％浓度硫酸、通电、加热蒸煮条件下，该材质的双极板能够实现超过150至200小时、金属析出小于0.01ppm的水平，达到了高酸性条件下燃料电池长时间使用的寿命要求。

根据正负极板要求及耐腐蚀性差异，可以区别使用不同材料，耐腐蚀要求较高的极板使用上述双极板，而对耐腐蚀要求相对较低的极板使用钛金属、及其合金或不锈钢。

本发明还公开了一种燃料电池的双极板的成型工艺。

如图1所示，燃料电池的双极板的成型工艺包括如下步骤：

提供锆金属或锆合金作为成型的原料，原料为晶体结构，锆金属可以为晶体锆，锆合金可以为晶体锆合金。

将原料制成板材，并对板材轧制成型，得到极板坯，这样在后面的工序中，只需保证各个极板坯的性能，不必担心拆分(裁剪)成单个极板时影响其性能。

对极板坯进行热冲压以成型出双极板的流道，发明人通过大量实验发现锆金属板材及其合金性能随温度变化敏感，通过热冲压，可以在合适的温度区间内构建双极板流道及结构。从而消除相关技术中，认为锆的加工性能差的技术偏见，实现锆的工业化机加工。

对极板坯进行热冲压以成型出双极板的流道的方法包括多种。

在第一种方式中，对极板坯进行热冲压以成型出双极板的流道包括：将冲压模具加热到温度T1，将待冲压的极板坯加热到温度T2，且满足：100℃≤T1＜T2≤300℃。也就是说，使待冲压的极板坯得温度高于冲压模具得温度，比如30℃≤T2-T1≤70℃，具体地，T2-T1＝40℃，或T2-T1＝50℃，或T2-T1＝60℃。但是二者的温度均介于100℃-300℃，发明人通过大量实验发现，锆金属及其合金在100℃至300℃区间，延伸率能达到20％～50％，这样成型出的双极板的流道精度高。单独加热的方法可以根据需求调整冲压模具的温度或待冲压的极板坯的温度，便于从更多维度上调节双极板的性能。

在第二种方式中，步骤对极板坯进行热冲压以成型出双极板的流道包括：将冲压模具和待冲压的极板坯一起加热到温度T3，且满足：100℃≤T3≤300℃。这种方式可以简化加热工序，防止冲压模具和极板坯的温度差导致的切边处的性质变化，热冲压后的双极板的各处的性质均匀。发明人通过大量实验发现，锆金属及其合金在100℃至300℃区间，延伸率能达到20％～50％，这样成型出的双极板的流道精度高。

在第三种方式中，步骤对极板坯进行热冲压以成型出双极板的流道包括：将冲压模具加热到温度T4，且满足：100℃≤T4≤300℃，将未加热的待冲压的极板坯放入冲压模具进行冲压。这种方式可以简化加热工序，防止加热极板坯时极板坯的性质不收控制地变化。发明人通过大量实验发现，锆金属及其合金在100℃至300℃区间，延伸率能达到20％～50％，这样成型出的双极板的流道精度高。

热冲压后去应力，成型出双极板，去应力的方法也有多种选择，比如可以采用热处理的方式去应力。或许将步骤去应力集成于步骤对极板坯进行热冲压中，比如对极板坯进行多次热冲压，通过多次逐步热冲压的方式来降低冲压过程中的盈利集中现象。

步骤去应力后还可以包括步骤：在双极板的表面加涂层。比如在双极板的基材表面涂覆高导电性的碳层，一方面提高导电性能；另一方面起到保护双极板的基材的作用，以解决燃料电池在启动时，可能存在的由于窜气造成的腐蚀增强的问题。或者在双极板的基材的表面形成氮化锆外层，成型方法包括但不限于离子镀、离子注入、等离子体辅助金属镀、溅射、热浸镀、真空涂覆、热喷涂、化学气相沉积等方法。

在采用锆材的双极板制作过程中，表面处理将比常规方法更加易于实施，主要实现双极板表面清洁及增强(或保持)导电性即可。

本发明实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，成型出的双极板即为上述任一种实施例的燃料电池的双极板。

根据本发明实施例的燃料电池的双极板的成型工艺，可以将锆或锆合金制作为双极板，成型难度低，加工精度高，可以满足工业化生产的需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种燃料电池的双极板，其特征在于，所述双极板的基材由晶体锆制成，且所述基材中锆元素的质量分数大于99.9％。

2.一种燃料电池的双极板，其特征在于，所述双极板的基材由晶体锆合金制成，且所述基材的锆元素的质量分数a≥90％。

3.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于，所述基材包括：锆、铪、铁、氢、氧、氮、碳，且铪、铁、氢、氧、氮、碳的质量分数分别为b、c、d、e、f、g，满足：0％≤b≤10％，0％≤c≤1％，0％≤d≤0.01％，0％≤e≤0.3％，0％≤f≤0.05％，0％≤g≤0.1％，a+b+c+d+e+f+g≤100％。

4.根据权利要求3所述的燃料电池的双极板，其特征在于，所述基材还包括：锡、铌、铬，且锡、铌、铬的质量分数分别为h、i、j，0％≤h≤3％，0％≤i≤5％，0％≤j≤1％，a+b+c+d+e+f+g+h+i+j≤100％。

5.根据权利要求4所述的燃料电池的双极板，其特征在于，满足：1％≤b≤6％，0.1％≤c≤0.8％，0.5％≤h≤2％，0.5％≤i≤4％，0.1％≤j≤0.8％。

6.一种燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：

提供锆金属或锆合金作为成型的原料；

将所述原料制成板材，并对所述板材轧制成型，得到极板坯；

对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道；

去应力，成型出双极板。

7.根据权利要求6所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述步骤对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道包括：将冲压模具和待冲压的极板坯分别加热到温度T1、T2，且满足：100℃≤T1＜T2≤300℃。

8.根据权利要求7所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，满足：30℃≤T2-T1≤70℃。

9.根据权利要求6所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述步骤对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道包括：将冲压模具和待冲压的极板坯一起加热到温度T3，且满足：100℃≤T3≤300℃。

10.根据权利要求6所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述步骤对所述极板坯进行热冲压以成型出所述双极板的流道包括：将冲压模具加热到温度T4，且满足：100℃≤T4≤300℃，将未加热的待冲压的极板坯放入所述冲压模具进行冲压。

11.根据权利要求6-10中任一项所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述步骤去应力包括热处理。

12.根据权利要求6-10中任一项所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述步骤去应力集成于所述步骤对所述极板坯进行热冲压中，包括对所述极板坯多次热冲压。

13.根据权利要求6-10中任一项所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述步骤去应力后还包括步骤：在所述双极板的表面加涂层。

14.根据权利要求6-10中任一项所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述原料为晶体结构。

15.根据权利要求6-10中任一项所述的燃料电池的双极板的成型工艺，其特征在于，所述步骤成型出双极板的所述双极板为权利要求1-5中任一项所述的燃料电池的双极板。