本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種分層式超薄碳基雙極板及其制備方法，分層式超薄碳基雙極板為夾心狀分層式復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)電添加劑層，導(dǎo)電添加劑層的兩側(cè)由內(nèi)向外分別依次設(shè)置有預(yù)浸料層和導(dǎo)電基材/樹脂復(fù)合層，且導(dǎo)電基材/樹脂復(fù)合層的外表面具有流道結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)碳基復(fù)合雙極板為滿足強(qiáng)度條件而產(chǎn)生的厚度過大問題，以及碳基復(fù)合雙極板工藝性能與導(dǎo)電性之間的矛盾；預(yù)浸料層能夠在有效降低雙極板厚度的情況下，保證極板良好的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)又避免了成型厚度低引起的成型難度大的問題；厚度在1.4mm以內(nèi)，能夠顯著降低燃料電池的整體體積及質(zhì)量，制備難度低，工序少，適合批量生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種分層式超薄碳基雙極板及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池與內(nèi)燃機(jī)相比，是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過程，因此能量轉(zhuǎn)換率高。質(zhì)子交換膜燃料電池通過將氫氣和氧氣分別通入陽(yáng)極和陰極，在催化劑的作用下分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，電子經(jīng)過外電路傳導(dǎo)產(chǎn)生電能，氫離子通過質(zhì)子交換膜傳輸?shù)疥帢O生成水。

質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電過程中，雙極板對(duì)燃料電池的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。雙極板需要將兩極的反應(yīng)氣體完全隔開，防止兩極氣體混合后引發(fā)劇烈的氧化反應(yīng)。同時(shí)，外電路的電子傳導(dǎo)需要經(jīng)過雙極板，因此要求雙極板有良好的導(dǎo)電性。反應(yīng)氣體的傳輸和生成水的排出依靠雙極板上的氣體流道，因此雙極板需要有良好的流道成型性能，確保較小的流體阻力和良好的水氣傳輸性能。雙極板在燃料電池系統(tǒng)中占據(jù)了相當(dāng)大比重的質(zhì)量和體積，其厚度和質(zhì)量對(duì)燃料電池比功率有著很大的影響。

目前各個(gè)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出各種材料的雙極板，主要包括金屬雙極板、石墨雙極板和復(fù)合材料雙極板。石墨導(dǎo)電性、耐腐蝕性能好，但是機(jī)械強(qiáng)度差，需要較大厚度才能在承受電堆組裝的加緊力和氣體壓力下保持電堆安全運(yùn)行。金屬雙極板機(jī)械強(qiáng)度高，隔離氣體性能好，可以通過沖壓等機(jī)械加工方法成型超薄雙極板，但是在燃料電池工作狀態(tài)下易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，需要添加涂層等方法進(jìn)行表面處理。碳基復(fù)合雙極板以石墨聚合物復(fù)合材料作基體，機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性良好，可以采用注塑成型和模壓成型的加工方法，適合批量生產(chǎn)，但是導(dǎo)電性、阻氣性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等性能較難平衡。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了提供一種分層式超薄碳基雙極板及其制備方法。采用導(dǎo)電基材/樹脂復(fù)合外層與預(yù)浸料中間夾導(dǎo)電添加劑層的內(nèi)層結(jié)構(gòu)來分別制作碳基復(fù)合雙極板的功能層。分層式超薄碳基復(fù)合雙極板能夠減小燃料電池電堆的體積和質(zhì)量，提高比功率，同時(shí)生產(chǎn)工藝難度低，便于批量生產(chǎn)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明第一方面提供一種分層式超薄碳基雙極板，其為夾心狀分層式復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)電添加劑層，導(dǎo)電添加劑層的兩側(cè)由內(nèi)向外分別依次設(shè)置有預(yù)浸料層和導(dǎo)電基材/樹脂復(fù)合層，經(jīng)熱模壓固化在極板表面形成流道結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的流道結(jié)構(gòu)的流道深度小于導(dǎo)電基材/樹脂復(fù)合層的厚度，所述的預(yù)浸料層和導(dǎo)電添加劑層為平面結(jié)構(gòu)。由于取向不同，若預(yù)浸料層參與成型，則會(huì)造成各層間內(nèi)應(yīng)力不平衡，極大地影響極板的平面度。且預(yù)浸料層強(qiáng)度大，流道精密成型性能差。故本發(fā)明只有導(dǎo)電基材/樹脂復(fù)合層參與成型流道結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的預(yù)浸料層為單向碳纖維或單向碳纖維織物的預(yù)浸料，且導(dǎo)電添加劑層兩側(cè)的預(yù)浸料層的取向相互垂直。預(yù)浸料層的面內(nèi)導(dǎo)電性良好，機(jī)械強(qiáng)度高，是一種生產(chǎn)復(fù)合材料的工業(yè)中間材料。利用預(yù)浸料制備分層式超薄碳基復(fù)合雙極板能夠在有效降低雙極板厚度的情況下，保證極板具有良好的抗彎強(qiáng)度，通過比較容易的生產(chǎn)工藝制備超薄雙極板。

單向碳纖維預(yù)浸料或單向碳纖維織物預(yù)浸料具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，并且有利于輔助復(fù)合雙極板的厚度控制，降低超薄復(fù)合雙極板的成型工藝難度。外層采用導(dǎo)電基材/樹脂復(fù)合材料，能夠保證良好的流道成型性能。